Puimurin satokartoitusjärjestelmän rakenne

Transkriptio

1 Puimurin satokartoitusjärjestelmän rakenne Ville Ketomäki 2017 Täsmäviljely perustuu sadonmittaukseen, jossa sadonkorjuun yhteydessä kerätään tietoa peltolohkon sadon vaihteluista. Tästä tiedosta muodostetaan satokartta, josta vaihtelu selviää. Satokartoitusjärjestelmä koostuu: - Satotiedosta o Kosteus o Sato - Paikkatiedosta o GPS + korjaussignaali - Työkonetiedosta o Työleveys o Ajonopeus o Tieto työn tekemisestä tai tekemättömyydestä - Datan käsittelystä o Datan siirto o Seuranta o Datan tallennus Satotieto muodostuu jyvien virtausnopeudesta, kun siihen yhdistetään mitattu hehtolitrapaino ja korjaavana tekijänä kosteusprosentti. Kun tähän lisätään työkonetiedosta tulevat työleveys ja ajonopeus sekä koska tietoa pitää kerätä, niin voidaan laskea hehtaarikohtainen sato. Paikkatiedon avulla mittaustilanne voidaan sitoa lohkolla tunnettuihin koordinaatteihin, jolla lohkon sisäiset vaihtelut tulevat ilmi. Kaiken tämän tiedon keräämistä valvotaan ajonäytöstä, josta se voidaan siirtää joko puhelinverkon kautta datana pilveen tai USB-muistitikulla ja sieltä toimistokoneelle muokattavaksi. Seuraavaksi tarkastellaan Sedu Ilmajoentien puimurin satokartoitusjärjestelmää. Trimblen satokartoitusjärjestelmän osat: - Sadon mittausmoduuli o Sisäinen lämpötila-anturi - Optinen anturi - Kosteusanturi o Voidaan käyttää myös puimuriin omaa anturia - Leikkuupöydän asentoanturi o Voidaan käyttää myös puimurin omaa anturia

2 Kuva 1: Satokartoitusjärjestelmän kaapelointi Mittausmoduulia voidaan pitää pienenlaisena keskusyksikkönä, joka kerää ja analysoi antureiden kautta tulevaa dataa. Sen kautta mitattu data tulee näkyville ohjaamossa olevalle näytölle graafisesti esitettynä. Anturit mittaavat ja muuntavat fyysisiä tai kemiallisia laatuja sähköiseksi tiedoksi. Saadut tulokset voivat lähteä anturilta eri muodoissa: - Sähkövirta tai jännite, amplitudi (värähtelytaajuus) - Taajuus tai jakso - Pulssin kesto tai pulssin leveys - Digitaalinen viesti Lähtevän mittaustuloksen muoto riippuu antureiden kehittyneisyydestä tai ns. integraatiotasosta. Alhaisessa integraatiotasossa anturi ei käsittele lähetettävää signaalia mitenkään, vaan elektroninen keskusyksikkö (ECU) hoitaa signaalin muuntamisen käsiteltävään ja ymmärrettävään

