چكيده
موضوع تحقيق حاضر توسعه روشي براي سامانه‌‌هاي سنجش عملكرد مبتني بر وزن به منظور تصحيح نويز مربوط به اثر ارتعاشات و تكان‌‌هاي ماشين حين حركت در مزرعه مي‌باشد. اين روش بر همانند سازي ارتعاشي سامانه معادل جرم و فنر سكوي توزين با يك لودسل اضافه مجهز به وزنه آزاد استوار است. يكسان سازي بسامد طبيعي و فاز ارتعاش اين دو سامانه با محاسبه وزنه آزاد و در نهايت تصحيح سيگنال‌‌هاي سكو با تفاضل مضربي از سيگنال‌‌هاي حاصل از لودسل آزاد از مجموع سيگنال‌‌هاي سكوي توزين به طور پيوسته انجام گرفت. طي دو

سري آزمون در قالب آزمايش فاكتوريل بر پايه طرح كامل تصادفي اثر ۶ سطح بسامدي ارتعاشات ۳ تا ۸ هرتز روي ميز ارتعاشي و سه سطح سرعت پره هاي شبيه ساز بالابر ۲/۲، ۴/۲ و ۷/۲ متر بر ثانيه و ۵ سطح اضافه وزن محصول عبوري از روي سكو از صفر تا ۶ كيلوگرم بر انحراف معيار سيگنال‌هاي خروجي از سكوي توزين قبل و بعد از تصحيح نشان داد كه در محدوده وسيعي از بسامد‌هاي ارتعاشي، سرعت‌هاي مختلف بالابر و حتي در محدوده‌اي از اضافه بار‌هاي متفاوت روي سكو و همچنين براي تكان‌‌هاي گذرا بعد از تصحيح در سطح

احتمال ۱% اختلاف معني داري با قبل از تصحيح داشته و بعد از تصحيح از ۴/۰ فراتر نرفته و پايداري خوبي داشت. همچنين بهترين ضريب تصحيح براي حالت بدون بار ۱/۲ و براي حالت عبور محصول ۴/۲ به دست آمد. استفاده از اين تكنيك به دليل ساختار ساده و دقت بالا كاملا كاربردي است و مزيت مهم ديگر آن اين است كه در محدوده بسامد‌هاي پايين كه نمي‌توان از فيلتر‌هاي آنالوگ يا ديجيتال به دليل امكان حذف سيگنال‌هاي مفيد استفاده نمود، اين تكنيك به خوبي جواب گو است.

كليدواژه: سنجش عملكرد، كاهنده نويز، نيشكر، فيلتر، لودسل با جرم آزاد

مقدمه
كشاورزي دقيق نيازمند استفاده از سامانه‌‌هاي سنجش عملكرد است چرا كه وجود تغييرات در عملكرد محصول در سطح مزرعه امري پذيرفته شده است. سامانه‌‌هاي سنجش عملكرد، ابزاري سريع و جديد هستند كه ماشين‌هاي برداشت را قادر مي‌سازد عملكرد محصول را به طور پياپي اندازه گيري كنند. از اين اطلاعات جهت تهيه نقشه تغييرات عملكرد استفاده خواهد شد. با كمك اين نقشه ها اندازه گيري عملكرد محصول در هر نقطه اي از مزرعه و مديريت مستقل بخش‌هاي كوچك در آن ممكن مي‌شود. اطلاعات حاصل از سامانه سنجش عملكرد پايه و اساس توصيه ها و كمك‌ هايي به توليد كننده جهت مديريت موثرتر نهاده هايي چون كود و ديگر مكمل‌هاي محصول و همچنين بهينه سازي سود آوري بخش‌هاي منتخب

مزرعه مي‌باشد. سامانه ‌هاي سنجش عملكرد ابزار مستقيمي را براي محقق يا كشاورز فراهم مي‌كند تا بازخورد حقيقي مديريت مزرعه را دريافت كند. اين اطلاعات همچنين مي‌تواند جهت ارزيابي لزوم عمليات با نرخ متغير براي چندين نهاده چون كودها، حشره كش ها و مكمل‌هاي ديگر استفاده شود. سامانه ‌هاي سنجش عملكرد تا كنون براي محصولاتي چون غلات، كتان، سيب زميني، گوجه فرنگي، انگور و بادام به طور محدود تجاري شده اند. اين سامانه‌ ها به طور معمول داراي دقت بين ۵ تا ۱۰ درصد مي‌باشند و با فاصله ۲۰ تا ۱۰۰ متر

