Stold målesystem manual og dokumentation Vers. 2.0

Transkript

1 DA RK Stold målesystem manual og dokumentation Vers..0 Af Henrik Ditlev Nissen Januar 007

2 Indholdsfortegnelse: Indholdsfortegnelse:... Indledning: Det gamle system: Funktioner og opbygning: Brugervejledning (til Stold): Kalibrerings konstanter: Interface specifikationer: Modul specifikationer:...0 Sensor interface box (SIB):...0 ADC interface box (AIB): Komponent og transducer datablade:... Br 70- strømforsyning (SIB):... Tanktrykstransducer:...4 Tanktryk transducer forstærker:...6 Tanktryks transducer forstærker IC (INA7):...7 DIN stik og fatning:...0 Loadcell forstærker:... 4-bit ADC med USB interface:... Målt støj på gammelt system (30/5-06):...4 Målt støj på nyt testsystem (-bit ADC):...5 Målt støj på nyt testsystem (4-bit ADC):...6

3 3 Indledning: Dette dokument beskriver DARK s målesystem til brug for statisk test af raketmotorer på Stold skydeterræn. I den første del beskrives den generelle opbygning og funktion af systemmet og hvordan det adskiller sig fra det hidtidige system. Derefter beskrives kort hvordan systemmet bruges på Stold og de relevante kalibreringskonstanter for forskellige standard transducere som bruges til en typisk test. Den sidste del indholder dokumentation af de forskellige interface i systemmet og en kort specifikation på de forskellige delsystemer som indgår i systemmet. Denne del er medtaget for at sikre at fremtidige transducere bevarer kompatibilitet med systemmet og at fremtidige ændringer eller opgraderinger af systemmet udformes så de er kompatible med de eksisterende transducere og andre systemkomponenter.

4 4.0 Det gamle system: Stold målesystemet er bygget for at løse nogle problemer som har vist sig ved det hidtidige system. Først lidt historie: Da DARK begyndte at lave statisk test af raketmotorer på Stold for ca. 0 år siden, var målingerne begrænset til måling af thrust med en loadcell. Det var derfor nærliggende at bruge et koaksialkabel til transmission af det analoge signal fra testbænken til målecomputeren (som var opstillet ved affyringspulten). Senere i starten af 90 erne blev målesystemet udbygget med en trykmåler til måling af brændkammer tryk. Denne ekstra kanal blev tilføjet ved at bruge to koaksialkabler i parallel mellem testbænken og målecomputeren. Hver kanal var på dette tidspunkt udstyret med sin egen eksterne forstærker kasse og ekstern strømforsyning til 0V. På et tidspunkt i begyndelsen af dette årti blev en ny loadcell og tryktransducer taget i brug. Disse transducere havde tilstrækkeligt indbygget forstærkning til at eleminerer behovet for ekstern forstærkning. De var dog stadig afhængig af hver sin eksterne strømforsyning og separate koaksialkabler. Da arbejdet med hybrid motorer begyndte, blev det interessant at måle tanktryk og e.v.t. væskestand eller udluftnings sensorer. I nogle tilfælde blev der også gjort forsøg med måling af dyse temperatur. Disse ekstra transducere blev tilføjet til systemmet ved at tage ekstra forstærker kasser og koaksialkabler i brug. Samtidigt med ovenstående ændringer og forbedringer, blev der også indført et nyt ADC kort til målecomputeren. Erfaringer: De hidtidige (realiserede) forbedringer og udbygninger at målesystemet har været meget fokuseret på transducere og andre systemkomponenter. Selve det samlede systems arkitektur er ikke forsøgt ændret eller forbedret. Det har med tiden vist sig at kompleksiteten af systemmet, med forstærker kasser, separate strømforsyninger og koaksialkabler har givet en del problemer med fejlmålinger og tabte data. De fleste fejl er opstået fordi der ikke har været nogen samlet og ensartet måde at transmitterer signalerne fra transduceren til målecomputeren. Desuden har jordings filosofien i det oprindelige system været meget blandet, nogle transducere har været jordet ved testbænken, andre har været flydende i forhold til testbænken. Det eneste fælles princip har været at alle signalledningerne har været jordet til målecomputeren gennem ADC kortets fælles jord. Dette har utvivlsomt muliggjort flere såkaldte jordsløjfer som har kunnet koble forskellige lavfrekvente støjkilder ind på målingerne.

