устройство автоматического контроля заданной глубины обработки почвы

Формула изобретения

Устройство автоматического контроля заданной глубины обработки почвы, содержащее датчик первичной информации с двумя чувствительными элементами, один из которых - переменный конденсатор, другой - переменный резистор, включенными в разные цепи цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов, соединенного последовательно с делителем частоты и с частотомером, отличающееся тем, что в него введены блок управления, формирователь опорного сигнала, два дифференциальных усилителя, демодулятор, схема сравнения и два исполнительных механизма, причем блок управления связан с RC-генератором прямоугольных импульсов, с частотомером и с формирователем опорного сигнала, при этом каждый исполнительный механизм соединен схемой сравнения с демодулятором, входы которого соединены через дифференциальный усилитель с делителем частоты и с формирователем опорного сигнала, выходной сигнал которого определяется выражением

f=[0,55/RQ _c( ₀+ _i)]/К, кГц,

где R - переменный резистор, Ом;

Q_c - чувствительность переменного конденсатора, пФ/град.;

₀ - установочный угол переменного конденсатора, град.;

_i - угол поворота пластин переменного конденсатора от действия внешних факторов, град.;

К - коэффициент давления, о.е.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, в частности к устройствам автоматического регулирования одного из параметров механической обработки почвы, например вспашка плугом на заданную глубину при специальной или поверхностной обработке, при которой необходимо выдержать заданную глубину пахоты в определенных пределах и условиях соблюдения технического режима работы МТА, работающих в реальном масштабе времени.

Известно устройство контроля поперечных отклонений универсально-пропашных агрегатов, содержащее датчик параметра, индикатор, преобразующую цепочку, в которой датчик параметра подключен к входу индикатора, при этом преобразующая цепочка выполнена в виде трех счетчиков, соединенных последовательно (см. авторское свидетельство СССР №1618303, кл. А 01 В 69/04, 69/00 от 08.08.1988 г.).

Недостатком известного устройства является наличие второго и третьего генераторов, двух десятичных счетчиков, четырех RS - триггеров, двух элементов 2И, двух трехвходовых схем совпадения, которые осуществляют управление как одновходовым, так и трехвходовым индикатором по каждому его входу. Включение третьего или четвертого счетчика в режим счета сигналов элемента времени измерения при отклонении от заданного значения направления в ту или иную сторону происходит относительно заданного времени () к изменению текущего времени измерения ( _i) с последующей выдачей информации о текущем значении отклонения. При этом отклонения от заданного значения частот, величина которых пропорциональна времени отклонения в ту или иную сторону от заданного значения, фиксируется появлением сигналов "0", вызывающих срабатывание первых двух RS-триггеров и индикатора "установка" с одновременным включением счетчика сигналов элемента времени с выхода первого генератора за текущее время, которое может быть меньше или больше заданного времени. Сигналы "0" и "1" первых двух RS-триггеров управляют включением или отключением трехвходового индикатора только в зависимости от скорости движения агрегата и в зависимости от массы тягового средства в совокупности с прицепными или навесными устройствами (оборудованием) при производстве тяжелых работ. В случае использования датчика параметра в качестве датчика глубины, расположенного на подвижном шарнирном соединении навесной системы тягового средства совместно с его схемой обработки сигналов, не позволяет производить контроль глубины обработки почвы, ибо в устройстве не предусмотрена установка частоты генератора датчика, пропорциональной глубине обработки почвы.

Наиболее близким из известных устройств по технической сущности и достигаемому результату является устройство датчика первичной информации с двумя чувствительными элементами, один из которых выполнен переменным конденсатором, а другой - переменным резистором, включенными в различные цепи обратной связи цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов, соединенного последовательно с делителем частоты и с частотомером (патент RU №2101860, кл. 6 Н 03 М 1/60, 1/24 от 13.08.1990 г.).

