RU2704331C1

RU2704331C1 - Automated system for in-line measurement of grain yield

Info

Publication number: RU2704331C1
Application number: RU2019112798A
Authority: RU
Inventors: Андрей Юрьевич Измайлов; Яков Петрович Лобачевский; Сергей Алексеевич Сидоров; Николай Тимофеевич Гончаров; Ирина Ивановна Афонина; Николай Владимирович Мальцев; Екатерина Николаевна Ильченко
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2019-10-28

Abstract

FIELD: agriculture; machine building.SUBSTANCE: invention relates to agricultural machinery and can find application in the harvesting of crops by a grain combine when implementing the technology of precision farming. Automated system for in-line measurement of grain yield includes housing 1, flow divider 2 in form of inclined plane, flow stabilizer 3, measuring chamber 4, capacitive sensor 5, temperature sensor 6 and strain gage 7. Measuring part of the trough flow meter of the common grain flow represents metal string 8 by one end rigidly fixed on the housing wall, and by the other side – on its opposite side by means of collet attachment of screw 9 with nut for string 10 tightening and with the possibility of string tension by means of nut 11, the middle of string 12 is rigidly connected to the end of measuring tray 13, having a point of support on housing 14, two electromagnetic coils for excitation of oscillations of sections of strings 15, 16 are connected to outputs of two amplifiers 17, 18, inputs connected to outputs of two optocouplers, light-emitting diode 19 – phototransistor 20 and light-emitting diode 21 – phototransistor 22 respectively placed in zone of their oscillations.EFFECT: high accuracy of measurements owing to noise immunity at high vibration loads.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к мониторингу урожайности при комбайновой уборке зерновых культур.The invention relates to agriculture, in particular to monitoring yield during harvesting of grain crops.

Известен поточный расходомер зерна серии «Шлейф» (http://plaun-s.ru/SenConsumption.html), входящий в систему автоматического увлажнения зерна «Плаун», представляющий собой лотковый расходомер с электронным преобразователем сигнала тензодатчика в сигнал интерфейса RS485 и компьютер с программным обеспечением для сбора и хранения данных.Known flow meter grain series "Loop" (http://plaun-s.ru/SenConsumption.html), included in the automatic grain humidification system "Plaun", which is a flow meter with an electronic converter of the load cell signal to the RS485 interface signal and a computer with software for collecting and storing data.

Недостатком известного решения является сложность обработки сигнала тензодатчика, большая погрешность и отсутствие поточного измерителя влажности зерна.A disadvantage of the known solution is the complexity of the signal processing of the strain gauge, a large error and the absence of an in-line meter of moisture content of the grain.

Наиболее близким по технической сущности является автоматизированная система поточного измерения урожайности зерна патент RU 2670718 С9 МПК G01F 1/30, 2018 г., который выбран в качестве прототипа.The closest in technical essence is an automated system for in-line measurement of grain yield patent RU 2670718 С9 IPC G01F 1/30, 2018, which is selected as a prototype.

Недостатком известного устройства является высокая стоимость датчиков давления и недостаточная помехоустойчивость.A disadvantage of the known device is the high cost of pressure sensors and lack of noise immunity.

Техническая задачи заключается в повышении помехоустойчивости измерений в условиях сильных вибраций и снижения стоимости при комбайновой уборке зерновых культур.The technical problem is to increase the noise immunity of measurements in conditions of strong vibrations and reduce the cost of the combine harvesting of grain crops.