يك خروجي توليد مي‌كنند. هر نوع لودسلي كه بر روي كمباين در حال حركت نصب شده باشد، در معرض ارتعاشات با بسامد مختلف ناشي از كار موتور، بالابر،‌ موتور‌هاي هيدروليك، ديگر اجزاء متحرك و تكان‌‌هاي تصادفي ناشي از حركت كمباين بر سطح ناصاف زمين خواهد بود. در سامانه سنجش عملكرد بايد قادر به حذف اثر اين نويز از سيگنالها بود تا دستيابي به جريان جرمي دقيق محصول تحقق يابد. جهت اندازه گيري جريان وزني محصول روي يك وسيله نقليه كه درون مزرعه در حركت است احتياج به يك فيلتر پايين گذر موثر يا الگوريتم تصحيح جهت كاهش اثر نويز حاصل از كار ماشين روي حسگر مي‌باشد تا سيگنال عملكرد بهبود يابد. البته استفاده از اين نوع فيلترها باعث حذف بعضي تغييرات عملكردي در فاصله ‌هاي كوتاه مي‌شود كه مطلوب نيست[۴].

ارتعاشات ماشين، تاخير در انتقال مواد و تكان‌‌هاي مربوط به سطح ناصاف مزرعه معمول‌ترين منابع توليد نويز در سامانه سنجش عملكرد مي‌باشند. در اين تحقيق تمركز بيشتر بر نويز حاصل از ارتعاشات ماشين و تكان‌‌هاي ناگهاني است. ارتعاشات ماشين يكي از پارامتر‌هاي مهم و غير قابل اجتناب در همه تجهيزات برداشت است. هر حسگري كه روي كمباين نصب مي‌شود بايد داراي قابليت تحمل و پايداري در مقابل ارتعاشات باشد. همچنين سامانه تحصيل داده هم بايد قادر به ارائه داده ‌هاي قابل استفاده از خروجي حسگر باشد. اثر ارتعاشات

بسته به نوع حسگر متفاوت است. لودسل‌ها با توجه به ماهيت اندازه گيري نيرو خصوصا به ارتعاش حساس اند. بنابراين حركت هارمونيك ماشين كه در اثر ارتعاشات ايجاد مي‌شود و يا تكان‌‌هاي تصادفي باعث ايجاد تغييرات متناظر در خروجي حسگر مي‌شود. كاربرد تكنيك‌هاي فيلترينگ در بر طرف كردن نويز حاصل از ارتعاشات احتياج به داشتن اطلاعاتي از پارامتر‌هاي ارتعاشي ماشين شامل محدوده و بزرگي ارتعاش دارد. استفاده از آناليز طيفي تبديل فوريه روش مفيدي جهت سنجش ارتعاش ماشين مي‌باشد. از اين روش اليوت و واگنر(۱۹۸۹) به منظور تعيين نرخ داده برداري و پارامتر‌هاي طراحي از فيلتر استفاده كرده‌اند[۲] و [۹]. از فيلتر‌هاي آنالوگ هم به منظور حذف نويز حاصل از ارتعاشات و ديگر منابع الكتريكي در سامانه‌‌هاي سنجش عملكرد استفاده شده است[۱] ، [۷] و [۸].

