.

.

افرادی که سرگرمی علمی آن‌ها ساخت مدل‌های پروازی است، اغلب باید بدانند موتوری که به کار می‌گیرند، چه نیروی رانشی تولید می‌کند. این موضوع به ویژه برای کسانی که موشک‌های مدل می‌سازند بسیار بااهمیت‌تر است.

موتور موشک‌های مدل نیروی رانشی خود را معمولاً از خروج جهت‌مندِ گازها و ذرات حاصل از سوزاندن یک ماده‌ی محترقه کسب می‌کنند. چنین موتوری در تصویر زیر در حال آزمایش رانش دیده می‌شود.

.

اندازه گیری نیروی رانش با ترازوی آشپزخانه

.

این نیروی رانش دایمی و یکنواخت نیست و دارای روندی متغیر و تابع زمان می‌باشد. چگونگی این روند عواملی چون نوع ماده‌ی محترقه، شکل گلوگاه و شیپوریِ خروجی گازها و نیز خودِ «کانال احتراق» بستگی دارد. پرواز هر موشک، در کنار وابستگی به آیرودینامیک و تغییر جرم آن در حین پرواز، به طرزی غیرقابل چشم‌پوشی به روند زمانی تغییر نیروی رانش موتور آن نیز وابسته است.

مدل‌سازان در کشورهای اروپایی اجازه ندارند موتور راکت‌های خود را شخصاً بسازند. به این علت، فرد هنگام خرید موتور از تولیدکنندگان، داده‌های فنی مربوطه را نیز دریافت می‌کند و باید به صحت اطلاعات ارایه شده اعتماد کند. شوربختانه، مجموعه‌ی ویژگی‌های فنی هر موتور تنها از طریق پارامترهای منفرد (مانند میانگین رانش) عرضه می‌شوند که کمک زیادی به درک نحوه‌ی عمل موتور نمی‌کند. به این دلیل، ساختن یک سنجنده‌ی نیروی رانش همراه با اتصال به رایانه پروژه‌ی جالبی به نظر می‌آید!

.

نیروسنج

با کمی تفکر به صورت مساله، خیلی زود حساسه یا سنسور نیروسنجی خوبی یافته شد. بازه‌ی کاری اغلب ترازوهای دیجیتالی آشپزخانه تا چند کیلوگرم است. نظر به این که یک کیلوگرم (روی کره‌ی زمین) با نیروی وزنی در حدود 10 نیوتن برابر است، ترازوی آشپزخانه برای اندازه‌گیری نیروی رانش اغلب موتورهای موشک مدل وسیله‌ی مناسبی خواهد بود. هرگز، اما، دیده نشده که یک ترازوی آشپزخانه به یک فیش خروجی برای خواندن داده‌های مربوط به کار توزین آن مجهز بوده باشد. اما، یک دوستدار الکترونیک باید بتواند به سادگی یک ترازوی دیجیتالی را به یک چنین درگاه ارتباطی تجهیز کند. برای این کار باید ترازو را باز کرد تا به سیگنال سودمندی دست پیدا کرد که (در حالت ایده‌آل) در تناسب دقیق با بارگزاری روی کفه‌ی توزین ترازو باشد.

با بررسی و مطالعه‌ی چند ترازوی مختلف مشخص شد که روش‌های توزین متفاوتی وجود دارند که همه‌ی آن‌ها به یک اندازه برای هدف ما مناسب نمی‌باشند. فراوان‌ترین روش توزین در ترازوهای آشپزخانه، روشی است که در آن «نوارهای اندازه‌گیر تنش » که آن را به فارسی «کُرنِش‌سنج» و به انگلیسی Strain Gauge  می‌خوانند، به کار گرفته می‌شود. این یک افزاره‌ی کوچک است که مقاومت الکتریکی آن بر اثر تغییر شکل مکانیکی (کشش / فشردگی) دچار تغییر می‌شود. در واقع، این روش اندازه‌گیری به خوبی برای هدف ما مناسب است، ولی پشت سر این افزاره، مدار الکترونیکی دقیقی مورد نیاز است. در ترازوها، این مدار الکترونیکیِ سنجش و نمایش تماماً در داخل یک آی.سی. ویژه مجتمع شده که بنا به سفارش تولیدکننده‌ی ترازو ساخته شده است و هیچ اطلاعاتی در مورد آن در دسترس عموم نیست. خوشبختانه، اما، خودِ کرنش‌سنج به آسانی قابل دسترسی می باشد و هیچ مانعی برای ساختن یک مدار الکترونیکی توسط خودمان وجود ندارد!