Недостатком известного устройства является поступление от внешнего источника сигнала фиксируемого времени измерения (t_изм), в течение которого заполняется n-разрядный двоично-десятичный счетчик цифрового индикатора. Одновременно достигаемая точность обеспечения нулевого показания цифрового частотомера, регистрирующего изменение величины активного или реактивного сопротивления чувствительных элементов, задается регулированием сопротивления самого чувствительного элемента, каждый из которых, в отдельности, используется для преобразования неэлектрической величины в пропорциональную частоту импульсом регистрируемых частотомером для конкретного диапазона измерения неэлектрической величины одного или другого вида, определяемых чувствительностью активного или реактивного сопротивления. Кроме того, чувствительность каждого из элементов R и С зависит от их величины и изменения угловых, линейных перемещений (±R, ±С) от воздействия измеряемого параметра, который может быть выражен дискретным значением. Отмеченные пути расширения диапазона измеряемого параметра, в пределах чувствительности каждого из активного или реактивного сопротивления не обеспечивают расширение разрешающей способности без введения дополнительных элементов, таких как коммутационные элементы, которые осуществляли бы переключение при переходе не только подвижных пластин конденсатора переменной емкости, но и движка переменного сопротивления (резистора) при переходе среднего положения, но и в их крайних положениях.

Задачей заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей автоматического контроля заданной глубины обработки почвы при различных технологических режимах работы машинно-тракторных агрегатов.

Поставленная задача достигается тем, что устройство автоматического контроля глубины обработки почвы содержит датчик первичной информации с двумя чувствительными элементами, один из которых выполнен переменным конденсатором, а другой - переменным резистором, включенные в различные цепи обратной связи цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов, соединенного последовательно с делителем частоты и с частотомером. Согласно изобретению в него введены блок управления, формирователь опорного сигнала, два дифференциальных усилителя, демодулятор, схема сравнения и два исполнительных механизма. Блок управления связан с цифровым RC-генератором прямоугольных импульсов и с частотомером, и с формирователем опорного сигнала. Каждый исполнительный механизм соединен схемой сравнения с демодулятором, входы которого соединены через дифференциальный усилитель с делителем частоты и с формирователем опорного сигнала. Выходной сигнал формирователя определяется выражением:

=[0,55/RQ _c( ₀+ _i)]/К, Гц, где

R - сопротивление переменного резистора. Ом;

Q_c - чувствительность переменного конденсатора, пФ/град;

_o - установочный угол пластин переменного конденсатора, град;

_i - заданный (или измеряемый текущий) угол датчика первичной информации, град;

К - коэффициент деления, о.е.;

_i=arctg(C_xV ²hb/G_плg), град,

где С_x - коэффициент сопротивления плуга, о.е.;

- плотность обрабатываемой почвы, кг/м³;

V - скорость движения, м/с;

h - заданная глубина обработки почвы, м;

b - ширина захвата плуга, м;

G_пл - вес плуга, кг;

g - ускорение свободного падения, м/с ².

Для соответствия заявленного объекта критерию "существенные отличия" проведен поиск по кл. 6 МКИ А 01 В 69/04; G 01 L 23/22; В 60 К 31/00; H 03 М 1/60, 1/24.

В результате поиска заявителем не обнаружены технические решения, в которых имеются признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема устройства автоматического контроля заданной глубины обработки почвы.