سه حالت اساسي در برخورد با نويز سيگنال بايد در نظر گرفته شود:
• اولين و ساده ترين از نظر امكان حذف،‌ نويزي است كه در خارج از محدوده بسامدي عملكرد سامانه قرار مي‌گيرد كه با استفاده از يك فيلتر آنالوگ يا ديجيتال مناسب (پايين گذر، بالا گذر يا باند گذر) قابل حذف است[۳] ، [۵] و [۶].
• دوم نويزي است كه در محدوده بسامدي مطلوب اتفاق مي‌افتد. در اين حالت با فيلتر نمودن ساده، اطلاعات مفيد هم حذف شده كه اين مطلوب نيست. بنابراين لازم است به منظور حذف اثر اين نويز از حسگري كه همبستگي بالايي با نويز و همبستگي پاييني با سيگنال مطلوب دارد استفاده شود. اگر بتوان يك مبدل نويز با اين خصوصيات توسعه داد، بطور موثري نويز مربوطه قابل حذف مي‌باشد. در مجموع در اين حالت كانالي كه از طريق آن نويز به سيگنال‌‌هاي مطلوب اضافه مي‌شود از حساسيت بالايي برخوردار است. اگر كانالي كه نويز از طريق آن منتقل مي‌شود در طول زمان ثابت بماند (يعني تابع تبديل به طور معني داري تغيير نكند) مي‌توان با استفاده از يك فيلتر تطابقي وينر ‌ نويز را حذف نمود[۴].

• حالت سوم وقتي است كه كانال نويز داراي تابع تبديل متغير باشد. در اين حالت تنها فيلتر سازگار حذف نويز قادر به حذف اثر آن خواهد بود[۱۰] . پلتير و همكارانش در سال ۲۰۰۱ با استفاده از يك حسگر شتاب سنج روشي را براي حذف اثر تكان‌‌هاي تصادفي ناشي از حركت ماشين از سيگنال‌‌هاي مطلوب با استفاده از فيلتر سازگار حذف نويز ارائه دادند[۴].
هدف اين تحقيق طراحي و ارزيابي آزمايشگاهي مكانيزم كاهنده نويز سكوي توزين سامانه سنجش عملكرد نيشكر با استفاده از لودسل با جرم آزاد جهت بهبود دقت سيگنال‌‌هاي سكوي توزين با اضافه كردن يك لودسل اضافه با جرم آزاد به عنوان حسگر تشخيص نويز، داراي بسامد طبيعي يكسان با سكوي توزين و ارزيابي سامانه روي ميز ارتعاشي و شبيه ساز بالابر بود.

مواد و روشها
تئوري، اجزاء و خصوصيات سامانه سنجش عملكرد استفاده شده در اين تحقيق بشرح زير مي‌باشد.
پايه تئوري تكنيك پيشنهادي: هر سامانه ارتعاشي را مي‌توان بطور ساده به عنوان يك سامانه جرم و فنر در نظر گرفت. در حالتي كه از دو لودسل بر روي سكو استفاده شود با استفاده از يك لودسل مشابه و وزنه اي آزاد با جرم نصف وزن ثابت روي دو لودسل اصلي ( قاب و صفحه توزين ) با مدل كردن سكوي توزين به عنوان دو سامانه ارتعاشي جرم و فنر يكي با دو فنر ( لودسل) با ضريب K و جرم M1 و ديگري با يك فنر( لودسل سوم) با ضريبK و جرم M2‌ مشخص است كه براي يكسان نمودن بسامد طبيعي اين دو سامانه بايد M2 نصف M1 باشد (شكل ۱).

(۱)
كه در آن بسامد طبيعي، K ضريب فنريت لودسل‌ها بر حسب (N/m)، جرم چهارچوب و صفحه توزين و جرم وزنه آزاد روي لوسل سوم بر حسب (Kg) است.

