مقاله طراحی و ساخت بویه موج نگار ایرانی با استفاده از حداکثرتوانمندی داخلی

بخشی از مقاله

طراحی و ساخت بویه موج نگار ایرانی با استفاده از حداکثرتوانمندي داخلی

چکیده

بویه هاي موج نگار یکی از مهمترین نیاز هاي شبکه هاي اندازه گیري مشخصه هاي دریایی می باشد. بویه موج نگار به دلیل شرایط سـخت دریـایی یکی از پیچیده ترین نوع بویه ها از نظر ساختار مکانیکی بدنه، سخت افزار الکترونیکی و نرم افزار برداشت و ارسال داده است. این بویه براي انـدازه گیري مشخصه هاي فیزیکی موج شامل ارتفاع، پریود و جهت موج، مشخصه هاي اقیانوس شناسی شامل دماي آب، شوري آب و سـرعت جریـان و مشخصه هاي هواشناسی شامل دما، فشار و رطوبت نسبی هوا، و سرعت و جهت باد به کار می رود. در این مقاله بخش هاي مختلف بویه موج نگار که در داخل کشور طراحی و ساخته شده معرفی می گردد. بخش هاي مورد بررسی شـامل بدنـه و سـاختار مکـانیکی آن، حسـگرهاي هواشناسـی، اقیانوس شناسی و موج نگاري، سخت افزار الکترونیکی جمع آوري و پردازش داده ها، سامانه تامین انرژي خورشیدي و در نهایت بخـش هـاي نـرم افزاري می باشد.

کلمات کلیدي: بویه موج نگار، مشخصه هاي دریایی، ساختار مکانیکی، سخت افزار الکترونیکی، نرم افزار برداشت و ارسال داده

مقدمه

بویه سازه اي است شناور که به منظور هاي گوناگون همچون ناوبري، نشان گذاري، بارگیري و تخلیه نفت در ترمینال هاي دریایی، مهار شـناورها و موج نگاري مورد استفاده قرار می گیرند و بنا به کاربري، محل نصب و سایر شرایط عملکردي بایستی ملاحظات ویژه در طراحی تجهیزات مکانیکی و سخت افزارهاي الکتریکی و الکترونیکی و نرم افزارهاي ارتباطی هر یک در نظر گرفته شود. شرایط عملکردي، اسـتحکام سـازه اي، سـهولت بهـره برداري و تعمیر و نگهداري، ایمنی کافی، دوام، زیبایی و اقتصاد از جمله این ملاحظات می باشد..[1]

بویه موج نگار مجموعه کاملی از تجهیزات مکانیکی و الکترونیکی است که وظیفه اندازهگیري پارامترهاي هواشناسی، اقیانوسشناسی و موج نگـاري را انجام می دهد. این مجموعه به عنوان یک پایگاه شناور است که به صورت خودکار مشخصه هـاي دریـایی محـل نصـب را برداشـت و بـه سـاحل مخابره میکند. این مشخصه ها شامل مشخصه هاي فیزیکی موج دریا، شوري آب، دماي آب، سرعت جریان، دمـا، فشـار و رطوبـت نسـبی هـوا، و سرعت و جهت باد می باشد. از دیدگاه سیستمی یک بویه موج نگار از بخشهاي مختلفی تشکیل شده است.[2] بویه موج نگار ایرانی شامل بخـش هاي زیر است:

1. سازه بدنه و تجهیزات مکانیکی
2. سخت افزار هاي الکترونیکی
3. حسگرهاي هواشناسی، اقیانوس شناسی
4. حسگر موج نگاري
5. نرم افزار برداشت و ارسال داده
6. نرم افزار پردازش و نمایش داده

بخش مکانیکی بویه شامل بدنه پلی اتیلنی، استوانه مرکزي آلومینیمی، دکل نصب حسگرها می باشد. ابعاد کلی اجزاي این بخش با توجـه بـه نـوع کاربري بویه و پایداري کلی بویه در شرایط دریاي متلاطم انتخاب شده است. آنگاه ابعاد و اندازه هر یک از قطعات با توجه به نوع حسگرهاي به کـار رفته در بویه و تنش وارد بر هر یک طراحی و ساخته شده است. سخت افزار الکترونیکی بویه موج نگار شامل بردهاي تغذیـه و کنتـرل و پردازنـده، مدارهاي واسط، رادیو مودم، قطب نما و موقعیت سنج می باشد. این تجهیزات در داخل استوانه مرکزي نصب می شوند و ورودي ها و خروجی هـاي هر یک با کابل به داخل یا بیرون استوانه ارتباط می یابد. چنان که پیش تر بیان شد بویه موج نگار همچنین داراي حسگرهاي متنوعی مـی باشـد.
بومی سازي فناوري طراحی و ساخت این حسگرها یکی از فعالیت هاي قابل توجه در ساخت بویه موج نگار ایرانی می باشد. ایـن حسـگرها بـه سـه دسته تقسیم می شوند: حسگرهاي هواشناسی، حسگرهاي اقیانوس شناسی حسگر موج نگار. سامانه تامین انرژي در بویه شامل مجموعـه تجهیـزات

به کار رفته براي تولید، ذخیره و توزیع انرژي الکتریکی بین تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی بویـه مـی باشـد. ایـن مجموعـه شـامل سـلول هـاي خورشیدي، باتري ها سیلد اسید و مبدل ها می شود. بخش نرم افزار بویه نیز شامل یک مجموعه نرم افزار تخصصی است که به برداشت، پـردازش، ارسال، نمایش و انتشار داده ها در شبکه اینترنت می پردازد.

