Tek kazayağına sahip bir kültivatör çeki direncinin oktagonal dinamometre kullanılarak belirlenmesi
Determination of draft resistance of a cultivator with a single sweep using an octagonal dynamometer
Yazar: İLKER BÜLBÜL
Danışman: PROF. DR. BÜLENT ÇAKMAK
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tarım Makineleri ve Teknolojileri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Ziraat = Agriculture
Dizin: Arduino etkinlikleri = Arduino activities ; Kültivatör = Cultivator ; Çeki kuvveti = Draught force

Özet:
Tarım makinalarında çeki kuvvetinin ölçülmesi, tasarımda ve toprak işleme performansının iyileştirilmesinde önem taşımaktadır. Akıllı tarım alanındaki gelişmelere paralel olarak yeni sensör ve ölçüm sistemlerinin geliştirilme çalışmaları önem kazanmaktadır. Tarım makinaları üretimindeki rekabet, maliyeti düşük ölçüm sistemlerinin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır.  Bu çalışmada tek bir kültivatör ayağının çeki kuvveti gereksinimini ölçmek için Arduino tabanlı bir ölçüm sistemi geliştirilmiştir. Sensör olarak, üzerine 4 adet gerinim pulları yapıştırılmış çift halkalı oktagonal eleman kullanılmıştır. Oktagonal eleman sonlu elemanlar programıyla analiz edilmiş ve gerinim pullarının konumları tam Wheatstone köprüsünden yüksek çıktı voltajı verecek şekilde belirlenmiştir. Tam köprü Wheatstone devresinin E-, E+, S- ve S+ uçları bir yük hücresi amplifikatörüne bağlanmış, yük hücresi amplifikatörünün çıktı sinyali sensör sinyali olarak Arduino'nun analog girişine (AI) bağlanmıştır.  Arduino'nun analog girişinden verdiği dijital sinyalin hassasiyetini arttırmak için 0-5 V referans aralığını 0-2 V referans aralığına dönüştüren bir ayarlanabilir voltaj regülatörü kullanılmıştır. Ölçüm sistemi donanımında 1 adet LCD ekran, 1 adet SD kart okuyucu ve 1 adet mandal buton kullanılmıştır. Geliştirilen yazılımda mandal buton kapalı konuma getirildiğinde Arduino SD kartta bir dosya açar ve mandal buton kapalı konumunu devam ettirdikçe 11 Hz örnekleme frekansı ile ölçüm değerlerini dosyaya kaydeder ve LCD ekranında gösterir. Mandal açık konuma getirildiğinde dosyayı kapatır. Mandal tekrar kapalı konuma getirildiğinde yeni bir dosya açarak kayıt yapar. Yazılımda AI sinyalinden elde edilen 0-1023 aralığındaki dijital sinyal bir katsayı ile çarpılarak ölçüm değerleri kg kuvvet cinsinden dosyaya kaydedilir. Katsayı, kalibrasyon testi ile belirlenmiştir. Ölçüm sisteminin verdiği kuvvet değerleri, geliştirilen bir test düzeneğinde Geratech marka dijital bir dinamometrenin değerleriyle karşılaştırılmış, R-kare değeri 0,9999 bulunmuştur. 
