CC BY
21
УДК 537.874.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ СЕМЯН ПОДСОЛНЕЧНИКА ПО ОТРАЖЁННОМУ ОТ СОЦВЕТИЙ СВЧ-СИГНАЛУ
© 2013 г. В.Л. Литвищенко, В.С. Кунаков, И.Я. Никифоров
Литвищенко Виталий Леонидович - кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра физики, Донской государственный технический университет, пл. Гагарина, 1, г. Ростов н/Д, 344000, е-mail: kamkot@aaanet. т.
Litvischenko Vitaliy Leonidovich - Candidate of Physical and Mathematical Science, Associate Professor, Department of Physics, Don State Technical University, Gagarin Sq., 1, Rostov-on-Don, 344000, Russia, e-mail: kamkot@aaanet. ru.
Кунаков Виктор Стефанович — доктор технических наук, заведующий кафедрой физики, Донской государственный технический университет, пл. Гагарина, 1, г. Ростов н/Д, 344000.
Kunakov Victor Stefanovich - Doctor of Technical Science, Head of Department of Physics, Don State Technical University, Gagarin Sq., 1, Rostov-on-Don, 344000, Russia.
Никифоров Игорь Яковлевич — доктор физико-математических наук, профессор, кафедра физики, Донской государственный технический университет, пл. Гагарина, 1, г. Ростов н/Д, 344000.
Nikiforov Igor Yakovlevich - Doctor of Physical and Mathematical Science, Professor, Department of Physics, Don State Technical University, Gagarin Sq., 1, Rostov-on-Don, 344000, Russia.
Предложен способ и экспериментально исследована возможность с помощью СВЧ-излучения миллиметрового диапазона, оперативно осуществлять дистанционное определение влажности семян подсолнечника. Создана лабораторная экспериментальная установка для измерения коэффициента отражения электромагнитных волн от соцветий подсолнечника в диапазоне частот 25,86 — 37,5 ГГц. Приведена полученная экспериментальная зависимость указанного коэффициента от величины объёмной влажности семян в соцветии подсолнечника.
Ключевые слова: СВЧ-излучение, измерение влажности, коэффициент отражения, семена подсолнечника, оперативный дистанционный контроль, калибровочная кривая.
The authors proposed the way and experimentally investigated the possibility to operationally accomplish the distance determination of the moisture of sunflower seeds with the aid of microwave radiation of millimeter range. The laboratory experimental device for measuring the coefficient of reflection of electromagnetic waves from sunflower blossom in the frequency range 25,86 — 37,5 GHz is created. Above mentioned the experimentally received dependence of the pointed coefficient on the reflection of the volumetric humidity magnitude of the sunflower blossom is presented.
Keywords: microwave radiation, measurement of humidity, reflection coefficient, sunflower, operational distance control, calibration curve.
В современных технологических процессах агропромышленного комплекса требуются методы и приборы, позволяющие дистанционно осуществлять оперативный контроль влажности широкого круга сельскохозяйственных культур, произрастающих на полях, с целью предоставить возможность сельхозпроизводителю принять оптимальное решение о моменте времени начала и сроках уборки урожая с каждого конкретного поля. Традиционные методы определения влажности с помощью ёмкостных влагомеров не могут справиться с этой задачей. Это приводит [1] к дополнительным затратам на сушку зерна, которые составляют по Ростовской области только для подсолнечника порядка 400 - 500 млн рублей [1], а по всей России порядка 1,5 - 2 млрд рублей в сезон. Приведённые данные относятся только к одной культуре, а с учётом других сельскохозяйственных культур: зерна, кукурузы, рапса и т.д. эта цифра возрастает ещё больше. Оперативно получить информацию о влажности и некоторых других параметрах сельскохозяйственных культур могут позволить методы СВЧ-влагометрии. Рассмотрение нескольких из них приведено в работах [2 - 4]. Однако в этих работах рассматриваются методы определения влажности в уже убранной и подготовленной для переработки сельскохозяйственной продукции. В работах [5 - 7] используются методы пассивной СВЧ-радиометрии, но при проведении этих исследований не ставилась цель определения влажности именно определённой части сельхозкультуры (например, семян подсолнечника). Для сельского хозяйства имеет существенное значение влажность именно материалов, а не всей культуры в целом.
