CC BY
6
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ XXXXXXX
4.3.2 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ _И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
Научная статья УДК 631.62
Б01: 10.24412/2227-9407-2022-12-31-42
Исследование процесса высушивания почвы на примере грунта марки «Микропарник»
Максим Юрьевич Егоров1, Галина Сергеевна Корнилова
12Великолукская государственная сельскохозяйственная академия, Великие Луки, Россия 1 egorov.ostrov@live.ru, https://orcid.org/0000-0001-6080-2070 2galinakot110@gmail.comв', https://orcid.org/0000-0002-8145-5589
Аннотация
Введение. Ежегодный рост затрат, направляемых на производство сельскохозяйственной продукции, является актуальной проблемой как для всего сельского хозяйства в целом, так и для теплично-овощных комбинатов в частности. Это связано прежде всего с неэффективными агротехническими методами и способами получения высокого урожая, низкой энергоэффективностью источников дополнительного освещения помещений теплиц и несбалансированным поливом. Например, недостаток воды в почве не позволяет в должной мере полезным элементам и веществам, необходимым для нормального роста, развития и устойчивости к неблагоприятным факторам окружающей среды, передаваться растениям посредством их корневой системы, что приводит к малому урожаю. С другой стороны, переизбыток воды в почве также не приводит к правильному развитию и росту растений, они начинают болеть, например, появляется гниль корней. Эффективным методом решения обозначенной выше проблемы увлажнения грунта под растениями является использование автоматической системы полива, важным и определяющим элементом которой выступают датчики влажности почвы, построенные на том или ином физическом принципе (резистивные, емкостные, инфракрасные и т. д.). Перспективным направлением в развитии подобных автоматических систем можно назвать разработку цифровых интеллектуальных датчиков, способных обеспечивать адаптивность функционирования всей системы, эвристический анализ, интерполяцию и экстраполяцию измеряемых данных. Для наделения указанными возможностями разрабатываемого датчика в его памяти как минимум должна храниться информация хотя бы о приблизительной математической зависимости влажности почвы от времени в процессе её высыхания. В данной статье представлены экспериментальные исследования, целью которых было получение упомянутой зависимости. Материалы и методы. Объектом исследования был выбран грунт марки «Микропарник», произведенный торфопредприятием поселка Майкино Псковской области. Грунтом по 400 г были наполнены три пластиковых контейнера, изготовленных на SD-принтере. Затем почву каждого контейнера увлажнили объемом воды величиной 250 мл, дождались равномерного распределения влаги по образцам почвы и при помощи вольтметра и миллиамперметра (на базе отдельных мультиметров) производили измерения напряжения, поданного на образец почвы, и тока, протекающего через почву, что в итоге позволяло косвенным методом и использованием закона Ома для участка цепи определить сопротивление образца грунта. Для получения эмпирической зависимости использовался способ минимизации функционала метода наименьших квадратов. В качестве данных взяли средние по трем образцам почвы значения сопротивления почвы. В специальной программе Mathcad вычислили вектор искомых значений эмпирических коэффициентов a, b и c для эмпирической зависимости вида Rg(t) = a eb't+c. Предполагаем, что процесс высыхания подчиняется экспоненциальному закону.
© Егоров М. Ю., Корнилова Г. С., 2022
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
31
Вестник НГИЭИ. 2022. № 12 (139). C. 31-42. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2022. № 12 (139). P. 31-42. ISSN 2227-9407 (Print)
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё
lyvMlvMIII^ ELEClRlCAL TECHNOLOGIES, ELEC lRlCAL EQUlPMENl
XXXXXXXX and power supply in the agro-industrial complex XXXXXXXX_
Результаты. В результате обработки опытных данных подтвердилось первоначальное предположение, что процесс высыхания почвы подчиняется экспоненциальному закону, как многие другие естественные процессы, например, радиоактивный распад. На основании этого получили формулу зависимости сопротивления почвы от времени Rg(t) = 1156-е0,302^+490,13, которая позволяет с достаточной точностью вычислять сопротивление почвы в зависимости от дня наблюдения в течение первых 8 дней процесса высыхания почвы от момента увлажнения образца почвы водой, в то время как интервалы полива для большинства культурных комнатных и тепличных растений обычно меньше недели. Вычисленные коэффициенты действительны для марки садового грунта «Микропарник», произведенного Великолукским торфопредприятием.
Обсуждение. В настоящее время существует множество различных датчиков влажности и вместе с тем способов измерения сопротивления почвы. Все датчики и способы так или иначе выполняют одну функцию: доведение при любых сезонах года необходимого для рассады объема воды до оптимальных значений, способствующих нормальному и полноценному развитию выращиваемых растений.
Заключение. Несмотря на разнообразие датчиков влажности почвы, остро стоит вопрос об усовершенствовании уже существующих устройств по критериям энергоэффективности и адаптивности режимов работы.
