Mapování výnosů zemědělských plodin je jedním ze stěžejních prvků precizního zemědělství. V současné době je sytém mapování výnosů nejrozšířenější u sklízecích mlátiček, tedy strojů sloužících pro sklizeň zrnin. Probíhají však také různé výzkumy, které mají za cíl tvorbu výnosových map při sklizni ostatních plodin, jako jsou pícniny a okopaniny.
Zrniny.
Zjišťování okamžitého výnosu zrnin je v současné době nejlépe propracované. Systémy, sloužícími k získávání těchto údajů, jsou na přání zákazníka vybavovány sklízecí mlátičky všech významných výrobců. Potřebné snímače jsou napojeny na palubní počítač stroje. Snímače okamžitého výnosu mohou pracovat samostatně. V tomto případě poskytují pouze některé důležité provozní údaje (např. průměrný výnos z libovolně určené plochy, vlhkost sklízeného zrna apod.). Pro tvorbu výnosových map však musí být celý systém samozřejmě ještě doplněn o přijímač signálu polohy v systému DGPS (obr. 1).
K určování okamžitého výnosu zrnin v současné době existuje hned několik druhů snímačů, jejichž čidla pracující na rozdílných principech. Signály od snímačů okamžitého výnosu jsou zpravidla zpřesňovány údaji o okamžité vlhkosti sklízeného materiálu a celý systém je doplněn čidlem sledujícím polohu žacího válu sklízecí mlátičky. Některá řešení vyžadují ještě další korekční členy, například pro práci na svahu, kde dochází k náklonu stroje.
Okamžitý výnos se zjišťuje pomocí měření hmotnostního nebo objemového toku vyčištěného zrna do zásobníku sklízecí mlátičky. Okamžitý průtok materiálu je možno určit pomocí čidel mechanických, optických, kapacitních, nárazových a paprskových.
Asi jako první z těchto čidel bylo vyvinuto a používáno čidlo mechanické. Jeho základem je lopatkové kolo a dva senzory. Celé zařízení je umístěné na výstupu zrnového dopravníku. Protože však tento systém měření okamžitého výnosu není dostatečně přesný, začíná se od něj ustupovat.
Optické čidlo okamžitého výnosu pracuje tak, že měří výšku vrstvy materiálu, který právě prochází okolo něj na lopatce zrnového dopravníku sklízecí mlátičky. Čidlo má dvě části - vysílač světelného paprsku a jeho přijímač. Pomocí tohoto čidla se zjistí, jakou dobu byl vysílaný světelný paprsek přerušen materiálem. Pro výpočet okamžitého výnosu se využívají údaje o době přerušení světelného paprsku a rychlosti řetězu zrnového dopravníku. Celé zařízení je nutno kalibrovat, to znamená nastavit pro různé sklízené plodiny. Všechny tyto údaje zpracovává mikroprocesor umístěný v čidle a poskytuje je palubnímu počítači. Tento systém používá např. firma RDS, lze se s ním setkat u sklízecích mlátiček firmy Claas.
Pro zpřesnění údajů od optického čidla se u tohoto systému používá čidla příčného náklonu, protože při práci stroje na svahu dochází k sesypávání materiálu na lopatkách dopravníku zrna a může tím být ovlivněna doba přerušení světelného paprsku. Čidlo náklonu je umístěno zpravidla uprostřed mezi předními koly sklízecí mlátičky.
Poměrně jednoduché a rozšířené jsou nárazové snímače okamžitého průtoku zrna. Princip jejich práce spočívá v tom, že zrno je u výstupu ze zrnového dopravníku nuceno dopadnout na zakřivenou nárazovou desku. Poloha nárazové desky, která je v malém rozmezí pohyblivá vůči pevné nosné desce, je snímána pomocí tenzometrických snímačů. Na základě změny polohy této desky je možno usuzovat na hybnost narážejícího materiálu a z té se dá určit jeho hmotnost. Aby čidlo pracovalo s dostatečnou přesností, musí se pro různé plodiny kalibrovat. Podobné systémy určování okamžitého výnosu jsou oblíbeny především v Americe. Používají je např. firmy Case IH a John Deere. Na (obr. 2) je výnosová mapa získaná z údajů tohoto čidla.
Kapacitní čidlo pracuje na principu změny kapacity kondenzátoru. Kondenzátor je v tomto případě tvořen tak, že jeho jedna deska je umístěna na dně u výstupu zrna ze zrnového dopravníku. Na protější straně je umístěna druhá deska kondenzátoru. Zrno, které je nuceno procházet mezi těmito dvěma deskami ovlivňuje elektrické pole mezi deskami kondenzátoru a tím se mění jeho kapacita. Změny jsou závislé na množství, vlhkosti a elektrické vodivosti procházejícího zrna. Na základě těchto změn je možno usuzovat na množství prošlého materiálu a z toho na okamžitý výnos.