شكل ۱- مدل ارتعاشي سكوي توزين

حال پس از تنظيم جرم لودسل آزاد اگر كل سامانه ارتعاش كند، اين دو سامانه با بسامد يكساني مرتعش خواهند شد بطوري كه نمودار‌هاي زمان- مكان هر دو سامانه هم فاز مي‌گردد ولي دامنه سيگنال‌هاي لودسل سوم نصف خروجي سكوي توزين خواهد بود.
در زمان برداشت، سكوي توزين در معرض تغييرات متناوب جرم محصول عبوري است. به دليل اثر اين عامل بسامد طبيعي يا به عبارتي پهناي باند تابع تبديل متناسب با ريشه دوم ۱/ ( M +∆ m) تغيير مي‌كند و در نتيجه مقدار انرژي اضافه شده به سيگنال به دليل ارتعاشات يا ضربه تغيير خواهد كرد. در نتيجه بسامد طبيعي طبق رابطه (۲) تغيير خواهد كرد. در اين حالت به ضريب تصحيح بزرگتري نياز است.
(۲)
كه در آن ∆m تغييرات جرم محصول عبوري از روي سكوي توزين را نشان مي‌دهد.
سكوي توزين: بالابر كمباين نيشكر از يكسري پره‌‌هاي فلزي تشكيل شده كه با سرعتي در حدود ۷/۲ متر بر ثانيه از روي يك صفحه فلزي ثابت عبور مي‌كند. اين پره‌ها قلمه ‌ها را به سمت واگن حمل ني هدايت مي‌كنند. در شكل ۲ نمايي از سكوي توزين كه بر روي شبيه ساز بالابر روي ميز ارتعاشي نصب شده نشان داده شده است. طرح سكوي توزين از دو لودسل جهت وزن نمودن قلمه ‌هاي نيشكر و يك لودسل مشابه با وزنه آزاد جهت تصحيح نويز تشكيل شده است. هر يك از لودسل‌ها از چهار كرنش سنج با آرايش پل وتسون جهت تقويت خروجي و تصحيح اثر دما تشكيل شده كه روي يك عنصر ارتجاعي از نوع يكسرگيردار و از جنس آلياژ آلومينيم نصب شده‌اند. هر يك از لودسل‌ها داراي ظرفيت ۳۵ كيلوگرم است كه بر روي يك شاسي ناوداني شكل آهني نصب شده و بر روي آنها هم يك قاب و صفحه توزين قرار مي‌گيرند. شاسي سكوي توزين از طريق يكسري پيچ به بدنه بالابر ثابت مي‌شود. ظرفيت لودسل‌ها بر اساس حداكثر وزن عبوري از روي سكوي توزين تعيين شده است. خروجي هر يك از لودسل‌ها بطور جداگانه اندازه‌گيري مي‌شود، جمع، ميانگين گيري و ديگر عمليات پردازشي سپس روي آنها انجام مي‌گردد.

 

شكل ۲- (الف) لودسل ، (ب) سكوي توزين و (ج) مدار پل وتسون

ميز ارتعاشي: به منظور اعمال ارتعاش با بسامد‌هاي مختلف به سامانه سكوي توزين و شبيه ساز بالابر از ميز ارتعاشي موجود در آزمايشگاه دانشگاه يونيكمپ (سائوپائولو، برزيل) استفاده شد (شكل ۳). دامنه ارتعاشي اين ميز ۵ ميلي‌متر و بسامد آن با تغيير دور موتور محرك و با استفاده از يك دستگاه اينورتور بين صفر تا ۱۰ هرتز قابل تنظيم است.

شكل ۳- (الف) ميز ارتعاشي و (ب) شبيه ساز بالابر

شبيه ساز مكانيسم بالابر: بدليل عدم امكان نصب بالابر اصلي روي ميز ارتعاشي، مدلي نمونه از بالابر در آزمايشگاه تحقيقاتي گروه مهندسي كشاورزي دانشگاه يونيكمپ طبق شكل۳ روي ميز ارتعاشي نصب و استفاده شد. حركت پره‌‌هاي بالابر توسط چرخ زنجير و با استفاده از يك كاهنده تسمه و پولي از يك موتور DC تامين مي‌شود. قبل از شروع آزمايش‌ها تغييراتي از جمله استفاده از يك موتور با توان بيشتر و اصلاح سامانه چرخ زنجير روي شبيه ساز انجام شد تا براي آزمون آماده شود. دور موتور و در نتيجه سرعت حركت پره ها توسط يك دستگاه اينورتور ‌ قابل تنظيم مي‌باشد.

اندازه گيري سرعت پره‌ها و بسامد ميز ارتعاشي: در آزمايش‌هاي انجام شده دو پارامتر سرعت حركت پره هاي شبيه ساز بالابر و بسامد ميز ارتعاشي متغيرهاي مستقل هستند. به منظور تعيين و اندازه گيري اين پارامترها از حسگرهاي شتاب سنج و القايي استفاده شد.

