Utvikling og utredning av design- og forsøkskonsept for vindmåleinstrument tilpasset åkersprøyte

Abstract

I dagens samfunn er det et stadig økende fokus hos både produsenter og konsumenter på mat, dens kvalitet og fremstilling, samt menneskets påvirkning på miljøet. Innenfor landbruket har flere bønder og produsenter av landbruksutstyr de siste årene blitt mer bevisste på tiltak som kan redusere avdriftsmengden ved sprøyting med plantevernmidler. Dette gjelder da særlig ved bruk av giftstoffer i nærheten av sensitive soner som for eksempel vannforekomster og oppholdssteder for barn. Hjelpemidler for reduksjon av avdrift i det norske og internasjonale landbruket ansees som svært aktuelle med tanke på nåtidens og fremtidens matproduksjon.

Hovedmålsettingen for dette masterprosjekt er å utrede, utvikle og designe en potensiell løsning for måling av absolutt vindstyrke, samt utforme tekniske beskrivelser og anvisninger. Vindmåle-instrumentet sin hovedhensikt er å gi tilstrekkelig informasjon slik at spredningen kan foregå under optimale forhold, og på den måten være med på å redusere avdriftsmengden ved spredning av plantevernmidler i landbruket. Denne rapporten vil fungere som et forprosjekt for videre testing og utvikling av et vindmåleinstrument. Produktmålsettingen er å konstruere et vindmåleinstrument som kontinuerlig måler den absolutte vindstyrken under utendørs sprøyting ved bruk av åkersprøyte. Vindens hastighet og retning skal enkelt kunne avleses fra førersetet i kjøretøyet, og dermed gi kontinuerlig informasjon om spredningsforholdene. I Norge i dag er den øvre grensen for maksimal tillatt vind-hastighet for sprøyting satt til 5 m/s, men på grunn av manglende egnede måleutstyr, er dette et krav som er vanskelig å overholde.

For å komme frem til et anbefalt testkonsept ble det gjennomgått flere prosesstrinn, som gjennom ulike steg ligger til grunn for videre arbeid og testing. Prosesstrinnene består av et omfattende litteratur-studium, metodebeskrivelse, konseptutreding og konseptvalg, eksperttesting, enkel modellering og evaluering. Litteraturstudiet omfatter i hovedsak studie av sprøyting, plantevernmidler, vind og eksisterende vindmåleinstrumenter. Metodikken tar for seg aktuell terminologi og begreper, samt presentasjon av metodene og løsningsverktøyene benyttet i oppgaven. Ved bruk av SCAMPER blir løsningsalternativer og konsepter utviklet på en ryddig og åpen måte. Pughs metodikk er et matematisk og objektivt verktøy som benyttes ved seleksjon og utvelgelse av best egnede løsning. Både Pugh og SCAMPER er flittig benyttet gjennom hele utviklingsprosessen av vindmålekonseptet tilpasset utendørs bruk tilpasset et kjøretøy. I konseptgenereringen ble det redegjort for ulike forslag til løsnings-alternativer. Disse ble evaluert opp mot tiltenkte produktegenskaper knyttet til produktmålsettingen, samt analysert og sammenlignet i en konseptscreening. Her ble to ulike alternativer, sonisk vindmåler og klassisk anemometer tatt med videre. Begge alternativene har en plassering på kjøretøyets tak og dataoverføring inn til et display på dashbordet.

Da det finnes interessant å undersøke målepresisjonen til de to foretrukne alternativene sammenlignet med en helt enkel og primitiv løsning, blir i tillegg en svært forenklet vimpelløsning med plassering på kjøretøyets panser presentert og utredet for videre arbeid. Vimpelløsningen ble konstruert for å tåle vibrasjoner og støt fra kjøring på ujevnt underlag, slag fra lavthengende grener, uten å blokkere for unødvendig mye sikt på panseret. Dette har resultert i et 400 mm høyt vimpelstativ med en diameter på 7mm. En rød nylonvimpel er festet på tuppen av vimpelbommen med en M6-skrue med krok. Graden av vimpelutslag angir vindens hastighet. Vimpelbommen kan svinge fritt omkring høydestangen for anvisning av vindretning. For økt stabilitet støttes høydestangen opp av fire symmetriske støttepilarer, samt er fastmontert på en stabil bunnplate. Vimpelløsningen vil konstrueres i rustfritt stål med legeringer av nikkel og krom. Dette materialet er 100 % resirkulerbart, innehar høy styrke og er motstandsdyktig mot miljømessige faktorer som syrer og baser fra plantevernmiddelskyen, UV-stråling, fuktighet og lokal høy temperatur. Vimpel-stivet har en total vekt på 0,278 kg. Det satses fult på produksjon i Norge, bruk av strøm som tilført energikilde, samt full gjenvinning ved endt levetid. Konseptutviklings- og produksjonskostnaden for 10 000 enheter er på 1 030 000 NOK. Dette ga en minste enhetspris på 103 NOK for kun produksjon. For å oppnå fortjeneste vil utsalgspris være på 432,98 NOK.

