izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2026-3-54-64izmertech-2371Research ArticleИЗМЕРЕНИЯ В ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХMEASUREMENTS IN INFORMATION TECHNOLOGIESИзмерительный преобразователь ёмкости для диэлькометрических влагомеров зернаMeasuring converter of capacitance for dielectric grain moisture metershttps://orcid.org/0000-0002-2310-2339ВострухинА. В.VostrukhinA. V.

Александр Витальевич Вострухин, канд. техн. наук, научный сотрудник, доцент кафедры электротехники, физики и охраны труда

355017, Ставрополь, Зоотехнический пер., д. 12

Aleksandr V. Vostrukhin, Cand. Sc. (Engineering), Researcher, Docent of Electrical Engineering, Physics and Occupational Safety Department

355017, Stavropol, Zootechnichesky lane, 12

avostrukhin@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0335-8791МастепаненкоМ. А.MastepanenkoM. A.

Максим Алексеевич Мастепаненко, канд. техн. наук, директор института механики и энергетики, доцент кафедры электротехники, физики и охраны труда

355017, Ставрополь, Зоотехнический пер., д. 12

Maksim A. Mastepanenko, Cand. Sc. (Engineering), Director of Mechanics and Power Engineering Institute, Docent of Electrical Engineering, Physics and Occupational Safety Department

355017, Stavropol, Zootechnichesky lane, 12

mma_26@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8402-7803ВоротниковИ. Н.VorotnikovI. N.

Игорь Николаевич Воротников, канд. техн. наук, доцент кафедры электротехники, физики и охраны труда

355017, Ставрополь, Зоотехнический пер., д. 12

Igor N. Vorotnikov, Cand. Sc. (Engineering), Docent of Electrical Engineering, Physics and Occupational Safety Department

355017, Stavropol, Zootechnichesky lane, 12

vorotn_in@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8066-6659ВахтинаЕ. А.VakhtinaE. A.

Елена Артуровна Вахтина, канд. пед. наук, доцент, доцент кафедры электротехники, физики и охраны труда

355017, Ставрополь, Зоотехнический пер., д. 12

Elena A. Vakhtina, Cand. Sc. (Pedagogical), Docent of Electrical Engineering, Physics and Occupational Safety Department

355017, Stavropol, Zootechnichesky lane, 12

eavakhtina@yandex.ruСтавропольский государственный аграрный университетРоссияStavropol State Agrarian UniversityRussian Federation2026190620267535464Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20262026ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2371

Рассмотрена задача повышения точности измерений влажности зерна при минимизации аппаратной части диэлькометрического влагомера. Для её решения предложена алгоритмическая компенсация погрешностей аналогового тракта, реализованная на базе 8-разрядного микроконтроллера. Разработанный алгоритм преобразования ёмкости чувствительного элемента (датчика) в цифровой код предусматривает высокие скорости изменения тестового напряжения и обеспечивает прямое сопряжение датчика с микроконтроллером. Разработаны программные и аппаратные средства измерительного преобразователя ёмкости, определены его основные характеристики и оценена возможность применения в составе диэлькометрических влагомеров зерна. В качестве тестового сигнала, подающегося через эталонный резистор на ёмкостный датчик, использован однополярный меандр, формируемый встроенным в микроконтроллер таймером/ счётчиком. Приложенные к датчику максимальное и минимальное напряжения преобразуются в цифровые коды, которые используются для расчёта действительного значения ёмкости. Также для расчёта ёмкости использован параметр, который зависит от сопротивления эталонного резистора и частоты меандра. Преобразование напряжений в цифровые коды реализовано методом сравнения с эталонным напряжением, которое формируется встроенным в микроконтроллер широтно- импульсным модулятором и внешним RC-фильтром. Для сравнения напряжений применён встроенный в микроконтроллер аналоговый компаратор. Методом имитационного моделирования исследована зависимость параметров преобразованого тестового сигнала от ёмкости датчика. Модель разработана в среде SimInTech, ориентированной на решение задач математического моделирования, синтеза алгоритмов управления и программирования вычислительных устройств. Экспериментальный измерительный преобразователь ёмкости построен на базе платы Arduino Nano (Arduino, Италия), содержащей микроконтроллер ATmega328PB (Microchip Technology Inc, США). Частота меандра в эксперименте 500 кГц. В диапазоне изменения ёмкости 25–45 пФ разрешающая способность измерительного преобразователя ёмкости составила 0,1 пФ. Отклонение результатов измерений от заданных значений ёмкости, измеренных прецизионным прибором LCR-819 (GW Instek, Тайвань), не превысило ±0,2 пФ. Измерительный преобразователь ёмкости испытан в составе экспериментальных влагомеров, изготовленных авторами статьи, в диапазоне 9–19 % влажности зерна пшеницы при температуре зерна 23– 25 °С. Отклонение результатов измерений влажности зерна пшеницы экспериментальными влагомерами не превысило ±0,6 % влажности, определяемой по ГОСТ 13586.5-2015 «Зерно. Метод определения влажности». Оптимальная область применения преобразователя – информационно-измерительные и управляющие системы на базе ёмкостных датчиков.