Устройство автоматического контроля заданной глубины обработки почвы содержит датчик 1 первичной информации с двумя чувствительными элементами 2, 3, один из которых - переменный конденсатор 2, другой - переменный резистор 3, включенные в разные цепи цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 4, соединенного последовательно с делителем частоты 5 и с частотомером 6. Блок управления 7, формирователь опорного сигнала 8, два дифференциальных усилителя 9, 10, демодулятор 11, схема сравнения 12 и два исполнительных механизма 13, 14. Блок управления 7 связан с RC-генератором прямоугольных импульсов 4 и с частотомером 6, и с формирователем опорного сигнала 8. Каждый исполнительный механизм 13, 14 соединен схемой сравнения 12 с демодулятором 11, входы которого соединены через дифференциальные усилители 9, 10 с делителем частоты 5 и с формирователем опорного сигнала 8. Первый чувствительный элемент 2 представляет собой прямочастотный переменный конденсатор, роторные пластины которого имеют ось вращения, оборудованную механизмом передачи. Например, на оси имеется жестко закрепленный поводок, подвижно соединяемый с тягой силового навесного устройства или другим механизмом, который обеспечивает поворот роторной оси конденсатора при угловом перемещении тяги навесного устройства. Для изменения диапазона измерения устройства автоматического контроля заданной глубины обработки почвы в цепи обратной связи цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 4, к которой подключен прямочастотный переменный конденсатор 2, подключается ряд дополнительных конденсаторов постоянной емкости. Второй чувствительный элемент 3 представляет собой переменный резистор, в качестве которого используется переменное сопротивление различного типа, имеющее требуемую величину изменения сопротивления от минимального до максимального значения. Для дополнительного изменения диапазона измерения предлагаемого устройства в цепи обратной связи цифрового RC-генератора 4, к которой подключен переменный резистор 3, предусмотрено подключение в отдельности ряда других переменных сопротивлений. Цифровой RC-генератор прямоугольных импульсов 4 представляет собой устройство, состоящее из трех элементов И-НЕ, соединенных последовательно. К первому и третьему входу элементов И-НЕ подключен переменный конденсатор 2, параллельно которому поочередно подключается ряд других постоянных конденсаторов, а к первому входу и выходу третьего элемента И-НЕ подключается в отдельности и поочередно ряд переменных сопротивлений 3. Блок управления 7 представляет собой известные коммутационные элементы, при помощи которых производится подключение соответствующих конденсаторов в одной цепи обратной связи цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 4 и соответствующее подключение переменных сопротивлений в другой цепи обратной связи данного RC-генератора 4. Блок управления 7 оборудован генератором элемента времени, выполненным на основе цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 4, соединенного с делителем частоты 5 с соответствующим коэффициентом деления, который обеспечивает на выходе генератора элемента времени появление сигналов "0" длительностью в одну секунду и с коротким сигналом "1", обеспечивающим "сброс" по истечении заданного времени, который поступает на установочный вход частотомера 6. Совместная работа чувствительных элементов 2, 3, включенных в соответствующие цепи обратной связи цифрового RC-генератора 4 осуществляется органами управления, расположенными в блоке управления 7. Например, переключатель блока управления 7 установлен в один из режимов контроля заданной глубины обработки почвы, при котором включается один переменный конденсатор 2 емкостью от 25 до 500 пФ, установленный в среднее положение его пластин и переменное сопротивление, отрегулированное на величину 11640 Ом в цепи обратной связи цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 4. Известно, что важнейшей характеристикой переменного конденсатора является закон изменения емкости в зависимости от угла поворота подвижных пластин.

Данное положение характеризуется чувствительностью переменного конденсатора:

Q_c =С/ _i, где

С - емкость переменного конденсатора, Ф,

_i - угол поворота роторных пластин конденсатора.

Например, для подключенного конденсатора:

Q_c =(25+500)·10^-12/180=2,92·10^-12 (Ф/град),

положение подвижных пластин при угле поворота их =90°, при котором емкость переменного конденсатора определяется выражением:

C=Q_c· ₉₀,

т.е. С=2,92·10^-12·90=262,5·10 ^-12 (Ф).

При данных значениях параметров С и R, частота RC-генератора прямоугольных импульсов составит:

=0,55/RQ _c=05511640·292·10 ^-12·90=179797=180 кГц,

которая после прохождения делителя частоты 5 с коэффициентами деления К=200 имеет частоту =900 Гц, что может быть принято за установочный угол ₀=90° или ₀=0°. Делитель частоты 5 представляет собой цифровой счетчик, в котором выходной сигнал образуется только при появлении в десятичном счетчике одной заданной кодовой комбинации, например, счетчик функционирует как делитель числа импульсов с коэффициентом деления 10^-1. Выходной сигнал повторяется при поступлении импульсов за некоторый период времени. Выход десятичного счетчика соединен с входом счетчика по основанию два, в качестве которого, например, используется D-триггер, оборудованный счетным входом с коэффициентом деления два. Импульсы с выхода счетчика по основанию два следуют с одинаковой длительностью как положительного (1), так и отрицательного импульса (0). Длительность сигналов (1) и (0) изменяется пропорционально изменению частоты цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 4, вследствие изменения одного из двух сопротивлений чувствительных элементов 2 или 3. Дифференциальные усилители 9, 10 представляют собой устройства, каждое из которых содержит операционный усилитель с соответствующей коррекцией в целях обратной связи, для получения на выходе дифференциального усилителя синусоидальных колебаний с частотой, равной частоте импульсов, поступающих на его вход. Операционный усилитель может быть выполнен на микросхеме типа УТ-402 или иной аналогичной микросхеме. Выходной сигнал каждого дифференциального усилителя 9, 10 поступает на входы демодулятора 11. Демодулятор 11 представляет собой устройство кольцевого модулятора, состоящего из двух входных трансформаторов, первичная обмотка каждого трансформатора подключена на выходе каждого дифференциального усилителя 9, 10, а вторичные обмотки, имеющие средние выводы, подключены к схеме сравнения 12. При этом крайние выводы каждой обмотки трансформаторов соединены четырьмя встречно включенными диодами. Выходной сигнал демодулятора 11, снимаемый от средних выводов каждого трансформатора, представляет собой сигнал сравнения, используемый при нулевом методе измерения. Схема сравнения 12 представляет собой устройство, состоящее из двух операционных усилителей, каждый из которых на установочных входах имеет переменное сопротивление для осуществления регулирования порогового сравнения в зависимости от требуемой чувствительности в отношении сигнала, снимаемого с вторичных обмоток трансформаторов в цепи демодулятора 11. При этом схема сравнения 12 позволяет определить изменение полярности сигнала на выходе демодулятора 11. Схема сравнения 12 оборудуется известным трехпозиционным индикатором для информационного контроля совместно с показателями частотомера 6. Исполнительные механизмы 13 и 14 оборудуются электрическими схемами, которые распознают сигналы демодулятора 11 и вырабатывают управляющие сигналы дозированного или плавного регулирования давления гидросмеси, подаваемой в цилиндры управления навесным устройством, соединенным при помощи сцепного устройства с орудием обработки почвы (плугом) или с другим навесным оборудованием, используемым в сельскохозяйственных работах. Более подробное описание принципа работы исполнительного механизма 13, 14 и описание их конструктивных элементов выходит за рамки материалов данной заявки. Формирователь опорного сигнала 8 представляет собой устройство, содержащее два регулируемых элемента, один из которых - переменный конденсатор, а другой - переменный резистор, включенные в различные цепи обратной связи цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 4, соединенного с делителем частоты, подключаемого к частотомеру 6 при задании глубины обработки почвы. Известно, что цифровой RC-генератор прямоугольных импульсов вырабатывает частотный сигнал, определяемый выражением:

=0,55/R·С, Гц,

в котором первый чувствительный элемент - переменный конденсатор и второй - переменный резистор предварительно устанавливаются на определенные значения, величиной емкости (С) и сопротивлением (R). При этом частота цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 4 формирователя опорного сигнала 8 должна быть кратной величине задаваемого параметра. Например, частота RC-генератора должна быть кратной величине глубине обработки почвы:

=K·h, где

К - коэффициент деления, о.е.;

h - глубина обработки почвы, м.