Ключевые слова: влажность почвы, вода, высыхание почвы, датчик влажности почвы, полив растений, почва, увлажнение почвы, электрическое сопротивление почвы, эмпирическая зависимость
Для цитирования: Егоров М. Ю., Корнилова Г. С. Исследование процесса высушивания почвы на примере грунта марки «Микропарник» // Вестник НГИЭИ. 2022. № 12 (139). С. 31-42. DOI: 10.24412/2227-9407-202212-31-42
Study of soil drying process on the example of soil brand «Microparnik»
Maksim Yu. Egorov1, Galina S. Kornilova2B
12 Velikiye Luk 's state agricultural academy, Velikie Luki, Russia
1 egorov.ostrov@live.ru, https://orcid.org/0000-0001-6080-2070
2 galinakot110@gmail.comЩ https://orcid.org/0000-0002-8145-5589
Abstract
Introduction. The annual increase in the costs allocated to the production of agricultural products is an actual problem both for the entire agriculture in general and for greenhouse and vegetable combines in particular. This is primarily due to inefficient agrotechnical methods and methods of obtaining a high yield, low energy efficiency of sources of additional lighting in greenhouses and unbalanced irrigation. For example, the lack of water in the soil does not allow the useful elements and substances necessary for normal growth, development and resistance to adverse environmental factors to be transmitted to plants through their root system, which leads to a low yield. On the other hand, an overabundance of water in the soil also does not lead to the proper development and growth of plants, they begin to get sick, for example, root rot appears. An effective method of solving the above-mentioned problem of moistening the soil under plants is the use of an automatic irrigation system, an important and determining element of which are soil moisture sensors built on a particular physical principle (resistive, capacitive, infrared, etc.). A promising direction in the development of such automatic systems can be called the development of digital intelligent sensors, spo-capable of ensuring the adaptability of the functioning of the entire system, heuristic analysis, interpolation and extrapolation of the measured data. In order to provide the specified capabilities of the sensor under development, at least information about the approximate mathematical dependence of soil moisture on time during its drying should be stored in its memory. This article presents experimental studies, the purpose of which was to obtain the mentioned dependence. Materials and methods. The object of the study was the soil of the brand «Microparnik», produced by the peat enterprise of the village of Maikino, Pskov region. Three plastic containers made on a 3D printer were filled with 400 g of soil. Then the soil of each container was moistened with a volume of water of 250 ml, they waited for a uniform distribution of moisture across the soil samples and, using a voltmeter and a milliammeter (based on separate multimeters), measured the voltage applied to the soil sample and the current flowing through the soil, which eventually allowed the
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ XXXXXXX
indirect method and the use of Ohm's law for the circuit section to determine resistance of the soil sample. To obtain an empirical dependence, a method of minimizing the functional of the least squares method was used. The average values of soil resistance for three soil samples were taken as data. In a special Mathcad program, we calculated the vector of the desired values of the empirical coefficients a, b and c for an empirical dependence of the form Rg(t) = aeb' t+c. We suggest that the drying process obeys an exponential law.
Results. It turned out that the process of soil drying obeys an exponential law, like many other natural processes, for example, radioactive decay. Based on this, we obtained a formula for the dependence of soil resistance on time Rg(t) = 1156 e0,302'f+490,13 which allows calculating soil resistance with sufficient accuracy depending on the day of observation during the first 8 days of the soil drying process from the moment the soil sample is moistened with water, while watering intervals for most cultivated indoor and greenhouse plants are usually less than a week. The calculated coefficients are valid for the brand of garden soil «Microparnik» produced by Velikiye Luki peat enterprise. Discussion. Currently, there are many different humidity sensors and, at the same time, methods for measuring soil resistance. All sensors and methods somehow perform one function: bringing, at any seasons of the year, the volume of water necessary for seedlings to optimal values that contribute to the normal and full development of cultivated plants. Conclusion. Despite the variety of soil moisture sensors, there is an urgent question of improving existing devices according to the criteria of energy efficiency and adaptability of operating modes.
Keywords: water, plant watering, soil moisture sensor, empirical dependence, soil, soil moisture, soil electrical resistance, soil drying, soil moistening
For citation: Egorov M. Yu., Kornilova G. S. Study of soil drying process on the example of soil brand «Microparnik» // Bulletin NGIEI. 2022. № 12 (139). P. 31-42. DOI: 10.24412/2227-9407-2022-12-31-42
Введение
В Российской Федерации сельское хозяйство играет огромную роль в экономике страны. В 2021 году общий объём экспорта продовольствия и сельхозсырья из России достиг 38 млрд долларов, в связи с этим страна заняла 16-е место в мире по объёму экспорта сельхозпродукции.
Одной из актуальных проблем сельского хозяйства в АПК является обеспечение оптимального уровня влажности почвы в процессе выращивания растений. Затраты, направленные на выращивание овощной продукции и сельскохозяйственных культур в целом, увеличиваются. Это связано, прежде всего, с низкой базой сельхозтехники, устаревшими теплицами и неприменением новейших технологий выращивания рассады.
В бытовых условиях у растениеводов-любителей становится актуальным применение технических способов измерения влажности почвы, а в промышленности уже давно подобные технологии применяются. При разработке интеллектуальных цифровых датчиков особое значение имеет обеспечение функции адаптивности и возможности эвристического анализа. Для этого в памяти датчика должна храниться информация о математической зависимости влажности почвы от времени в процессе её высыхания. Необходимо также знать задерж-
ку, которую необходимо прописать в программном коде, хранящемся в памяти цифрового датчика, для исключения ложных срабатываний датчика влажности почвы в момент самого процесса увлажнения почвы с учетом естественной скорости распределения влаги в ней.
На территории Российской Федерации четко выделяются дерново-подзолистые, черноземы, серые лесные, каштановые и другие типы почв. В независимости от природных зон все типы почв имеют схожие физико-химические свойства [1; 2; 3].