.

مدار پُل وِتستون

معمولاً چهار کرنش‌سنج روی یک عضو فلزی ترازو مستقر می‌شوند که بازویی خم‌شونده (الاستیک) از یک آلیاژ آلومینیوم است و آن را «هسته» می‌نامند. در وسط این هسته یک حفره یا شکاف به نسبت بزرگ تعبیه شده است. به این مجموعه که یک «حسگر الکترونیکی برای اندازه‌گیری وزن و نیرو» است به انگلیسی «لودسِل» (Load Cell) می‌گویند (تصویر زیر را ببینید). لودسل تغییرات وزن وارد بر یک انتهای هسته را حس کرده و آن را به تغییرات متناسب در مقاومت اهمی کرنش‌سنج‌ها تبدیل می‌کند و آن را برای ارزیابی و نمایش به مدارهای الکترونیک پس از خود می‌فرستد.

.

ساختمان  یک لودسل خمشی

.

هسته یا عضو خم شونده به همراه نوارهای کرنش سنج چسبانده شده بر آن

.

اگر نیرویی که چندان بزرگ نیست بر هسته‌ی لودسل وارد شود، بیش از هر جا، قسمت شکاف‌دار آن دچار خمش می‌شود. در بالا و پایین و ابتدا و انتهای این شکاف کرنش‌سنج‌ها چسبانده می‌شوند که در نتیجه‌ی تاثیر این نیرو، دچار تنش فشاری (E) یا تنش کششی (-E) می‌شوند. این چهار نوار کرنش‌سنج به شکل یک مدار «پل وتستون» بسته شده‌اند، مداری که دقت اندازه‌گیری‌ها را بالا می‌برد. (تصویر زیر)

.

مدار پل اندازه گیری که یک مدار پل وتستون است

.

هر گاه روی دو بازوی متقابل در این مدارِ پل، یک ولتاژ تغذیه اِعمال کنیم، خواهیم توانست بر روی دو بازوی متقابلِ دیگر، یک «ولتاژ عدم‌تعادل پل» را در تناسب مستقیم با اثر نیرو اندازه‌گیری نماییم. بنابراین، یک بازوی خم‌شونده مجهز به 4 کرنش‌سنج در مدار پلِ کامل دارای 4 پایانه‌ی اتصال خواهد بود: دو پایانه برای تغذیه‌ی پل (U0+ و U0-) و نیز دو پایانه برای دریافت ولتاژ عدم‌تعادل پل (UB- و UB+). این چهار پایانه را می‌توان به کمک یک پریز به دنیای خارج از ترازو فرستاد. (تصویر زیر)

.

نصب یک کلید تبدیل چهار پل و یک پریز چهار پل در بدنه ی ترازو

.

علاوه بر پریز، یک کلید  چهار پل اضافی نیز به کار گرفته می‌شود تا ترازو، گذشته از تغییراتی که در آن داده می‌شود، همچنان به عنوان ترازوی آشپزخانه به خدمات خود ادامه دهد! (تصویر زیر)

.

به کمک کلید چهار پل ترازو می تواند همچنان به عنوان ترازوی آشپزخانه مورد استفاده قرار گیرد

.