Videre arbeid vil omhandle den fysiske utviklingen av et vindmåleinstrument. Av dette inngår forsøk basert på den utformede forsøksplanen med tilhørende forsøksledd presentert i kapittel 10. Resultatene vil analyseres for optimal videreutvikling av vindmålekonseptene.

In today’s society, there is a continuous increasing focus from both producers and consumers in regard to food, both on the quality and presentation, as well as people’s influence on the environment. Within livestock several farmers and producers of livestock equipment have the last years become more aware of measures which can reduce the amount of spray drift in regard to spraying and pesticides. Especially when it comes to the use of hazardous substances in close proximity to more sensitive areas such as occurrence of groundwater and areas utilised by children. Aids for reduction of spray drift in both the Norwegian and international agriculture is very current in regard to both today’s and the future food production.

The main goal of this thesis is to examine, develop and design a potential solution for measuring the absolute wind force, as well as, develop technical descriptions and instructions. The main purpose of the wind measuring instrument is to give sufficient information to be able to have the spreading happen in the most optimal conditions, and in that way aiding in the reduction of amount of spray drift when spraying pesticides on agricultural land. This thesis will work as a pre-project for further testing and development of a wind measuring tool. The product goal is to construct a wind measuring tool which continuously measures the absolute wind strength during outdoor spraying with the use of a field sprayer. The velocity and direction of the wind should be easily read from the driver seat in the vehicle, and in this way, give continuous information in regard to the spraying conditions. In Norway today the higher limit for maximum wind velocity when spraying is at 5 m/s, however, because of the lack of suitable measuring tools, the limit is difficult to maintain.

To be able to come up with a recommended testing concept there was undergone multiple process steps which through different steps makes up the foundation for further work and testing. The process steps consists of a substantial literature review, method description, concept examination, expert testing, a simple modelling and evaluation. The literature review consists mostly of spraying, pesticides, wind and existing wind measuring tools. The method description describes relevant terminology, as well as, a presentation of the methods and the solution tools utilised in the thesis. With the use of SCAMPER the different alternatives for solutions and concepts developed in a structured and open fashion. Pughs methods are mathematical and objective tool which utilises selection of the most suitable solutions. Both Pugh and SCAMPER is frequently used throughout the development process of the wind measuring concept suited for outdoor use adapted to a vehicle. In the concept examination, different alternatives for solutions are investigated. The alternatives were evaluated based on the product abilities in regard to the goal of the product, as well as, analysed and compared in a concept screening. Two alternatives, sonic wind measurer and the classic anemometer, continued to further tests. Both alternatives would be placed on the roof of the vehicle and the data would be transferred to a display on the dashboard.

As it is interesting to investigate the precision to the two preferred alternatives that are compared with a simple and primitive solution, the alternatives with a simple pennant solution with placement on the hood of the vehicle is examined for future research. The pennant solution was constructed to stand vibrations and impact caused by driving on uneven surfaces, hits from low hanging branches, without blocking any necessary outlook. This resulted in a 400mm tall pennant pole with a diameter of 7 mm. A red nylon pennant is attached at the tip of the pennant beam with a M6-screw with a lid. The level of pennant swing determines the velocity of the wind. The pennant beam is able to swing freely around the pole to indicate the direction of the wind. For increased stability, the pole is supported by four symmetrical supportive pillars, as well as a stable bottom plate. The pennant solution will be constructed in stainless steel with alloy of nickel and chrome. The material is 100% recyclable, has a high strength ability and is resistant to environmental factors such as acidic and alkaline substances from the pesticides, UV-radiation, humidity and local high temperatures. The pennant stand has a total weight of 0.278 kg. The production is set to be in Norway, with the use of electricity as the energy source, as well as being fully recyclable. The concept development and production cost for 10 000 units is estimated to 1 030 000 NOK. This provides a minimum price for one unit at 103 NOK for only production. To be able to achieve a profit the sales price would be at 432,98 NOK.

Future work will involve the physical development of a wind measuring tool. This includes a trial based on the developed trial plan with the complementary trial stages presented in chapter 10. The result will be analysed for the optimal future development of the wind measuring concepts.