تحقیق در مورد توسعه و ارزیابی آزمایشگاهی مکانیزم کاهنده نویز سکوی توزین سامانه سنجش عملکرد نیشکر با استفاده از لودسل جرم آزاد

word قابل ویرایش
31 صفحه
4700 تومان

چکیده
موضوع تحقیق حاضر توسعه روشی برای سامانه‌‌های سنجش عملکرد مبتنی بر وزن به منظور تصحیح نویز مربوط به اثر ارتعاشات و تکان‌‌های ماشین حین حرکت در مزرعه می‌باشد. این روش بر همانند سازی ارتعاشی سامانه معادل جرم و فنر سکوی توزین با یک لودسل اضافه مجهز به وزنه آزاد استوار است. یکسان سازی بسامد طبیعی و فاز ارتعاش این دو سامانه با محاسبه وزنه آزاد و در نهایت تصحیح سیگنال‌‌های سکو با تفاضل مضربی از سیگنال‌‌های حاصل از لودسل آزاد از مجموع سیگنال‌‌های سکوی توزین به طور پیوسته انجام گرفت. طی دو

سری آزمون در قالب آزمایش فاکتوریل بر پایه طرح کامل تصادفی اثر ۶ سطح بسامدی ارتعاشات ۳ تا ۸ هرتز روی میز ارتعاشی و سه سطح سرعت پره های شبیه ساز بالابر ۲/۲، ۴/۲ و ۷/۲ متر بر ثانیه و ۵ سطح اضافه وزن محصول عبوری از روی سکو از صفر تا ۶ کیلوگرم بر انحراف معیار سیگنال‌های خروجی از سکوی توزین قبل و بعد از تصحیح نشان داد که در محدوده وسیعی از بسامد‌های ارتعاشی، سرعت‌های مختلف بالابر و حتی در محدوده‌ای از اضافه بار‌های متفاوت روی سکو و همچنین برای تکان‌‌های گذرا بعد از تصحیح در سطح

احتمال ۱% اختلاف معنی داری با قبل از تصحیح داشته و بعد از تصحیح از ۴/۰ فراتر نرفته و پایداری خوبی داشت. همچنین بهترین ضریب تصحیح برای حالت بدون بار ۱/۲ و برای حالت عبور محصول ۴/۲ به دست آمد. استفاده از این تکنیک به دلیل ساختار ساده و دقت بالا کاملا کاربردی است و مزیت مهم دیگر آن این است که در محدوده بسامد‌های پایین که نمی‌توان از فیلتر‌های آنالوگ یا دیجیتال به دلیل امکان حذف سیگنال‌های مفید استفاده نمود، این تکنیک به خوبی جواب گو است.

کلیدواژه: سنجش عملکرد، کاهنده نویز، نیشکر، فیلتر، لودسل با جرم آزاد

مقدمه
کشاورزی دقیق نیازمند استفاده از سامانه‌‌های سنجش عملکرد است چرا که وجود تغییرات در عملکرد محصول در سطح مزرعه امری پذیرفته شده است. سامانه‌‌های سنجش عملکرد، ابزاری سریع و جدید هستند که ماشین‌های برداشت را قادر می‌سازد عملکرد محصول را به طور پیاپی اندازه گیری کنند. از این اطلاعات جهت تهیه نقشه تغییرات عملکرد استفاده خواهد شد. با کمک این نقشه ها اندازه گیری عملکرد محصول در هر نقطه ای از مزرعه و مدیریت مستقل بخش‌های کوچک در آن ممکن می‌شود. اطلاعات حاصل از سامانه سنجش عملکرد پایه و اساس توصیه ها و کمک‌ هایی به تولید کننده جهت مدیریت موثرتر نهاده هایی چون کود و دیگر مکمل‌های محصول و همچنین بهینه سازی سود آوری بخش‌های منتخب

