СУЧАСНІ ВИМІРЮВАЧІ ЩІЛЬНОСТІ ҐРУНТУ: ЇХ ОГЛЯД ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАСТОСУВАННЯ УЛЬТРАЗВУКУ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРЕУЩІЛЬНЕНОЇ ДІЛЯНКИ ПОЛЯ, ЯКЕ ОБРОБЛЯЄТЬСЯ

Б. О. Антипчук

doi:10.32845/msnau.2021.4.1

Б. О. Антипчук http://orcid.org/0000-0002-1426-4782

DOI: https://doi.org/10.32845/msnau.2021.4.1

Ключові слова: пенетратор, пенетрометр, ґрунторозпушувач, твердомір, ультразвук, радіофізичний пристрій, датчик, плужна підошва, приймально-передавальний пристрій випромінення, акустична провідність

Анотація

Зміни, які відбуваються в агропромисловому комплексі потребують розробки та створення нових знарядь і машин, та вдосконалення наявних. Це, в свою чергу, можливо лише при розгляданні обробітку ґрунту як доповнення до природних процесів утворення самого ґрунту із врахуванням біологічних, фізичних та механічних властивостей, а також зменшенням енергетичних затрат на його обробіток, через те, що агротехнічні заходи основного обробітку ґрунту з економічної точки зору є найбільш енергоощадними серед всього комплексу технологічних операцій вирощування та збирання сільськогосподарських культур. Тому проблема створення енергоощадних технологій та технічних засобів обробітку ґрунту, які сприяють цьому збереженню – це ні що інше, як проблема екологічного та енергетичного значення, яка не може бути вирішена простим зменшенням глибини обробітку ґрунту. Таким чином, для розв’язання цих питань необхідно застосовувати більш прогресивні методи обробітку, зокрема, розущільнення ґрунту. Важливим є технічне забезпечення цієї технологічної операції в сучасній галузі рослинництва, щоб понести найменші енергетичні затрати та підвищити врожайність сільськогосподарських культур. У статті наведено аналіз наявних сучасних приладів для вимірювання щільності ґрунту в режимі безперервної реєстрації: пенетраторів, пенетрометрів, цифрових твердомірів, GPS-пенетрометрів, а також розглядається питання застосування ультразвуку для виявлення ущільнених ділянок поля, яке обробляється. Розглядається акустична поведінка плужної підошви, її основні акустичні константи. Описано основні результати проведеного дослідження на базі розробленої моделі оперативної системи визначення глибини залягання ущільненого шару ґрунту із застосування радіофізичного методу дослідження механічних і фізичних властивостей ґрунту, які базуються на ультразвуковому випромінюванні, методу безперервного радіохвильового профілювання в русі, тобто сканування ґрунту відбувається під час руху машинно-тракторного агрегату в момент обробітку поля, методу синтезу технічних засобів, теорії автоматичного управління із застосуванням ультразвукового пристрою визначення глибини залягання плужної підошви (ПВГП). Проведено аналіз одержаних результатів із застосуванням датчика з одним та двома каналами приймально-передавального тракту. Досліджується оптимальна висота встановлення датчика над поверхнею ґрунту.