Paprskové čidlo pracuje na principu měření různého zeslabení intenzity záření procházejícím zrnem. Na výstupu zrnového dopravníku je umístěno čidlo, které se skládá z vysílače radioaktivního záření, umístěného v dolní části. Jestliže žádné zrno neprochází, zařízení se samo kalibruje. Ze změny intenzity přijímaného záření je možno usuzovat na okamžitou hmotnost sklízeného materiálu. Tento systém vyvinula a používá firma Massey Ferguson.
Jak vyplývá z popisu jednotlivých čidel, měří se buď objem (mechanické a optické čidlo) nebo hmotnost (čidlo nárazové, kapacitní a paprskové) materiálu procházejícího zrnovým dopravníkem. Z hlediska přesnosti je lepší měřit hmotnost, protože výsledky měření objemu jsou ovlivněny hustotou (měrnou hmotností) sklízeného materiálu, která se může měnit. Nejméně přesná jsou čidla mechanická.
Poměrně značnou roli může při sklizni i během jediného dne hrát okamžitá vlhkost zrna. Proto většina výrobců používá také čidla pro její zjišťování. Jsou umístěna zpravidla na spodní straně v koncovce šnekového dopravníku, přivádějícího vyčištěné zrno do zásobníku sklízecí mlátičky. Jedná se o čidla kapacitní. Jejich povrch má určitou kapacitu, která se mění při průchodu různě vlhkého materiálu. Změna kapacity čidla je snímána a vyhodnocována a na jejím základě je možno usuzovat na okamžitou vlhkost sklízeného materiálu. Tato čidla pracují kupodivu poměrně přesně v širokém rozmezí vlhkosti (0 až 40 %). Je to způsobeno patrně především velkým množstvím snímaných vlhkostních údajů.
Pro zpřesnění práce všech typů čidel se používají údaje o pojezdové rychlosti nebo ujeté dráze stroje. Protože při práci zemědělských strojů, sklízecí mlátičky nevyjímaje, dochází často k prokluzu hnacích kol, používají se různá čidla sloužící k jeho korekci. Ujetá dráha strojem se dá nejjednodušeji zjistit čidlem počítajícím otáčky nepoháněných kol. Někdy se ke korekci prokluzu používají také čidla náklonová, pracující na stejném principu jako korekční čidlo příčného náklonu. Okamžitá rychlost se dá zjistit také čidlem radarovým, které snímá pohyb stroje oproti povrchu pozemku.
Pícniny.
Možnosti zjišťování okamžitého výnosu při sklizni pícnin nejsou v současné době zdaleka tak propracovány jako v případě obilovin. Ukazuje se nicméně, že i v tomto případě je možné při použití vhodných technických prostředků dojít k objektivním výsledkům. Znalost okamžitého výnosu píce by mohla být z hlediska další interpretace získaných dat ve srovnání se znalostí okamžitého výnosu zrnin dokonce výhodnější. Z pícnin se totiž využívá celá nadzemní část rostliny a ne pouze semena jako je tomu u zrnin. Na výnosový potenciál půdy by proto bylo možno usuzovat lépe právě podle okamžitého výnosu pícnin.
Některé systémy sloužící ke zjišťování okamžitého výnosu sklízené píce jsou známy u sklízecích řezaček. Pracují na základě použití tenzometrů, kterými se měří buď pohyb nárazové desky (podobně jako u nárazových čidel sklízecí mlátičky) nebo točivý moment na hřídeli metače stroje. Další možností je průběžně sledovat mezeru mezi vkládacími válci řezačky, nebo měřit výnos pomocí nukleonového měřícího senzoru v dopravní koncovce sklízecí řezačky.
Zařízení, používající nárazové desky, pracuje na následujícím principu. Na horní straně dopravní koncovky řezačky je umístěna usměrňovací deska, nárazová deska a radarové čidlo k určování rychlosti procházejícího materiálu. Usměrňovací deska směruje tok materiálu na nárazovou desku tak, aby na ni dopadal pod předem určeným úhlem. Síly, kterými působí materiál na nárazovou desku, jsou dvojího typu - odstředivé a třecí. Jejich velikost závisí na rychlosti materiálu v dopravní koncovce. Protože rychlost materiálu ve sklízecí řezačce závisí na různých parametrech, jako je nastavení stroje, vlastnosti sklízeného porostu a průchodnost, je pro korekci rychlosti materiálu použito radarové čidlo. Jako výhodnější se jeví použití radarového čidla umístěného na horní části dopravní koncovky. Z elektrického signálu tenzometru je možno podobně jako u sklízecích mlátiček určit okamžitý výnos sklízené plodiny.
