ProtoSpeedMeter (Pitot sensor)

[protomax]

Ciao a tutti,

dopo un po' di sporadiche apparizioni per via del cambio lavoro
, che si sta normalizzando riappaio sulla scena con qualche novita' .

Recentemente ho avuto modo di provare il servizio samples di FREESCALE per via di un idea lanciatami da alcuni amici volatori .

Quello di cui vi andro' a parlare e' un semplice ed afficace SpeedMeter basato sul metodo di misura del tubo di PITOT.

In pratica per misurare in campo aeronautico la velocita' nel mezzo aria si utilizza un particolare tubo detto di PITOT che permette tramite una formula matematica di trasformare una misura di Pressione (differenziale) in una misura' di velocita'.

Sto semplificando molto per non annoiarvi ma cerchero' di fornirvi tutte infomazioni necessarie a capire il sistema di misura... e chiedo anche agli altri frequentatori di arricchire dove necessario

In pratica il sistema che penso di relaizzare prevede l'utilizzo di un sensore di pressione differenziale in pratica di tipo a due prese collegato al tubo di pitot e la conseguente memorizzazione dei dati di volo su supporto SD/MicroSD.

Utilizzero' per questo circuito un micro ARM7 di Philips molto duttile e cui sto implementando anche il Protometer DUE.

Vi posto qui sottto una foto esplicativa del tubo di pitot tratta da WIKIPEDIA dove potrete trovare infomazioni piu' dettagliate.

Tubo di Pitot - Wikipedia

[marcosinatti]

Il sevizio sample FREESCALE è eccezionale, i sensori idem.
Hanno dei sensori di pressione differenziale studiati apposta per il tubo di pitoti.
Io ne ho utilizzato uno di pressione assoluta per fare l'altimetro, deve essere ben curato il condizionamento del segnale prima di intrare nell'A/D ma con un paio di operazionali a basso rumore ho tolto l'offset, ho amplificato a filtrato ottenendo una risoluzione di 50cm di altitudine, ovviamente viene influenzato dalla pressione atmosferica, ma basta azzerare gli offset nel momento in cui inizi ad utilizzarlo.
Nel caso del tubo di pitot le variazioni di pressione atmosferica non ti danno noia dal momento che ti interessa il differenziale, credo.

Ciao

[protomax]

Noto con piacere che l'argomento e' stato affrontato da altri e ci sono gia' delle sperienze sul campo.

Io per uanto riguarda il sensore differenziale mi sono affidata ad un "modulo" che incorpora gia' il condizionamento, il sensore per la pressione differenziale e' il MPXV5010DP un piccolo sensore che integra gia' tutta la circuiteria per poter far arrivare il segnale all'A/D.

Questo sensore ha una doppia presa connettibile direttamente al tubo di pitot che in questo caso e' la cosa piu' difficile da realizzare visto la scala dei fori e dei tubi

Grazie marcosinatti, sarei molto felice che tu postassi le tue esperienze anche qui su questo tread , potrebbe essere motivo per integrare e capire diversi approcci al metodo della misura barometrica assoluta anche se qui avro' modo di proporvi una soluzione di logger per la "differenziale".

Io penso di non condizionare il segnale proveniente dal sensore per via del fatto che optero' piu' che altro a leggere i dati e sovracampionare (giacando un po' con la matematica) per poi mettere i dati letti su supporto SD in modo da poter essere poi letti a fine volo direttamente su Pc o palmare senza troppi problemi.

Lo studio che ne verra' fuori servira' per eventualmente proporre un articolo da postare sul barone nel caso il progetto abbia ampio interesse.

Per ora sono allo stadio di progettazione e a breve vi postero' qualche ragguaglio.

A presto e continuate a seguire il tread

[marcosinatti]