Посилання

1. Antypchuk, B.O. (2018). Zalezhnist tochnosti vymiru hlybyny zaliahannia pluzhnoi pidoshvy vid vysoty vstanovlennia ultrazvukovoho datchyka-peretvoriuvacha nad poverkhneiu hruntu [Dependence of accurate measurement of solid soil depth on the height of sensor installation above the soil]. International Multidisciplinary Conference “Science and technology of the present time: priority development directions of Ukraine and Poland” (19–20 October 2018). Wolomin: Baltija Publishing, V. 1, pp. 86–89 (in Ukrainian)
2. Antypchuk, B.O. (2017). Ultrazvukovyi eksperymentalnyi prystrii – osnovnyi element avtomatyzovanoi systemy keruvannia polozhenniam hruntorozpushuvacha [Ultrasonic experimental device – the main element of the automated control system of soil rake position]. Konstruiuvannia, vyrobnytstvo ta ekspluatatsiia silskohospodarskykh mashyn : zahalnoderzh. mizhvidomch. nauk.-tekhn. zb. [Design, production and operation of agricultural machinery: national interdepartmental scientific and technical collection]. Kropivnitskiy: CSTU, V. 47, Part 1, pp. 47–51. (in Ukrainian)
3. Antypchuk, B., Mironenko V. (2019). Modeling of definition of a depth of the condensed soil layer ultrasound and formation of an acoustic signal. New stages of development of modern science in Ukraine and EU countries: monograph. Riga: Baltija Publishing, pp. 1–19. doi:10.30525/978-9934-588-15-0-48
4. Ahmed, M. (2020). Advances in Projectile Penetration Mechanism in Soil Media. Applied Sciences, No. 10, pp. 1–28. doi:10.3390/app10196810
5. Ahrens, C.J., Paige, D.A., Eubanks, T.M., Blasé, W.P., Mesick, K.E., Zimmerman, W., Petro, N., Hayne, P.O., Price, S. (2021). Small penetrator Instrument Concept for the Advancement of Lunar Surface Science. The Planetary Science Journal, V. 2, No. 1, pp. 1–11. doi:10.3847/PSJ/abda4f
6. Bschorr, O., Raida, H.-J. (2020). One-Way Wave Equation Derived from Impedance Theorem. Acoustics, V. 2(1), pp. 164-170. doi:10.3390/ acoustics2010012
7. Ebato, M. (2020). Evaluation of Soil Hardness in Paddy Fields by Cone Penetrometer as a Simple Soil Physical Diagnosis Method. Agricultural Information Research, V. 29(1), pp. 24–39. doi:10.3173/air.29.24
8. Ermolov, I.N., Ermolov, M.I. (2006). Ultrazvukovoi kontrol: navch. posib. [Ultrasonic inspection: a textbook]. Moscow: Azimuth, 208 p. (in Russian)
9. Pershi rezultaty proektu «tsyfrova tekhnolohiya zemli» [First results of the “digital earth technology” project]. (2019). Proposition, No. 11 (290), pp. 170–174 (in Ukrainian)
10. Gogolinskiy, K.V., Syasko, V.A., Umanskiy, A., Nikazov, A., Bobkova, T. (2019). Mechanical properties measurements with portable hardness testers: advantages, limitations, prospects. Journal of Physics Conference Series, V. 1384(1), pp. 1-7. doi:10.1088/1742-6596/1384/1/012012
11. Hashem,i M., Nikudel, M.R. (2016). Application of Dynamic Cone Penetrometer test for assessment of liquefaction potential. Engineering Geology, V. 208, pp. 51-62. doi:10.1016/j.enggeo2016.04.013
12. Herric, J.E., Jones, T.L. (2002). A dynamic cone penetrometer for measuring soil penetration resistance. Soil Science Society of America Journal, V. 66. pp. 1320–1324.
13. Latvala, J., Luomala, H., Kolisoja, P. (2020). Determining Soil Moisture Content and Material Properties with Dynamic Cone Penetrometer. The Baltik Journal of Road and Bridge Engineering, V. 15(5), pp. 136–159. doi:10.7250/bjrbe.2020-15.511
14. Lee, Jong-Sub, Byun, Yong-Hoon (2020). Instrumented Cone Penetrometer for Dense Layer Characterization. Sensors, V. 20(5782), pp. 1–19. doi:10.3390/s20205782
15. Rezaeva, A. (2017). Design, construction and evaluation of a digital hand-pushed penetrometer. International Journal of Advanced Smart Sensor Network Systems (IJASSN), V. 7, No. 1, pp. 1–10. doi:10.5121/ijassn.2017.7101
16. Saye, S. R., Kumm, B. P., Lutenegger, A. J. (2020). Estimating the OCR in Uniform Cohesive Soil with Cone Penetrometer Tests Considering Soil Structure and Index Properties. Canadian Geotechnical Journal, No. 10, pp. 1-48. doi:10.1139/cgj-2020-0293
17. Shutilov, V.A. (1980). Osnovy fiziki ultrazvuka [Fundamentals of Ultrasound Physics]. Leningrad: Leningrad University, 280 p. (in Russian)
18. Surdu, M.M., Mognevsky, V.M., Lameco, O.L., Lastovchenko, O.M. (2002). Vymiriuvach tverdosti, volohy ta temperatury gruntu [Soil hardness, moisture and temperature meter]. Science Book of NAU “Mechanization of agricultural production”, No. 129, pp. 135–138 (in Ukrainian)
19. Thiel, D., Worsey, M., Klodzinski, F., Emerson, N., Espinosa, H. (2020). A Penetrometer for Quantifying the Surface Stiffness of Sport Sand Surfaces. Proceedings, V. 49(64), pp. 1–6. doi:10.3390/proceedings2020049064
20. Vakili, A.H., Salimi, M., Shamsi, M. (2021). Application of the dynamic cone penetrometer test for determining the geotechnical characteristics of marl soils treated by lime. Нeliyon, V. 7(9), pp. 1–7. doi:10.1016/j.helion.2021.e08062
21. Vashko, A., Sovik, J., Krynke, M. (2019). Determination of accuracy and reliability of portable hardness testers. Qualiti Production Improvement – QPI, V. 1(1), pp. 289–295. doi:10.2478/cqpi-2019-0039
22. Wijewardane, N.K., Hetrick, S., Ackerson, J., Morgan, C.L. S.; Ge, Y. (2020). VisNIR integrated multi-sensing penetrometer for in situ high-resolution vertical soil sensing. Soil and Tillage Research, V. 199, pp. 1–10. doi:10.16/j.still.2020.104604