FLÜSSIGKEITSDURCHSATZSENSOR - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Ist Ihnen aufgefallen, dass der Wasserstrahl, wenn Sie einen Wasserschlauch von einer Seite zur anderen bewegen, der Schlauchrichtung hinterherläuft und sich an dieser ausrichtet, wenn die Bewegung gestoppt wird. Die Bestimmung der Winkelablenkung des Wasserstrahls am Ausgang des Schlauches würde ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit in dieser seitlichen Richtung liefern.

Dieses Instructable demonstriert dieses Prinzip, indem es einen "Fluidic Rate Sensor" mit "Odds and Ends" baut, der in meinem "Home Lab" verfügbar ist. Die Flüssigkeit hier ist „Luft“.

Eine einfache Methode zum Testen dieses „Gyroskopischen Sensors“ohne die Verwendung von Standardprüfgeräten wird ebenfalls vorgestellt.

Lieferungen

1. Ein alter CPU-Lüfter
2. Mückenschutzflasche (leer und gut gereinigt)
3. Kugelschreiber mit einheitlichem hinterem Schlauchabschnitt
4. Zwei kleine Glühbirnen aus einer Serie dekorativer Lichterkette
5. Scotch-Brite-Scheuerpad
6. Wenig elektronische Bauteile (siehe Schaltplan)

Schritt 1: WIE ES FUNKTIONIERT

Die beiden Folien geben eine schematische Darstellung des physikalischen Layouts eines Fluidic-Sensors und der Theorie hinter dem physikalischen Phänomen.

In dieser Ausführung ist 'Air' das 'Fluid', das mit einem kleinen CPU-Lüfter durch eine Düse gesaugt wird. Der Luftstrahl trifft auf zwei erhitzte Glühwendel, die den Positionssensor bilden. Eine Referenzbrücke wird von zwei Widerständen gebildet.

Beide Arme der so gebildeten Vollbrücke werden mit einer Spannung V+ gespeist.

Unter stationären Bedingungen kühlt der Luftstrahl beide Glühwendel gleichermaßen, die Brücke ist abgeglichen und die Ausgangsspannung ist Null.

Wenn dem physikalischen System eine Winkelgeschwindigkeit auferlegt wird, wird der Luftstrahl abgelenkt und einer der Glühfäden wird stärker gekühlt als der andere. Dies führt zu einer Unsymmetrie der Brücke, die zu einer Ausgangsspannung führt.

Diese Ausgangsspannung liefert, wenn sie verstärkt wird, ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit.

Schritt 2: AUFBAU DES SENSORS

FOLGE DEN SCHRITTEN

1. Wählen Sie zwei Glühbirnen mit ähnlichem Widerstand aus der Lichterkette. (Zwei Glühbirnen mit 11,7 Ohm Widerstand ausgewählt)
2. Brechen Sie vorsichtig das äußere Glas, um die blanken Filamente freizulegen.
3. Halten Sie den CPU-Lüfter bereit und prüfen Sie die Luftstromrichtung bei einer Versorgungsspannung von 5 V. (Dies ist notwendig, da der Lüfter im Saugmodus betrieben werden muss)
4. Schneiden Sie den Boden der Mückenschutzflasche mit einem scharfen Messer aus.
5. Schneiden Sie den oberen Teil des Flaschenverschlusses ab und legen Sie nur den vorderen röhrenförmigen Teil frei.
6. Zerlegen Sie den Kugelschreiber und schneiden Sie das untere Ende ab. Dies sollte ein einheitliches Rohr bereitstellen, das die Düse für den Sensor bilden würde.
7. Stecken Sie das Röhrchen in den Flaschenverschluss.
8. Machen Sie zwei kleine Löcher in den Flaschenkörper, wie im Bild gezeigt. Diese sollte geeignet sein, die Glühwendel diametral zueinander zu fixieren.
9. Befestigen Sie die Kappe, schieben Sie das Rohr auf eine geeignete Länge kurz vor den Glühfadenlöchern.
10. Setzen Sie nun die Glühfäden in die Löcher ein und richten Sie sie so aus, dass die Glühfäden wie abgebildet gerade in den Umfang des Rohrendes eintreten. Befestigen Sie den Glühfadenkörper mit Heißkleber am Flaschenkörper. (Eine möglichst symmetrische Platzierung sollte versucht werden.)
11. Befestigen Sie den CPU-Lüfter an der Rückseite des Flaschenkörpers (unten) mit Heißkleber an den Rändern. Der Ventilator muss so montiert werden, dass einer der flachen Abschnitte parallel zur Ebene der Glühwendel ist.
12. Stellen Sie sicher, dass sich die Lüfterflügel reibungslos drehen und wenn die angetriebene Luft von der Rückseite abgesaugt wird, so dass ein Luftstrahl durch das Stiftkörperrohr entsteht.