Влажность почвы является определяющим фактором правильной жизнедеятельности растений. Вода, будучи хорошим растворителем, способствует транспорту к корням растений минеральных веществ в усвояемой форме [4; 5]. Кроме того, она является необходимым элементом для фотосинтеза. Под действием энергии света в хлоропластах из неорганических ( С О 2 и Н 20 ) веществ образуются кислород ( ), как побочный продукт реакции, и органическое вещество - глюкоза ( Сб/^ 2 О б ). Данный процесс описывается следующей формулой:
6 С О2 + 6 #2О - ( С6 #1 2О б) + О2. ( 1 )
Очевидна опасность и вполне предсказуем вред [6]. При недостатке воды в почве начинается увядание растений - листья поникают и становятся вялыми, замедляются физиологические процессы,
i electrical technologies, electrical equipment
AND POWER SUPPLY IN THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
приостанавливаются рост и развитие. Если почва так и останется сухой, последствия длительного недостатка воды могут оказаться катастрофическими для растительного организма.
Переувлажнение растений приводит к таким заболеваниям, как гниль кроны и корней, а также к накоплению углекислого газа, органической кислоты и прочих ядовитых для корней органических продуктов. При избытке воды в почве развивается более короткая корневая система. В то же самое время при достатке воды растение более устойчиво к сорнякам и насекомым-вредителям, легче справляется с высокими температурами окружающего воздуха, проблемами плодородия почвы и отсутствия питательных веществ в ней.
Однако в природе встречаются виды растений, которые запасают воду (суккуленты, например, семейство кактусовые) и не запасают, например, комнатные растения (папоротник). Связано это с их обитанием в различных природно-климатических зонах.
Эффективным методом решения обозначенной выше проблемы обеспечения нормативной влажности грунта под растениями является использование автоматической системы полива, важным и определяющим элементом которой выступают датчики влажности почвы, построенные на том или ином физическом принципе. В настоящее время существующие датчики базируются на трех физических свойствах почвы: электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость, излучающая способность в инфракрасном диапазоне [7].
Рассмотрим кратко возможные реализации датчиков.
Принцип работы резистивных датчиков заключается в том, что грунт имеет способность проводить электрический ток, то есть почва обладает определенным электрическим сопротивлением. Оно характеризуется величиной удельного электрического сопротивления (р, О м ■ м ), которое находится по следующей формуле [8; 9; 10; 11; 12]:
р = Т' (2)
где К - полное электрическое сопротивление образца грунта, Ом; 5 - площадь поперечного сечения образца, ; - длина образца, м.
Зависимость электрического сопротивления от влажности для капиллярно-пористых тел [13] имеет вид
где - постоянные величины, которые для каждого материала находятся экспериментально); -влажность материала, %.
На электропроводность грунта влияют следующие факторы [14]:
1) тип почвы и уровень её влажности (почва из глины имеет самую большую проводимость, в том время как песок - низкую);
2) глубина грунта (на верхнем слое грунта наблюдается повышение его электропроводности);
3) температура (при низких температурах проводимость почвы уменьшается).
Резистивный датчик не учитывает электролизные свойства почвы. Показания прибора могут быть разными при одной и той же влажности грунта, но с разной кислотностью или содержанием солей, поэтому в общем случае сопротивление при той же влажности и прочих равных физических параметрах будет различаться у разных марок садовых грунтов.
Емкостной метод основан на том, что изменение влажности капиллярно-пористых тел приводит к существенному изменению их диэлектрической проницаемости. Безразмерная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз электрическая сила, действующая на любой заряд в данной среде, меньше, чем в вакууме.
Диэлектрическая проницаемость £ находится по формуле [15]:
£ = т ( 4 )
где - напряженность электрического поля в
вакууме и в диэлектрике соответственно, В/м.
У сухого грунта с повышением температуры диэлектрическая проницаемость возрастает (при влажности уменьшается), а с увеличением частоты тока диэлектрическая проницаемость уменьшается. Диэлектрическая проницаемость почвы в утрамбованном состоянии составляет £ = 5-11, воды £ = 80 [15].
Датчик влажности почвы, работающий по емкостному методу, обычно представлен в виде штыря. Достоинствами данных датчиков являются их долгий срок службы, удобство эксплуатации, высокая эффективность работы за счет экономии расхода воды в автоматических системах полива растений, где эти датчики применяются.
Бесконтактные инфракрасные влагомеры построены на том, что излучающая способность почвы в инфракрасном диапазоне изменяется в зависи-
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ X
мости от её влажности. Преимуществом таких датчиков является малое количество замеров для получения точного и достоверного результата. Зона измерения не носит точечного характера.
Подводя итог вышесказанному, можно сказать, что только использование оптимального для того или иного вида растений режима влажности почвы даёт устойчивое и стабильное их развитие, а этого можно добиться только с использованием автоматических систем полива или оповещения о необходимости произведения такового.
Материалы и методы
На кафедре «Механизация животноводства и применение электрической энергии в сельском хозяйстве» Великолукской ГСХА в марте-апреле 2022 г. исследовали зависимость сопротивления почвы от времени в процессе ее высыхания. Объектом исследования был грунт марки «Микропарник», имеющий кислотность 6-7 pH, содержащий 150-250 мг/кг азота, 300-400 мг/кг водорастворимого фосфора и 350-450 мг/кг водорастворимого калия. Имеющийся в данном грунте питательный раствор обогащает полезными элементами корни растений.