Метод исследования
В данной работе предлагается использовать СВЧ-излучение для дистанционного оперативного определения влажности сельскохозяйственных культур, произ-
растающих непосредственно на полях. Выбор этого диапазона для контроля влажности диктуется диэлектрическими свойствами воды, определяющими высокую чувствительность метода к содержанию влаги.
Метод предполагает проведение двух этапов.
Первый: исследование изменения характеристик электромагнитного поля, взаимодействующего с сельскохозяйственной культурой (например, с соцветием подсолнечника или початком кукурузы). Измеряемыми параметрами могут быть изменение амплитуды прошедшей через влажный материал электромагнитной волны Е, изменение фазы этой волны Ф, коэффициент отражения электромагнитной волны от границы раздела сред воздух-материал Г, плотность потока электромагнитного излучения влажного материала Р.
На втором этапе необходимо выявить связь между изменениями указанных параметров при взаимодействии СВЧ-излучения с сельскохозяйственной культурой (например, соцветиями подсолнечника) и влажностью получаемого из неё зернового материала (семенами подсолнечника).
Эту связь можно определить экспериментально, отслеживая изменение параметров электромагнитного поля после взаимодействия их с соцветиями подсолнечника, а затем ставя ему в соответствие влажность семян подсолнечника, измеренную обычным ёмкостным влагомером. В дальнейшем для этих целей можно использовать после соответствующей адаптации математический аппарат, приведённый в работе [3].
Методика эксперимента
Наиболее удобным для применения на полях представляется исследование зависимости коэффициента отражения Г от зернового материала. В подсолнечнике это семена, находящиеся в соцветии. Для достоверной интерпретации данных необходимо предварительное проведение лабораторных исследований.
В ходе лабораторных исследований определялась зависимость мощности отражённого соцветием подсолнечника СВЧ-сигнала от влажности семян подсолнечника, находящихся в этом соцветии. Измерения производились на частоте ^ = 30 ГГц. Мощность отражённого соцветием сигнала в СВЧ-диапазоне заметно зависит только от расстояния до соцветия, от углов падения и отражения сигнала и от влажности семян подсолнечника [2, 8]. Блок-схема экспериментальной установки для измерения коэффициента отражения Г в диапазоне частот 25,86 - 37,5 ГГц, показана на рис. 1.
Поскольку мощность отражённого СВЧ-сигнала зависит от расстояния до соцветия и от угла падения и отражения от него, для исключения влияния этих эффектов соцветия располагались строго перпендикулярно по отношению к приёмопередающему рупору, а результат измерения представляли в виде отношения коэффициента отражения Г при данной влажности к коэффициенту отражения Г0 при базовой влажности 7 %. Оба этих коэффициента одинаково зависят от расстояния между приёмопередающим рупором и соцветием подсолнечника. Очевидно, что эти коэффициенты одинаково зависят и от угла падения СВЧ-сигнала на соцветие подсолнечника. В ходе эксперимента исследованию подверглось свыше 100 соцветий подсолнечника, полученные средние значения приведены на рис. 2.
Рис. 1. Блок-схема измерительной установки: 1- индикатор
КСВН и ослабления Я2Р-67; 2 - генератор качающейся частоты (ГКЧ); 3 - волноводный переход; 4 - направленный детектор излучённого сигнала; 5 - отражённого;
6 - рупорная приёмопередающая пирамидальная антенна
На указанной установке были проведены экспериментальные исследования. Соцветие подсолнечника устанавливалось на расстоянии около 30 см от приёмопередающего рупора установки. Далее производилось измерение отражённой мощности от указанного соцветия с помощью экспериментальной установки (рис. 1).
После измерения отражения СВЧ-сигнала ёмкостным влагомером «Фауна-М» определялась влажность семян в соцветии. Погрешность определения объёмной влажности (В) при использовании данного оборудования составляла не более 0,5 %.
