Elektronika modelarska

W bieżący weekend i poniedziałek 22 kwietnie firma będzie nieczynna. Świętujemy śmierć i zmartwychwstanie Jezusa Chrystusa. Zamówienia złożone w czasie świąt zostaną obsłużone we wtorek 23 kwietnia. Za utrudnienia przepraszam i życzę wesołych świąt.

 

Podczas kilkuletniej eksploatacji SkyAssistanta nauczyłem się dostrzegać kilka zjawisk, które z początku nie były dla mnie oczywiste a mają zauważalny wpływ na pracę urządzenia. Chciałbym zwrócić uwagę na następujące zjawiska:

- wpływ światła słonecznego na wskazanie czujnika ciśnienia,

- wpływ światła słonecznego na sposób umieszczenia SA w kadłubie,

- wpływ sił odśrodkowych na sposób umieszczenia SA w kadłubie,

- wpływ sondy kompensacyjnej TEK na wskazania wysokościomierza.

Zmiany te są opisane na przykładzie moich urządzeń, ale to są zjawiska mające wpływ na wszystkie urządzenia działające na podobnej zasadzie.

 

Wpływ światła słonecznego na wskazania czujnika ciśnienia

Od czasu do czasu na wykresach wysokości pojawiały się szpilki zakłóceń. U mnie zdarzało się to stosunkowo rzadko, ale czasami trafiają do mnie logi użytkowników gdzie tego typu zakłócenia są widoczne. Dosyć długo próbowałem śledzić przyczyny tych zakłóceń szukając błędów w projekcie, ale bez rezultatów. Dopiero niedawno testując swój kolejny projekt, gdzie jest wiele różnych czujników  zrozumiałem istotę tych zakłóceń. Jest to wpływ zjawiska fotowoltaicznego, które powoduje generowana się napięcia na złączach półprzewodnikowych we wnętrzu czujnika ciśnienia pod wpływem światła padającego do wnętrza czujnika.  Tak to wygląda w praktyce.

wpływ światła na czujnik ciśnienia

Na wykresie pokazane są pomiary wysokości wykonane prze dwa czujniki. Jeden jest osłonięty o słońca a drugi wyeksponowany. Zakłócenia występują tylko w pierwszej części lotu gdy było słonecznie i widać nieśmiałe, wiosenne noszenia. Później zachmurzyło się, ustały noszenia i jednocześnie znikły zakłócenia.

 

Na to zjawisko znacznie bardziej podatne są czujniki w w obudowie standardowej, jednak w SA są one standardowo zabezpieczane podwójnym paskiem zaczernionego papieru, który skutecznie tłumi wpływ nawet bezpośredniego światła słonecznego. Czujniki z króćcem mają znacznie mniejszy kąt pod jakim światło może dostać się do wnętrza czujnika, jednak nie są wolne od tego zjawiska. Dlatego zaleca się przykrycie wylotu czujnika  czymś nie tłumiącym przepływu powietrza, lub takie umieszczenie SA w kadłubie, aby był zacieniony przez elementy wyposażenia.

 

Wpływ światła na sposób umieszczenia wariometru w kadłubie

Gdy jakiś czas temu próbowałem swoich sił w centrowaniu komina wychodziło mi to bardzo słabo.  Gdy lecę prosto mam wyraźny sygnał kiedy wlatuję w obszar noszenia, jednak gdy zaczynam krążyć natychmiast się gubię. Mimo wielu prób nie udawało mi się zrobić kółka tak, abym cały czas pozostawał w noszeniu. Strasznie mnie to irytowało. To przecież nie powinno być aż tak trudne zwłaszcza że kominy na niewielkiej wysokości często mają średnicę rzędu 100m. Po ostatnich doświadczeniach zrozumiałem istotę problemu. Jest nim sposób umieszczenia wariometru w kadłubie.

W swoim szybowcu nie mam zbyt dużo miejsca i najwygodniej jest mi wetknąć wariometr  przy bocznej ściance laminatowego kadłuba. Taki sposób umieszczenia powoduje że  wylot czujnika ciśnienia jest skierowany w bok i krążąc w termice zmienia się jego pozycja względem słońca, które już w mniejszym stopniu,bo przez ścianki kadłuba oddziałuje na czujnik w sposób wcześniej opisany. W zależności od kąta obrotu względem słońca generowany jest dodatkowy sygnał zakłócający, który dezinformuje pilota uniemożliwiając mu nadzorowanie krążenia w kominie.

Poprawne w takiej sytuacji było by umieszczenie SA czujnikiem skierowanym do góry, wtedy jest on znacznie mniej wrażliwy na zmiany oświetlenia spowodowane kątem obrotu. Oczywiście najlepiej jest go zacienić, ale światło to nie jest jedyny problem.

 

Wpływ sił odśrodkowych

Jeszcze jedną hipotezą zakłóceń oddziałujących w krążeniu jest wpływ sił odśrodkowych na bocznie ułożony czujnik ciśnienia. Wiadomo że membrana czujnika jest elementem mechanicznym i posiada jakaś masę. Razem z żelem zabezpieczającym, masa ta robi się wystarczająco duża aby oddziałujące na nią siły przeciążenia spowodowały pojawienie się dodatkowych wskazań zakłócających właściwy pomiar ciśnienia. W zależności od kierunku krążenia zakłócenie będzie miało znak dodatni lub ujemny.