3 muotoon. Tällaisten antureiden viestit ovat häiriöherkempiä, sillä korkeat jännite- ja magneettipulssit voivat sotkea viestiä matkan aikana. Integraatiotason kasvaessa anturin nk. älykkyys tai kehittyneisyys nousee, jolloin lähtevää viestiä muokataan yhä enemmän. Samalla viestin tarkkuus ja monimutkaisuus lisääntyvät. Seurauksena on samalla viestin luotettavuuden lisääntyminen, sillä viestin on oltava täsmälleen oikean muotoinen, jotta se voidaan lukea ja hyväksyä käytettäväksi. Korkeimmalla integraatiotasolla olevat anturit eivät vain ole viestin lähettäjiä, vaan kykenevät ottamaan myös viestejä tai kyselyitä vastaan. Mitä uudemmista koneista on kysymys, sitä todennäköisemmin antureiden lähettämät viestit ovat koodattuja digitaalisia viestejä. Nykyaikaiset traktorit ja puimurit käyttävät moottorin, voimasiirron ja hydrauliikan ohjauksessa sisäänrakennettua CAN-väylää, josta työkoneissa käytetään ISOBUS-sovellutusta. Seuraavaksi tarkastellaan satokartoituksessa käytettävien anturien toimintaperiaatteita ja sijoituspaikkoja. Asentoanturit Mittaavat yhden tai useamman tilan siirtymää tai kulman asentoa. Käytännössä kaikkea, mitä voidaan mitata metreissä tai kulma-asteissa. Vanhimmat asentoanturit toimivat pitkälti kosketuksissa mitattavan kohteen kanssa, jolloin niiden ongelmana oli ikääntymisestä ja kulumisesta johtuva kuluminen. Tavoiteltaessa pitempää käyttöikää ja luotettavuutta, antureiden kehitystyössä on keskitytty mittaustapaan, jossa mittaus voidaan suorittaa joko koskematta mitattavaan kohteeseen tai sen läheisyydessä olemisella. Kuitenkin kustannussyyt pakottavat valmistajat yhä käyttämään vanhempia, kosketukseen perustuvia anturimalleja. Leikkuupöydän asentoanturina käytetään potentiometriä, jossa mitataan koskettimen kulkemaa matkaa lanka- tai kalvovastuksen päällä. Vastukseen johdetaan jännite, joka pääsee kulkemaan koskettimen kautta pois. Riippuen koskettimen siirtymästä ulos tuleva jännitearvo vaihtelee. Näin aikaan saatua jännitearvoa voidaan hyödyntää leikkuupöydän asennon mittauksessa, kun ensin kalibroidaan leikkuupöydän korkein ja matalin asento. Puimurin satokartoitusjärjestelmässä on mahdollista käyttää puimurivalmistajan omaa anturia, jolloin säästytään erillisen anturin hankinnalta. Alempana kuva Sedu Ilmajoentien puimurista, jossa kolakuljettimen päälle on asennettu asentoanturi.

4 Kuva 2: Leikkuupöydän asentoanturi Kosteusanturit Mittauksessa käytetään kapasitiivisiä (sähkönvaraus) ja resistiivisiä (sähkövastus) antureita. Kapasitiivisessa anturissa kondensaattorin kyky varata sähköä muuttuu suhteellisen kosteuden vaikutuksesta. Mitä kosteampi ilma, sitä suurempi varaustila anturissa. Anturityyppi on pitkäikäinen ja reagoi nopeasti kosteuden muutoksiin. Resistiivisessä anturissa sähkön johtavuus paranee kosteuden lisääntyessä, jolloin vastusarvo alenee ja mitattava jännitearvo nousee. Vastusanturi tarvitsee tuekseen tiedon lämpötilasta.

5 Kuva 3: Kosteusanturi viljaelevaattorin pohjassa Elevaattorin pohjalla olevaan anturin pintaan saattaa märkinä puintivuosina kertyä likaa, joka haittaa mittaustapahtumaan. Tämän vuoksi anturin puhtautta ja kuntoa on tarkkailta päivittäisen huollon yhteydessä. Toki anturin epärealistisen korkeat ja muuttumattomat arvot tuovat käyttäjälle tiedon anturin huollon tarpeesta. Jos kosteusanturin toiminnassa esiintyy liikaa häiriöitä, niin se voidaan vaihtaa eri lailla toimivaan anturiin. Tällainen on esimerkiksi AgLeaderin valmistama kierukkatyyppinen anturi, joka selviää paremmin korkeammista kosteusarvoista. Haasteena on anturin suurikokoisuus, joten sen sovittaminen vanhempaan ja pienempään puimuriin vaatii hieman enemmän suunnittelua. Lämpötila-anturit Yleisimmät anturityypit ovat suorassa kosketuksessa mitattavaan aineeseen. Mahdollisissa erityistapauksissa käytetään antureita, jotka mittaavat aineen lämpötilan infrapunasäteilyn avulla. Puimurin satokartoituslaitteistossa anturi voidaan sijoittaa joko mittausmoduulin tai kosteusanturin yhteyteen. Ympäristön lämpötilaa mittaava anturi on hyvin yleisesti sijoitettu järjestelmän ohjausmoduuliin. Lämpötilan mittaamiseen voidaan käyttää vastusantureita tai puolijohdeantureita. Vastusantureissa mittaus perustuu metallin sähkönjohtavuuden muuttumiseen lämpötilan vaihtelun mukaan. Nimensä mukaisesti anturissa on vastuselementti, jonka määrä joko pienenee (NTC-vastus) tai kasvaa (PTC-vastus) lämpötilan noustessa. Syötettäessä anturiin matala jännite, vastusarvon riippuvuus lämpötilasta muuttaa lähtevää jännitearvoa.

