طراحي ساخت و ارزيابي دستگاه اندازه گيري پيوسته مقاومت مكانيكي خاك

Design, development and testing of an instrument for continuous measurement of soil mechanical strength

خواص فيزيكي و شيميايي خاك و شرايط محيطي، عمده ترين دليل نوسانات بازده محصولات كشاورزي در نقاط مختلف است. از جمله خصوصيات فيزيكي موثر در عملكرد محصولات، مقاومت مكانيكي خاك مي باشد. استفاده از نفوذسنج مخروطي، مرسوم ترين روش اندازه گيري مقاومت مكانيكي خاك در مزارع است. در اين روش براي نشان دادن مقاومت خاك، از معياري به نام شاخص مخروط (Cone Index) استفاده مي شود. اندازه گيري مقاومت خاك با استفاده از نفوذسنج مخروطي به صورت ايستگاهي بوده و انجام آن در مزرعه كاري زمان بر و بسيار مشكل است. براي حل اين مشكل و امكان كسب اطلاعاتي از مقاومت خاك، در اين تحقيق دستگاهي ساخته شد كه مقاومت مكانيكي خاك را به صورت پيوسته و در جهت افقي اندازه گيري مي كند. در اين دستگاه براي اندازه گيري مقاومت خاك از مخروطي با زاويه راس 30 درجه استفاده شد كه به طور افقي در خاك حركت مي كند. نيروي اعمالي به نوك مخروط از طريق ميله انتقال نيرو به لودسلي S شكل كه در پشت تيغه حامل قرار گرفته انتقال يافته و از آنجا به دستگاه داده برداري ارسال مي شود. براي حركت راحت در خاك، تيغه حامل گوه اي شكل بوده و داراي زاويه راس 30 درجه مي باشد. كل مجموعه از طريق قاب افزار آن بر سيستم اتصال سه نقطه تراكتور سوار مي شود. در اين تحقيق شاخصي مشابه با CI با عنوان شاخص مقاومت مكانيكي خاك (Soil Resistance Index) تعريف شد كه عبارت است از نيروي اعمالي به نوك مخروط در حالت افقي تقسيم بر سطح مقطع مخروط. به منظور ارزيابي دستگاه و براي يافتن ارتباط بين شاخصهاي CI و SRI آزمايشي مزرعه اي ترتيب داده شد. اين آزمايش به صورت طرح كاملا تصادفي در سه سطح رطوبت خاك اجرا گرديد. مقايسه آماري داده ها نشان داد كه رطوبت در سطح احتمال يك درصد، تاثير معني داري بر شاخصهاي CI و SRI دارد و همانگونه كه انتظار مي رفت با افزايش رطوبت، شاخصهاي CI و SRI كاهش يافتند. همچنين نتايج آزمايشهاي انجام شده، نشان دادند كه همبستگي خوبي ميان شاخص هاي CI و SRI وجود دارد. به عبارت ديگر مي توان از شاخص SRI به عنوان شاخصي براي اندازه گيري مقاومت مكانيكي خاك استفاده كرد. با اين تفاوت كه اين روش آسانتر بوده و در مدت زمان كمي اطلاعات زيادي از مقاومت مكانيكي نقاط مختلف مزرعه در اختيار كاربر قرار مي دهد.

Physical and chemical properties of soil as well as environment conditions are among the most significant reasons for fluctuation of crop yield in different locations. Soil mechanical strength is one of the most common methods for in-situ measurement of soil mechanical strength. In this method, cone index (CI) is used to show the soil strength. Measurement of soil mechanical strength by penetrometer is basically a stop-and-go operation which is difficult and time-consuming. In this research, to solve this problem and to obtain a large amount of data rapidly, a device was designed and developed to measure the soil strength continuously. A 30-degree cone with a base area of 323 mm was used in the device which moved horizontally in the soil. The force exerted on the cone tip was transferred to S-shaped load cell via a force transition rod. The load cell was placed behind the vertical cutting blade used to carry the sensor assembly. Load cell wire carrying the signal was runed through a groove in the rear of the blade. In order to ease its motion in soil, the blade was designed to be wedge-shaped having a 30 degree angle. The whole assembly was mounted on a toolbar which was attached to the three point hitch system of tractor. In this research, an index similar to CI was defined as Soil Resistance Index (SRI) which represented the force applied to the cone in horizontal position divided by cone-base area. In order to evaluate the device and to determine the relationship between CI and SRI indices, a field experiment was arranged. The experiment had a completely randomized block design with three soil moisture content levels. Result of the experiment showed that soil moisture content has significant effect on both CI and SRI. As expected, both CI and SRI decreased with increasing moisture content. Statistical analysis of obtained data shows that there is a good correlation between CI and SRI indices. In other word, SRI can be used as a measure of soil mechanical strength. Compared to stationery methods, this continuous method is much easier to conduct and can provide considerable amount of soil strength data in a short time.