O ile krążenie jest jednostajnie to nie wpływa to na wskazania wariometru, jedynie wysokościomierza (bo noszenie jest pierwszą pochodną wysokości a pochodne ze stałej jest zerem), natomiast każda zmiana przeciążenia, pojawiająca się przy zacieśnianiu lub rozluźnianiu okręgu, może już być słyszalna jako dodatkowa wartość zakłócająca wskazania wariometru.

Na poniższym obrazku jest pokazana zależność między przyspieszeniem ziemskim a wskazaniami wysokościomierza. Alti1 i Alti2 to wykresy z czujników ciśnienia wyskalowanych w jako wysokościomierze, AcelZ jest to sygnał z przyśpieszeniomierza (akcelerometru) pokazującego przyspieszenie ziemskie. Urządzenie było odwracane o 180° względem Ziemi.

wpływ przyspieszenia na wskazanie czujnika ciśnienia

Wynika z tego że zmiana przyspieszenia z +1 na -1g powoduje zmianę wskazania wysokości o ok. 0,8m. Analogicznie w zależności od czasu trwania tej zmiany, czyli szybkości wejścia w zakręt, odpowiednio zmieni się wskazanie wariometru. Jest to ciężko zweryfikować empirycznie, ale wszystko wskazuje na to że wpływ przeciążenia jest słyszalny w sygnale wariometru.

Sposobem na minimalizację sił odśrodkowych również jest poziome umieszczenie wariometru w kadłubie szybowca. O ile wychylenie szybowca od poziomu nie przekracza 45° a tak zwykle jest w czasie lotów termicznych, wtedy poziome ułożenie minimalizuje wpływ zakłóceń od sił odśrodkowych.

W locie bez zakrętów poziome ułożenie SA wylotem czujnika w górę powoduje że przeciążenia wynikające ze zmiany wysokości sumują się ze wskazaniami wariometru zwiększając czułość urządzenia. Ułożenie czujnikiem w dół spowoduje że przeciążenia będą się odejmowały od sygnału wariometru. Wskazane jest umieszczanie wariometru czujnikiem skierowanym do góry.

 

Wpływ sondy kompensacyjnej TEK na wskazania wysokościomierza

Stosowanie sondy kompensacyjnej energii całkowitej TEK istotnie wpływa na wskazania wysokościomierza. Spowodowane jest to faktem że sonda podaje sumę ciśnienia statycznego i ujemnego ciśnienia dynamicznego. To właśnie ujemne ciśnienie dynamiczne zależne od prędkości szybowca względem powietrza powoduje że ciśnienie docierające do czujnika jest niższe niz ciśnienie statyczne na danej wysokości. Im niższe ciśnienie, tym wskazanie wysokości jest większe.

Na poniższym obrazku pokazane są dwa loty wykonane w warunkach atermicznych. Czujnik Alti1 mierzy ciśnienie statyczne i podaje rzeczywista wysokość, czujnik Ali2 jest skompensowany sondą TEK.

wpływ sondy TEK na wskazanie wysokościomierza

Po niebieskim wykresie widać że miałem problem z utrzymaniem równego lotu na wietrze i szybowiec w niektórych miejscach wyraźnie pompował. Taki niestabilny lot powoduje że szybowiec zachowuje się jak w sytuacji przeciągnięcia: opada, nabiera prędkości czyli zmniejsza się jego energia potencjalna w postaci pułapu a wzrasta energia kinetyczna w postaci prędkości. Chwilę później leci w górę tym razem zamieniając energię kinetyczną prędkości na potencjalna wysokości. Ponieważ suma energii jest stała pomiar sondą energii całkowitej nie pokazuje zmian i w ten sposób wygładza wykres. Doświadczone oko od razu odróżni wykres z czujnika skompensowanego od nieskompensowanego - właśnie po ilości widocznych szczegółów.

Wracając do zakłóceń pomiaru wysokości. Widać ze w fazie wznoszenia gdzie prędkość jest niewielka, różnica mierzonych wysokości jest niewielka. W fazie szybowania prędkość jest większa przez co powiększa się ujemne ciśnienie dynamiczne dając większą różnicę wysokości między oboma czujnikami.

Chcąc wykreślić wykres różnic obu wysokości, otrzymamy (po uwzględnieniu dryftu temperaturowego czujnika) wartość ok 3-4m w sytuacji wznoszenia i 6-8m dla opadania.

 

analiza danych uzyskanych z sondy TEK

Jeżeli porównamy to do wykresu prędkości względem powietrza [m/s] otrzymamy zadziwiająco wysoką korelację, bo tak na prawdę na obu wykresach widzimy prędkość. Widoczne różnice wynikają z niedoskonałości obecnego narzędzia pomiarowego, ale gdyby udało się wyeliminować te problemy, to w przypadku dobrze skompensowanej sondy TEK, oba wykresy powinny się pokrywać.

Lataj bezpiecznie swoim UAV