6 Puolijohdeantureissa toiminta perustuu liitosjännitteen lämpötilariippuvuuden mittaamiseen, jossa mitattava jännite alenee lämpötilan muuttuessa. Optiset anturit Perustuu valon aikaan saamaan anturin sisäiseen sähköilmiöön, jossa anturiin tuleva valo saa elektroneja liikkeelle. Mitä enemmän valoa, sitä voimakkaampi sähköilmiö anturissa tapahtuu. Tämän toteuttamiseksi anturissa on kaksi erillistä osaa: valolähetin ja valon vastaanottaja. Puimurin satokartoituksessa optisen anturin avulla on toteutettu massan eli sadon mittaus. Periaate: mitä vähemmän valoa vastaanotin saa lähettäjältä, sitä suurempi on ohivirtaava massa eli tässä tapauksessa sato. Kuva 4: Optinen anturi elevaattorissa Viljan määrän mittauksessa käytetään joko massa- tai tilavuusvirta-tyypin mittausta. Massavirtatyypissä anturi asennetaan viljaelevaattorin yläpäähän tai säiliön täyttöruuviin. Mittaustapa voi tällöin perustua massan työntövoimaan tai radioaktiiviseen säteilyyn (gamma, röntgen). Mittaustavoilla on päästy alle viiden prosentin mittausvirheisiin. Työntövoimaan tapahtuvassa mittauksessa jyvien massa painaa ohi virratessaan levyä, jonka liikeradan pituus muunnetaan kiloiksi hehtaaria kohti. Mitä suurempi sato, sitä pitemmän liikeradan levy liikkuu.

7 Radioaktiivisessa mittauksessa käytetään periaatteessa samanlaista ratkaisua kuin optisessa, sillä tarvitaan säteilyn lähettäjä ja vastaanottaja. Säteilytaso on hyvin matala, joten säteily imeytyy ohi virtaavaan viljaan. Mitä vähemmän säteilyä lähettäjästä saapuu vastaanottimeen, sitä suurempi sato. Optinen anturi taas kuuluu tilavuusvirta-tyypin mittaukseen, jossa anturi asennetaan viljaelevaattorin keskivaiheille tai yläpäähän. Parhaissa tapauksissa tilavuusvirta-tyypeillä on päästy alle kolmen prosentin mittausvirheisiin. Optisessa anturissa on hyvä muistaa, että viljaelevaattorin ketjun on oltava puhdas epäpuhtauksista (ketjuun ja läppiin tarttuneet moskat) ja kireä. Varsinkin kalibrointi ei onnistu, jos ketju on liian löysä. Tällöin virheitä tulee liikaa ja anturin tietoja ei pystytä lukemaan. Suositeltavaa onkin vaihtaa voimakkaasti kuluneet läpät uusiin, sillä ne saattavat johtaa virheellisiin lukemiin. Lähteet: Juhala, M., Lehtinen, A., Suominen, M. & Tammi, K Moottorialan sähköoppi. 8. uudistettu painos. Autoalan koulutuskeskus Oy: Helsinki. Reif, K. & Dietsche, K.-H. Bosch: Automotive Handbook painos. USA: Cambridge: Bentley Publishers. Trimble yield monitoring system: installation instructions Versio Sun-Ok, C., Moon-Chan, C., Kyu-Ho, L., Yong-Joo, K., Soon-Jung, H. & Minzan, L Sensing technologies for grain yield monitoring systems: a review. Journal of biosystems engineering. The Korean Society for Agricultural Machinery.