5 5 3.0 Funktioner og opbygning: De grundlæggende krav til det nye målesystem er: Et samlet flerkanals signalbehandlings og transmissions system. Ensartede interface til de enkelte transducere. Så få kasser og kabler som praktisk muligt. Regntæt udstyr ved testbænken. Mindre risiko for tabte målinger. Ensartet jordings filosofi uden jordsløjfer. Mulighed for at fjerne højfrekvent støj umiddelbart før ADC en. Efter koncept design med afvejning af de forskellige muligheder og begrænsninger, blev det besluttet at lave et system som bibeholder transducerne og målecomputeren mest muligt i deres oprindelige konfiguration. Desuden blev det vurderet at et system med færrest mulige aktive komponenter var det nemmeste og mest pålidelige at realiserer på nuværende tidspunkt. Dette konceptdesign dikterede at der ikke blev brugt differentielle indgange ved målecomputeren. For at undgå jordsløjfer blev det derfor besluttet at målecomputerens jord ville være det eneste sted hvor systemmet er forbundet til moderjord. Dette kræver naturligvis at målecomputeren er jordforbundet gennem et 30V jordstik (hvilket i alle tilfælde er sikkerhedsmæssigt fordelagtigt). Efter konstruktion og afprøvning af det komplette analoge målesystem, blev det besluttet at erstatte den gamle målecomputer (med indbygget 8xbit ADC) med en standard laptop med ekstern 8x4bit ADC med USB interface. Dette har betydet en væsentligt mere kompakt løsning og nogle ekstra softwaremæssige muligheder. Desværre har det også vist sig at den reele opløsning kun er ca. 0bit p.gr.a. intern støj i ADC enheden. For at kompenserer for dette er samplingsfrekvensen øget fra 00Hz til 000Hz. Ved postprocessering (digital filtrering og downsampling) mindskes dataraten til 00Hz igen og den effektive støj kommer ned på samme niveau som med det gamle system. Det færdige samlede målesystem har følgende specifikationer: 4 analoge kanaler fra testbænken: Thrust, kammertryk, tanktryk og aux. kanal. En regntæt Sensor Interface Box (SIB) med stik til ovenstående 4 kanaler. Fælles stik og benforbindelser på alle 4 kanaler. Indbygget ±V stabiliseret strømforsyning med 30V indgang, LEDs til indikation af tændt SIB. Indbygget forstærker til tanktryks transduceren. Udgang til analogt transmissions kabel med 4 parsnoede signalpar. Testpunkt på SIB til måling af modstand til testbænk. 50m kabel på tromle med 4 parsnoede signalpar til transmission til målecomputer. Passiv ADC interface box (AIB) med 07 Hz RC-filtre (6.7kΩ modstand) på hvert signal fra testbænken. Kort skærmet kabel mellem AIB og ADC kassen med USB forbindelse til en laptop. Aux. udgang fra AIB til direkte aflæsning af Aux. kanal med eksternt voltmeter (til brug ved fjernstyret fyldning af hybrid og flydende brændstof motorer).

6 6 Det samlede målesystems overordnede opbygning er vist på nedenstående diagram: Testbænk F th P c P t Sensor Interface Box (SIB) Aux 30V 8 leder kabel Affyringskontrol ADC Interface Box (AIB) 8 leder kabel 4-bit ADC USB Målecomputer (PC) Aux ud Tændsignal ind 30V med jord Figur : Målesystem opbygning

7 7 4.0 Brugervejledning (til Stold): Målesystemet består af følgende dele: Transducere: Loadcell med løs ledning (DIN 7 med omløber til loadcell og alm. DIN 7 til SIB). Brændkammer tryktransducer (UCC #400) med løs ledning ( solenoide stik og DIN 7). E.v.t. tank tryktransducer (H. F. Jensen PTA 00) med fast ledning med DIN 7 stik. E.v.t. ekstra sensor (temperatur, udluftning, m.v.) med DIN 7 stik. Sprængplade til montering mellem loadcell og motor (/4 rørgevind interface). Sensor Interface Box (SIB) med fast 30V ledning (uden jord). Analogt transmissions kabel på slangetromle med DIN 8 stik i hver ende (symmetrisk). ADC interface box (AIB) med indbygget RC lavpasfilter og Aux. udgang (phono stik). ADC kasse (med fastmonteret USB kabel til Laptop PC). Målecomputer (Laptop PC med USB indgang). Strømskinne med jord til målecomputer. 30V forlænger ledning til testbænk (uden jord). Paktape. Ved test af NO baserede hybrid og flydende brændstof motorer, bruges desuden: Sensor monterings plade til montering af tryktransducerer (interface med Ø4x PA slange til motor) og NO fyldeventil (Ø6x4 PA slange interface). små skruetvinger til sikker montering af plade på testbænk. x ¼ bonded seals til tætning af tryktransducere (TBD). Opsætning af systemet:. Systemet forbindes som vist på Figur. Ved test af faststof motorer, monteres brændkammer tryktransduceren på sprængplade udgangen. Ved test af hybrid eller flydende brændstof motorer bruges tryktransducer monterringspladen. Husk at H. F. Jensen PTA 00 transduceren kun er til tank trykmåling. Efter montering af alle transducerne, men før montering af den analoge transmissionsledning, kan det kontrolleres at systemmet er isoleret fra testbænken, ved at måle modstanden mellem SIB jordtestpunktet og testbænken med et multimeter. 3. Målecomputeren tændes. 4. Vælg TBD til at kontrollerer systemmet. 5. Vælg TBD ved selve testen Sæt samplefrekvensen til 000Hz 3 kanaler ved thrust og brændkammer tryk. 4 kanaler hvis der også er tanktryk. 5 kanaler med aux. indgang. ADC område ± 5V.

