FACULTATEA DE MECANICĂ DEPARTAMENTUL DE AUT OVEHICULE RUTIERE ŞI TRANSPORTURI
SPECIALIZAREA MAŞINI ŞI INSTALAŢII PENTR U AGRICULTURĂ ŞI INDUSTRIE ALIMENTARĂ Disciplina: Sisteme de monitorizare
şi control a lucră rilor agricole
Îndrumător: şef lucr.dr.ing.Teodora DEAC Student: Alin MARTIN
Anul universitar 2016-2017
1.
Determinarea umidităţ ii solului
Umiditatea sau conţinutul în apă al solului, este cantitatea de apă care se află a flă legată în mod fizic de pământ, în momentul când se face recoltarea şi care se evaporă la 105°C.Umiditatea solului depinde de climă, natura şi înclinaţia solului şi de vegetaţie. Alături de temperatură, umiditatea solului influenţează, în mare măsură activitatea biologică şi deci posibilitatea de autopurificare. Umiditatea solului se poate determina „in situ”, în sol recoltat şi prin observaţii directe, în funcţie de apa existentă. Umiditatea solului, determinată prin observaţii directe, se poate clasifica astfel:
Gradul 1 – sol – sol uscat, ce nu răceşte mâinile. Nisipul curge, argila este
uscată, în grăunţe mari. Ţinându-se la soare, aproape că nu se decolorează prin uscare.
Gradul 2
– sol cu aspect proaspăt, răceşte uşor mâinile şi se
decolorează foarte puţin prin uscare.
Gradul 3 – sol – sol umed, produce o răcire vizibilă a mâinilor, prin uscare
se decolorează. Nisipul aderă puţin, argilele şi argilo-nisipurile se leagă, dar se crapă uşor.
Gradul 4 – sol – sol
umed ce încă nu luceşte, dar la soare se decolorează
puternic. La pipăit este rece şi umed, punându-se o hârtie pe el se udă. Pe mâinile prăfuite formează pete întunecate. întunecate.
Gradul 5 – sol – sol
umed, străluceşte datorită acoperirii lui cu o peliculă
de apă. Se caracterizează ca racterizează prin fluiditate, nu se leagă, ci mai mult se întinde. Pentru determi narea umidităţii „ in situ” se utilizează:
- metode radioactive de măsurare care folosesc sonde cu neutroni ce se înfig direct în sol; -
metode
conductometrice
ale căror electrozi sunt introduşi în sol,
conductivitatea electrică fiind influenţată de umiditate. 2. Senzori şi traductori
Senzorii sunt dispozitive care sesizează variaţia unui parametru din sistem
prin emiterea de semnal corespunzător, corelat cu măr imea (intensitatea) parametrului respectiv. Se mai numesc traductoare si cele care au o construcţie mai complexă (care include şi alte elemente auxiliare). Senzorii (traductoarele) au rolul de a transforma anumiţi parametri ai sistemului în mărimi de altă natură. Parametrul de transformat formează semnalul de intrare al traductorului, iar cel transformat semnal de ieşire. 2.1.
Clasificarea senzorilor şi traductoarelor utilizate în controlul factorilor de mediu
În ideea controlului calităţii factorilor de mediu după destinaţie, distingem trei categorii de senzori: a) pentru determinarea poluanţilor care contaminează factorii de mediu;
b) pentru determinarea componenţilor din care este alcătuit în mod natural factorul de mediu supravegheat; c) pentru determinarea unor mărimi dependente de factorul natural şi climatic a) Contaminarea factorilor de mediu se poate realiza cu sau fără intervenţia
omului provocând modificări fizico-chimice sau biologice ale acestora. Atunci când aceste modificări depăşesc un anumit prag şi se menţin un timp îndelungat se
instalează fenomenul de poluare. După natura agenţilor care au produs modificarea echilibrului biologic, fizicochimic al ecosistemului se pot defini următoarele tipuri principale de poluare:
chimică;
fizică:- termica - fonica - radioactiva
biologică.