Для обеспечения необходимой повторности эксперимента применили три контейнера с образцами почвы. Емкости размером 55*155*65 мм были
сформованы из пластика SD-принтером марки Ender 5. Исследуемую почву разложили в три контейнера по 400 г в каждый. В контейнеры по торцам помещены электроды, сделанные из полосы нержавеющей стали, размер электродов 52*3*85 мм, в том числе 65 мм высоты электродов было перекрыто непосредственно грунтом. Нержавеющая сталь в качестве материала для электродов была выбрана из соображений сохранности электродов в агрессивной для обычных металлических сплавов и металлов почвенной среде.
На рисунке 1 представлена фотография экспериментальной установки со всем необходимым электроизмерительным оборудованием, а на рисунке 2 - принципиальная электрическая схема подключения контейнеров с образцами почвы в составе экспериментальной установки. Необходимость в последовательном соединении микроамперметра и цифрового мультиметра в режиме миллиамперметра продиктована тем, что в процессе эксперимента может потребоваться измерять токи разного порядка - от десятков микроампер до единиц миллиампер. Для защиты от перегрузки микроамперметра при токах порядка единиц миллиампер в схеме используется шунтирующий переключатель, создающий обходной путь для тока.
Рис. 1. Оборудование для измерения силы тока: 1 - контейнеры с почвой; 2 - переключатели; 3 - микроамперметр; 4 - цифровой мультиметр в режиме миллиамперметра; 5 - цифровой мультиметр в режиме вольтметра; 6 - регулируемый блок питания постоянного тока Fig. 1. Current measuring equipment: 1 - containers with soil; 2 - switches;
3 - microampere meter; 4 - digital multimeter in milliammeter mode; 5 - digital multimeter in voltmeter mode; 6 - adjustable DC power supply Источник: разработано авторами статьи
electrical technologies, electrical equipment and power supply in the agro-industrial complex
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема подключения контейнеров с образцами почвы в составе экспериментальной установки: 1 - цифровой мультиметр в режиме вольтметра; 2 - цифровой мультиметр в режиме миллиамперметра; 3 - микроамперметр; 4 - переключатели; 5 - контейнеры с грунтом Fig. 2. Schematic electrical diagram of connection of containers with soil samples as part of an experimental installation: 1 - digital multimeter in voltmeter mode; 2 - digital multimeter in milliammeter mode; 3 - microammeter; 4 - switches; 5 - containers with soil Источник: разработано авторами статьи
Целью эксперимента было получение эмпирической зависимости сопротивления почвы марки «Микропарник» производителя «Великолукское торфопредприятие» от времени в процессе высыхания грунта. Опыт выполнялся следующим образом: заранее увлажнили каждый контейнер путем добавления 250 мл воды. С 25 марта по 1 апреля 2022 года измеряли силу тока в каждом контейнере в одно и то же время, а также напряжение на зажимах контейнеров, затем по закону Ома для участка цепи вычисляли сопротивление.
Для получения эмпирической зависимости будет использоваться способ минимизации функционала метода наименьших квадратов. Суть этого способа заключается в следующем. Экспериментальным путем получают набор значений какой-либо величины, соответствующих конкретным заранее заданным значениям одного или нескольких варьируемых факторов [16]. Этот набор значений
образует массив числовых данных. В нашем случае в качестве искомого массива будет массив значений среднего сопротивления трех одинаковых образцов исследуемой почвы в зависимости от порядкового номера дня проведения эксперимента. Нумерация дней осуществляется от нуля, то есть первый день эксперимента - это день под нулевым номером. Затем в виде точек на плоскости или в пространстве (в зависимости от того, одномерный массив или двумерный) полученные данные изображаются графически и производится их визуальный анализ на предмет предварительного установления математического вида исследуемой эмпирической зависимости, которая может иметь, например, линейный, показательный, экспоненциальный, логарифмический или полиномиальный вид.
В таблице 1 показаны полученные экспериментально данные для расчета сопротивления и результаты расчета.
Таблица 1. Данные эксперимента и результаты расчетов Table 1. Experimental data and calculation results
№ Дата / Date h h h Ri Rz ^cp ^cp
0 25 марта / March 25 12,04 12,31 11,6 1569,77 1535,34 1629,31 11,98 1578,14
1 26 марта / March 26 9,57 8,98 8,49 1980,15 2110,24 2232,04 9,01 2107,48
2 27 марта / March 27 8,35 6,99 6,18 2269,46 2711,02 3066,34 7,17 2682,27
3 28 марта / March 28 6,5 5,26 5,17 2913,85 3600,76 3663,44 5,64 3392,68
4 29 марта / March 29 5,57 3,83 3,9 3400,36 4945,17 4856,41 4,43 5631,23
5 30 марта / March 30 4,65 2,86 3,06 4075 6625,87 6192,81 3,52 5631,23
6 31 март / March 31 3,45 2,21 2,28 5489,86 8570,14 8307,02 2,65 7455,67
7 1 апреля / April 1st 2,5 1,8 1,55 7572 10516,67 12212,9 1,95 10100,52
Источник: составлено авторами на основании исследований
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ X
Далее делается гипотеза о том, что исследуемая эмпирическая зависимость имеет вид af(bx)+c, где f(x) - предполагаемая математическая функция, наиболее близко соответствующая исследуемой зависимости, a, b и c - эмпирические коэффициенты, которые подлежат вычислению посредством способа минимизации функционала метода наименьших квадратов (количество указанных коэффициентов определяется структурой математической функции и особенностями изучаемого процесса или явления; в данном случае для примера взяты три коэффициента). В итоге составляется функционал следующего вида, в котором отыскиваемые эмпирические коэффициенты уже выступают в качестве независимых переменных:
F(a, Ь, с) = Ef= Ä - а, Ь, с))2, (5) где N - количество опытных данных (результатов измерений), шт.; M - массив результатов измерений исследуемой величины (Mi - конкретное значение элемента массива M с номером i); X - массив значений варьируемого фактора (Xi - конкретное значение элемента массива X с номером i); i - счетный индекс; a, b и c - подлежащие определению эмпирические коэффициенты.