Kazayağı uç demirli yaylı ve rijit tip kültivatör ayaklarını, traktör üç nokta askı sistemine bağlamak için bir çatı geliştirilerek üretilmiştir. Oktagonal sensör çatı ile kültivatör ayağı arasına bağlanmıştır. Sabit toprak işleme derinliğinde çalışabilmek için derinlik ayar tekerleri piyasadan temin edilerek çatıya monte edilmiştir. Deneme alanında 4 hat belirlenmiştir. Hat-1 ve Hat-2 de 5 cm, Hat-3 ve Hat-4 te 10 cm derinlikte toprak işlenmiştir. Hat-1 ve Hat-3 te 1,5 m/s, Hat-2 ve Hat-4 te 2.4 m/s traktör hızı ile toprak işlenmiştir.   Her hatta 10 m lik 3 tekerrür bölgesi belirlenmiştir. Ölçüm sistemi ile SD karda kaydedilen ölçümler bilgisayar aktarılmış ve analiz edilmiştir. Her tekerrür bölgesinde ortalama çeki kuvvetleri bulunmuştur. Yaylı ayak ile yapılan denemelerde; Hat-1 de 5 cm işleme derinliği ve 1,5 m/s traktör ilerleme hızı için 3 tekerrür ortalaması 126 N, Hat-2 de 5 cm işleme derinliği ve 2,4 m/s traktör ilerleme hızı için 3 tekerrür ortalaması 159 N, Hat-3 de 10 cm işleme derinliği ve 1,5 m/s traktör ilerleme hızı için 3 tekerrür ortalaması 300 N ve Hat-4 de 10 cm işleme derinliği ve 2,4 m/s traktör ilerleme hızı için 3 tekerrür ortalaması 337 N bulunmuştur. Rijit ayak ile yapılan denemelerde ise; Hat-1 de 5 cm işleme derinliği ve 1,5 m/s traktör ilerleme hızı için 3 tekerrür ortalaması 177 N, Hat-2 de 5 cm işleme derinliği ve 2,4 m/s traktör ilerleme hızı için 3 tekerrür ortalaması 222 N, Hat-3 de 10 cm işleme derinliği ve 1,5 m/s traktör ilerleme hızı için 3 tekerrür ortalaması 265 N ve Hat-4 de 10 cm işleme derinliği ve 2,4 m/s traktör ilerleme hızı için 3 tekerrür ortalaması 308 N bulunmuştur. Görüldüğü gibi derinlik arttıkça ve traktör ilerleme hızı arttıkça çeki kuvveti değerleri artmaktadır. Sonuç olarak, bu çalışmada Arduino tabanlı maliyeti düşük bir çeki kuvveti ölçüm sistemi geliştirilmiştir.

Abstract:
Measurement of draft force in agricultural machines is important for design and improving tillage performance. Smart agricultural machines demand new sensor and measurement systems. A cheap and affordable measurement system is important for competition. In this work, an Arduino based system to measure the draft resistance of an individual cultivator leg was developed. An extended octagonal ring was used as the sensor. The strength and strain analyses of the ring were performed by a finite element software. The locations of the strain-gauges were selected so that the load-cell amplifier gives high output voltages. The E-, E+, S- and S+ terminals of the Wheatstone circuit are connected to a load cell amplifier. The output signal of the load cell amplifier is connected to the analog input (AI) of Arduino as the sensor signal. In order to increase the sensitivity of the digital signal from the analog input of the Arduino, an adjustable voltage regulator that converts the 0-5 V reference range to the 0-2 V reference range is used. 1 LCD screen, 1 SD card reader and 1 latch button are used in the measurement system hardware. In the developed software, when the latch button is turned off, Arduino opens a file on the SD card and as the latch button maintains its closed position, it saves the measurement values to the file with a sampling frequency of 11 Hz and displays them on the LCD screen. It closes the file when the latch is turned on. When the latch is closed again, it opens a new file and records. The digital signal in the range of 0-1023 obtained from the AI signal in the software is multiplied by a coefficient and the measurement values are recorded in the file in kg-force. The coefficient was determined by the calibration test. The force values given by the measurement system were compared with the values of a Geratech brand digital dynamometer in a developed test setup, and the R-square value was observed as 0.9999. 4 lines were determined in the experimental area. Soil was cultivated at a depth of 5 cm in Line-1 and Line-2, and at a depth of 10 cm in Line-3 and Line-4. Soil cultivation was carried out with a tractor speed of 1.5 m/s in Line-1 and Line-3, and 2.4 m/s in Line-2 and Line-4. Three recurrence zones of 10 m were determined in each line. The measurement values recorded in the SD card with the measurement system were transferred to the computer and analyzed. Average draft forces were found at each recurrence zone. In trials with S-type leg; The average of 3 repetitions for 5 cm tillage depth and 1.5 m/s tractor speed in line-1 was 126N. Average of 3 repetitions for 5 cm tillage depth and 2.4 m/s tractor speed in line-2 was 159 N. Average of 3 repetitions for 10 cm tillage depth and 1.5 m/s tractor speed in line-3 was 300 N. In line-4, the average of 3 repetitions was 337 N for 10 cm tillage depth and 2.4 m/s tractor speed. In trials with a rigid leg; Average of 3 repetitions for 5 cm tillage depth and 1.5 m/s tractor speed in line-1 was 177 N. Average of 3 repetitions for 5 cm tillage depth and 2.4 m/s tractor speed in line-2 was 222 N, For 10 cm tillage depth and 1.5 m/s tractor speed in Line-3, the average of 3 repetitions was 265 N, and in Line-4, for 10 cm soil tillage depth and 2.4 m/s tractor speed, the average of 3 repetitions was 308 N. 
 As can be seen from the test results, as the depth increases and the tractor speed increases, the drawbar force values increase. As a result, in this study, an Arduino-based low-cost draft resistance measurement system has been developed.