Техническая задача достигается тем, что автоматизированная система поточного измерения урожайности зерна для технологии точного земледелия, включающая корпус, встраиваемый в падающий поток зерна, разветвитель потока, стабилизатор, измерительную камеру с датчиками влажности, температуры и натуры, лотковый расходомер с электронной системой компенсации налипшей пыли и обработки сигналов датчиков, отличающаяся тем, что измерительная часть лоткового расходомера зерна, выполнена в виде металлической струны, одним концом жестко закрепленной на стенке корпуса, а другим на противоположной его стороне креплением с возможностью ее натяжения, середина струны жестко связана с концом измерительного лотка, имеющего точку опоры на корпусе, образуя две независимые секции, в которых размещены две катушки возбуждения колебаний, подключенные к выходам двух усилителей колебаний, входами соединенных с выходами двух оптопар (фотоприемник-излучатель), размещенных в зоне их колебаний.The technical problem is achieved by the fact that an automated system of continuous measurement of grain yield for precision farming technology, including a housing built into the falling grain stream, a flow splitter, a stabilizer, a measuring chamber with humidity, temperature and nature sensors, a flow meter with an electronic system for compensating sticky dust and sensor signal processing, characterized in that the measuring part of the grain flow meter is made in the form of a metal string, one end is rigidly fixed on the wall of the casing, and with another fastening on the opposite side of it, with the possibility of tensioning it, the middle of the string is rigidly connected to the end of the measuring tray having a support point on the casing, forming two independent sections in which there are two oscillation excitation coils connected to the outputs of two amplifiers oscillations, inputs connected to the outputs of two optocouplers (photodetector-emitter) located in the zone of their oscillations.

Изобретение поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

На чертеже изображена принципиальная схема автоматизированной системы поточного измерения урожайности зерна при комбайновой уборке.The drawing shows a schematic diagram of an automated system for in-line measurement of grain yield during combine harvesting.

Автоматизированная система поточного измерения урожайности зерна для технологии точного земледелия содержит корпус 1, встраиваемый в верхней части загрузочного шнека бункера в падающий поток зерна, разветвитель потока 2, выполненный в виде наклонной плоскости для устранения кинематической энергии падающего зерна и отведения части зерна потока через стабилизатор потока 3 в измерительную камеру 4 с емкостным датчиком влажности 5, датчиком температуры зерна 6 и тензодатчиком натуры 7, измерительная часть лоткового расходомера общего потока зерна представляет металлическую струну 8 одним концом жестко закрепленной на стенке корпуса, а другим на противоположной его стороне с помощью цангового крепления винта 9 с гайкой для затяжки струны 10 и с возможностью натяжки струны с помощью гайки 11, середина струны 12 жестко связана с концом измерительного лотка 13, имеющего точку опоры на корпусе 14, две электромагнитные катушки возбуждения колебаний секций струн 15, 16 подключены к выходам двух усилителей 17, 18, входами соединенных с выходами двух оптопар, светодиод 19 – фототранзистор 20 и светодиод 21 - фототранзистор 22, соответственно размещенных в зоне их колебаний. Сигнальные выходы с усилителей 17, 19 подаются на D и C входы D-триггера 23, выход D-триггера подключен к одному из входов модуля частотного ввода 24, на другой вход модуля частотного ввода подключен выход датчика влажности 5, выход модуля частотного ввода 24 соединен по RS485 интерфейсу с бортовым компьютером 25. По тому же интерфейсу поступает оцифрованный модулем аналогового ввода 26 сигнал с датчика температуры 6 и тензодатчика 7. Бортовой компьютер 25 оснащен навигатором 27, флэш-памятью 28 и GSM/GPRS модемом сотовой связи 29.An automated system for in-line measurement of grain yield for precision farming technology comprises a housing 1, which is integrated in the upper part of the hopper auger into the falling grain flow, a flow splitter 2, made in the form of an inclined plane to eliminate the kinematic energy of the falling grain and to remove part of the flow grain through the flow stabilizer 3 into the measuring chamber 4 with a capacitive humidity sensor 5, a grain temperature sensor 6 and a strain gauge of nature 7, the measuring part of the general flow meter and grain represents a metal string 8 with one end rigidly fixed to the wall of the body, and the other on its opposite side by means of a collet fastening screw 9 with a nut for tightening the string 10 and with the possibility of tensioning the string with the nut 11, the middle of the string 12 is rigidly connected to the end of the measuring tray 13, having a fulcrum on the housing 14, two electromagnetic coils of excitation of vibrations of the string sections 15, 16 are connected to the outputs of two amplifiers 17, 18, inputs connected to the outputs of two optocouplers, LED 19 - phototransistor 20 and LED 21 is a phototransistor 22, respectively placed in the zone of their oscillations. The signal outputs from amplifiers 17, 19 are fed to the D and C inputs of the D-trigger 23, the output of the D-trigger is connected to one of the inputs of the frequency input module 24, the output of the humidity sensor 5 is connected to the other input of the frequency input module, the output of the frequency input module 24 is connected via RS485 interface with the on-board computer 25. The signal from the temperature sensor 6 and the load cell 7 digitized by the analog input module 26 is received via the same interface. The on-board computer 25 is equipped with a navigator 27, a flash memory 28 and a GSM / GPRS cellular modem 29.