Для проведения измерений использовали соцветия с влажностью семян от 7 до 16 %, так как именно в этом диапазоне лежит влажность кондиционных семян. Влажность 7 % является базовой при приёмке семян подсолнечника на большинстве элеваторов.
Рис. 2. Экспериментальная зависимость нормированного
по модулю коэффициента отражения СВЧ-излучения (измеренного в децибелах (Дб)) от изменения объёмной влажности (В) семян подсолнечника в соцветии
На рис. 2 по оси ординат отложена объёмная влажность семян подсолнечника В, а по оси абсцисс - отношение модуля коэффициента отражения при данной влажности к модулю коэффициента отражения СВЧ-излучения от соцветия подсолнечника при базовой влажности семян подсолнечника 7 %, измеренное в децибелах (Дб).
Здесь
Г о =
РотрО
Г =
Ротр
Ротр - отра-
Рпад Рпад
женная от объекта мощность СВЧ-излучения; Рпад -мощность излучения, падающая на объект; РотрО -мощность СВЧ-излучения, отражённая от соцветия подсолнечника, при базовой влажности семян подсолнечника 7 %.
Полученные данные показывают, что при изменении влажности семян подсолнечника от 7 до 16 % мощность отражённого СВЧ-сигнала уменьшается примерно на 20 %. Данный факт подтверждает возможность определения влажности семян подсолнечника по изменению мощности сигнала, отражённого от соцветия подсолнечника. Уменьшение мощности СВЧ-сигнала можно объяснить увеличением коэффициента поглощения СВЧ-сигнала при увеличении
влажности материала. Полученную кривую (рис. 2) можно использовать в качестве калибровочного графика, позволяющего по изменению отражённой мощности СВЧ-сигнала относительно отражения от соцветия с базовой влажностью 7 % определять объёмную влажность семян подсолнечника. Если предварительно измерить и ввести в процессор значение отражённого СВЧ-сигнала при базовой влажности при любых возможных углах и расстояниях, то эту калибровочную кривую можно использовать при любых расстояниях между приёмопередающим рупором и соцветием подсолнечника, а также при любых углах падения СВЧ-излучения на соцветие.
Литература
1. Кунаков В.С, Литвищенко В.Л. Методика дистанционного экспрессного исследования влажности сельскохозяйственных культур и материалов, произрастающих на полях, с помощью СВЧ-излучения // Материалы междунар. науч.-практ. конф. 4 - 5 марта 2010 г., г. Ростов н/Д, в рамках 13-й междунар. агропромышленной выставки.
2. Бензарь В.К. Техника СВЧ-влагометрии. Мн., 1974. 349 с.
Поступила в редакцию
3. Лисовский В.В. Теория и практика сверхвысокочастотного контроля влажности сельскохозяйственных материалов. Мн., 2005. 292 с.
4. Лисовский В.В. Современные методы экспрессного измерения влажности сельскохозяйственных материалов // Весщ Нацыянальнай акадэми навук Беларуси 2006. № 2. С. 102 - 107.
5. Головачёв С.П., Чухланцев А.А., Шутко А.М. Экспериментальное исследование СВЧ-излучения посевов с передвижной установки // Тез. докл. XV всесоюз. конф. по распространению радиоволн. М., 1987. С. 408 - 409.
6. Арманд Н.А., Гранков А.Г., Милынин А.А. Возможности и перспективы использования спутниковых СВЧ-ра-диометрических средств дециметрового диапазона для дистанционного зондирования Земли // Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами : материалы Всерос. науч. конф. 20 - 22 июня 2001. Муром, 2001. С. 297 - 301.
7. Гранков А.Г., Милынин А.А., Чухланцев А.А., Шелоба-нова Н.К. Спектральные особенности радиотеплового излучения лесного полога // Тр. LVIX науч. сессии НТОРЭС им. А.С. Попова, 19 - 20 мая 2004 г. Т. 2. М., 2004. С. 146 - 148.
8. Пат. на изобретение № 2438117. Способ определения зерна зерновых сельскохозяйственных культур. В.Л. Литвищенко, В.С. Кунаков. Опубл. 27.12.2011. Бюл. № 36.
14 октября 2013 г.
