Naar aanleiding van de nieuwe TSP D20 motoren heb ik een motortestopstelling gebouwd. Zie ook dit forum onder Motoren / TSP D20 / Eerste testresultaten.
Hierbij wat meer info over deze testopstelling.
De stuwkracht wordt gemeten met een load cell als sensor. Ik heb een TAL220 load cell met max. bereik van 10 kg (dus ca 98 N) gekozen (Sparkfun SEN-13329).
De load cell kan vertikaal of horizontaal geplaatst worden. Ik heb gekozen voor vertikale plaatsing vanwege de eenvoudige calibratie met gewichten en vanwege de veiligheid bij het eventueel losschieten van de motor bij de uitstootlading. Nadeel is dat correctie nodig is voor het gewicht van ontsteker en bedrading en voor de afnemende massa van de motor.
In de load cell wordt de lichte doorbuiging t.g.v. een kracht m.b.v. "strain gauges" omgezet in weerstandswaarden, die uitgelezen moeten worden in een brugschakeling gevolgd door een versterker met o.a. filter en A/D converter.
Ik heb gekozen voor de Sparkfun Qwiic Scale (SEN-15242), een kaartje rond de NAU7802 chip, vanwege de ingebouwde mogelijkheid de meetwaarden heel eenvoudig uit te lezen met een standaard bus (i2c) en de hoge maximum output rate (320 samples/s). Voor gewoon gebruik is 80 samples/s voldoende, maar voor het beter karakterizeren van de load cell is een hogere frequentie wel wenselijk. Bij 80 samples/s uitleesfrequentie is de bandbreedte ca 18 Hz (-3 dB), ruim voldoende voor gebruikelijke motor thrust curves.
De i2c bus is aangesloten op een TinyCircuits TinyZero, een zeer kleine arduino-achtige, die ik ook gebruik in mijn modelraketten om hoogte, versnellingen, rotatiesnelheden etc. te meten. De TinyZero haalt de meetwaarden via de i2c van de Qwiic Scale op en plaatst deze via een buffer in een .csv file op een microSD kaartje.
De .csv file is eenvoudig uit te lezen en uit te werken in diverse programma omgevingen. De uitwerking doe ik zelf in Excel.
De load cell is zeer stevig bevestigd met 2 M5 schroefbouten aan een stuk MDF, dat weer zeer stevig vast zit op een 1 duims vurenhouten plank.
De M5 schroeven zijn van onder bereikbaar via gaten in de plank i.v.m. eventuele vervanging van de load cell.
De te testen motor wordt vastgezet in een stijve maar lichte constructie (platform), die met 2 M4 schroefbouten bevestigd wordt op de load cell.
Ik heb gekozen voor aparte platforms voor 18 mm en 24 mm motoren. deze platforms hebben diverse gaten aan de zijkant voor de uitstootlading. Alle gaten zijn van de load cell en electronica af gericht.
De load cell met platform en motor gedraagt zich als een licht gedempt massaveersysteem. Hoe hoger de massa, hoe lager de natuurlijke frequentie van het massaveersysteem. De massa van platform met load cell en motor heb ik daarom bewust laag gehouden, zodat de natuurlijke frequentie van de combinatie voldoende hoog is (> 80 Hz). Zo wordt "ringing" voorkomen.
De 4 draden van de load cell naar de Qwiic Scale heb ik 2 aan 2 getwist.
De Qwiic Scale en TinyZero met microSD zijn in een doorzichtig Klima doosje geplaatst om contact met rook en uitgestoten deeltjes te voorkomen.
De aansturing van de Qwiic Scale (NAU7802 chip) is vrij eenvoudig omdat Sparkfun een library ter beschikking stelt met files:
"SparkFun_Qwiic_Scale_NAU7802_Arduino_Library.h" en "SparkFun_Qwiic_Scale_NAU7802_Arduino_Library.cpp".
In het TinyZero programma wordt met constructies uit deze library de gain (gekozen voor 16) en de sample rate (gekozen voor 80 Hz) ingesteld en worden de meetwaarden opgehaald. Verder wordt het frontend aan het begin van elke meetsessie intern gecalibreerd.
Uitwerking
De uitwerking bestaat uit verwerking van de ruwe metingen, calibratie en correctie.
Ruwe metingen
De ruwe metingen worden in excel ingelezen en gechecked op missende metingen en op eventuele outliers in sample tijd.
Het interessante deel met de ruwe thrustcurve wordt geselecteerd. Hierbij een voorbeeld van een Estes D12-3 meting. F raw heeft een lineair verband met kracht, tijd in samples van 1/80 s.
Calibratie
Bij de calibratie wordt F raw omgezet naar F in N.
De versterkingsfactor wordt bepaald met bekende gewichten, b.v. "leeg", "pond" en "2 kg". Dit hoeft niet elke keer herhaald te worden.
Daarna wordt de nulwaarde ("tarra") bepaald m.b.v. de gemiddelde meetwaarde voor "lauch". Elke motor heeft een iets andere start massa.
De "ruis" spreiding bedraagt ca 0.01 N ongeveer overeenkomend 1 gram.
Deze nulwaarde plus drempel wordt gebruikt om het begin van de "thrust" te detecteren.
Correctie
Twee correcties zijn nog nodig:
- Voor gewicht van ontsteker en aansluitdraad
- Voor gewicht van de afnemende motormassa
De eerste correctie kan voorbereid worden door de meting te starten zonder ontsteker en draad en deze na enkele tientallen s pas te plaatsen.
Na deze correcties resulteert een gemeten thrustcurve.
Hierbij een Klima C6-5 als voorbeeld. Totale gemeten impuls (na correctie): 9.7 Ns
Met vriendelijke groet,
Willem
Laatste bericht: Hoogtemeting Ons nieuwste lid: FritsGroen Recente berichten Ongelezen berichten