8 8 5.0 Kalibrerings konstanter: Målefilen er i ASCII format med semikolon separator og bruger, som decimalseperator. Filen indeholder en header som angiver testbetingelserne og det totale gain (V/måleenhed) for hver transducer. Motorgruppen har software til at nedsample til 00Hz (med 00Hz lavpasfiltrering) og til at ændre formattet til det gamle stoldformat (mellemrums seperator og. som decimalseperator). Efter konvertering er formatet: Tid [sec] Tændpuls [V] Thrust [N] Brændkammer tryk [Bar] Tank tryk [Bar] Aux [V] Efter konvertering gemmes filen under et standardiseret navn: (TMxxyy, FMxxyy, HYxxyy eller LMxxyy). TM står for faststof testmotor, FM for flight faststof testmotor, HY for hybrid motor og LM for flydende motor. xx er årstallet, mens yy er testnummeret indenfor et givet år. De nyeste kalibrerings konstanter er: Loadcell: 33 N/V (kalibreret d. 7/0-06) Brændkammer tryk transducer: 80 bar/v (datablad) Tank tryk transducer: 5 bar/v (datablad og 80X nominel forstærkning) Det er nødvendigt at fjerne offsettet først, ved at bruge en del af kurven hvor signalet er kendt som nulpunkt.

9 9 6.0 Interface specifikationer: Fælles transducer interface: DIN 7 hanstik på transducer kabel. Signal er isoleret fra transducer hus og dermed fra testbænk få at undgå jordsløjfer. E.v.t. transducer kabel skærm kan være jordet ved transducer huset, men må IKKE forbindes til signal. Transducer strømforsynes gennem ben (signal ), ben 6 (V ref- ) og ben 7 (V ref+ ). Som standard er V ref+ = +V og V ref- = -V. V ref+ og V ref- kan være mindre for specielle transducerer, men for at forhindre beskadigelse hvis transducerer sættes til den forkert kanal, skal alle transducerer kunne overleve standard spændningerne på V ref+ og V ref-. Selve transducer udgangs signalet (V out+ ) forbindes til ben 4. Som standard forbindes transducer udgangs reference signalet (V out- ) til ben. På grund af den fælles signaljord, skal alle transducerne kunne tåle en kortslutning mellem V outog signal. Det totale kontinuerlig strømforbrug for samtlige transducerer på V ref+ må ikke overstige 40mA (det samme gælder for V ref- ). Ben 3 og 5 bruges ikke i den nuværende standard og er reserveret til fremtidig brug, for at sikre fremtidig bagud kompatibilitet, anbefales det at disse ben ikke forbindes til nogen signaler.

10 0 7.0 Modul specifikationer: Sensor interface box (SIB): 3 4 LED +V D Twisted pairs Vref+ R k LED Blue wire! D F_th DIN S F_th R k LED -V LED Vref- Vref+ Vref- C P_c DIN S Vref+ P_c Wire color code: Vref+ : Red Vref- : Blue Signals : Yellow : Black P_c R3 Isolation Test Point 4k7 Analog out DIN 8 pole (Pin-out as seen into male plug) C P_t DIN S 4 6 AMP IN+ IN- Vref+ (8V) Vout Vs+ Vs- P_t Vref+ Vref- P_t Aux S 4 6 B Aux DARK AMP F_th B DIN Aux PSU J Vref+ 7 6 S Vref+ Vref- Vref- V 0V -V 30V A 30V B m power cord BR70- Enclosure w. cable strain relief 30V PLUG A Title DARK Stold sensor interface box A Size Number Revision.0 A4 Date: 8-Jan-007 Sheet of Drawn By: File: E:\Henrik\..\Sensor interface box.sch HDN 3 4 Figur : Sensor interface box (SIB) Sensor Interface Box specifikationer: 4 analoge indgange (DIN 7 stik) med fælles jord: Thrust F th (loadcell med indbygget forstærkning). Dobbelt (±V) forsyning fra SIB. Brændkammer tryk P c med indbygget forstærkning (UCC #400). +V forsyning fra SIB. Tanktryk P t (PT00A). Forstærker indbygget i SIB med 80x forstærkning og 8V stabiliseret brospændnings forsyning. Aux indgang. Dobbelt (±V) forsyning fra SIB. Indbygget stabiliseret ±V forsyning i SIB, isoleret fra testbænk ( Brinck Br 70-). Overbelastnings og kortslutnings beskyttet. Forsynet direkte fra 30V med fastmonteret ledning. Max. kontinuerlig strøm x50 ma. lysdioder til indikation af ±V spændninger. 4 kanals analog udgang (DIN 8 stik) med 4 jordledere. Jord isolations test punkt (til at teste om SIB og transducerer er isoleret fra testbænken).

