بخشی از مقاله
چکیده
آگاهی از تراکم محصول در جلوی ماشین های کشاورزی یک فاکتور مهم برای بهینه کردن عملیات داشت و برداشت می باشد و می تواند به طور قابل ملاحظه ای عملکرد آنها را بهبود بخشد. یکی از روش های اندازه گیری تراکم محصول استفاده از روش غیر مخرب فراصوتی است که در زمینه کشاورزی در حال توسعه است . امواج فراصوت برای انتشار نیاز به محیطی مادی دارند و شاخص های فراصوتی مانند سرعت عبور امواج، میزان تضعیف، RMS به مشخصات فیزیکی محیطی وابسته است . با عبور امواج از یک محیط با بر هم کنش آن با محیط، شاخص های فراصوتی تغییر می کنند .
بنابراین می توان از امواج فراصوتی برای تعیین تراکم استفاده کرد . بدین منظور در این پژوهش یک سامانه غیر مخرب فراصوتی طراحی و ساخته شد . این سامانه قادر است یک سیگنال الکتریکی تولید و آن را به امواج مافوق صوت تبدیل کند . امواج از یک طرف به درون محصول فرستاده و انرژی منتقل شده به طرف دیگر محصول، توسط مبدل گیرنده دریافت می شود.
سامانه با پردازش سیگنال های ارسالی و دریافتی به صورت نیمه خودکار شاخص های فراصوتی را تعیین می کند. در ادامه پژو هش به منظور ارزیابی سامانه ی ساخته شده، آزمایشاتی با تراکم های مختلف بر روی محصول گندم انجام شد. ارتباط میان تراکم توده ی محصول و شاخص های فراصوتی، با استفاده از دو پارامتر ضریب تعیین - R2 - و خطای استاندارد - RMSE - مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج نشان داد می توان برای تعیین تراکم محصول از روش غیر مخرب فراصوتی استفاده کرد و تغییر شاخص های فراصوتی با تراکم محصول در ارتباط است . هر چند تغییر تراکم بر روی شاخص سرعت عبور امواج تاثیر گذار نبود ولی با افزایش تراکم محصول، شاخص RMS، دامنه ی ولتاژ و قدرت اولین هارمونیک طیف بسامدی سیگنال دریافتی کاهش یافتند و ضریب تضعیف امواج افزایش پیدا کرد.
مقدمه
منظور از تراکم محصول تعداد بوته در واحد سطح می باشد . آگاهی از تراکم محصول در طی فصل رشد می تواند اطلاعات مفید ی را برای کاربرد مقدار سم، کود و ریز مغذی های مورد نیاز برای تمام نقاط مزرعه و در نتیجه مدیریت صحیح مزرعه در دسترس قرار دهد .
همچنین در مرحله برداشت محصول به دلیل اینکه مقدار محصول ورودی به سکوی برش ماشین تابعی از تراکم، حجم محصول و عرض برش واقعی کمباین می باشد می توان با تعیین مقدار تراکم محصول در جلوی آنها سرعت حرکت را کنترل کنیم و ظرفیت مزرعه ای ماشین را افزایش دهیم.
یکی از روش های تعیین تراکم محصول، روش غیر مخرب فراصوتی است. هنگامی که امواج فراصوت از یک محیط عبور می کند به دلیل تاثیر متقابل امواج و محیط انرژی ارسالی با انرژی دریافتی یکسان نخواهد بود . تغییرات انرژی سبب تغییر شاخص های فراصوتی می شود و با تراکم محصول در ارتباط است .
بنابراین می توان از روش غیر مخرب فراصوتی برای تعیین تراکم محصول استفاده کرد . تیلور و همکاران در سال 1986 برای تعیین تراکم محصول در جلوی یک کمباین در حین برداشت از پرتو لیزر استفاده کردند و اظهار نمودند تعداد انقطاع های پرتو نور متناسب با تعداد ساقه است
الرت و همکاران در سال 1996 برای تعیین تراکم گیاهان از یک سنسور تماسی استفاده کردند آنها یک پاندول را از میان جمعیت گیاهی عبور دادند و رابطه ی میان انحراف زاویه پاندول و تراکم محصول را تعیین کردند
سادوف و همکاران در سال 2000 یک میله فلزی را به یک پتانسیل سنج ٌ متصل کردند و آنرا در جلوی یک دماغه ذرت برای شمارش تعداد ساقه هایی که برداشت می شوند سوار کردند . منابع خطا در این روش تعداد ساقه های جفت شده و خم شده بودند
مرتینز و همکاران در سال 2003 از سنسور های التراسونیک برای تعیین تراکم محصول استفاده و گزارش کردند با افزایش تراکم محصول، میزان امواج دریافت شده به صورت نمایی کاهش می یابد
هدف از این پژوهش ، طراحی و ساخت یک سامانه غیر مخرب فراصوتی برای تعیین تراکم محصول در جلوی ماشین برداشت کننده به منظور بهینه کردن مدیریت محصول در طی عملیات داشت و برداشت، تنظیم سرعت پیشروی، راحتی راننده، و افزایش ظرفیت مزرعه ای آن می باشد.