The problem of increasing the accuracy of grain moisture measurements while minimizing the hardware of a dielectric moisture meter is considered. To solve it, an algorithmic compensation of the analog path errors, implemented on an 8-bit microcontroller, is proposed. The developed algorithm for converting the capacitance of the sensing element (sensor) into a digital code provides high slew rates of the test voltage and ensures direct interfacing of the sensor with the microcontroller. The software and hardware for a capacitance measuring transducer have been developed, its main characteristics have been determined, and the possibility of its use as part of dielectric grain moisture meters has been assessed. A unipolar meander generated by the microcontroller's built-in timer/counter is used as a test signal applied through a reference resistor to the capacitive sensor. The maximum and minimum voltages on the sensor are converted into digital codes, which are used to calculate the actual capacitance value. The capacitance is also calculated using a parameter that depends on the resistance of the reference resistor and the square wave frequency. The sensor voltages are converted into digital codes by comparing them with a reference voltage generated by a pulse-width modulator integrated into the microcontroller and an external RC filter. Voltage comparison is performed by an analog comparator built into the microcontroller. Using simulation modeling, the dependence of the parameters of the converted test signal on the sensor capacitance was investigated. The model was developed in the SimInTech environment, which is designed for solving problems of mathematical modeling, synthesizing control algorithms, and programming computing devices. The experimental capacitance measurement converter is built using the Arduino Nano development board (Arduino, Italy), which contains the ATmega328PB microcontroller (Microchip Technology Inc, USA). The square wave frequency in the experiment was 500 kHz. Over a capacitance range of 25–45 pF, the resolution of the capacitance measuring converter was 0.1 pF. The deviation of the measurement results from the set capacitance value measured by the LCR-819 precision device (GW Instek, Taiwan) did not exceed ±0.2 pF. The capacitance measuring converter was tested as part of experimental moisture meters manufactured at Stavropol State Agrarian University for a range of 9–19 % wheat grain moisture at a grain temperature of 23–25 °C. The deviation of the results of wheat grain moisture measurements by experimental moisture meters did not exceed ±0.6 % of the moisture content determined according to GOST 13586.5-2015 “Grain. Method of moisture content determination”. The optimal fi eld of application for the converter is information-measuring and control systems based on capacitive sensors. systems based on capacitive sensors.