Полученный функционал подвергается оптимизации по критерию минимума его значения (минимизации) с использованием численных методов решения экстремальных задач на базе программы для математических вычислений Mathcad [17; 18]. Результатом вычислений будет вектор искомых значений эмпирических коэффициентов a, b и c.
Результаты
На основе имеющихся экспериментальных данных получим эмпирическую зависимость с использованием ранее описанного способа минимизации функционала метода наименьших квадратов. Обозначим искомую зависимость среднего значения сопротивления опытных образцов почвы Rg от времени t, выраженного в днях, через Rg(t), массив значений результатов измерений через R, а массив номеров соответствующих им дней эксперимента через T. Изобразим на плоской системе координат точки, ординаты которых равны значениям соответствующих элементов массива R, а абсциссы - значениям соответствующих элементов массива T, и далее проведем визуальный анализ их взаимного расположения. Видимое на рисунке 3 сочетание положений точек может с большой вероятностью соответствовать либо квадратичной зависимости (или
в общем случае описываться неким полиномом), либо показательной зависимости, одним из частных случаев которой является экспоненциальная зависимость.
Как показывает развитие инженерно-физической науки, большинство процессов естественного происхождения (например, заряд/разряд электрического конденсатора, нагрев/охлаждение физических тел, радиоактивный распад) подчиняется экспоненциальному закону. Поэтому в случае нашего исследования целесообразно предположить, что и процесс высыхания почвы также подчиняется вышеупомянутому закону, то есть искомая зависимость будет иметь, предположительно, следующий вид:
Rg(t) = aeb ■ 4c, (6)
где a, b, c - подлежащие определению эмпирические коэффициенты; t - время высыхания почвы, выраженное в днях.
Тогда функционал метода наименьших квадратов будет записан так:
F(a,b,c)=ZlЛЯг - Яв(7-,а,Ь ,с ))2, (7) где количество обрабатываемых экспериментальных данных N = 8.
В результате минимизации данного функционала численным методом с использованием программы Mathcad получаем, что эмпирические коэффициенты будут иметь следующие значения: a = 1156; b = 0,302; c = 490,13.
Таким образом, искомая эмпирическая зависимость среднего значения сопротивления опытных образцов почвы Rg от времени t, выраженного в днях, будет выглядеть следующим образом:
Rg(t) = 1156e°, 302■ 4490,13. (8)
На рисунке 3 изображена кривая, соответствующая выражению для зависимости Rg(t). Видно, насколько близко кривая проходит возле полученных в результате эксперимента точек. Следует уточнить, что данная формула позволяет с достаточной точностью вычислять сопротивление почвы в зависимости от дня наблюдения в течение первых 8 дней процесса высыхания почвы от момента увлажнения образца почвы водой, в то время как интервалы полива для большинства культурных комнатных и тепличных растений обычно меньше недели. Вычисленные коэффициенты действительны для марки садового грунта «Микропарник» производителя Великолукское торфопредприятие.
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if ТРГНМП!nfiiFS FI РГТШГЛ! РПШРМРМТ^^^^^^Ч^Ч^^
lyvMlvMIII^ ELEClRlCAL TECHNOLOGIES, ELEC lRlCAL EQUlPMENl
XXXXXXXX and power supply in the agro-industrial complex XXXXXXXX
(,T
Рис. 3. График зависимости сопротивления почвы от времени в процессе её высыхания Fig. 3. Graph of the dependence of soil resistance on time during its drying Источник: разработано авторами на основании исследований
Обсуждение
В настоящее время существует множество различных датчиков влажности и вместе с тем способов измерения сопротивления почвы [19; 20; 21; 22]. Все датчики и способы так или иначе выполняют одну функцию: доведение при любых сезонах года необходимого для рассады объема воды до оптимальных значений, способствующих нормальному и полноценному развитию выращиваемых растений.
Результатом данного исследования стало получение формулы, показывающей, что процесс высыхания почвы со временем подчиняется экспоненциальному закону. С использованием полученной зависимости есть возможность и перспективы для дальнейшей разработки в дальнейшем интеллектуального цифрового датчика влажности почвы, способного обеспечивать адаптивность функционирования всей системы автоматического полива или оповещения о необходимости такового, эвристический анализ, интерполяцию и экстраполяцию измеряемых данных. За счет возможности предугадывания сопротивления почвы и соответствующего ему уровня влажности через опреде-
ленный промежуток времени исключается необходимость частой подачи тестового напряжения на электроды, погруженные в почву, что позволяет в перспективе разработать экономичный в плане энергопотребления датчик.
Если из формулы (8) выразить время t с учетом, что нам заранее известно сопротивление почвы Rg, соответствующее критическому уровню ее влажности, то получается следующее соотношение, позволяющее оценить время от момента полива до примерного момента необходимости полива:
£ = 3,3 1 1-1 п(^). (9)
В итоге алгоритм функционирования датчика может быть следующий: датчик будет иметь информацию о критическом значении сопротивления почвы, при котором нужен полив; далее производится подсчет времени по формуле (9), затем выполняется отсчет времени в режиме ожидания и при завершении отсчета выполняется контрольное измерение сопротивления почвы; если результат измерения близок к ожидаемому критическому значению, значит, подается сигнал, инициирующий полив автоматической системой или сообщающий человеку о необходимости полива в данный момент времени.