لودسل‌ها را می‌توان به صورت افزاره‌های استاندارد در بازار الکترونیک به صورت تکی خریداری کرد. مثلاً از اینجا یا اینجا یا اینجا.

جالب این که در بیش‌تر اوقات قیمت یک لودسل تکی از یک ترازوی آشپزخانه که یک لودسل دربردارد، بالاتر است. البته روشن است که با خرید مستقیم می‌توان برای پروژه‌های جدّی و مهم افزاره‌ای را که به خوبی بر خواسته‌ی ما منطبق باشد همراه با داده‌های کامل فنی آن تهیه کرد. بسیارند پروژه‌هایی که در آن‌ها باید پایداری گرمایی، دقت خطی عملکرد (Linearity)، و یا بیشینه‌ی بارپذیری لودسل در بازه‌ی معینی قرار داشته باشد. در تصویر زیر نمونه‌ای از یک لودسل خمشی پرکیفیت برای اندازه‌گیری بارهایی تا 300 نیوتن دیده می‌شود.

.

نمونه ای از یک لودسل خمشی پرکیفیت برای اندازه گیری بارهایی تا 300 نیوتن

.

موتور موشک را خوب است که مستقیم روی کفه‌ی ترازو تست نکرده و برای آن یک «قرار» درست کرد، قراری که بشود به کمک آن نیروی رانش موتور موشک را هم به صورت عمودی و هم به صورت افقی اندازه‌گیری کرد. اندازه‌گیری نیروی درانش در حالت افقی برتری‌هایی دربردارد. زیرا در طول زمان سوختن و مصرف شدنِ ماده‌ی سوختی، جرم موتور موشک  و به طَبَع آن، نیروی وزن موتور که به موازات نیروی رانش بر ترازو اثر می‌کند هم، به طور پیوسته تغییر خواهد کرد.

.

جریان داده‌ها

اگر به پل وتستون ولتاژ تغذیه‌ی U0 داده شده و ولتاژ پل (UB) به کمک یک اسکوپ حافظه‌دار ثبت گردد، اندازه‌گیری نیروی رانش عملاً صورت می‌پذیرد. اما این اندازه‌گیری در شرایطی انجام شده که هنوز نه چیزی کالیبره شده و نه بر روی داده‌ها ارزیابی و تجزیه و تحلیلی صورت گرفته است. برای کسانی که انجام کالیبراسیون و آنالیز به صورت دستی زحمت داشته باشد، امکان این موجود است که ترازوی آشپزخانه‌ی خود را با ساخت یک مدار به نسبت ساده به یک ایستگاه سنجش نیروی رانش با درگاه ارتباطی با رایانه تبدیل کند (تصویر زیر).

.

ایستگاه سنجش نیروی رانش با درگاه ارتباط با رایانه

.

این مدار از یک سو یک ولتاژ پایدار (U0) برای پل وتستون آماده می‌کند و از سوی دیگر ولتاژ عدم تعادل پل (UB) را به کمک یک «تقویت‌کننده‌ی ابزار دقیق» یا به فرنگی Instrumentation Amplifier به ورودی «مبدّل آنالوگ به دیجیتال» (ADC) در یک میکروکنترلر می‌فرستد. میکروکنترلر از سیگنال ورودی نمونه‌برداری می‌کند، مقادیر اندازه‌گیری دیجیتالی شده را در یک فُرمت مناسب بسته‌بندی کرده و این داده‌ها را از طریق درگاه سریال بیرون می‌دهد.

در تصویر زیر مداری که وظایف پیش‌گفته را بر عهده دارد، دیده می‌شود.

.

مدار کامل دستگاه اندازه گیر نیروی رانش موتورهای عکس العملی

.

هسته‌ی مرکزی این مدار یک میکروکنترلر از نوع Atmega8 است که ولتاژ پل به ورودی آنالوگ ADC4 آن داده می‌شود. این ولتاژ با تفکیک‌پذیری 10 بیتی به طور پیوسته دیجیتالیزه می‌شود.