مزرعه می‌باشد. سامانه ‌های سنجش عملکرد ابزار مستقیمی را برای محقق یا کشاورز فراهم می‌کند تا بازخورد حقیقی مدیریت مزرعه را دریافت کند. این اطلاعات همچنین می‌تواند جهت ارزیابی لزوم عملیات با نرخ متغیر برای چندین نهاده چون کودها، حشره کش ها و مکمل‌های دیگر استفاده شود. سامانه ‌های سنجش عملکرد تا کنون برای محصولاتی چون غلات، کتان، سیب زمینی، گوجه فرنگی، انگور و بادام به طور محدود تجاری شده اند. این سامانه‌ ها به طور معمول دارای دقت بین ۵ تا ۱۰ درصد می‌باشند و با فاصله ۲۰ تا ۱۰۰ متر

یک خروجی تولید می‌کنند. هر نوع لودسلی که بر روی کمباین در حال حرکت نصب شده باشد، در معرض ارتعاشات با بسامد مختلف ناشی از کار موتور، بالابر،‌ موتور‌های هیدرولیک، دیگر اجزاء متحرک و تکان‌‌های تصادفی ناشی از حرکت کمباین بر سطح ناصاف زمین خواهد بود. در سامانه سنجش عملکرد باید قادر به حذف اثر این نویز از سیگنالها بود تا دستیابی به جریان جرمی دقیق محصول تحقق یابد. جهت اندازه گیری جریان وزنی محصول روی یک وسیله نقلیه که درون مزرعه در حرکت است احتیاج به یک فیلتر پایین گذر موثر یا الگوریتم تصحیح جهت کاهش اثر نویز حاصل از کار ماشین روی حسگر می‌باشد تا سیگنال عملکرد بهبود یابد. البته استفاده از این نوع فیلترها باعث حذف بعضی تغییرات عملکردی در فاصله ‌های کوتاه می‌شود که مطلوب نیست[۴].

ارتعاشات ماشین، تاخیر در انتقال مواد و تکان‌‌های مربوط به سطح ناصاف مزرعه معمول‌ترین منابع تولید نویز در سامانه سنجش عملکرد می‌باشند. در این تحقیق تمرکز بیشتر بر نویز حاصل از ارتعاشات ماشین و تکان‌‌های ناگهانی است. ارتعاشات ماشین یکی از پارامتر‌های مهم و غیر قابل اجتناب در همه تجهیزات برداشت است. هر حسگری که روی کمباین نصب می‌شود باید دارای قابلیت تحمل و پایداری در مقابل ارتعاشات باشد. همچنین سامانه تحصیل داده هم باید قادر به ارائه داده ‌های قابل استفاده از خروجی حسگر باشد. اثر ارتعاشات

بسته به نوع حسگر متفاوت است. لودسل‌ها با توجه به ماهیت اندازه گیری نیرو خصوصا به ارتعاش حساس اند. بنابراین حرکت هارمونیک ماشین که در اثر ارتعاشات ایجاد می‌شود و یا تکان‌‌های تصادفی باعث ایجاد تغییرات متناظر در خروجی حسگر می‌شود. کاربرد تکنیک‌های فیلترینگ در بر طرف کردن نویز حاصل از ارتعاشات احتیاج به داشتن اطلاعاتی از پارامتر‌های ارتعاشی ماشین شامل محدوده و بزرگی ارتعاش دارد. استفاده از آنالیز طیفی تبدیل فوریه روش مفیدی جهت سنجش ارتعاش ماشین می‌باشد. از این روش الیوت و واگنر(۱۹۸۹) به منظور تعیین نرخ داده برداری و پارامتر‌های طراحی از فیلتر استفاده کرده‌اند[۲] و [۹]. از فیلتر‌های آنالوگ هم به منظور حذف نویز حاصل از ارتعاشات و دیگر منابع الکتریکی در سامانه‌‌های سنجش عملکرد استفاده شده است[۱] ، [۷] و [۸].

