«Умные» 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

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

Задачи

1. Проектирование, изготовление и сборка основных конструкционных   элементов прототипа.
2. Подбор, подключение и настройка электронных компонентов.
3. Написание программы для управления работой весов.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

– 3D-принтер FELIX 3.0

– Паяльная станция

– Персональный компьютер

– Тензодатчик – 100 г (max)

– Аналогово-цифровые преобразователи HX711

– Плата Arduino NANO

– Модуль считывания штрих-кода

– ЖК-дисплей 16x2 (I2C)

– Модуль реального времени

– Модуль чтения/записи на SD-карту

– Макетная плата

– Тактовые кнопки

– Соединительные провода и кабели

Описание

Автор проектной работы выполнил проектирование основных конструкционных элементов прототипа с помощью программного обеспечения Autodesk Fusion 360, изготовил эти элементы методом 3D-печати. Автор осуществил подбор, соединение и настройку электронных компонентов, написал программное обеспечение, собрал итоговый прототип и провёл его испытания.

Результаты работы/выводы

Создан прототип аналитических весов для работы в условиях качки на научных судах. Принцип работы весов основан на объединении в одном 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 «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. 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 измерений.

Перспективы использования результатов работы

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, Геологический факультет МГУ, ВНИИОкеангеология).

Прототип весов планируется испытать в реальных условиях на борту научно-исследовательских судов «Академик Сергей Вавилов» и «Академик Иоффе» летом и осенью 2021 года (Балтийское море, Центральная Атлантика). 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

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Награды/достижения

1. Московский городской конкурс исследовательских и проектных работ обучающихся, 2021 – призёр.

2. Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» (направление «Инженеры») открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» – призёр

Мнение автора

«Весы для работы в условиях морской качки – интересный, а также полезный различным группам учёных, работающих в открытом море, прибор.

В ходе работы над проектом я узнал много нового о мировом океане, а также научился работать с Arduino и проектировать модели для 3D-печати. 

Я достиг поставленных целей и создал прибор, способный проводить взвешивание на морских судах»