معرفی ساختار مکانیکی بویه موج نگار

بویه موجنگار از اجزاي زیر تشکیل شده است: -1 استوانه مرکزي

-2 بدنه پلی اتیلن
-3 دکل حسگرهاي هواشناسی

-4 وزنه پایدار کننده
-5 در پوش محافظ طراحی بویه موج نگار با توجه به نمونه هاي مشابه خارجی انجام گرفته است. در روند طراحی سعی شده است که تمام معیارهاي طراحی این بویـه

و کلیه بویههاي موجنگار مورد بررسی قرار گرفته و به بهترین ایده ممکن پرداخته شود. به علت شرایط خورنده محیط دریا و حداقل شناوري مـورد نیاز استوانه مرکزي حاوي تجهیزات از جنس آلومینیم دریایی انتخاب شده است. همچنین با توجه به مزایاي بدنه پلی اتیلنی نسبت بـه بدنـه هـاي فایبر گلاس [4]، بدنه تامین کننده شناوري از جنس پلی اتیلن انتخاب و به روش روتو مولدینگ ساخته شده است. به منظور امکـان حمـل و نقـل آسان، مونتاژ سریع و ساده و توزیع ریسک آسیب پذیري، این بدنه به صورت چهار تکه اي طراحی و ساخته شده که با سه رینگ به سیلندر مرکـزي محکم میشوند. دکل بویه از جنس فولاد ضد زنگ1 انتخاب و به صورت سه تکه طراحی و ساخته شده و براي تثبیت موقعیت بیشتر علاوه بر اینکه توسط بدنه پلی اتیلنی در بر گرفته شده، به استوانه مرکزي نیز در دو نقطه اتصال می یابد. وزنهي پایدار کننده با توجه به محاسبات پایداري کلـی بویه در نظر گرفته شده و از طریق یک فلنج2 به استوانه مرکزي اتصال مـی یابـد. درپـوش محـافظ بـه منظـور محافظـت از درب بویـه و قطعـات الکترونیکی بر روي درب پیش بینی شده است. در شکل 1 ساحتار مکانیکی شماتیک و در شکل 2 نمونه واقعی بویه مـوج نگـار ایرانـی نشـان داده شده است.

معرفی سخت افزار الکترونیکی بویه موج نگار

در بویه هاي موج نگار قبلی سخت افزار الکترونیکی به چندین بخش مجزا تقسیم بندي و هر یک در مکان هـایی در داخـل سـیلندر، بـر روي درب اصلی و ... نصب می شوند. این چیدمان داراي اشکالات زیر بوده است:

1. اشکال در دسترسی آسان به تجهیزات
2. افزایش زمان تشخیص عیب و تعمیرات
3. افزایش خطاهاي اپراتوري با توجه به تعدد سیم کشی ها

در همین راستا در طراحی بویه موج نگار ایرانی سعی شد تمامی بردها و تجهیزات الکترونیکی مجتمع شده و مشکلات بالا به حداقل برسد. پس از طراحی و ساخت بردهاي الکترونیکی و مونتاژ آنها تمامی تجهیزات در یک واحد به نام سامانه سخت افزاري امید 1400 تجمیع شده اسـت. سـامانه امید، یک مجموعه سخت افزاري جمع آوري داده هاي هوا شناسی و اقیانوس شناسی است که به منظور نصب بر روي بویـه طراحـی شـده اسـت و قابلیت جمع آوري، ذخیره سازي، پردازش داده ها و ارسال آن به ایستگاه هاي مورد نظر و همچنین دریافت اطلاعات از ایستگاه را به صـورت آنـی3

دارا می باشد. از قابلیت هاي این مجموعه می توان به موارد زیر اشاره نمود :
1. قابلیت پردازش همه داده هاي اندازه گیري شده بر روي دستگاه
2. امکان برقراري ارتباط دو طرفه با ایستگاه مورد نظر به منظور انتقال داده و کنترل دستگاه
3. امکان بهره گیري از ترکیب دلخواهی از حسگرهاي مختلف و جمع آوري اطلاعات مورد نظر از آنها
4. قابلیت ذخیره سازي اطلاعات بر روي حافظه جانبی پردازشگر
5. تامین انرژي مورد نیاز عملکرد دستگاه از طریق صفحات خورشیدي
6. دارا بودن سیستم آنی استاندارد براي تبادل داده ها
7. قابلیت تبادل داده ها تا فاصله 15 کیلومتر از طریق رادیو مودم
8. داراي سیستم ورودي خروجی هاي استاندارد

٢

دکل حسگرهاي هواشناسی

درپوش بویه

بدنه پلی اتیلنی

استوانه مرکزي آلومینیمی
وزنه پایدار کننده

شکل : 1 ساختار مکانیکی بویه موج نگار

شکل : 2 نمونه واقعی بویه موج نگار ایرانی

٣

این مجموعه از پنج بخش رادیو مودم، قطب نما، پردازنده، مدار واسط پردازنده، برد توزیع انرژي تشکیل شده است که در شکل 3 نشـان داده شـده است.

