Аналитические весы для работы в условиях морской качки на научных судах

Актуальность

Изучение состава и свойств отложений, покрывающих дно морей и океанов, очень важно для строительства морских сооружений, поиска и добычи минеральных ресурсов, изучения изменений климата на нашей планете и истории формирования Мирового океана. Такие физические свойства донных осадков, как плотность и влажность, необходимо определять в морских экспедициях на борту судна сразу, после того как образцы осадков подняты со дна.

Для определения этих свойств образцы осадка известного объёма взвешиваются во влажном и высушенном состоянии. Взвешивание образцов осложняется движением судна на волне с ускорением, что делает невозможным применение стандартного подхода с использованием электронных лабораторных весов. Ускорение судна на волне складывается или вычитается с ускорением свободного падения (которое может также меняться по мере изменения широты расположения судна, например, в трансатлантических рейсах).

В настоящее время взвешивание образцов донных осадков в рейсах ИО РАН осуществляется с помощью рычажных «аптекарских» весов с набором разновесов (грузов). Количество образцов для взвешивания в ходе экспедиции исчисляется сотнями, поэтому процесс измерений отнимает большое количество времени и сил учёных. Автоматизация процесса поможет повысить производительность и точность измерений.

Цель

Создание прототипа дешёвых электронных аналитических весов, способных работать в условиях морской качки и обеспечивать точность до 0,05 г.

Задачи

1. Выполнить подбор электронных компонентов и разработать схему их подключения.
2. Создать программное обеспечение для управления работой весов.
3. Спроектировать и изготовить основные конструкционные элементы весов (корпус, крепления электронных компонентов, чаши весов).
4. Выполнить сборку прототипа и провести испытания на испытательном стенде.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Паяльная станция
• Тензодатчик – 100 г (max)
• Аналогово-цифровые преобразователи HX711
• Плата Arduino NANO
• Модуль реального времени, модуль считывания штрих-кода и модуль чтения/записи на SD-карту
• LCD-дисплей 16x2 (I2C)
• Макетная плата, тактовые кнопки, соединительные провода и кабели
• Компьютер с установленным ПО: Arduino IDE, С++, Autodesk Fusion 360
• 3D-принтер FELIX 3.0

Описание

Авторы проектной работы выполнили проектирование основных конструкционных элементов прототипа с помощью программного обеспечения Autodesk Fusion 360, изготовили эти элементы методом 3D-печати. Параметры печати (плотность заполнения, толщина стенок выбирались так, чтобы добиться экономичности расхода пластика, сохранения прочностных характеристик деталей и минимизации их массы.

Программа управления работой устройства подъёма защитного кожуха написана на C++ в среде разработки Arduino IDE.

Проектирование схем соединения компонентов проводилось с помощью программного обеспечения Fritzing.

Авторы осуществили подбор, соединение и настройку электронных компонентов, написали программное обеспечение, собрали итоговый прототип.

В результате работы над проектом был создан прототип лабораторных весов, которые могут быть использованы в морских экспедициях на научных судах. Принцип работы весов основан на объединении в устройстве двух комплектов одинаковых электронных весов. На одних весах установлен «эталонный» грузик с известной массой (20 г), на вторые весы ставится объект, массу которого необходимо измерить. Поскольку и «эталонный» грузик, и объект для измерений находятся в процессе взвешивания близко друг от друга, то можно допустить, что на них в равной степени будут действовать все сторонние силы, связанные с креном и вертикальными перемещениями судна на волне. В идеальном случае, зная показания весов с «эталонным» грузиком и показания вторых весов c объектом, можно вычислить искомый показатель.

Зная показания тензодатчика с «эталонным» грузиком и показания датчика c образцом, можно вычислить искомый показатель. Весы позволяют сканировать штрих-коды с номерами контейнеров для отбора образцов осадка и записывать эти данные вместе с результатами измерений на SD-карту. Такой подход снижает вероятность ошибки при записи результатов измерний.

Результаты работы/выводы

Основная цель проекта была достигнута, поставленные задачи решены. Результаты проекта будут востребованы широким кругом научных и промышленных организаций, занимающихся проведением исследовательских и инженерно-геологических работ в море (в т. ч. ИО РАН, ГИН РАН, ИГЕМ РАН, Геологический факультет МГУ, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, Росгеология).

Прототип весов планируется испытать на специализированном стенде и в реальных условиях на борту научно-исследовательского судна «Академик Иоффе» осенью 2021 года (Центральная Атлантика). 

Перспективы использования результатов работы

В ходе дальнейшей работы над проектом планируется увеличить быстродействие работы весов за счёт использования более совершенного контроллера. Планируется оптимизировать форму весов и расположение электронных компонентов. Для этого – спроектировать и заказать изготовление печатной платы для размещения электронных компонентов.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Проект выполнен в сотрудничестве с Институтом океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Открытая городская конференция «Инженеры будущего» 2020 – призёр.