Автоматизированная система поточного измерения урожайности зерна для точного земледелия при комбайновой уборке работает следующим образом. An automated system for in-line measurement of grain yield for precision farming during combine harvesting works as follows.

Поток зерна из верхней части загрузочного шнека зерноуборочного комбайна поступает в поточный измеритель урожайности на разветвитель потока, где основной объем по наклонной плоскости 2 отводится на лотковый расходомер, а небольшая часть – в измерительную камеру. Перед измерительной камерой продукт проходит через тормозные жалюзи 2 в стабилизатор потока 3, где он тормозится, успокаивается и стабилизирует плотность и скорость. Уравновешенный по плотности продукт попадает в камеру 4, с емкостным датчиком влажности 5, датчиком температуры зерна 6, а с тензодатчика 7, на котором закреплена камера 4, снимаются показания натуры – веса. Пройдя камеру 4, продукт соединяется с основным потоком и попадает на лотковый расходомер. Возбуждение колебаний двух секций струны 8 осуществляется двумя электромагнитными катушеками 15, 16, двумя усилителями 17, 18 и двумя преобразователями механических колебаний в электрические колебания с помощью двух оптопар (светодиод-фототранзистор) 19, 20 и 21, 22 соответственно. При отсутствии давления потока зерна на лоток, натяжение двух секций струны 8 будет одинаковым и, соответственно, частоты с выходов усилителей 17, 18 также будут равны. Соответственно, на выходе D-триггера вычитания частот 23 будет нулевой сигнал. При давлении на лоток потока зерна натяжение струны 8 в одной секции будет повышаться, а в другой понижаться. В результате на выходе D-триггера вычитания частот 23 появится частота равная разности частот и она будет тем выше, чем больше давление на лоток, начиная с нулевой частоты. Таким образом, количество импульсов поступающих на вход модуля частотного ввода 24 за определенный интервал времени будет прямо пропорционально массе зерна прошедшего через лоток, т.е. The grain flow from the upper part of the loading auger of the combine harvester enters the flow meter for yield on the flow splitter, where the main volume along the inclined plane 2 is diverted to the tray flowmeter, and a small part to the measuring chamber. In front of the measuring chamber, the product passes through the brake louvers 2 into the flow stabilizer 3, where it is braked, calmed and stabilizes the density and speed. The density-balanced product enters the chamber 4, with a capacitive moisture sensor 5, a grain temperature sensor 6, and from the strain gauge 7, on which the chamber 4 is fixed, readings of nature - weight are taken. After passing through chamber 4, the product is connected to the main stream and enters the tray flowmeter. The vibration of two sections of the string 8 is excited by two electromagnetic coils 15, 16, two amplifiers 17, 18 and two converters of mechanical vibrations into electrical vibrations using two optocouplers (LED phototransistor) 19, 20 and 21, 22, respectively. In the absence of pressure of the grain flow on the tray, the tension of the two sections of the string 8 will be the same and, accordingly, the frequencies from the outputs of the amplifiers 17, 18 will also be equal. Accordingly, the output of the D-trigger subtracting frequencies 23 will be a zero signal. When pressure is applied to the grain flow tray, the tension of the string 8 will increase in one section and decrease in the other. As a result, the frequency equal to the frequency difference appears at the output of the D-trigger for subtracting frequencies 23, and it will be the higher, the greater the pressure on the tray, starting from zero frequency. Thus, the number of pulses arriving at the input of the frequency input module 24 for a certain time interval will be directly proportional to the mass of grain passing through the tray, i.e.

m = k⋅n, m = k⋅n,

где m – масса зерна в кг, прошедшая через лоток за определенный интервал времени; n - количество импульсов зарегистрированных модулем за это время; k – коэффициент пропорциональности. where m is the mass of grain in kg, passed through the tray for a certain period of time; n is the number of pulses recorded by the module during this time; k is the coefficient of proportionality.