b) Senzori pentru determinarea compuşilor care alcătuiesc în mod natural factorul de mediu studiat Aer: - determinarea gazelor din compoziţia atmosferei nepoluate:
O2, CO2, etc. - determinarea umidităţii
Apă: - determinarea conductivităţii (conţinutul total de săruri) - determinarea gradului de turbiditate - determinarea nivelului, debitului si/sau vitezei apei Sol: - presiunea vaporilor de apa în sol
- umiditatea - determinarea compoziţiei solului nepoluat: carbonaţi, săruri de calciu, de
magneziu etc., precum si existenţa unor microelemente c) Mărimi dependente de factorii naturali sau climatici: - temperatura, - presiunea, - viteza vântului, - umiditatea aerului, - intensitate a luminoasă, - radioactivitatea naturală,
- nivelul si debitul apei. 3. Clasificarea senzorilor şi a traductoarelor după principiul de
funcţionare După acest principiu senzorii se împart în: 3.1. senzori electrochimici 3.2. senzori optici 3.3. biosenzori 3.4. alte tipuri de senzori 3.1. Senzori electrochimici
Mărimea de intrare este, în general, o specie de natura chimică, iar mărimea de ieşire este o mărime de natură electrică. Funcţie de natura mărimii electrice, senzorii electrochimici se împart în: - senzori potenţiometrici la care mărimea de ieşire este un potenţial; - senzori amperometrici la care mărimea de ieşire este un curent; - senzori conductometrici la care mărimea de ieşire este conductanţa,
impedanţa sau rezistenţa electrica, implicit conductivitatea sau conductibilitatea specifica. 3.2. Senzori optici
Sunt acei senzori care se bazează pe un fenomen optic şi la care mărimea de ieşire este o mărime de natură optică: intensitatea luminoasă, absorbanţa, transmitanţa, difuzia. Astfel, spre exemplu, putem mentiona traductoare (senzori) de tip colorimetric, nefelometric sau turbidimetric, care folosesc ca elemente fotosensibile: celule
fotoelectrice,
fotorezistorul, etc.)
semiconductori
fotosensibili
(exemplu:
fotodioda,
3.3. Biosenzori
Sunt senzori care au o interfata de natură biologică sau biochimică, care este foarte selectiva la prezenta in mediul de analizat a unui compus specific, ce poate fi
determinat prin detecţia (electrochimica, optica etc.) a semnalului obţinut prin interacţiunea dintre acest compus si biointerfata respectiva. La rândul lor, biosenzorii se pot clasifica dupa mai multe criterii . 3.4. Alte tipuri de senzori :
3.4.1. senzori piezoelectrici şi acustici 3.4.2. senzori electronici: a. de tip semiconductori: integraţi, pe baza tehnologiei MOS-FET; b. de tip oxizi-semiconductori c. senzori rezistivi: chemorezistori si termorezistori. 3.4.3. senzori bazaţi pe proprietăţi magnetice; 3.4.4. senzori bazaţi pe radiaţia ionizantă. 4. Caracteristicile senzorilor a. Caracteristicile primare ale senzorilor (traductoarelor)
Principalele caracteristici primare ale senzorilor (traductoarelor) folosite in controlul factorilor de mediu, cu referire in special la calitatea apei, sunt
următoarele: 4.1. Funcţia de transfer 4.2. Sensibilitatea 4.3. Selectivitatea (specificitatea) 4.4. Stabilitatea 4.5. Timpul de răspuns 4.6. Gradul de participare al senzorului