سه حالت اساسی در برخورد با نویز سیگنال باید در نظر گرفته شود:
• اولین و ساده ترین از نظر امکان حذف،‌ نویزی است که در خارج از محدوده بسامدی عملکرد سامانه قرار می‌گیرد که با استفاده از یک فیلتر آنالوگ یا دیجیتال مناسب (پایین گذر، بالا گذر یا باند گذر) قابل حذف است[۳] ، [۵] و [۶].
• دوم نویزی است که در محدوده بسامدی مطلوب اتفاق می‌افتد. در این حالت با فیلتر نمودن ساده، اطلاعات مفید هم حذف شده که این مطلوب نیست. بنابراین لازم است به منظور حذف اثر این نویز از حسگری که همبستگی بالایی با نویز و همبستگی پایینی با سیگنال مطلوب دارد استفاده شود. اگر بتوان یک مبدل نویز با این خصوصیات توسعه داد، بطور موثری نویز مربوطه قابل حذف می‌باشد. در مجموع در این حالت کانالی که از طریق آن نویز به سیگنال‌‌های مطلوب اضافه می‌شود از حساسیت بالایی برخوردار است. اگر کانالی که نویز از طریق آن منتقل می‌شود در طول زمان ثابت بماند (یعنی تابع تبدیل به طور معنی داری تغییر نکند) می‌توان با استفاده از یک فیلتر تطابقی وینر ‌ نویز را حذف نمود[۴].

• حالت سوم وقتی است که کانال نویز دارای تابع تبدیل متغیر باشد. در این حالت تنها فیلتر سازگار حذف نویز قادر به حذف اثر آن خواهد بود[۱۰] . پلتیر و همکارانش در سال ۲۰۰۱ با استفاده از یک حسگر شتاب سنج روشی را برای حذف اثر تکان‌‌های تصادفی ناشی از حرکت ماشین از سیگنال‌‌های مطلوب با استفاده از فیلتر سازگار حذف نویز ارائه دادند[۴].
هدف این تحقیق طراحی و ارزیابی آزمایشگاهی مکانیزم کاهنده نویز سکوی توزین سامانه سنجش عملکرد نیشکر با استفاده از لودسل با جرم آزاد جهت بهبود دقت سیگنال‌‌های سکوی توزین با اضافه کردن یک لودسل اضافه با جرم آزاد به عنوان حسگر تشخیص نویز، دارای بسامد طبیعی یکسان با سکوی توزین و ارزیابی سامانه روی میز ارتعاشی و شبیه ساز بالابر بود.

مواد و روشها
تئوری، اجزاء و خصوصیات سامانه سنجش عملکرد استفاده شده در این تحقیق بشرح زیر می‌باشد.
پایه تئوری تکنیک پیشنهادی: هر سامانه ارتعاشی را می‌توان بطور ساده به عنوان یک سامانه جرم و فنر در نظر گرفت. در حالتی که از دو لودسل بر روی سکو استفاده شود با استفاده از یک لودسل مشابه و وزنه ای آزاد با جرم نصف وزن ثابت روی دو لودسل اصلی ( قاب و صفحه توزین ) با مدل کردن سکوی توزین به عنوان دو سامانه ارتعاشی جرم و فنر یکی با دو فنر ( لودسل) با ضریب K و جرم M1 و دیگری با یک فنر( لودسل سوم) با ضریبK و جرم M2‌ مشخص است که برای یکسان نمودن بسامد طبیعی این دو سامانه باید M2 نصف M1 باشد (شکل ۱).

(۱)
که در آن بسامد طبیعی، K ضریب فنریت لودسل‌ها بر حسب (N/m)، جرم چهارچوب و صفحه توزین و جرم وزنه آزاد روی لوسل سوم بر حسب (Kg) است.