Согласно ранее рассмотренного выражения:

при заданных

Q,_c=2,92·10^-12 (Ф/град);

₀=90°;

₁=14°;

₂=13,8°,

методом подбора по показаниям частотомера 6, при проведении регулировочных работ, определяют величину переменного сопротивления (установочное сопротивление) R_i для каждого значения требуемой глубины обработки почвы, устанавливаемой переключателем блока управления 7. При этом величина емкости первого чувствительного элемента - переменного конденсатора 2 сохраняется прежним значением. Например, определена величина установочного сопротивления R=22680 Ом и, следовательно, показания частотомера 6

При другом значении величины установочного сопротивления R=38160 Ом показания частотомера 6 соответствуют углу поворота _i подвижной тяги силового устройства навесной системы, а следовательно, - углу _i отклонения поворотных пластин переменного конденсатора 2, при котором показания частотомера 6 соответствуют заданной глубине обработки почвы, т.е.

Формирователь опорного сигнала 8, в котором используется первый чувствительный элемент, выполненный в виде прямочастотного переменного конденсатора, устанавливается на шарнирном соединении навесного устройства, связанного с торсионным валом силового механизма, используемого, например, в тракторе типа ЛТЗ-155, позволяет контролировать текущий угол _i закручивания торсионного вала силового устройства. Известно, что угол _i может быть определен из выражения, используемого, например, в алгебраической форме записи комплексного числа в виде , в котором действительную часть выразим в виде мощности, необходимой для совершения полезной работы при выполнении конкретной технической операции, а мнимую часть выразим в виде мощности, необходимой для совершения полезной работы при выполнении конкретной технологической операции, а мнимую часть выразим в виде мощности, расходуемой на преодоление работы, связанной с дополнительным расходованием мощности при выполнении той же технологической операции. При этом определение общей мощности расходуемой тяговым средством выходит за рамки материалов данной заявки. Однако использование выражения позволяет определить требуемую величину (параметр) для выполнения конкретного вида работ: - обработка почвы плугом на заданную глубину при выполнении данного технологического вида работ как в зависимости от скорости движения плуга, так и от других внешних факторов. Например, полезная мощность, совершаемая плугом, может быть определена выражением:

С_х - коэффициент сопротивления плуга, о.е.;

- плотность обрабатываемой почвы, кг/м³.;

V - скорость движения, м/с;

h - глубина обработки почвы, м;

b - ширина захвата плуга, м.

Мощность, затрачиваемая на перемещение плуга, определяется выражением:

(кВт), где

G_пл - вес плуга, кг;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

V - скорость движения, м/с.

Таким образом, имеем выражение в алгебраической форме:

из которого определим при :

, где

(кВт);

(кВт).

Следовательно:

подставляя в данное выражение значение параметров, например

G_пл=1600 кг;

g=9,81 м/с²,

С_x=0,65 о.е.;

=2100 кг/м³;

V=2,1 м/с=7,56 км/ч;

h=0,4 м;

b=1,6 м, получим:

_i=arctg(0,65·2100·2,1²·0,4·1,6/1600·9,81)=0,2454,

что соответствует максимальному углу _i=18,8 закручивания торсионного вала нижней тяги навесного устройства, например, трактора ЛТЗ-155. Полученное выражение для частоты цифрового RC-генератора 4 прямоугольных импульсов в виде =0,55/RQ _c( ₀+ _i) датчика первичной информации 1 и цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 4 формирователя опорного сигнала 8 определяется одним и тем же выражением, в котором _i - угол закручивания торсионного вала силового устройства тягового средства. Данный угол _i задается оператором при помощи переключателя блока управления 7, который при задании данной глубины обработки почвы включает частотомер 6, для осуществления контроля заданной глубины обработки почвы. При установке режима работы всего устройства в рабочее положение частотомер 6 отключается от цепи измерения частоты цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов формирователя опорного сигнала 8 и подключается к выходной цепи делителя частоты 5 датчика первичной информации 1. При этом генератор элемента времени блока управления 7 выдает непрерывно временной сигнал, обеспечивающий работу частотомера 6, который включен в измерительную цепь на выходе делителя частоты 5. Таким образом, показания частотомера 6 зависят от углового перемещения движка чувствительного элемента - переменного конденсатора 2 и определяются выражением:

(град) для задаваемой глубины обработки почвы.

Устройство автоматического контроля заданной глубины обработки почвы работает следующим образом.