مقادیر اندازه‌گیری شده سپس به صورت رمز اَسکی (ASCII-Code) 16-گانی به درگاه سریال داده می‌شود، که در آن تک‌تک مقادیر توسط یک کارآکتر CR از یکدیگر جدا می‌شوند (کاراکتر CR نشانگر را به اول سطر بعدی می‌برد).

همه‌ی این اعمال در یک «حلقه‌ی بی‌پایان» (Endless Loop) صورت می‌پذیرد، حلقه‌ای که امکان جریان مداومِ داده‌ها را با نرخ حدود 3هزار نمونه بر ثانیه (3Ksamples/s) میسّر می‌سازد. برای تطبیق دادن ترازهای منطقی TTL در درگاه سریالِ میکروکنترلر به سطوح استاندارد یک واسط RS-232 به طور معمول از یک مدار مجتمع از نوع MAX232 استفاده شده است.

.

تقویت سیگنال

خبرگان الگترونیک می‌گویند: "یک دستگاه اندازه‌گیری به اندازه‌ی خوبی تقویت‌کننده‌ی ابزار دقیق‌اش خوب است." به این دلیل، تطبیق ولتاژ آنالوگ پل وتستون به ورودی آنالوگ به دیجیتال میکروکنترلر (چند ولت) یک موضوع بسیار جدّی در این پروژه است. تغییرات در مقاومت اهمی هر کرنش‌سنج در برابر تغییر شکل‌های مکانیکی در بازه‌ی چند میلی‌اهم قرار دارند. در نتیجه، با در نظر گرفتن ولتاژ تغذیه‌ی کرنش‌سنج‌ها که چند ولتی بیش‌تر نیست، ولتاژ عدم‌تعادل پل در بازه‌ی چند میلی‌ولت قرار خواهد گرفت. پس لازم است ولتاژ حسگرها در حدود سه برابر تقویت شوند.

اگر بخواهیم دقت زیادی در انداره‌گیری نیروهای کوچک داشته باشیم، این میزان تقویت باید خیلی بزرگ‌تر باشد. اما در درجات بالای تقویت‌کنندگی، همواره باید حضور «نویز» را در نظر داشت. به این علت در ورودی مدار خازن C18 پیش‌بینی شده است. این خازن به همراه مقاومت داخلی مدار پل یک «فیلتر پایین‌گذر» می‌سازد. مقاومت داخلی یک کرنش‌سنج نوعاً در محدوده‌ی چند صد اهم قرار دارد. با انتخاب ظرفیت 100 نانوفاراد برای این خازن، فرکانس قطع حدود چند کیلوهرتز به دست می‌آید که نسبت به نرخ جریان داده‌ها مقدار خوبی می‌باشد. در اینجا برای کسب اطمینان باید مقاومت داخلی کرنش‌سنج در دسترس را اندازه‌گیری کرده و خازن متناسب با آن را انتخاب نمود. برای انجام این انداره‌گیری باید نخست اتصالات U0+ و U0- را به هم اتصال کوتاه کرد و سپس پایانه‌های UB+ و UB- را به اهم‌متر داد.

در صورتی که بخواهیم نرخ انتقال داده را تغییر دهیم، بایستی در این حال هم ظرفیت خارنی را متناسباً تغییر داد. برای هر چه بیشتر ضعیف کردن نویز، در ورودی تقویت‌کننده‌ی ابزار دقیق یک فیلتر پایین گذر دوم با R8 و C5 با فرکانس قطع باز هم حدود 3 کیلوهرتز، پیش‌بینی شده است. در صورت تغییر دادن نرخ انتقال داده، در اینجا هم باید این فیلتر پایین گذر با شرایط جدید مدار هماهنگ گردد.