4.7. Siguranţa în exploatare 4.8. Economicitate 4.1.
Funcţia de transfer - este caracteristica cea mai importantă a unui
senzor. Reprezintă expresia relaţiei dintre semnalul de intrare (de exemplu, concentraţia unei anumite specii de determinat, temperatura, presiunea, etc.) şi semnalul de ieşire al senzorului. 4.2. Sensibilitatea
(limita de detecţie) - este definită drept concentraţia cea
mai scăzută în specia urmărită, care conduce la apariţia unui semnal care poate fi distins de semnalul obţinut prin măsurători paralele în probele martor. 4.3. Selectivitatea
unui traductor se referă la efectul interferenţelor cauzate
de ioni sau molecule, altele decât specia urmărită. Întrucât la marea majoritate a traductoarelor nu se poate asigura un procent de 100 % a selectivităţii, este
important sa se cunoască limitele de selectivitate într -o soluţie test dată. 4.4. Stabilitatea
semnalului în timp: această caracteristică primară se referă,
în general, la modificarea performanţelor traductoarelor (T) în timp din cauza unor diverşi factori. Cunoaşterea stabilităţii senzorului (traductorului) în timp permite stabilirea frecvenţei de verificare şi recalibrare a acestuia. 4.5.
Timpul de răspuns : decalajul în timp dintre variaţia semna lului de
intrare şi variaţia corespunzătoare semnalului de ieşire a traductorului respectiv. 4.6. Gradul de participare al senzorului
- gradul de participare al
senzorului la interacţiunea cu sistemul studiat trebuie să fie redus datorită eliminării perturbaţiilor cauzate de prezenţa senzorului în sistem (exemplu: consum de materii). 4.7.
Siguranţa în exploatare - presupune asigurarea unui grad de fiabilitate
a sistemului de măsură, care este garantat de producător pentru o anumita durată de funcţionare a traductorului si este de dorit să fie cât mai mare. Fiabilitatea sistemului de măsură este definita ca numărul maxim de defecţiuni a sistemului
intr-un anumit interval de timp. In aceste cond iţii, traductorul trebuie să realizeze
măsurarea mărimilor dorite în conformitate cu caracteristicile stabilite de producător. 4.8. Economicitatea este
o caracteristica a unui senzor (traductor), care se
poate realiza pornind de la producător şi ajungând pânã la utilizator. La producător, economicitatea se poate realiza fie prin întrebuinţarea unor materiale cu preţ de cost redus, fie prin introducerea robotizãrii in procesul de fabricaţie de serie, folosind tehnologii de tip hightech (de exemplu: fabricarea senzorilor de tip microchip). Erori întâlnite î n procesul de măsurare -
erorile sistematice sunt constante pentru un instrument dat şi efectele
lor pot fi înlăturate; valorile acestora se determină prin calibrare; -
erorile aleatorii nu pot fi înlăturate dar pot fi reduse prin măsurări
repetate.
Parametri calibrării utilizaţi pentru definirea preciziei (erorii) sunt următorii: -
rezoluţia
-
sensibilitatea
-
linearitatea
-
histerezisul
-
repetabilitatea/precizia /reproductibilitatea
b. Caracteristicile secundare ale senzorilor
Caracteristicile secundare ale unui senzor sunt definite ca efecte indirecte
ale funcţionării senzorului in condiţii diferite ambientale, asupra răspunsului generat de sistemul de analiza realizat pe baza senzorului. Caracteristicile secundare ale senzorilor sunt necesare pentru asigurarea
unor modalităţi tehnice de compensare sau autocompensare a influentei condiţiilor de analiză asupra validităţii rezultatelor măsurătorilor. Dacă in cadrul unor
măsurători a calităţii apelor de suprafaţa, o serie de parametri pot fi menţinuţi constanţi (cum ar fi: viteza de agitare la suprafaţa membranei senzorului de tip electrod ion selectiv, presiunea apei în celulele de măsurare a gazelor dizolvate, folosind membrane gaz permeabile), influenta altor parametri (cum ar fi:
temperatura, tăria ionică etc.) asupra răspunsului generat de senzori este relativ greu de cuantificat. Din aceasta cauza se impune compensaţia răspunsului senzorilor la influenta unor mărimi caracteristici secundare. 5. Monitorizarea și controlul automat al procesului de irigare
S-a realizat o tehnologie cu control automat al irigării şi climei în serele
legumicole, destinată pentru eficientizarea consumului de apă şi creşterea productivităţii culturilor în spaţii protejate. Operaţiile executate în cadrul tehnologiei (fig.5.1) sunt: - extragerea apei din pânza freatică cu pompă submersibilă solară cu
instalația automatizată poz. 1; - irigarea şi fertirigarea prin picurare şi microaspersie cu instalația
automatizată poz. 2; - controlul climei într- o seră legumicolă cu sistemul automatizat poz 3.