۱- حسگر شتاب سنج: به منظور تعيين طيف بسامدي ميز ارتعاشي و سكوي توزين در دور‌هاي مختلف موتور محرك، دو حسگر شتاب سنج ، يكي در مركز ميز ارتعاشي و ديگري در محل سكوي توزين بطور ثابت نصب شد. اين دو حسگر ارتعاش در دو محور x‌ و y را در گستره g 10± با حساسيت mV×VS/g 20 اندازه گيري مي‌كنند.
۲- حسگر تشخيص ‌ سرعت پره: به منظور اندازه گيري سرعت پره ‌هاي شبيه ساز بالابر از يك حسگر القاييNPN با قطر cm 5/2 ‌ و حداكثر فاصله تشخيص cm 5/1 در محل چرخ محرك زنجير استفاده شد.

سامانه جمع آوري داده ها:‌ براي انجام آزمايش‌ها از ديتالاگر با امكان گسترش تا حداكثر ۲۵۶ كانال ورودي استفاده شد. در اين دستگاه از يك كارت مبدل آنالوگ به ديجيتال (ADC)‌ ۱۶ بيتي با حداكثر سرعت نمونه گيري kHz100 استفاده شده است. حسگرها شامل دو حسگر شتاب، سه لودسل، حسگر القايي (سرعت سنج) و همچنين حسگر القايي تشخيص پره‌ها طبق كاتالوگ به ورودي‌هاي ديتالاگر متصل شدند (شكل ۴). از درگاه LPT1‌ جهت ارتباط رايانه نوت بوك با ديتالاگر استفاده شد. برنامه ديتالاگر در نوت بوك اجرا و تنظيمات اوليه براي كانال‌هاي ورودي و نحوه نمايش و ثبت داده ها انجام شد.كليه كانال‌ها با اعمال فيلتر پايين گذر Hz 10 داده برداري شدند. در همه آزمون ها پس از اتمام، دادهاي ثبت شده توسط سامانه تحصيل داده به صورت فايلي با فرمت ASCII ذخيره و در نرم افزار Excel فراخواني شدند. در شكل۴ شماتيك اجزا و نحوه اتصال سامانه آزمون آزمايشگاهي نشان داده شده است.

شكل۴- شماتيك اجزا و نحوه اتصال سامانه آزمون در آزمايشگاه

كاليبراسيون ميز ارتعاشي
براي كاليبره كردن ميز ارتعاشي در دور‌هاي مختلف موتور، داده ‌هاي خروجي شتاب سنج‌ها براي ۳۰ ثانيه اندازه‌گيري و ثبت شدند و با انجام آناليز تبديل فوريه، طيف بسامدي ميز و سكو براي هر دور تعيين و ميز ارتعاشي كاليبره شد. شكل ۵ نمودار كاليبراسيون ميز ارتعاشي را نشان مي‌دهد.

شكل۵- نمودار كاليبراسيون ميز ارتعاشي بر اساس اولين بسامد هر طيف

كاليبراسيون حسگر سرعت پره
به منظور كاليبره كردن داده ‌هاي حسگر فوق با استفاده از يك دستگاه تاكومتر نوري ابتدا با راه اندازي موتور محرك شبيه ساز در دور‌هاي مختلف، سرعت حركت پره ها اندازه گيري و نمودار كاليبراسيون آن بدست آمد. در شكل۶ نمودار كاليبراسيون سرعت پره ها نسبت به دور موتور نشان داده شده است. با ضريب تبيين ۱= R2 نشان دهنده دقت خوب حسگر در تعيين سرعت است.

شكل ۶- نمودار كاليبراسيون سرعت پره ها نسبت به دور موتور
نتايج و بحث:
با اندازه گيري ارتعاشات روي بالابر كمباين در حين برداشت و اجراي آناليز تبديل فوريه در نرم افزار متلب طيف بسامدي ارتعاشات ماشين بدست آمد. محدوده بسامدي ارتعاشات بالابر بين صفر تا ۲۰۰ هرتز مي‌باشد. با محدود كردن طيف، بسامد‌هاي كمتر از ۸۰ هرتز در شكل ۷ نشان داده شده است. همانطور كه از نمودارها مشخص است تنها نويز ناشي از بسامد‌ها در محدوده ۵/۰ تا ۲ هرتز مشكل ساز است چون بسامد‌هاي بالاتر از ۱۰ هرتز را مي‌توان با فيلتر پايين گذر آنالوگ يا ديجيتال حذف نمود.