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ X
Заключение
1. Обеспечение оптимального уровня влажности почвы при выращивании растений является актуальной задачей, так как способствует сохранности, нормальному развитию и большей урожайности сельскохозяйственных культур, что напрямую влияет на прибыль растениеводческих предприятий и теплично-овощных комбинатов.
2. Только применение автоматических систем полива растений или оповещения о необходимости полива в конкретный момент времени способно с достаточной точностью и надежностью обеспечивать необходимый уровень влажности почвы под растением.
3. При разработке интеллектуальных цифровых датчиков особое значение имеет обеспечение функции адаптивности и возможности эвристического анализа, для чего в памяти датчика должна храниться информация о математической зависимо-
сти влажности почвы от времени в процессе её высыхания.
4. Было установлено, что процесс высыхания почвы со временем подчиняется экспоненциальному математическому закону.
5. В результате экспериментального исследования получена формула, которая описывает изменение сопротивления садового грунта марки «Микропарник», производимого торфопредприятием города Великие Луки, со временем, выраженным в днях, в процессе высыхания и имеет следующий вид:
Rg(t) = 1156е 030 2' 4490,13.
6. Полученная зависимость позволяет с достаточной точностью вычислять сопротивление почвы в зависимости от дня наблюдения в течение первых 8 дней процесса высыхания почвы от момента увлажнения образца почвы водой, в то время как интервалы полива для большинства культурных комнатных и тепличных растений обычно меньше недели.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Сапаров А. С. Почвоведение Республики Казахстан и перспективы его развития // Вестник Кыргызского национального аграрного университета им. К. И. Скрябина. 2017. № 2 (43). С. 24-26.
2. Домнина О. А. Почвоведение. Методы исследований в почвоведении // Наука: прошлое, настоящее, будущее. Уфа. С. 149-150.
3. Waite P. A., Schuldt B., Mathias Link R. Soil moisture regime and palm height influence embolism resistance in oil palm // Tree Physiology. 2019. V. 39. Issue 10. P. 1696-1712. DOI 10.1093/treephys/tpz061
4. Подлипнов В. В., Щедрин В. Н., Бабичев А. Н. Экспериментальное определение влажности почвы по гиперспектральным изображениям // Компьютерная оптика. 2018. № 5. С. 877-884.
5. Никулин И. С., Мишунин М. В., Никуличева Т. Б., Бородавкин И. Г., Титенко А. А. Экспериментальная оценка влияния влажности и типа обработки почвы на уплотняемость при механическом воздействии // Достижения науки и техники АПК. 2020. Т. 34. № 12. С. 61-65.
6. Minkina T. M., M andzhieva S. S., Motuzova G. V., Nazarenko O. G. Ecological resistance of the soil-plant system to contamination by heavy metals // Journal of Geochemical Exploration. 2012. V. 123. P. 33-40.
7. Попов А. Н., Гордеев А. С. Экспериментальная установка для исследования инфракрасных сигналов почвы различной влажности // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2013. № 4. С. 91-94.
8. Субботина М. Г., Хорхе Батье-Салес. Об электропроводности почв в современных исследованиях // Пермский аграрный вестник. 2013. № 3 (3). С. 28-33.
9. Железова С. В., Самсонова В. П. Пространственная неоднородность электрического сопротивления почвы и ее связь с урожайностью ячменя в полевом опыте центра точного земледелия // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2014. № 6. С. 79-83.
10. Изотов А. М., Тарасенко Б. А., Дударев Д. П. Элементы плодородия и урожайность озимой пшеницы в связи с удельным электрическим сопротивлением почвы // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2015. № 5. С. 35-38.
11. Сизов И. В., Кондрашов В. А. Некоторые особенности сопротивления почвы при ее проколе иглами бороны // Конкурентоспособность и инновационная активность АПК регионов. Тверь. 2018. С. 214-217.
12. Левшин М. В. Взаимосвязь частоты электрического сигнала и удельного сопротивления при электрофизическом подходе оценки свойств почв гумидной зоны // Вестник НГИЭИ. 2020. № 10. С. 33-42.
Вестник НГИЭИ. 2022. № 12 (139). C. 31-42. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2022. № 12 (139). P. 31-42. ISSN 2227-9407 (Print)
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё
lyvMlvMIII^ ELEClRlCAL TECHNOLOGIES, ELEClRlCAL EQUlPMENl
XXXXXXXX and power supply in the agro-industrial complex XXXXXXXX_
13. Корнилова Г. С., Егоров М. Ю. Анализ датчиков влажности почвы для систем автоматического полива // Актуальные проблемы науки в области АПК. Великие Луки. 2021. С. 28-31.
14. Horvath A., Bidlo A., Bolodar-Varga B. A complex soil ecological approach in a sustainable urban environment: Soil properties and soil biological quality // Minerals. 2021. V. 11. № 7. DOI 10.3390/min11070704.
15. Бобков А. В., Егоров Ю. В., Кириченко А. В., Судницын И. И. Влияние структуры почв на их электрические свойства // Почвоведение. 2013. № 3. С. 315-321.