Die Sensorgrundeinheit ist nun montiert und bereit zum Testen

Dieses Instructable wurde durch einen eigenartigen Umstand von passenden Teilen ermöglicht:

Die Auswahl von Teilen für dieses Instructable erfolgte aus den 'Quoten' in meinem 'Heimlabor'. Die CPU-Lüftergröße entsprach genau dem mückenabweisenden Bodendurchmesser. Der Kugelschreiberhinterteil als Rohr war in dem röhrenförmigen Teil des Flaschendeckels eng eingepasst und die Stufenformen im Flaschendurchmesser waren geeignet, die Glühfäden zu fixieren. Eine teilweise ausgeschmolzene dekorative Lichterkette war vorhanden. Alles hat genau gepasst!

Schritt 3: ERSTE TESTS & SCHALTPLAN

Erste Tests wurden durchgeführt, indem der CPU-Lüfter mit 5V versorgt und die Glühfaden-Halbbrücke mit Spannung versorgt wurde.

Ein Android-Telefon mit der Anwendung 'AndroSensor' wurde neben der Rate-Sensor-Hardware gehalten und beide wurden von Hand sinusförmig gedreht.

Das GYRO-Grafikdisplay 'AndroSensor' zeigt den sinusförmigen Frequenzverlauf. Gleichzeitig wird der Low-Level-Brückenausgang auf einem Oszilloskop überwacht.

+/– 5 mV-Signal wurde bei einer Geschwindigkeit von +/– 100 Grad/s beobachtet.

Die elektronische Schaltung verstärkt dies um 212, um das Ausgangssignal bereitzustellen.

Problemlösung

Der Ausgang hatte sogar bei Nullrate einen signifikanten Rauschpegel. Dies wurde aufgrund eines instationären Luftstroms im System diagnostiziert. Um dies zu überwinden, wurde ein kreisförmiges Stück Scotch-Brite zwischen den Lüfter und die Glühbirnenelemente und ein weiteres an der Eingangsspitze der Kugelschreiberröhre eingefügt. Dies machte einen großen Unterschied.

Schaltplan

Bezugnehmend auf den Schaltplan:

5 V werden dem CPU-Lüfter zugeführt

5 V werden auch in die Reihenkombination 68 Ohm - Glühbirne - Glühbirne - 68 Ohm eingespeist. Kondensator C3 filtert die Motorstörung auf die Glühbirnen-Filamente

5 V werden auch durch eine Induktor-Kondensator-Kombination gefiltert, bevor sie dem OP-AMP. zugeführt werden

Für die aktive Schaltung wird der MCP6022 Dual Rail-Rail OP-AMP verwendet.

U1B ist ein Puffer mit Verstärkungsfaktor Eins für die 2,5-V-Referenzversorgung

U1A ist ein invertierender Verstärker mit 212 Verstärkung und einem Tiefpassfilter für das Sensorbrückensignal

Potentiometer R1 wird verwendet, um die durch den Potentialteiler und die Sensor-Serien-Kette gebildete Vollbrücke bei Nullrate auf Null zu setzen.

Schritt 4: EINFACHES RATE-SENSOR-TEST-SETUP

STANDARD AUSRÜSTUNG

Die Standard-Rate-Sensor-Testausrüstung umfasst eine motorisierte 'Rate-Table', die programmierbare Rotationsraten bietet. Solche Tische sind auch mit mehreren 'Schleifringen' versehen, damit die Eingangs-Ausgangs-Signale und die Stromversorgung für den Prüfling bereitgestellt werden können.