Ho realizzato un flylogger con un pic 18f2423 con A/D a 12 Bit.
Leggo tensione, corrente, 2 temperature, giri rotore e altitudine, e registro i dati su una eeprom, poi collegando il circuito alla seriale di un pc scarico i dati registrati sulla eeprom.
Momentaneamente ho usato un lm358 per la lettura della corrente ricavandola dalla caduta di tensione generata da un pezzetto di filo da 1mm lungo 2cm (so che ci vorrebbe un vero shunt, ma può andare!), le temperature le leggo tramite sonde digitali 1wire ds18s20, i giri li ricavo tramite un sensorino induttivo che legge un grano avvitato sul collarino che tiene l'albero del rotore e che invia il segnale ad un ingresso gestito in interrupt ed infine leggo l'altitudine ricavandola dalla pressione rilevata da un MPXAZ4100A.
La pressione è circa:
livello mare = 101Kpa
1000 metri = 90Kpa
Il sensore ha una sensibilità di 54mV/Kpa, significa che per ogni metro si hanno circa 0,54mV, quindi per aver maggiore definizione ho tolto un certo offset con un operazionele e poi ho amplificato il segnale con un'altro, in modo da avere una scala che parte da 300 metri e arriva a circa 1300.
Se non ricordo male sono arrivato ad avere 3mV a metro e questo mi permette con un AD a 12Bit di avere circa 40cm a bit.
Come operazionale ho usato un lm358, ma mi sono procurato gli OP7, basso rumore e minore deriva termica.
Ovviamente la misura dell'altitudine tramite la pressione è influenzata dalle condizioni atmosferiche, ma ho fatto un piccolo artifizio, ogni volta che accendo il dispositivo lui fa delle letture mediate per 20 secondi e poi prende la pressione corrente come altitudine 0, quindi è un altimetro che misura rispetto al piano dove sono a radiocomandare.

Sfortunatamente è qualche mese che sono fermo ma prima o poi ci rimetterò mano...

Mi interesserebbe sapere come fai ad aumentare i bit di un A/D usando artifizi matematici.

Grazie

[protomax]

In verita' il mitico LM358 e' un po' un integrato da battaglia ma come operazione fa il suo sporco lavoro si trova di meglio e di piu' raffinato ma secondo me se no lo si porta a lavorare al limite e' un buon punto di inizio.

Per la matematica posso dire che non e' nulla di trascendentale e' la conosciutissima tecnica detta di OVERSAMPLING, la stessa she si usa nei convertitori dei cd (vecchioo stampo dove per fare 16bit si lavorava di numero).

Non voglio essere OT rispetto al titolo ma esemplifico solo la teoria con un semplice esempio , il piu' semplice.

Supponiamo di avere un A/D a 10 bit e di effettuare 4 campionamenti successivi e di sommarli tutti ...al valore max avro':

1023+
1023+
1023+
1023=
-------
4092

dividendo ora per il fattore 2 otterro'

2046 che e' a meno di 1 unita' proprio (2^11)-1 cioe' il max valore rappresentabile da un A/D a 11 bit.
Il gioco prosegue pero' il valore dei campioni sale vertiginosamente con legge esponenziale.

Per avere l'equivalente di un A/D 12 bit bisognera' fare 16 campionamenti e poi dividere per 4 e cosi' via ...

per ottenere 16Bit si dovranno fare 4096 sample e dividere per 64.

Ricordo a tutti che in questi casi bisogna avere a disposizione variabili INT LONG che permettano di sommare tutti i valori e poi dividere.

TRUCCHETTO ON
in questo caso lavorando con interi ricordo che dividere e sciftare sono la stessa cosa. e si risparmiano cicli processore
TRUCCHETTO OFF

Bhe ora che vi ho svelato come sovracampionare fruttate i vostri A/D all'osso l'unica cosa che serve e' un A/D veloce perche' piu' sovracampionate e minor SAMPLE RATE avete .

PS: questa tecnica oltre ad offrire vantaggi sul da punto di vista risoluzione mitiga anche molto gli effetti del rumore che si minimizza all'uscita dell'operazione finale.

[protomax]

Ora partiamo con il core che utilizzero' per questo logger.

Come gia' annunciato sulla mia firma ho messo le mani sulla serie ARM7 di Philips. La potenza di calcolo della MPU rispetto al progetto ProtoMeter ver. 1.0 e' notevole questo chip puo' lavorare fino a 60MHz e lavora a 32Bit le prestazioni sono notevoli e la presenza di due canali A/D permette di lavorare sulle grandezze analogiche sfruttando a pieno la tecnica matematica che vi ho elencato sopra.

Di seguito vi posto la scheda su cui faro' gli esperimenti del ProtoSpeedMeter, e' basata su core ARM7 Lpc2138 ha a disposizione due seriali UART, doppio canale A/D 8+8 ADC in, bootloder gia' precaricato per upgrade veloci via seriale, e connettore SD per memorizzare i dati loggati.
Gestisce la FAT32 e legge correttamente SD fino a 2GB.
Pprogrammazione in C freeware tramite il gcc WINARM in distribuzione sul sito : ARM projects

Mentre sotto l'immagine della piccola board con lettore SD incorporato.