16. Лисин С. К. Федотов А. И. Нелинейные модели приближенных вычислений в задачах обработки данных // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2011. № 2 (123). С. 343-346.
17. Садков К. О., Часов К. В. Применение математического редактора Mathcad для численного решения уравнений // Студенческий научный форум. Саратов. 2017. С. 2017040545.
18. Мукушев Б. А. Пакет прикладных программ Mathcad // Вестник науки Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина. 2022. № 2-2 (113). С. 197-202.
19. Турчанин О. С., Щебетеев В. А., Коваленко Ю. А. Совершенствование устройств для измерений сопротивления грунта // Colloquium-Journal. 2019. № 24-2 (48). С. 147-148.
20. Ракитин Н. А. Обзор технических средств для измерения удельного сопротивления почвы // Электрооборудование и электротехнологии в сельском хозяйстве. Кинель. 2021. С. 20-24.
21. Баев И. В. Методика измерения сопротивления контакта подвижного заглубленного электрода с почвой при электропрополке // Стратегические ориентиры инновационного развития АПК в современных экономических условиях. Волгоград. 2016. С. 344-348.
22. Бурков Л. Н. Патент 2481575 C2 РФ. Способ измерения продольного сопротивления почвы рабочим органам с-х машин; заявл. 22.07.2011; опубл. 10.05.2013.
Статья поступила в редакцию 7.09.2022; одобрена после рецензирования 10.10. 2022;
принята к публикации 12.10.2022.
Информация об авторах: М. Ю. Егоров - к.т.н., доцент, Spin-код: 3327-5599; Г. С. Корнилова - магистрант, преподаватель, Spin-код: 7551-2052.
Заявленный вклад авторов:
Егоров М. Ю. - научное руководство, формулирование основной концепции исследования, критический анализ и доработка текста.
Корнилова Г. С. - подготовка текста статьи, верстка и форматирование работы, сбор и обработка материалов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Saparov A. S. Pochvovedeniye Respubliki Kazakhstan i perspektivy yego razvitiya [Soil scince of the republic of Kazakhstan and prospects of its development], Vestnik Kyrgyzskogo nationalnogo grarnogo niversitety K. I. Scriabina [Bullitin of the Kyrgyz National Agrarian University K. I. Scriabina], 2017, No. 2 (43), pp. 24-26.
2. Domnina O. A. Pochvovedeniye. Metody issledovaniy v pochvovedenii. [Soil science. Research methods I soil science], Nauka: proshloye, nastoyashcheye, budushcheye [Science: past, present, future], Ufa, pp. 149-150.
3. Waite P. A., Schuldt B., Mathias Link R. Soil moisture regime and palm height influence embolism resistance in oil palm, Tree Physiology, 2019, Vol. 39, Issue 10, pp. 1696-1712.
4. Podlinov V. V., Shchedrin V. N., Babichev A. N. Eksperimental noye opredeleniye vlazhnosti pochvy po gi-perspektral nym izobrazheniya [Experimental determination of soil moisture from hyperspectral images], Kompyuternaya optika [Computer optics], 2018, No. 5, pp. 877-884.
5. Nikulin I. S., Mishunin M. V., Nikulicheva T. B., Borodavkin I. G., Titenko A. A. Eksperimental'naya ocenka vliyaniya vlazhnosti i tipa obrabotki pochvy na uplotnyaemost' pri mekhanicheskom vozdej stvii [Experimental evalua-
40
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX XXXXXXX и энергоснабжение в агропромышленном комплексе XXXXXXX
tion of the effect of humidity and type of tillage on compaction under mechanical action], Dostizheniya nauki i tekhni-ki APK [Achievements of science and technology of agriculture], 2020, Vol. 34, No. 12, pp. 61-65.
6. Minkina T. M., Mandzhieva S. S., Motuzova G. V., Nazarenko O. G. Ecological resistance of the soil-plant system to contamination by heavy metals, Journal of Geochemical Exploration, 2012, Vol. 123, pp. 33-40. DOI 10.1016/j.gexplo.2012.08.021.
7. Popov A. N., Gordeyev A. S. Eksperimental'naya ustanovka dlya issledovaniya infrakrasnykh signalov pochvy razlichnoy vlazhnosti [Experimental setup for the study of infrared signals of soils of different moisture content], Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekh-nologiy [Bulletin of the Voronezh State University of Engineering Technologie], 2013, No. 4, pp. 91-94.
8. Subbotina M. G., Jorge Batier-Sales. Ob elektroprovodnosti pochv v sovremennykh issledovaniyakh [On the electrical conductivity of soils in modern research], Permskiy agrarnyy vestnik [Perm agrarian bulletin], 2013, No. 3 (3), pp. 28-33.
9. Zhelezova S. V., Samsonova V. P. Prostranstvennaya neodnorodnost' elektricheskogo soprotivleniya poch-vy i yeye svyaz' s urozhaynost'yu yachmenya v polevom opyte tsentra tochnogo zemledeliya [Spatial heterogeneity of the electrical resistance of the soil and its connection with the yield of barley in the field experiment of the center of precision farming], Vestnik Altaysko-go gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of the Altai State Agrarian University], 2014, No. 6, pp. 79-83.
10. Izotov A. M., Tarasenko B. A., Dudarev D. P. Elementy plodorodiya i urozhaynost' ozimoy pshenitsy v svyazi s udel'nym elektricheskim soprotivleniyem pochvy [Elements of fertility and productivity of winter wheat in connection with the specific electrical resistance of the soil], Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Proceedings of the Orenburg State Agrarian University], 2015, No. 5, pp. 35-38.