شکل ۱- مدل ارتعاشی سکوی توزین

حال پس از تنظیم جرم لودسل آزاد اگر کل سامانه ارتعاش کند، این دو سامانه با بسامد یکسانی مرتعش خواهند شد بطوری که نمودار‌های زمان- مکان هر دو سامانه هم فاز می‌گردد ولی دامنه سیگنال‌های لودسل سوم نصف خروجی سکوی توزین خواهد بود.
در زمان برداشت، سکوی توزین در معرض تغییرات متناوب جرم محصول عبوری است. به دلیل اثر این عامل بسامد طبیعی یا به عبارتی پهنای باند تابع تبدیل متناسب با ریشه دوم ۱/ ( M +∆ m) تغییر می‌کند و در نتیجه مقدار انرژی اضافه شده به سیگنال به دلیل ارتعاشات یا ضربه تغییر خواهد کرد. در نتیجه بسامد طبیعی طبق رابطه (۲) تغییر خواهد کرد. در این حالت به ضریب تصحیح بزرگتری نیاز است.
(۲)
که در آن ∆m تغییرات جرم محصول عبوری از روی سکوی توزین را نشان می‌دهد.
سکوی توزین: بالابر کمباین نیشکر از یکسری پره‌‌های فلزی تشکیل شده که با سرعتی در حدود ۷/۲ متر بر ثانیه از روی یک صفحه فلزی ثابت عبور می‌کند. این پره‌ها قلمه ‌ها را به سمت واگن حمل نی هدایت می‌کنند. در شکل ۲ نمایی از سکوی توزین که بر روی شبیه ساز بالابر روی میز ارتعاشی نصب شده نشان داده شده است. طرح سکوی توزین از دو لودسل جهت وزن نمودن قلمه ‌های نیشکر و یک لودسل مشابه با وزنه آزاد جهت تصحیح نویز تشکیل شده است. هر یک از لودسل‌ها از چهار کرنش سنج با آرایش پل وتسون جهت تقویت خروجی و تصحیح اثر دما تشکیل شده که روی یک عنصر ارتجاعی از نوع یکسرگیردار و از جنس آلیاژ آلومینیم نصب شده‌اند. هر یک از لودسل‌ها دارای ظرفیت ۳۵ کیلوگرم است که بر روی یک شاسی ناودانی شکل آهنی نصب شده و بر روی آنها هم یک قاب و صفحه توزین قرار می‌گیرند. شاسی سکوی توزین از طریق یکسری پیچ به بدنه بالابر ثابت می‌شود. ظرفیت لودسل‌ها بر اساس حداکثر وزن عبوری از روی سکوی توزین تعیین شده است. خروجی هر یک از لودسل‌ها بطور جداگانه اندازه‌گیری می‌شود، جمع، میانگین گیری و دیگر عملیات پردازشی سپس روی آنها انجام می‌گردد.

 

شکل ۲- (الف) لودسل ، (ب) سکوی توزین و (ج) مدار پل وتسون

میز ارتعاشی: به منظور اعمال ارتعاش با بسامد‌های مختلف به سامانه سکوی توزین و شبیه ساز بالابر از میز ارتعاشی موجود در آزمایشگاه دانشگاه یونیکمپ (سائوپائولو، برزیل) استفاده شد (شکل ۳). دامنه ارتعاشی این میز ۵ میلی‌متر و بسامد آن با تغییر دور موتور محرک و با استفاده از یک دستگاه اینورتور بین صفر تا ۱۰ هرتز قابل تنظیم است.

شکل ۳- (الف) میز ارتعاشی و (ب) شبیه ساز بالابر

شبیه ساز مکانیسم بالابر: بدلیل عدم امکان نصب بالابر اصلی روی میز ارتعاشی، مدلی نمونه از بالابر در آزمایشگاه تحقیقاتی گروه مهندسی کشاورزی دانشگاه یونیکمپ طبق شکل۳ روی میز ارتعاشی نصب و استفاده شد. حرکت پره‌‌های بالابر توسط چرخ زنجیر و با استفاده از یک کاهنده تسمه و پولی از یک موتور DC تامین می‌شود. قبل از شروع آزمایش‌ها تغییراتی از جمله استفاده از یک موتور با توان بیشتر و اصلاح سامانه چرخ زنجیر روی شبیه ساز انجام شد تا برای آزمون آماده شود. دور موتور و در نتیجه سرعت حرکت پره ها توسط یک دستگاه اینورتور ‌ قابل تنظیم می‌باشد.

اندازه گیری سرعت پره‌ها و بسامد میز ارتعاشی: در آزمایش‌های انجام شده دو پارامتر سرعت حرکت پره های شبیه ساز بالابر و بسامد میز ارتعاشی متغیرهای مستقل هستند. به منظور تعیین و اندازه گیری این پارامترها از حسگرهای شتاب سنج و القایی استفاده شد.