Fig. 5.1. Tehnologie inovativă de irigaţii şi controlul climei în
legumicole.
serele
Instalaţia automatizată de irigare şi fertirigare prin picurare şi microaspersie (fig.5.2) se compune din:
branșament (1) pentru legătura între un rezervor (2) de stocare a apei și electropompa (3) autoamorsantă, contor (4) de apă, manometru (5) de presiune, elemente (6) de traseu, cap control PVC cu tanc de fertilizare (7), filtru (8),
conductă (9) cu benzi (10) prevăzute cu picurătoare încorporate într -o travee (11), conductă (12) prevăzută cu microaspersoare (13), traductor (14) de umiditate, conductivitate și temperatură, Data Logger (15), convertizor (16) de frecvență și electrovane de apă (17).
Fig. 5.2.
Instalaţie automatizată de irigare şi fertirigare prin picurare şi microaspersie
Data Logger-ele sunt sisteme de înregistrare a datelor și de monitorizare a
irigațiilor. Sistemele de monitorizare a parametrilor (umiditate sol, precipitații, temperatură sol, radiații solare) asigură și controlul funcționării irigației în funcție de parametrii măsurați, reducând substanțial consumul de apă (pana la 60%) și consumul de energie electrică.
Sistemul de monitorizare a umidității solului cu controlul irigatței poate fi încadrat cu succes în automatizarea irigației cu timer -e. Data loggerul GP1 (fig. 5.4.) poate înregistra măsurători de la 1 sau 2 senzori ThetaProbe d e umiditate a
solului, folosind canalele analogice diferențiale de înaltă rezoluție. La acest logger se pot conecta și diverși senzori meteo cu ieșiri analogice. Aparatul poate fi utilizat si cu software-ul Pocket DeltaLINK.
Fig. 5.4. Data Logger-ul GP1
Software-ul este folosit pentru a implementa procedurile sistemului de
control. Deoarece utilizatorul este mai preocupat de ușurința în utilizare și performanțele sistemului, software-ul are o interfață care permite definirea ușoară a caracteristicil or sistemului care urmează să fie controlat și simplifică alocarea
resurselor hardware. Performanța se măsoară prin cât de bine sistemul de control automatizat menține starea dorită. Senzorii sunt o componentă extrem de importantă a buclei de control,
deoarece acestea oferă datele de bază necesare unui sistem de control automat. Un factor important în legătură cu senzorul este răspunsul său temporal. Un senzor trebuie să ofere un semnal care reflectă starea sistemului în intervalul de timp cerut de apli cație. Pentru măsurarea umidității solului, senzorul trebuie să fie în măsură
să "țină pasul" cu schimbările de umiditate ale solului, care sunt cauzate de evapotranspirație.
Senzorul umiditate -
temperatură sol Theta Probe ML3
(fig.
5.5) are următoarele caracteristici: precizie de ± 1% pentru umiditatea solului;
măsurarea temperaturii cu o precizie de ± 0,5°C; sistem de cabluri adaptabil pentru extensibilitate si manevrabilitate; carcasă alba pentru reducerea încălzirii radiative; precizie ridicată în soluri cu salinitate mare, utilizabil pana la 2000mS.m-1.