Tento systém měření není citlivý ani na druh sklízeného porostu, ani na jeho vlhkost. Při malých průchodnostech je však celý systém méně přesný. Nicméně při normálním nasazení je možno dosáhnout přesnosti do 5 %, což je srovnatelné s přesností měření výnosu zrna. Celý systém je vhodný pro návěsné sklízecí řezačky, které nepoužívají metače. Je však použitelný i pro stroje s metačem.
Další způsob měření okamžitého výnosu pícnin je možno použít pouze u samojízdných sklízecích řezaček, které jsou vybaveny metačem, protože se ukazuje, že jeho okamžitý příkon závisí mj. také na průchodu hmoty a tedy na výnosu. Příkon metače je možné měřit torzním dynamometrem, kterým se pomocí tenzometrického můstku měří točivý moment metače a další čidlo měří otáčky metače.
Zároveň se radarovým čidlem zjišťuje okamžitá pojezdová rychlost stroje. Zařízení je také vybaveno nárazovým čidlem indikujícím vstup sklízeného materiálu do stroje a čidlem směru pohybu vpřed/vzad. Na základě změny příkonu metače je poté možno usuzovat na změnu výnosu porostu. Tento systém se ukazuje jako vhodnější pro laboratorní měření. Při praktickém použití se naráží na určité problémy zvláště při plném vytížení stroje. Na příkon metače má také vliv vlhkost sklízeného materiálu.
Na jednoduché myšlence je postaven systém měření okamžitého výnosu prostřednictvím měření vzájemné vzdálenosti vkládacích válců sklízecí řezačky. Jestliže v daný časový okamžik prochází více hmoty, musí se vzdálenost válců od sebe zvětšit a naopak. Vzdálenost obou válců je elektronicky měřena a na základě jejích změn je vypočítán okamžitý výnos. Přesnost celého systému však závisí na stupni zralosti sklízené plodiny, její okamžité vlhkosti a druhu. Celý systém proto musí být kalibrován pro různé plodiny. Navíc vliv zralosti porostu se může projevit i v rámci jednoho pozemku a může způsobit chyby měření.
Použití nukleonového čidla umístěného v dopravní koncovce samojízdné sklízecí řezačky vyžaduje také použití radarového čidla rychlosti materiálu. Z těchto pokusů jsou však známé zatím pouze výsledky při sklizni kukuřice na siláž.
U žacích strojů jsou zatím zkoušeny pouze dva principy měření okamžitého výnosu. Jeden je založen na měření úhlu vychýlení kyvadla, měnícího se se změnou hustoty porostu, druhý využívá měření okamžitého příkonu čechrače.
Pohyblivé čidlo na principu kyvadla pracuje tak, že při horizontálním pohybu kyvadlově zavěšeného válcovitého tělesa porostem se vlivem kontaktu s porostem mění v závislosti na parametrech výšky zavěšení, délky kyvadla, hmotnosti kyvadla, soudržnosti porostu, tuhosti porostu a počtu stébel úhel vychýlení kyvadla. Zjednodušením závislosti lze zjistit, že výstupní hodnota biomasy (např. v kg.ha-1) je funkcí úhlu vychýlení kyvadla a závisí na parametrech soudržnosti porostu, tuhosti porostu a počtu stébel. Tyto hodnoty se dají transformovat do výnosové mapy.
Zařízení na měření příkonu čechrače, ze kterého pravděpodobně bude možno usuzovat na okamžitý výnos je zkoušeno na Technické fakultě ČZU v Praze (obr. 3). Princip jeho práce je obdobný jako při měření příkonu metače samojízdné sklízecí řezačky. Základní myšlenkou jeho práce je, že čím větší množství hmoty projde v daném časovém okamžiku čechračem, tím větší by měl být jeho příkon.
Čechračem nebo mačkačem jsou žací stroje dnes již téměř standardně vybavovány. Měřit příkon celého rotačního žacího stroje by bylo problematické, protože se podstatně mění s otupením nožů, ke kterému při práci stroje poměrně rychle dochází. Základem celého měřícího zařízení je torzní dynamometr. Ten je vybaven tenzometrickým můstkem, měřícím točivý moment čechrače, a optickým čidlem, měřícím jeho otáčky. Z těchto dvou hodnot již lze určit příkon čechrače. Na (obr. 4) je výnosová mapa zjištěná podle příkonu čechrače rotačního žacího stroje ŽTR 216 H, který byl pro pokusy ochotně zapůjčen Agrostrojem Pelhřimov.
Okopaniny.