(الف) (ب)
شکل : 3 الف) بلوك دیاگرام سامانه امید ب) نمایش چیدمان برد هاي الکترونیکی در سامانه امید

این مجموعه در داخل استوانه مرکزي نصب می گردد و در صورت بروز عیب به راحتی قابل تعویض می باشد در شکل 4 نمونـه سـاخته شـده ایـن سامانه نشان داده شده است. سیستم تامین انرژي بویه شامل چهار عدد سلول خورشیدي و چهار عدد باتري سیلد اسید شارژپذیر می باشـد. بـراي مدیریت مصرف انرژي بهینه از یک سیستم تغذیه انرژي استفاده شده تا بهترین بازدهی از سلول هاي خورشیدي و باتري ها به دست آید. در شکل
2 موقعیت سلول هاي خورشیدي بر روي بدنه نشان داده شده است.

(الف) (ب)

شکل : 4 الف) پانل کانکتورهاي سامانه امید ب) بردهاي داخلی سامانه امید

حسگرهاي هواشناسی و اقیانوس شناسی

با توجه به اینکه بیشتر حسگرهاي هواشناسی و اقیانوس شناسی بویه هاي ساخت داخل قبلی حسگرهاي خارجی بوده، در راستاي بومی سازي کلی طراحی و ساخت بویه ایرانی می بایست این حسگر ها نیز با امکانات داخلی طراحی و ساخته می شد. این حسگرها عبارتند از :

.1 حسگر دماي هوا .2 حسگر فشار هوا
.3 حسگر رطوبت نسبی هوا .4 حسگر سرعت باد
.5 حسگر جهت باد .6 حسگر شوري و دماي آب

طراحی این حسگرها به گونه اي انجام گرفته که هر حسگر بدون نیاز به سیستم واسط و یا حتی سیستم جمع آوري اطلاعـات بتوانـد بطـور مجـزا کمیت مورد نظر را اندازه گیري و مقدار آن را از طریق پورت RS232 ارسال نماید. براي این منظـور از سـخت افـزاري اسـتفاده شـده کـه جهـت

پردازش سیگنال حسگرها ، مداري به همراه یک پردازنده میکروکنترلر داشته و این قابلیت را به هر حسگر می دهد تا بتواند بطور مجـزا داده هـاي آن پردازش و مقدار کمیت مورد نظر را محاسبه کند. در شکل 5 بلوك دیاگرام کلی حسگرها نمایش داده شده است.

۴

شکل : 5 بلوك دیاگرام کلی حسگرها

براي فشار هوا دو نوع حسگر مورد بررسی قرار گرفت. حسگرهاي به کار رفته از نوع حسگرهاي پیزوالکتریک بوده که نزدیک ترین مشخصـات را بـا حسگر مرجع داشتند. با توجه به آزمایش هاي انجام شده حسگر MPX براي حسگرفشار هوا انتخاب گردید. پس از طراحی حسـگر فشـار بـا ایـن حسگر تست تغییر فشار در محدوده مشخص و درون محفظه اي بسته انجام گرفت و نتایج آن با یک حسگر مرجع مقایسه گردید. نتایج ایـن تسـت در شکل 6 نشان داده شده است. میزان درصد خطاي مطلق اندازه گیري شده در این حسگر % 6.27 می باشد که براي سـاخت حسـگر فشـار هـوا مطلوب است.

براي رطوبت نسبی هوا از بین 8 حسگري که مشخصاتی شبیه به حسگر مرجع را داشتند دو حسگر HIH4000 و SHT75 انتخاب شـد. پـس از انجام آزمایش بر روي هر کدام از این حسگرها خطاي مطلق آنها مطابق با جدول 1 به دست آمد.

جدول : 1 میزان خطاي حسگرهاي رطوبت نسبی هوا

نوع حسگر درصد خطا
HIH4000
% 8/9
SHT75 % 12/3

با توجه به نزدیک تر بودن نتایج حسگر HIH به حسگر مرجع این حسگر براي حسگر رطوبت انتخاب گردید.

براي دماي هوا چندین نوع حسگر در دسترس مورد بررسی قرار گرفت. از بین آنها حسگر هاي PT1000 و LM35 و SHT75 داراي مشخصاتی

شبیه به حسگر دماي مرجع را داشتند. پس از تهیه و انجام آزمایش بر روي هر سه حسگر در محفظه تست به صورت همزمان مشخص شد حسـگر PT1000 داراي کمترین در صد خطا می باشد. لذا این حسگر به عنوان حسگر دما انتخاب شد. در شکل 7 نمودار تغییـرات دمـاي ایـن حسـگرها

نسبت به حسگر مرجع بر حسب زمان رسم شده است. در این نمودار، حسگر شرکت آندرا حسگر مرجع است.