[protomax]

Ciao a tutti,

eccoci arrivati al momento di "presentare" il sensore che ci portera' a misurare la pressione differenziale prelevata dal tubo di pitot.

Come vedete sotto il sensore ha due prese di pressione una per la pressione dinamica e una per la statica.

le dimensioni sono molto contenute, ho fotografato il piccolo modulo di misura con una moneta da 10cent di euro per darvi un confronto.

Il sensore misura una differenza massima di 10Pa piu' che sufficiente per le grandezza in gioco alle velocita' sub-soniche.

All'interno c'e' gia' tutta l'elettronica di condizionamento per poter effettuare al connessione diretta al circuito A/D del nostro microcontrollore, compensazione in temperatura e curva di tensione sono disponibili sul datashet prelevabile sul sito freescale .

Basta la corretta alimentazione ed e' possibile prelevare la tensione corrispondente alla differenza di pressione direttamente da un piedino del sensore.

Ora non resta che parlare del tubo di PITOT vero e proprio ...

... alle prossime

[protomax]

Il tubo di Pitot e' proprio un tubo ... o meglio due .

In pratica per effetuare la misurazione della velocita' dovremmo avere una presa "dinamica" e una "statica" e portare queste due pressioni al sensore con le due prese che effettuera' poi il resto del lavoro cioe' fare la differenza dei due valori e poi riportarcelo come valore analogico di tensione da dare in pasto al nostro microcontrollore.

Come vedrete per costuire un pitot servono due tubi, uno di diametro piu' piccolo e uno di diametro piu' grande che conterra' il primo, in questo modo il tubo della presa dinamica avra' un foro frontale che permetera' il prelievo dell'aria mentre il secondo avra' una serie di forellini lungo la sua circonferenza e a distanza prestabilita per avere il valore di pressione statica .

La geometria del tubo e la sua costruzione permette di ottenere risultati sensati per la misurazione della velocita', ricordo in ogni caso che anche l'installazione in un posto non consono nel velivolo genera errori di rilevamento.

Ora non resta che partire con lassemblaggio e la progettazione del tubo con i materiali reperibili...la mia sperimentazione partira' con un tubo di rame , vista la sua duttilita' e la facilita' di reperimento.

Partiro' con del tubo ext. 6mm per il tubo ext e tubetto diam. 3mm per il tubo interno.

Piccole punte per effettuare i forellini per la presa statica e stagno per effettuare le saldature e le prese sui tubetti.

A presto con il prototipo del tubo...nel frattempo butto giu un po' di codice per il logger e un po di hardware per la sonda di pressione

[frank]

Nei miei alianti uso prelevare dall'esterno solo la pressione dinamica, con un tubo puntato nel flusso e fuori dallo strato limite, mentre prelevo la statica all'interno della fusoliera, che non è stagna ma in cui non c'è una vera circolazione d'aria che possa perturbare la misura. In un aereo a motore è più difficile, per cui potrebbe convenire il tubo combinato statico + dinamico coassiale.

[protomax]

Originalmente inviato da frank

Nei miei alianti uso prelevare dall'esterno solo la pressione dinamica, con un tubo puntato nel flusso e fuori dallo strato limite, mentre prelevo la statica all'interno della fusoliera, che non è stagna ma in cui non c'è una vera circolazione d'aria che possa perturbare la misura. In un aereo a motore è più difficile, per cui potrebbe convenire il tubo combinato statico + dinamico coassiale.

Mi sono documentato un po' nel campo aeronautico per capire cosa fa' in quei casi l'industria e diciamo che la solusione che adotti tu fa anche parte del panorama aeronautico scala 1:1 , infatti e' possibile costuire anche solo il tubo di pitot con la sola presa dinamica e poi per la statica ricorrere ad un punto di aria calma (es: interno fuso, pancia aereo , ecc..).

Io vorrei invece ottenere la misura da tubo "combinato" per avere un solo tubo e un solo punto di misura in modo che a seconda dei modelli sia possibile il posizionamento in aria libera senza dover ricorrere ad altri artefizi , in questo modo credo di rendere piu' precisa la misura evitando di prendere pressione statica che all'interno della fuso che in alcuni modelli con prese d'aria di raffreddamento motori potrebbe essere sottoposto ad una pressione dinamica non voluta.

La difficolta' di costruizione e' superiore ma permette di ottenere risultati piu' realistici.