алгоритм преобразованияцифровой кодёмкостный датчикконденсатормикроконтроллерсреда SimInTechхарактеристика преобразованияconversion algorithmdigital codecapacitive sensorcapacitormicrocontrollerSimInTech programconversion characteristicsРабота выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-15-2025-591) в рамках реализации программы развития научного центра мирового уровня «Агроинженерия будущего» СтГАУ.This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (agreement no. 075-15-2025-591) as part of the implementation of the world-class scientifi c center development program “Agroengineering of the Future” Stavropol State Agrarian University.ReferencesJ ones S. B., Sheng W., Or D. Dielectric measurement of agricultural grain moisture – theory and applications. Sensors, 22, 2083 (2022). https://doi.org/10.3390/s22062083 ; https://elibrary.ru/cosaocJones S. B., Sheng W., Or D. Dielectric measurement of agricultural grain moisture – theory and applications. Sensors, 22, 2083 (2022). https://doi.org/10.3390/s22062083 ; https://elibrary.ru/cosaocLiu Y., Zhang J., Yuan H., Song M. et al. Non-destructive quality-detection techniques for cereal grains: a systematic review. Agronomy, 12(12), (2022). https://doi.org/10.3390/agronomy12123187 ; https://elibrary.ru/kxbjqmLiu Y., Zhang J., Yuan H., Song M. et al. Non-destructive quality-detection techniques for cereal grains: a systematic review. Agronomy, 12(12), (2022). https://doi.org/10.3390/agronomy12123187 ; https://elibrary.ru/kxbjqmБерлинер М. А. Измерения влажности. Энергия, Москва (1973).Berliner M. A. Measurements of humidity. Energia Publ., Moscow (1973). (In Russ.)Jafari M., Chegini G. R., Rezaeealam B., Shaygani Akmal A. A. Experimental determination of the dielectric constant of wheat grain and cluster straw in different moisture contents. Food Science & Nutrition, 8(1), 629–635 (2020). https://doi.org/10.1002/fsn3.1350Jafari M., Chegini G.R., Rezaeealam B., Shaygani Akmal A. A. Experimental determination of the dielectric constant of wheat grain and cluster straw in different moisture contents. Food Science & Nutrition, 8(1), 629–635 (2020). https://doi.org/10.1002/fsn3.1350Дубров Н. С., Кричевский Е. С., Невзлин Б. И. Многопараметрические влагомеры для сыпучих материалов. Машиностроение, Москва (1980).Dubrov N. S., Krichevsky E. S., Nevzlin B. I. Multiparameter moisture meters for bulk materials. Mashinostroenie Publ., Moscow (1980). (In Russ).Reverter F. The art of directly interfacing sensors to microcontrollers. J. Low Power Electronics and Applications, 2, 265–281 (2012). https://doi.org/10.3390/jlpea2040265Reverter F. The art of directly interfacing sensors to microcontrollers. J. Low Power Electronics and Applications, 2, 265–281 (2012). https://doi.org/10.3390/jlpea2040265Czaja Z. Time-domain measurement methods for R, L and C sensors based on a versatile direct sensor-to-microcontroller interface circuit. Sensors and Actuators A: Physical, 274, 199–210 (2018). https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.03.029Czaja Z. Time-domain measurement methods for R, L and C sensors based on a versatile direct sensor-to-microcontroller interface circuit. Sensors and Actuators A: Physical, 274, 199–210 (2018). https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.03.029Czaja Z. A measurement method for capacitive sensors based on a versatile direct sensor-to-microcontroller interface circuit. Measurement, 155, 107547 (2020). https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.107547 ; https://elibrary.ru/gdyypuCzaja Z. A measurement method for capacitive sensors based on a versatile direct sensor-to-microcontroller interface circuit. Measurement, 155, 107547 (2020). https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.107547 ; https://elibrary.ru/gdyypuVostrukhin A., Vakhtina E. Microcontroller measuring converter of capacitance based on transients in RC circuit. Proc. conference “Engineering for Rural Development”, Jelgava, May 20–22, 2020. Latvia University of Life Sciences and Technologies, Jelgava, pp. 171–176 (2020). https://doi.org/10.22616/ERDev.2020.19.TF038 ; https://elibrary.ru/appnlbVostrukhin A., Vakhtina E. Microcontroller measuring converter of capacitance based on transients in RC circuit. Proc. conference “Engineering for Rural Development”, Jelgava, May 20–22, 2020. Latvia University of Life Sciences and Technologies, Jelgava, pp. 171–176 (2020). https://doi.org/10.22616/ERDev.2020.19.TF038 ; https://elibrary.ru/appnlbVostrukhin A., Vakhtina E. Temperature sensor resistance conversion to binary code using pulse width modulation. Proc. conference “Engineering for Rural Development”, Jelgava, May 22–24, 2019. Latvia University of Life Sciences and Technologies, Jelgava, pp. 1269–1274 (2019). https://doi.org/10.22616/ERDev2019.18.N037 ; https://elibrary.ru/ksqbgnVostrukhin A., Vakhtina E. Temperature sensor resistance conversion to binary code using pulse width modulation. Proc. conference “Engineering for Rural Development”, Jelgava, May 22–24, 2019. Latvia University of Life Sciences and Technologies, Jelgava, pp. 1269–1274 (2019). https://doi.org/10.22616/ERDev2019.18.N037 ; https://elibrary.ru/ksqbgnКаландаров П. И. Высокочастотный влагомер для измерения влажности зерна и зернопродуктов. Измерительная техника, (4), 65–71 (2022). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-4-65-71 ; https://elibrary.ru/oidrqcKalandarov P. I. High-frequency moisture meter for grain and grain products. Izmeritel`naya Tekhnika, (4), 65–71 (2022). (In Russ.) https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-4-65-71 ; https://elibrary.ru/oidrqcМастепаненко М. А., Воротников И. Н., Вахтина Е. А. Многоканальный микроконтроллерный измерительный преобразователь для зондов систем мониторинга влажности почвы емкостными датчиками: пат. RU 2818484 C1. Изобретения. Полезные модели, № 13 (2024).Vostrukhin A. V., Mastepanenko M. A., Vorotnikov I. N., Vakhtina E. Multichannel microcontroller measuring transducer for probes of soil moisture monitoring systems with capacitive sensors: Patent (RU) 2818484 С1. Inventions, Utility Models, no. 13 (2024).Vostrukhin A., Mastepanenko M., Vorotnikov I., Vakhtina E. Multichannel measuring converter for monitoring soil moisture with capacitive sensors. Proc. conference “Innovations in Sustainable Agricultural Systems” (ISAS 2024), Stavropol, March 04–05, 2024. Springer Nature Switzerland, Cham, pp. 12–20 (2024). https://doi.org/10.1007/978-3-031-72556-2_2 ; https://elibrary.ru/xedslcVostrukhin A., Mastepanenko M., Vorotnikov I., Vakhtina E. Multichannel measuring converter for monitoring soil moisture with capacitive sensors. Proc. conference “Innovations in Sustainable Agricultural Systems” (ISAS 2024), Stavropol, March 04–05, 2024. Springer Nature Switzerland, Cham, pp. 12–20 (2024). https://doi.org/10.1007/978-3-031-72556-2_2 ; https://elibrary.ru/xedslcКлюев А. С., Лебедев А. Т., Клюев С. А., Товарнов А. Г. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: справочное пособие. Под ред. Клюева А. С. Энергоатомиздат, Москва (1989).Lebedev A. T., Klyuev S .A., Tovarnov A. G. Commissioning of Automation Equipment and Automatic Control Systems: Reference Manual. Klyuev A. S. (ed.), Energoatomizdat Publ., Moscow (1989). (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.