U okopanin se pro měření okamžitého výnosu používají systémy, které jsou založeny na zjišťování hmotnostního toku sklízené hmoty v některých pracovních částech stroje. Zejména se tak děje kontinuálním vážením dopravních elementů (dopravních pásů), vážením zásobníku bulev nebo hlíz a vážením celého stroje. Nekontinuální způsoby měření hmotnostního toku materiálu využívají vážení plného zásobníku bulev nebo hlíz, celého sklízeče nebo prostřednictvím pásového vážícího zařízení váží materiál při vyprazdňování zásobníku. Další možností je využití mapování výnosů založeného na průběžném vážení dopravních prostředků určených pro odvoz sklízené hmoty. Ve všech případech jsou k vážení využívána opět převážně tenzometrická čidla.
Pro sklizeň brambor kombinovaným sklízečem se ukazuje jako vhodná metoda využívající nárazové desky. Funkce systému je následující. Jestliže se dosáhne při sklizni konstantního časového intervalu mezi dopadem jednotlivých hlíz v toku materiálu, pak existuje přímo úměrná závislost mezi střední silou dopadu na nárazovou desku a hmotnostním tokem materiálu. Konstantní rozdíl rychlosti je dosažen tehdy, když hlízy brambor dopadají na údernou desku téměř kolmo se stejnou rychlostí jako je rychlost dopravního pásu. Pogumovaná nárazová deska se zařízením pro měření síly je umístěna do místa průchodu výstupní trajektorie hlíz z dopravního pásu, běžícího určitou rychlostí (0,9 m.s-1) s různou intenzitou dopadu toku materiálu. Způsob měření obsažených příměsí (kameny, sláma, půda) je stejný jako u brambor. Odlišení příměsí při tomto způsobu měření není možné. Mapy výnosu hlíz brambor tedy ukazují především relativní rozdíly v dané části pozemku.
Při sklizni cukrovky se využívají také nepřímé metody měření. Nepřímé měření se děje výpočtem z údajů o sklizené ploše a plošného výnosu nebo výnosu z 1 běžného metru řádku za pomoci funkce odhadu výnosu po zkušebním vyorání nebo jiném bližším způsobu zjištění výnosu. Také lze zjistit hmotnostní tok sklízeného materiálu měřením jeho dopravovaného profilu a rychlosti dopravníku. Hmotnostní tok materiálu se vypočítává z objemového toku a tloušťky vrstvy neočištěných bulev. Výpočet výnosu je možný také měřením fyzikálních veličin s pomocí statisticky zajištěných funkčních vztahů, např. mezi průměrem bulvy a střední hmotností čistých bulev (a počtu vyoraných bulev).
Tyto vzájemné vztahy, např. biotechnické vlastnosti (střední průměr bulvy) a váha jednotlivých bulev umožňují při znalosti počtu sklizených bulev spočítat výnos čisté cukrovky. Pak je výnos určován jako součin hmotnosti jednotlivé bulvy a počtu bulev. Ve spojení s polohovými souřadnicemi udávanými DGPS je tak možné získat mapu výnosu čistých bulev. Pro měření průměru bulev se používají různé ultrazvukové a laserové technologie a také měření frekvenčního posunu radarovým Dopplerovým čidlem. Ke zjišťování počtu bulev se využívá snímání odporu ořezávacího mechanismu.
Mapování výnosů založené na průběžném vážení dopravních odvozových prostředků funguje následovně. K dispozici musí být dopravní prostředek (návěs nebo přívěs), u kterého je možné průběžně sledovat hmotnost nákladu. Aby bylo měření dostatečně přesné, musí být nákladový prostor dopravního prostředku dobře izolován od rámu stroje. Měření by jinak bylo zkreslováno množstvím nepříznivých vlivů jako jsou vibrace, nárazy apod. V praxi toho lze dosáhnout například tak, že mezi podvozek a rám ložného prostoru stroje je vložen hydraulicky odpružený pomocný rám. Měřící čidla jsou vložena mezi pomocným rámem a rámem ložného prostoru dopravního prostředku. Ze zjištěné průběžné hmotnosti nákladu lze zjistit průchodnost materiálu a odtud jeho okamžitou hmotnost. Jestliže údaje z čidel spojíme s údaji o poloze dopravního prostředku v systému DGPS, je možno zjistit rozdíly ve výnosu v jednotlivých místech pozemku. Tento systém je vhodný pro zjišťování okamžitého výnosu většiny okopanin i ostatních plodin (řepa, brambory, mrkev, cibule).
Z výčtu různých technických možností mapování výnosů je znát, že zemědělský výzkum a vývojové dílny továren na zemědělské stroje věnují mapování výnosů všech zemědělských plodin poměrně značnou pozornost. Asi je pouze otázkou času, kdy se podobné systémy začnou objevovat v zemědělské praxi, tak jak je tomu již dnes u sklízecích mlátiček.
František Kumhála
Pavel Přidal