Bei einem solchen Aufbau wird nur der Geschwindigkeitssensor auf dem Tisch montiert und andere Messgeräte und Netzteile werden auf einem Tisch daneben platziert.

MEINE LÖSUNG

Leider haben Heimwerker keinen Zugang zu solchen Geräten. Um dies zu überwinden, wurde eine innovative Methode unter Verwendung der DIY-Methodik angewendet.

Der primäre verfügbare Artikel war ein "Rotierender Beistelltisch"

Darauf wurde ein Stativ mit einer nach unten gerichteten Digitalkamera montiert.

Wenn nun der Geschwindigkeitssensor, das Netzteil, die Ausgabe-Messgeräte und der Standard-Ratensensor auf dieser Plattform montiert werden könnten. Dann könnte der Tisch im Uhrzeigersinn, gegen den Uhrzeigersinn und hin und her gedreht werden, um dem Sensor unterschiedliche Geschwindigkeitseingaben bereitzustellen. Während der Fahrt konnten alle Daten als Film auf der Digitalkamera aufgezeichnet und später zur Generierung der Testergebnisse ausgewertet werden.

Nachdem dies getan wurde, wurde Folgendes auf dem Tisch montiert:

Fluidik-Rate-Sensor

Handy-Powerbank zur 5V-Versorgung des Ratensensors

Ein digitales Multimeter zur Überwachung der Ausgangsspannung. Dieses Multimeter hatte einen Relativmodus, der zum Nullstellen bei Nullrate verwendet werden konnte.

Ein Oszilloskop im OTG-Modus für Android-Telefone, das die Hardware „Gerbotronicd Xproto Plain“und die Android-Anwendung „Oscilloscope Pro“von „NFX Development“verwendet, um Signalvariationen zu beobachten.

Ein anderes Android-Telefon, auf dem die Anwendung "AndroidSensor" von 'Fiv Asim' ausgeführt wird. Dies verwendet die Trägheitssensoren des Telefons, um die Nickgeschwindigkeiten anzuzeigen. Die Verwendung in der Z-Achse ergibt einen Referenzwert zum Testen des Fluidic-Rate-Sensors im Test.

Tests wurden durchgeführt und einige typische Testfälle werden gemeldet:

CCW Z: +90 Grad/Sek. Multimeter -0,931 V, Oszilloskop ~ -1,0 V

CW Z: -90 Grad/Sek. Multimeter +1.753 V, Oszilloskop ~ +1,8 V

Skalierungsfaktor basierend auf dem Durchschnitt dieser beiden 1,33 V für 100 °/s

Sinusförmiger Test Android Phone Referenz p-p 208 Grad/Sek., Multimeter reagiert nicht richtig, Oszilloskop zeigt 1,8 Sek. Periode, p-p Spannung 2,4 Div X 1,25 V/Div = 3 V

Basierend auf dieser 1,8 Sek. Periode entspricht 200°/Sek. p-p

Skalierungsfaktor 1,5 V für 100 deg/sec

Schritt 5: ZUSAMMENFASSUNG

FEHLGESCHLAGENE TESTMETHODE

Zunächst wurde versucht, Sensoren, Oszilloskop und Referenzratensensor auf dem Drehtisch zu montieren und Daten manuell oder mit einer Kamera von der Seite zu beobachten. Dies scheiterte an verschwommenen Bildern und unzureichender Reaktionszeit für einen menschlichen Beobachter, um Werte aufzuzeichnen.

NEHMEN SIE BEOBACHTUNGEN MIT NACH HAUSE:

Der für dieses Instructable konstruierte Fluidic-Rate-Sensor dient dem Zweck, das Konzept zu demonstrieren, das es zu tun hatte. Der Sensor muss jedoch mit höherer Präzision gebaut werden, wenn er einem praktischen Zweck dienen soll.

Die DIY-Methode des Ratensensortests mit einem Drehtisch mit allen Geräten und Stromversorgung auf der Tischplatte wird von der Instructable-Community empfohlen.