گذشته از ان چه گفته شد، انتخاب نوع کابلی که پریز 4 پل نصب شده بر روی ترازو را به مدار الکترونیکی مرتبط می‌کند، ار اهمین بالایی برخوردار است. نتایج خوب هنگامی کسب شدند که این ارتباط با کابل کوتاه زره دار با شیلدینگ خوب، مانند کابل‌های S-Video که برای انتقال ویدیو به کار برده می شوند، برقرار گردید. درست به همین علت است که برای پریز، از نوع Mini-DIN استفاده شد تا این کابل های ویدیویی به آن بخورد و بی‌زحمت زیاد در این پروژه مورد استفاده قرار گیرد. ترتیب چینش پایه‌های این پریز در تصویر زیر دیده می‌شود.

.

فیش استاندارد مینی دین از سمت لحیمکاری

.

برای تقویت این سیگنال یک «تقویت‌کننده‌ی ابزار دقیق» از نوع AD620AN به کار گرفته شده است. این مدار مجتمع به طور ویژه مستعد کار با مدارهای «پل ولتاژی» است. برتری این آی.سی.، گذشته از تقویت‌کنندگیِ کم‌نویزِ  سیگنال ورودی، قابلیت تنظیم و انتخاب میزان تقویت‌کنندگی آن است که تنها با یک مقاومت قابل تغییر است. خطای «آفست» احتمالی در پل ولتاژی به کمک پتانسیومتر P1 در درون AD620 جبران می گردد. برای تامین ولتاژ تغذیه ی منفی ضروری برای این تقویت کننده، از یک آی.سی. مخصوص این کار از نوع LT1054 استفاده شده است.

.

گام های اندازه گیری

مقدار تقویت کنندگی در این تقویت کننده می تواند به یاری یک کلید دوپل چهار راهه (به اختصار DP4T) و چهار مقاومت R1 تا R4 تغییر داده شود. این مقاومت ها در اینجا به نحوی انتخاب شده اند که مقادیر ضریب تقویتی میان چهارصد و چهارهزار را تامین کنند. (این مقدارها با نوع ترازوی مورد استفاده ی نویسنده „OTC KV 2001“ و نوع موتورهای موشکی که به کار می برد، بازه های اندازه گیری سودمندی به دست می دهد.). این مقاومت ها طبعاً این امکان را به دست می دهند که خواسته ی فردی هر سازنده ای تامین گردد. برای کمینه کردن نویز تقویت کنندگی، به کار گیری مقاومت هایی از نوع «لایه فلزی» (Metal-Film) توصیه می شود.

دلیل استفاده از کلید «دو پل» برای S2 این بوده است که پل دوم آن با زمین کردن پورت های ورودی PC0 تا PC3 از ATmega8، وضعیت کلید S2 و در واقع گام اندازه گیری را به نرم افزار آنالیز در حال کار روی کامپیوتر اطلاع دهد. پس از فعال شدن «مقاومت های بالاکش» (Pull-up Resistor) درونی در پورت C، ورودی هایی که زمین نشده اند به تراز منطقی "یک" می روند. بسته به وضعیت کلید انتخاب بازه ی اندازه گیری، ورودی دیگری از پورت C به تراز منطقی "صفر" کشانده می شود.

مقدار دیجیتالی 10 بیتی که توسط میکروکنترلر تولید می شود، همراه با دو بیت دیگر برای وضعیت کلیدِ بازه ی اندازه گیری به سه عدد هگزادسیمال تبدیل شده و به صورت رمز ASCII از طریق درگاه (اینترفیس) بیرون داده می شود. به ازای هر مقدار اندازه گیری شده، در کنار علامت های جداساز CR که در مورد آن پیش از این گفته شد، چهار علامت ASCII انتقال داده می شود. رمزگریِ ASCII این برتری را دارد که جریان داده های مدار  می تواند به کمک یک نرم افزار ساده ی پایانه ی کامپیوتر خوانده شود.

.