Fig. 5.5. Senzorul umiditate -
temperatură sol Theta Probe ML3
Măsurătorile senzorului ML3 pot fi înregistrate cu oricare logger Delta -T. Este potrivit pentru orice logger care furnizează o tensiune de excitație de 5 - 15V DC și acceptă la intrare semnale de 0 - 1V. În cazul aplicațiilor pe teren, sonda ML3 se conectează la un umidometru HH2 și cele două pot fi comandate împreuna sub forma kitului ThetaKit. Senzorul WET 2
(fig. 5.6) măsoară trei proprietăți vitale ale solului
(umiditatea, temperatura, conductivitatea) și furnizează datele esențiale necesare pentru controlul fertilizării prin irigații, management-ul cultivării arbuștilor în containere, sau studiul salinității solului. Principalele car acteristici tehnice ale senzorului WET-2 sunt: precizia la determinarea umidității ± 3 %; precizia la determinarea temperaturii solului ± 1,5 ° C; domeniu de salinitate de la 0 la 300 mS.m-1; domeniu de temperatura de la 0 la 50°C
Fig. 5.6. Senzorul WET 2
Sondele profil umiditate sol PR2 (fig. 5. 7) pot măsura umiditatea la mai multe adâncimi simultan. Sunt folosite în tuburi de acces cu diametrul de 27 mm,
introduse în găuri perforate în sol. Adâncimea de detectare ajunge la 100 cm, precizia de măsurare fiind de ±0,04 m3.m-3.
Fig. 5.7. Sonda profil umiditate sol PR2
6. Implementarea monitorizării și controluuil automat al procesului de irigare
Acest model de sistem tehnologic inteligent de irigare (fig. 6.1.) este destinat
fermelor legumicole, în special cele din zonele amenințate de deșertificare, pentru realizarea unei economii substanțiale a apei de irigat, precum și agenților economici constructori, care sunt interesați să-și dezvolte echipamentele tehnice pentru irigații în scopul măririi profitului. Domeniul de utilizare este irigarea culturilor legumicole în câmp deschis sau
în medii protejate (sere, solarii), prin valorificarea umidității din sol și aer, la o putere energetică instalată minimă.
Fig. 6.1. Model experimental de sistem tehnologic inteligent de irigare
Principalele subansambluri și repere componente ale modelului experimental de sistem tehnologic inteligent de irigare sunt:
1. Instalație de optimizare a temperaturii în zona rădăcinilor plantelor (fig. 2);
2. Pompa de circulație UPS 15-50 CIL 130, 85W, 1" (fig. 6.3.); 3. Rezervor de apă rece (fig. 6.4.);
4. Solar tunel 8x20 m cu folie (fig. 6.5.); 5. Vas de expansiune 24 l;
6. Instalație de condensare (fig. 6.6.); 7. Răcitor apa 500 l (fig. 6.7.); 8. Instalație de automatizare (fig. 6.8.). 6.1. Instalația de optimizare a temperaturii în zona rădăcinilor plantelor
(fig. 6.2.) este alcătuită dintr -o rețea din țevi de cupru montate în buclă închisă, care prin recircularea apei în interiorul acesteia, va utiliza temperatura din sol de la
adâncimea de 2000 mm pentru a încălzi rădăcinile plantelor în anotimpul rece și a le răci în anotimpul cald. Datorită efectului de răcire a zonei radiculare, în timpul verii va fi menținută umiditatea solului și va fi redusă rata de evaporare .
Fig. 6.2. Instalație de optimizare a temperaturii în zona
6.2.
Pompa de circulație UPS 15 -50
rădăcinilor plantelor .
CIL 130, 85W, 1"
(fig. 6.3.) are
corpul realizat din poliamidă, iar rotorul umed. Carcasa motorului electric este turnata din aluminiu. Axul este realizat din otel inoxidabil și este montat pe
rulmenți din grafit, lubrifiați d e lichidul pompat. Motorul electric este de tip asincron.
Fig. 6.3. Pompă de circulație UPS 15-50 CIL 130, 85W, 1"
6.3.
Rezervorul de apă rece 500 l (fig. 6.4.) este un recipient termoizolat pentru
acumularea apei reci, cu limitarea conținutului de apă în instalație în conformitate cu cantitatea de apă necesară, pentru a garanta o temperatura medie constantă a agentului termic și pentru a limita numărul de porniri a răcitorului de apă.
Fig. 6.4. Rezervor apă rece 500 l
6.4. Solarul
cu pereți verticali gotic SPVG (fig. 5) este destinat pentru modelul
experimental de sistem tehnologic inteligent de irigare.