После проведения регулировочных работ на различные технологические режимы работы МТА устройство устанавливается на тяговое средство (трактор ЛТЗ-155). При работе на вспашке, например, на глубину обработки почвы, равную 25 см, оператор устанавливает органом переключения блока управления 7 данный вид операции. При этом в блоке управления 7 происходит подключение конденсатора переменной емкости и подключение соответствующего добавочного сопротивления в цепи обратной связи цифрового RC-генератора 4 прямоугольных импульсов как в датчике первичной информации 1, так и в формирователе опорного сигнала 8. Генератор элемента времени блока управления 6 выдает временные сигналы "0" длительностью в одну секунду с коротким положительным "1" импульсом "сброс", который поступает на установочный вход частотомера 6. Одновременно с заглублением плуга чувствительный элемент - переменный конденсатор 2 изменяет свою емкость в цепи обратной связи цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 4 датчика первичной информации 1, который вырабатывает частотный сигнал, пропорциональный изменению углового перемещения подвижных пластин переменного конденсатора 2. При этом угол _i поворота определяется согласно выражению:

, где,

например, положим:

G_пл=1600 кг,

g=9,81 м/с²;

С_x=0,65 о.е.;

=2100 кг/м³;

V=2,1 м/с=7,56 км/ч;

h=0,25 м;

b=1,6 м,

получим:

_i=arctg(0,65·2100·2,1²·0,25·1,6/1600·9,81)=0,1534,

т.е. =8,72°.

Таким образом, угол поворота _i подвижного элемента (поводка) чувствительного элемента - переменного конденсатора 2 датчика первичной информации 1 зависит от заглубления плуга, при условии соблюдения постоянства остальных параметров, входящих в данное выражение. Однако в действительности изменение угла поворота подвижных пластин переменного конденсатора 2 должны учитываться при регулировании частоты цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 4 как датчика первичной информации 1, так и цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 4 формирователя опорного сигнала 8. Частотный сигнал, вырабатываемый обоими RC-генераторами прямоугольных импульсов, каждый из которых поступает на делитель частоты 5 своей последовательной цепочки с постоянным коэффициентом деления. Прямоугольные импульсы одинаковой длительностью с пониженной частотой, кратной глубине обработки почвы, поступают на соответствующие дифференциальные усилители 9, 10, которые осуществляют преобразование прямоугольных импульсов в синусоидальные колебания той же частоты и длительности, что и поступающие импульсы. Синусоидальные колебания на выходе дифференциального усилителя 10 представляют собой колебания с заданной частотой, кратной глубине обработки почвы, а синусоидальные колебания на выходе дифференциального усилителя 9 представляют собой колебания, частота которых является кратной величине текущего значения глубины обработки почвы. Поступающие синусоидальные колебания с дифференциальных усилителей 9 и 10 на входы демодулятора 11, распознаются и сравниваются с опорной частотой дифференциального усилителя 10. На выходе демодулятора 11 формируются разностные сигналы, пропорциональные действительному отклонению от заданного значения, т.е. от заданной глубины обработки почвы. Образованные сигналы разного знака поступают на схему сравнения 12, которая распознает их и включает тот или иной исполнительный механизм 13 или 14, каждый из которых в отдельности управляет подъемом жен опусканием навесного устройства тягового средства. При этом индикатор трехпозиционного устройства схемы сравнения 12 информирует оператора совместно с частотомером 6 о происходящих изменениях в процессе обработки почвы. Данная информация трехпозиционного индикатора "вверх" или "вниз" происходит до тех пор пока схема сравнения 12 определит сигнал "норма", при котором происходит отключение каждого из дополнительного механизма 13, 14, т.к. произошло достижение глубины обработки почвы в определенных заданных пределах, которые устанавливаются чувствительными (пороговыми) элементами схемы сравнения 12.

Предлагаемое устройство автоматического контроля заданной глубины обработки почвы позволяет повысить точность поддержания заданной глубины обработки почвы при выполнении разнообразных работ, связанных с тяговыми нагрузками.