Компенсация налипшей грязи производится в бортовом компьютере путем вычитания из каждого измеряемых показаний значение показаний при остановке комбайна и отсутствии поступления зерна из загрузочного шнека.Compensation of adhering dirt is carried out in the on-board computer by subtracting the value of the readings from each measured reading when the combine is stopped and there is no grain from the loading auger.

На другой вход модуля частотного ввода 24 поступает частотный сигнал с датчика влажности 5. Оцифрованные значения массы зерна и влажности по RS485 интерфейсу подаются в бортовой компьютер 25. Эти измерения и данные о местоположении комбайна на поле, определяемое навигатором 24, записываются в память компьютера с указанием урожайности на каждом конкретном участке поля, на флэш-память, а также в режиме реального времени передаются по GSM/GPRS модему на сервер диспетчерского центра для составления карты урожайности на каждом участке поля для последующего изучения и выравнивания плодородия почвы.At the other input of the frequency input module 24, a frequency signal is received from the humidity sensor 5. The digitized grain mass and humidity values are transmitted via the RS485 interface to the on-board computer 25. These measurements and the data on the location of the combine in the field determined by the navigator 24 are recorded in the computer’s memory with the indication Yields in each specific area of the field, to flash memory, as well as in real time are transmitted via GSM / GPRS modem to the server of the dispatch center to compile yield maps in each area of the field for subsequent studying and leveling soil fertility.

Для коррекции показаний влажности зерна необходимо измерять температуру и массу. Аналоговые сигналы датчиков температуры 6 и тензодатчика 7 подаются на входы модуля аналогового ввода, откуда значения их показаний в оцифрованном виде по тому же RS485 интерфейсу записываются в память бортового компьютера вместе с показаниями влажности.To correct grain moisture readings, it is necessary to measure temperature and mass. The analog signals of temperature sensors 6 and strain gauge 7 are fed to the inputs of the analog input module, from where the values of their readings are digitized via the same RS485 interface and are recorded in the on-board computer's memory together with the humidity readings.

Такой способ измерения урожайности характеризуется высокой точностью и помехоустойчивостью от вибрационных помех, т.к. колебания секций струны, возбужденные на резонансной частоте с помощью двух автогенераторов состоящий из усилителей, преобразователей и возбудителей механических колебаний будут отфильтровывать все вибрационные помехи, а полезный сигнал, определяемый давлением потока зерна, будет удваиваться.This method of measuring yield is characterized by high accuracy and noise immunity from vibration interference, because vibrations of the string sections excited at the resonant frequency using two oscillators consisting of amplifiers, converters and exciters of mechanical vibrations will filter out all vibrational noise, and the useful signal, determined by the pressure of the grain flow, will double.

Использование системы для решения задачи поточного измерения урожайности зерна повышает точность измерений за счет помехоустойчивости при больших вибрационных нагрузках, снижает стоимость оборудования при оцифровке плодородия полей для последующего дифференцированного внесения удобрений, и, как следствие, повышение урожайности сельскохозяйственных культур и снижение экологической нагрузки на окружающую среду.Using the system to solve the problem of in-line measurement of grain yield increases the accuracy of measurements due to noise immunity at high vibration loads, reduces the cost of equipment when digitizing field fertility for subsequent differentiated fertilizer application, and, as a result, increasing crop yields and reducing the environmental load on the environment.

Claims

An automated system for in-line measurement of grain yield for precision farming technology, including a housing built into the falling grain stream, a flow splitter, a stabilizer, a measuring chamber with humidity, temperature and nature sensors, a flow meter with an electronic system for compensating adherent dust and processing sensor signals, characterized in that the measuring part of the grain flow meter is made in the form of a metal string, one end rigidly fixed to the wall of the body, and the other on the opposite the support side, which can be tensioned, can be tensioned, the middle of the string is rigidly connected to the end of the measuring tray, having a fulcrum on the body, forming two independent sections in which there are two oscillation excitation coils connected to the outputs of two oscillation amplifiers, the inputs connected to the outputs of two optocouplers (photodetector-emitter) located in the zone of their oscillations.