ساخت دستگاه

این موضوع مورد توجه قرار داشته که بتوان کل مدار را روی یک فیبر مدار چاپی یک رو مسوار و بدون استفاده از افزاره های نصب سطحی (SMD) ساخت. به این دلیل در ساخت این مدار به هیچ وسیله یا خدمت ویژه ای نیاز نیست. طرح فیبر مدار و راهنمای نصب افزاره ها بر آن  در تصویرهای زیر داده شده است و فایل آن را می توان از اینجا دریافت کرد.

.

طرح فیبر مدار چاپی به صورت وارونه

.

طرح فیبر مدار چاپی به صورت وارونه نشده

.

راهنمای چینش افزاره ها روی فیبر مدار چاپی پیشنهادی

.

این فیبر در یک جعیه ی پلاستیکی به ابعاد حدود 124×72×30 میلی متر به خوبی جای می گیرد.

برنامه ریزی میکروکنترلر می تواند از طریق اتصال K4 در حالت «سوار در سامانه» (in system) انجام گیرد. نرم افزاری که توسط نگارنده نوشته شده را می توان از اینجا دریافت کرد. اتصال نامبرده، یک فیش 10 پل است و با برخی اتصالات مشابه در دستگاه های برنامه ریز (پروگرامر) مانند STK200 انطباق دارد. میکروکنترلر را می توان از طریق کانکتور ISP  توسط آدپتورهای برنامه‌ریزی متنوعی برنامه‌ریزی نمود. البته باید به یاد داشت، چون این دستگاه‌ها در این موضوع که ولتاژ خود را از مدار هدف دریافت می‌کنند یا برعکس، ولتاژ تغذیه‌ی خودشان را به مدار هدف می‌دهند، همیشه یکسان نیستند، اتصال Vcc از طریق «پل اتصال»  (جامپر) JP2 به مدار آداپتور برنامه‌ریزی داده شده است.

.

نرم‌افزار

داده‌ها از راه واسط سریال (احتمالاً از طریق USB به وسیله‌ی یک آداپتور USB/RS232 مانند آن چه در اینجا و اینجا دیده می‌شود) به رایانه فرستاده می‌شوند. یک نرم‌افزار ارزیابی وظیفه‌ی رمزبرداری (دکودینگ) علایم ASCII را بر عهده دارد. نگارنده برنامه‌ای در زبان LabVIEW نوشته است که آن را می‌توان به صورت یک فایل اجرایی exe. از سایت «الکتور» دریافت کرد.

مقادیر دیجیتالی‌شده‌ی اندازه‌گیری، در محدوده‌ی دقت مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال در میکروکنترلر، متناسب با ولتاژ عدم‌تعادل پل اندازه‌گیر هستند که آن خود با نیروی رانش وارد بر ترازو متناسب می‌باشد.

در عمل یک ولتاژ انحراف از صفر یا «ولتاژ آفست» حضور دارد که ناشی از خطا یا تولرانس افزاره‌های پل اندازه‌گیری، وزن خود ترازو و موارد دیگری می باشد. این آفست را می توان توسط پتانسیومتر P1 جبران‌سازی کرد، که البته در همه‌ی گام‌های کاری به صورت 100% به دست نمی‌آید. با اجرای یک کالیبراسیون با استفاده از یک سنگ ترازو با وزن معلوم می‌توان هم آفست و هم ضریب تناسب اندازه‌گیری را تعیین کرد. علاوه بر این، نرم‌افزار ارزیابی نگارنده این امکان را نیز به دست می‌دهدکه تابع نیرو-زمان ترسیم شده و تجزیه و تحلیل گردد.

.

.

نویسنده: دکتر یورگن گیرش، استاد دانشکده فیزیک دانشگاه مونیخ

.

.

منبع:

مجله الکتور

.

.

www.etesalkootah.ir ||   2018-01-04 © 

2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح "اتصال کوتاه دات آی آر" بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل "کلیک" به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح "www.etesalkootah.ir" بعنوان منبع مجاز است.

.