Fleksibel og kostnadseffektiv bølgesensor

Populærvitenskapelig presentasjon Skipstrafikken langs kysten trenger pålitelige opplysninger om vær, vind og sjøtilstand i overflaten. Innhenting av disse målingene gjøres gjerne ved hjelp av forankrede målebøyer med sanntids dataoverføring til brukere på land og sjø. På målebøyene monteres ulike sensorer som kan måle de parameterne man trenger, og jo flere målinger som kan utføres på en og samme bøye jo mer nyttig og kostnadseffektiv blir hele installasjonen. Det er generelt en utfordring å kombinere måling av bølger med en vanlig målebøye. Målebøyer for vær og vind må ha en viss størrelse og tilsvarende forankring, og de beveger seg normalt slik i sjøen at de ikke er velegnet for observasjon av bølger. I tillegg er dagens sensorer for bølgemåling svært kostbare i forhold til de øvrige sensorene som brukes på slike bøyer. Dette prosjektet handler om å utvikle en bølgesensor for måling av bølgehøyde og bølgeretning. Sensoren er tenkt plassert på ulike typer bøyer og vil gi pålitelige bølgemålinger for skipstrafikken og tilsvarende brukere. Ved å ta i bruk de siste års nyvinninger innen miniatyrsensorer for konsument-markedet kombinert med avansert innebygget elektronikk og programvare er målet å få en ny og kostnadseffektiv sensor for måling av bølger på et bredt utvalg av målebøyer. Ved utgangen av 2016 er det utviklet metoder for bølgemåling og laget tilhørende prototypesensorer. Sensorene ble ma. testet på to målebøyer, først i Bjørnafjorden sør for Bergen og deretter satt ut i havet ca 10 km vest av Karmøy sammen med en referansebøye. En av testbøyene er utstyrt med 2 bølgemålere med ulik plassering i forhold til bøyens senter. Målingene fra de to testbøyene samt referansebøyen er tilgjengelige på prosjektets web-side. (https://hydweb.xyleminc.com) Resultatene skal sammenholdes med modeller som varsler bølgehøyde, og med anerkjente avanserte bølgemålere. I 2017 har bølgemålerne vært i tilnærmet kontinuerlig uttesting vest av Karmøy. Bølgesensorene har vært utrustet med software som muliggjør remote oppgradering. Basisparametre som var tilgjengelig ved utsetting har blitt utvidet etter hvert til også å omfatte bl.a. tidsserier for «freak wave» analyse, samt bølge energispekter og «Fourier»-koeffisient spektre som vil være nyttig for postprosessering av bølge data. Bølgesensoren er også forberedt for kompensering av ikke ideell transfer funksjon for valgt bøye med tilhørende oppankring. Sensoren har også innebygget kompensering for installasjons posisjon på bøyen. Foreløpige sammenligninger mot referanse bølgesensor indikerer at ytelsen er svært god. Forskningspartnerne analyserer måledataene og sammenligner med ulike bølgemodeller og referansedata. Resultatene vil bli publisert senere. Det er utviklet simuleringsmodell og skalamodeller for tanktest og verifisering. Bøyene har i mesteparten av 2018 gitt pålitelige bølgedata fra posisjonen 10 km vest av Karmøy. Prosjektpartnerne har utført omfattende sammenligningsanalyser av de innhentede måledataene. Generelt viser disse godt samsvar både mellom bøyene, og også i forhold til etablerte vær-baserte bølgemodeller. På den valgte test-lokasjonen produserer den nye sensoren bølgedata av høy kvalitet med kun neglisjerbare forskjeller gitt av bøyeform og oppankringsutforming. For å kunne teste ytelsen under andre forhold ble en av bøyene sammen med referansebøyen flyttet inn på en grunnere lokasjon (fra 200m til 30 m dyp) nærmere land. Det var planlagt å gjøre dette tidligere men på grunn av værforholdene kunne dette ikke utføres før i slutten av november. Foreløpige data viser meget godt samsvar mellom bølge data fra testbøye og referansebøye. En mer utfyllende analyse av data fra den nye lokasjonen vil bli gjort senere i 2019. Prosjektet har vært et samarbeid mellom Aanderaa Data Instruments, Christian Michelsen Research, Meteorologisk Institutt og Uni Research Polytec.

Prosjektet har gitt inngående kunnskap om bølgemåling og grunnlag for utvikling av en ny fleksibel og kosteffektiv bølgesensor. Prosjektet har underbygd valgt av måleprinsipp, tilhørende designkriterier og begrensninger ved ulike operasjons-betingelser. Evaluering og analyse av ytelse har vært essensiell i forhold til markedsføring og trygget for introduksjon av det nye produktet. Den nye bølgesensoren dekker en tidligere mangel i bedriftens sensor-portefølje og har allerede medført salg av flere bøyer med tilhørende telemetri system. Bølgesensoren muliggjør innsamling av høykvalitets bølgedata fra flere bøyer. Dette vil gi kunne gi bedre underlag for design av strukturer langs kysten, for eksempel flytebroer og oppdrettsanlegg, og vil også kunne gi bedre operasjonelle data for de som jobber og ferdes på sjøen.

Eksisterende bølgesensorer er hovedsakelig dedikerte bølgesensorer som er mindre egnet til å inngå i komplette maritime plattformer bestykket med sensorer for miljøovervåking. I dette prosjektet vil vi utvikle en fleksibel og kostnadseffektiv bølgesensor som vil utnytte lav-kostnadskomponenter. Bølgesensoren vil ta i bruk MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) kretser typisk designet for mobiltelefon og andre konsumpris dominerte markeder. Ved å utvikle algoritmer for temperatur kompensert kalibrering av sensorene i en dedikert kalibrerings jig vil sensordata sammen med bølgetilpasset datafiltrering gjøre MEMS sensorene meget godt egnet for bruk i en bølgesensor. Fleksibiliteten i bølgesensoren oppnås gjennom å implementere algoritmer som ivaretar brukerdefinerbare egenskaper til plattformens oppankring, masse og geometri, og således redusere innvirkningen av disse. For Aanderaa vil dette gjøre at vi kan tilby bølgemåling på alle våre bøyesystemer. En slik sensor vil kunne redusere kostnaden med å måle bølger i forhold til eksisterende løsninger. Bølgemålinger vil i mange situasjoner være sanntidsdata som inngår i beslutningsgrunnlag for operative brukere. Fleksibilitet til sensoren oppnås også gjennom en brukertilpasset tilgang på utvalgte data som evalueres i sann tid gjennom forhåndsdefinerte metoder for kvalitetskontroll av sensordata. Felttester vil bli gjennomført over en lengre periode med sammenligningstester mot referanse sensorer. Et aktuelt område for felttesting vil være Sletta eller vestsiden av Karmøy. MET Norway og kystverket ved Polytec vil evaluere ulike bølgemodeller mot data fra flere bølgesensorer. I dag leverer Aanderaa bøyesystemer for bl.a. havneovervåking. En konkurransedyktig bølgesensor vil gjøre oss i stand til å øke markedsandelen gjennom å tilby komplette løsninger. Også for andre søsterselskap innen Xylem, så vel som utenforstående integratører, vil en bølgesensor kunne inngå i ulike totallsystemer.