Structura metalică este concepută din țeavă rotundă din oțel E260 Premium, galvanizare Sendzimir 275g zinc/mp. Prinderea structur ii se face în cuzineți (pahare) de beton. Îmbinarea pofilelor se face telescopic, iar prinderea se face cu
șuruburi de calitate clasa 8.8. Întreaga suprafața a solarului este acoperită cu folie dublă cu pernă de aer cu următoarele proprietăți: rezistentă l a UV (ultraviolete), EVA (elongație 600 %), strat exterior anti -praf, grosime 0,15 mm, transparen ţă 90 %, difuzie 25 %, strat interior anti-condens.
Principalele caracteristici tehnice ale solarului sunt următoarele: - lățime: 10 m - înălțime la tirant: 2,95 m - înălțime la coamă: 5,3 m; - pompa de aer cu presostat; - ușă de acces glisantă pe fronton; - deschideri laterale manuale cu mânere simple prin roluirea foliei pe ambele
părți pentru ventilare.
Fig. 6.5. Solarul
6.5.
cu pereți verticali gotic
Instalația de condensare (fig. 6.6.) este alcătuită dintr -o rețea de țevi
din cupru montate în buclă închisă, care prin recircularea apei reci în interiorul acestora combinată cu umiditatea relativă ridicată și temperatura aerului din interiorul solar ului va utiliza apa rezultată prin condensare la irigarea culturii legumicole.
Fig. 6.6. Instalația de condensare
6.6.
Răcitorul de apă 500 l (fig. 6.7.) produce o cantitate de apa rece și
răcește apa până la 1,5°C pentru instalația de condensare. Acesta uniformizează
temperatura apei printr- o pompă de recirculare care evită formarea gheții. În caz de
defecțiune a motorului ventilatorului, scurgeri de gaze și problemele cu condensatorul, alimentarea motorului se î ntrerupe datorită sistemului automat de
urgență. Are structura oțel inoxidabil, puterea de 6,4 kW, capacitatea de 1000 litri, capacitatea orară de 600 litri/oră, temperatura de +18°C – +3°C iar gazul utilizat este R 404A.
Fig. 6.7. Răcitor de apă
6.7.
Instalația de automatizare (fig. 6.8.) constă dintr -o combinație de
hardware și software care acționează ca un supervizor cu scopul gestionării instalației de optimizare a temperaturii în zona rădăcinilor plantelor și a instalației de condensare destinată irigării culturilor legumicole din solarul modelului experimental de sistem tehnologic inteligent de irigare.
Fig. 6.8. Instalație de automatizare model experimental de sistem tehnologic
inteligent de irigare
Pentru gestionarea instalației de optimizare a temperaturii în zona rădăcinilor plantelor, schema bloc de măsura și control este prezentată în figura 6.9. În acest scop instalația de automatizare este prevăzută cu următoarele componente: - Alpha Power 24 Vcc – sursa de tensiune stabilizată 24 Vcc; - AL2-12MR-D – automat programabil; - AL2-2PT – ADP – adaptor termorezistente Pt 100; - TT1 – termorezistenta Pt100; - TT2 – termorezistenta Pt100;
Fig. 6.9. Schema bloc de măsura și control pentru gestionarea instalației de
optimizare a temperaturii în zona rădăcinilor plantelor Alte lucrări premergătoare implementării proiectului realizării instalației de optimizare a temperaturii în zona rădăcinilor plantelor sunt: 1. realizarea căminelor de acces din beton armat, 2. excavare pământ, 3. realizare pat de nisip,
4. realizarea reţea din ţevi de cupru. 7. Concluzii:
Sistemele de monitorizare a parametrilor (umiditate sol, precipitații, temperatură sol, radiații solare) asigură și controlul funcționării irigației în funcție de parametrii măsurați, reducând substanțial consumul de apă (pana la 60%) și consumul de energi e electrică. Acest sistem de monitorizare a parametrilor reprezintă cea mai bună soluţie
constructivă pentru zonele amenințate de deșertificare.