مواد و رو ش ها
سامانه ی ارزیابی مافوق صوت شامل یک مولد سیگنال، دو مبدل مافوق صوت یکی به عنوان فرستنده و دیگری به عنوان گیرنده،یک اسیلوسکوپ دیجیتال و یک رایانه می باشد - شکل . - 1
شکل -1 شماتیک سامانه فراصوتی برای تعیین تراکم محصول
آماده سازی نمونه ها
محصول مورد نظر - گندم رقم روشن - در تابستان 1389 از مزرعه تحقیقاتی شهرستان خاتم تهیه شد بزرگترین و کوچکترین قطر ساقه های گندم 3/3 و 5/2 میلیمتر بود. نمونه ها در محیطی با دمای 22℃ و رطوبت نسبی %20 نگهداری شدند. برای تعیین تراکم محصول نمونه های آماده شده بر روی یک شبکه فلزی قرار داده شدند.
اندازه گیری مافوق صوت
آزمایشات برای اندازه گیری شاخص های فراصوتی با استفا ده از سیستم ارزیابی عبوری - با یک مبدل که به عنوان
فرستنده و یک مبدل به عنوان گیرنده - انجام شد . - شکل . - 1 فرکانس مرکزی و قطر مبدل مافوق صوت به
ترتیب 43KHz و 7cm بود. برای تولید امواج مافوق صوت مولد سیگنال به مبدل مافوق صوت متصل شد
یک سیگنال الکتریکی توسط مولد سیگنال تولید، بعد از تقویت و افزایش توان آن به مبدل فرستنده ارسال می شود . مبدل فرستنده با استفاده از خاصیت پیزوالکتریسیته سیگنال الکتریکی تولید شده را به امواج مافوق صوت تبدیل می کند.امواج مافوق صوت تولید شده از یک طرف به درون محصول فرستاده می شود و انرژی منتقل شده به طرف دیگر محصول توسط مبدل گیرنده دریافت می شود و به طور مستقیم با استفاده از درگاه USB به اسیلوسکوپ دیجیتال ارسال می گردد . شکل 1 شماتیک کلی سامانه فراصوتی شامل مبدل های مافوق صوت، نمونه محصول، مولد سیگنال، اسیلوسکوپ دیجیتال و رایانه را نشان می دهد.همه داده های اندازه گیری شده
توسط اسیلوسکوپ دیجیتال توسط درگاه USB به رایانه منتقل می شود.
تعیین تراکم محصول
برای تعیین تراکم محصول گندم شش آزمایش با تراکم های مختلف و هر تراکم با 10 تکرار انجام شد .در هر
آزمایش فاصله میان فرستنده و گیرنده ثابت - 70cm - بود ولی تعداد ردیف ها - تراکم محصول - تغییر می کرد. در
مرحله اول یک ردیف محصول در فاصله میان فرستنده و گیرنده قرار د اده شد با ارسال و دریافت امواج از میان محصول شاخص های فراصوتی - ضریب تضعیف، سرعت انتشار و بیشینه ی دامنه ی ولتاژ امواج دریافتی درحوزه ی زمان و طیف بسامدی سیگنال دریافتی در حوزه ی فرکانس - و زمان پرواز امواج به صورت نیمه خودکار محاسبه و ثبت شد. در مراحل بعدی هر بار با افزودن یک ردیف به ردیف های قبلی تا شش ردیف، آزمایشات به ترتیب انجام گرفتند.
اندازه گیری فرکانس اصلی
طبق قضیه معروف فوریه هر موج مرکب از امواج سینوسی با فرکانسهای صحیح و دامنه های مختلف است . برای دست یابی به فرکانس اصلی از بین فرکانس های تشکیل ده نده سیگنال دریافتی از تبدیل فوریه سریع - FFT - استفاده شد تا طیف فرکانسی سیگنال بدست آید . با تبدیل فوریه می توان حوزه زمان را به حوزه فرکانس و بالعکس تبدیل و قدرت هر یک از اجزای فرکانسی را اندازه گیری نمود . برای انجام تبدیل فوریه سریع از نرم افزار TNM استفاده گردید.
تعیین شاخص های فراصوتی امواج فراصوت
برای محاسبه سرعت انتشار امواج از رابطه ی - 1 - استفاده شد:
در این رابطه V، سرعت انتشار امواج مافوق صوت بر حسب m/s؛ L، فاصله ی میان مبدل فرستنده و گیرنده و t، زمان پروازٌ امواج مافوق صوت - اختلاف زمان ارسال و دریافت امواج - است . زمان پرواز امواج با استفاده شکل سیگنال های ارسالی و دریافتی از نرم افزار TNM مطابق شکل 2 محاسبه می شود