11 ADC interface box (AIB): 3 4 DB37 ADC connector 0 D C Analog in DIN 8 pole (Pin-out as seen into male plug) S 4 6 Pc in (yellow) Black F in (yellow) Black Aux in (yellow) Black Pt in (yellow) R_filt 6k8 R_filt 6k8 R_filt4 6k8 R_filt3 C_filt 0n C_filt 0n C_filt4 0n Pc out (yellow) Blue F out (white) Green Aux out (grey) Brown Pt out (red) F out (white) Pc out (yellow) Pt out (red) Aux out (grey) Green Blue Pink Brown D C B Black 6k8 C_filt3 0n Pink 70cm Cable Cable connector (male plug) B Sheild Yellow Black R 0k R 0k Aux out Phono socket A Title DARK Stold ADC interface A Size Number Revision.0 A4 Date: 8-May-006 Sheet of Drawn File: E:\Henrik\..\ADC interface.sch By: HDN 3 4 Figur 3 : ADC interface box (AIB) ADC interface box specifikationer: 4 kanals analog indgang (DIN 8 stik) med 4 jordledere. 07Hz passivt RC-lavpasfilter til hver kanal. 4 kanals analog udgang med DB37 hanstik (fastmonteret på kort ledning) til interface til ADC kasse eller gammel DARK målecomputer. Direkte Aux udgang til overvågning af tankning eller lignende med externt voltmeter (phono stik). Hver kanal har en seriel modstand på 6,8kΩ, hvilket danner en spændningsdeler med ADC ens indgangsmodstand (til jord) på 44kΩ. D.v.s. at signalet målt med ADC en er gange transducersignalet. Dette kan der korrigeres for ved (post)procesering, ved at gange det målte signal med.047 for at få det ubelastede transducersignal (hvis transduceren er kalibreret uden elektrisk belastning). Kassen er fuldstændig passiv og bruger ingen ekstern strømforsyning. Signal jord kommer fra ADC en.

12 8.0 Komponent og transducer datablade: Br 70- strømforsyning (SIB):

13 3

14 4 Tanktrykstransducer:

15 5

16 Stold målesystem: Manual og dokumentation 6 Tanktryk transducer forstærker: Indbygget i SIB, bemærk at denne forstærker oprindeligt er deisgnet som loadcell forstærker S S S3 S4 Unused device termination M3 M3 M3 M3 Vcc+ D Used if cable driver is not needed 3 ICA LM358 D JP JUMPER Vcc- 000X gain for INA7 Rg 0R Optional Cable Driver (0nF) and 0X gain Vcc+ C Vcc+ 5 6 ICB 7 LM358 Vcc- R K J3 OUT C J Rg- Rg+ Vin- Vin+ Vcc+ Vcc- Vcc+ IN- IN+ Opt. bridge offset trim R Vcc+ 0K Rbt 0K Opt. RF input filter C9 0n C 00n 8 3 V+ IC 6 Vout 5 Ref JP Driver isolation R K C8 0n R0 0K Bridge C0 0n V- INA7 Vcc- B Optional stabilized supply IC4 LM78LXX D B Vcc+ Vcc- IC CD3 00n CD4 00n IC CD 00n CD 00n OUT IN C4 00n IC5 LM79LXX N448 C6 330n D J 3 PWR C5 00n OUT IN N448 C7 330n A A Title Loadcelle amplifier board (0000X gain) Size Number Revision A3 Date: 7-Jan-007 Sheet of File: E:\Henrik\..\LOAD_AMP.sch Drawn By:

17 7 Tanktryks transducer forstærker IC (INA7):

18 8

19 9

20 0 DIN stik og fatning:

21 Loadcell forstærker: Designet af Hans Olaf Toft (indbygget i loadcell): Kredsløbet er senerer modificeret af HDN for at forbedre evnen til at drive en kapacitiv last (d.v.s. et langt kabel). Modifikationen består af et serielt RC snubber kredsløb på udgangen.

22 4-bit ADC med USB interface:

23 3

24 4 Målt støj på gammelt system (30/5-06):

25 5 Målt støj på nyt testsystem (-bit ADC): Målt med gammel -bit ADC i gammel målecomputer (8/6-06):

26 6 Målt støj på nyt testsystem (4-bit ADC): Målt med ny 4-bit ADC på USB port (opsamlet ved 000Hz og downsamplet til 00Hz):