11. Sizov I. V., Kondrashov V. A. Nekotoryye osobennosti soprotivleniya pochvy pri yeye prokole iglami bo-rony [Some features of soil resistance when it is punctured by harrow needles], Konkurentosposobnost' i innovatsionnaya ak-tivnost' APK regionov [Competitiveness and innovative activity of the AIC of regions]. Tver, 2018, pp. 214-217.
12. Levshin M. V. Vzaimosvyaz' chastoty elektricheskogo signala i udel'nogo soprotivleniya pri elektrofi-zicheskom podkhode otsenki svoystv pochv gumidnoy zony [Correlation between the frequency of an electrical signal and resistivity in the electrophysical approach to assessing the properties of soils in the humid zone], Vestnik NGIEI [Bulletin NGIEI], 2020, No. 10, pp. 33-42.
13. Kornilova G. S., Egorov M. Yu. Analiz datchikov vlazhnosti pochvy dlya sistem avtomaticheskogo poliva [Analysis of soil moisture sensors for automatic irrigation systems], Aktual'nyye problemy nauki v oblasti APK [Actual problems of science in the field of agrarian and industrial complex]. Velikiye Luke, 2021, pp. 28-31.
14. Horvath A., Bidlo A., Bolodar-Varga B. A complex soil ecological approach in a sustainable urban environment: Soil properties and soil biological quality,Minerals [Minerals], 2021, Vol. 11, No. 7.
15. Bobkov A. V., Egorov Yu. V., Kirichenko A. V., Sudnitsyn I. I. Vliyaniye struktury pochv na ikh elek-tricheskiye svoystva [Influence of soil structure on their electrical properties], Pochvovedeniye [Eurasian Soil Science], 2013, No. 3, pp. 315-321.
16. Lisin S. K., Fedotov A. I. Nelineynyye modeli priblizhennykh vychisleniy v zadachakh obrabotki dannykh [Nonlinear models of approximate computations in data processing problems], Nauchno-tekhnicheskiye vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politekhnicheskogo universiteta [Scientific and technical statements of the St. Petersburg State Polytechnic University], 2011, No. 2 (123), pp. 343-346.
17. Sadkov K. O., Chasov K. V. Primeneniye matematicheskogo redaktora Mathcad dlya chislennogo resheniya uravneniy [Application of the mathematical editor Mathcad for the numerical solution of equations], Studencheskiy nauchnyy forum [Student Scientific Forum. Saratov], 2017, pp. 2017040545.
18. Mukushev B. A. Paket prikladnykh programm Mathcad [Application software package Mathcad], Vestnik nauki Kazakhskogo agrotekhnicheskogo universiteta im. S. Seyfullina [Bulletin of Science of the Kazakh Agrotechnical University named after S. Seifullin], 2022, No. 2-2 (113), pp. 197-202.
19. Turchanin O. S., Shchebeteev V. A., Kovalenko Yu. A. Shchebeteyev V. A., Kovalenko Yu. A. Sovershenstvovaniye ustroystv dlya izmereniy sopro-tivleniya grunta [Improvement of devices for measuring soil resistance], Colloquium-Journal [Colloquium-Journal], 2019, No. 24-2 (48), pp. 147-148.
Вестник НГИЭИ. 2022. № 12 (139). C. 31-42. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2022. № 12 (139). P. 31-42. ISSN 2227-9407 (Print)
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё
lyvMlvMIII^ ELEClRlCAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUlPMENl
XXXXXXXX and power supply in the agro-industrial complex XXXXXXXX_
20. Rakitin N. A. Obzor tekhnicheskikh sredstv dlya izmereniya udel'nogo soprotivleniya pochvy [Review of technical means for measuring soil resistivity], Elektro-oborudovaniye i elektrotekhnologii v sel'skom khozyaystve [Electrical equipment and electrical technologies in agriculture], Kinel, 2021, pp. 20-24.
21. Baev I. V. Metodika izmereniya soprotivleniya kontakta podvizhnogo zaglublennogo elektroda s pochvoy pri elektropropolke [Method of measuring the contact resistance of a movable buried electrode with soil during electric weeding], Strategicheskiye oriyentiry innovatsionnogo razvitiya APK v sovremennykh eko-nomicheskikh usloviyakh [Strategic guidelines for innovative development of the agro-industrial complex in modern economic conditions]. Volgograd, 2016, pp. 344-348.
22. Burkov L. N. Patent 2481575 C2 RF. Sposob izmereniya prodol'nogo soprotivleniya pochvy rabochim or-ganam s-kh mashin; zayavl [A method for measuring the longitudinal resistance of the soil to the working bodies of agricultural machines], zayavl. 07.22.2011; opubl. 05.10.2013.
The article was submitted 7.09.2022; approved after reviewing 10.10.2022; accepted for publication 12.10.2022.
Information about the authors: M. Yu. Egorov - Ph. D. (Engineering), associate professor of the chair «Mechanization of livestock production and use of the electric power in agriculture», Spin-code: 3327-5599; G. S. Kornilova - undergraduate, teacher, Spin-code: 7551-2052.
Contribution of the authors:
Egorov M. Yu. - research supervision, developed the theoretical framework, critical analyzing and editing the text. Kornilova G. S. - writing of the draft, made the layout and the formatting of the article, collection and processing of materials.
The authors declare no conflicts of interest.