۱- حسگر شتاب سنج: به منظور تعیین طیف بسامدی میز ارتعاشی و سکوی توزین در دور‌های مختلف موتور محرک، دو حسگر شتاب سنج ، یکی در مرکز میز ارتعاشی و دیگری در محل سکوی توزین بطور ثابت نصب شد. این دو حسگر ارتعاش در دو محور x‌ و y را در گستره g 10± با حساسیت mV×VS/g 20 اندازه گیری می‌کنند.
۲- حسگر تشخیص ‌ سرعت پره: به منظور اندازه گیری سرعت پره ‌های شبیه ساز بالابر از یک حسگر القاییNPN با قطر cm 5/2 ‌ و حداکثر فاصله تشخیص cm 5/1 در محل چرخ محرک زنجیر استفاده شد.

سامانه جمع آوری داده ها:‌ برای انجام آزمایش‌ها از دیتالاگر با امکان گسترش تا حداکثر ۲۵۶ کانال ورودی استفاده شد. در این دستگاه از یک کارت مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)‌ ۱۶ بیتی با حداکثر سرعت نمونه گیری kHz100 استفاده شده است. حسگرها شامل دو حسگر شتاب، سه لودسل، حسگر القایی (سرعت سنج) و همچنین حسگر القایی تشخیص پره‌ها طبق کاتالوگ به ورودی‌های دیتالاگر متصل شدند (شکل ۴). از درگاه LPT1‌ جهت ارتباط رایانه نوت بوک با دیتالاگر استفاده شد. برنامه دیتالاگر در نوت بوک اجرا و تنظیمات اولیه برای کانال‌های ورودی و نحوه نمایش و ثبت داده ها انجام شد.کلیه کانال‌ها با اعمال فیلتر پایین گذر Hz 10 داده برداری شدند. در همه آزمون ها پس از اتمام، دادهای ثبت شده توسط سامانه تحصیل داده به صورت فایلی با فرمت ASCII ذخیره و در نرم افزار Excel فراخوانی شدند. در شکل۴ شماتیک اجزا و نحوه اتصال سامانه آزمون آزمایشگاهی نشان داده شده است.

شکل۴- شماتیک اجزا و نحوه اتصال سامانه آزمون در آزمایشگاه

کالیبراسیون میز ارتعاشی
برای کالیبره کردن میز ارتعاشی در دور‌های مختلف موتور، داده ‌های خروجی شتاب سنج‌ها برای ۳۰ ثانیه اندازه‌گیری و ثبت شدند و با انجام آنالیز تبدیل فوریه، طیف بسامدی میز و سکو برای هر دور تعیین و میز ارتعاشی کالیبره شد. شکل ۵ نمودار کالیبراسیون میز ارتعاشی را نشان می‌دهد.

شکل۵- نمودار کالیبراسیون میز ارتعاشی بر اساس اولین بسامد هر طیف

کالیبراسیون حسگر سرعت پره
به منظور کالیبره کردن داده ‌های حسگر فوق با استفاده از یک دستگاه تاکومتر نوری ابتدا با راه اندازی موتور محرک شبیه ساز در دور‌های مختلف، سرعت حرکت پره ها اندازه گیری و نمودار کالیبراسیون آن بدست آمد. در شکل۶ نمودار کالیبراسیون سرعت پره ها نسبت به دور موتور نشان داده شده است. با ضریب تبیین ۱= R2 نشان دهنده دقت خوب حسگر در تعیین سرعت است.

شکل ۶- نمودار کالیبراسیون سرعت پره ها نسبت به دور موتور
نتایج و بحث:
با اندازه گیری ارتعاشات روی بالابر کمباین در حین برداشت و اجرای آنالیز تبدیل فوریه در نرم افزار متلب طیف بسامدی ارتعاشات ماشین بدست آمد. محدوده بسامدی ارتعاشات بالابر بین صفر تا ۲۰۰ هرتز می‌باشد. با محدود کردن طیف، بسامد‌های کمتر از ۸۰ هرتز در شکل ۷ نشان داده شده است. همانطور که از نمودارها مشخص است تنها نویز ناشی از بسامد‌ها در محدوده ۵/۰ تا ۲ هرتز مشکل ساز است چون بسامد‌های بالاتر از ۱۰ هرتز را می‌توان با فیلتر پایین گذر آنالوگ یا دیجیتال حذف نمود.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 4700 تومان در 31 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد