NERO Projecten - Gyroscopen

NERO

Projecten

Hx raketten

Gyroscopen

De Hx gyroscopen

	Inhoud
1	Inleiding
2	Problemen
3	Maatregelen
4	Circuit

In de raketten van Nero Haarlem zijn in het verleden enige malen gyroscopen gebruikt voor het registreren van de raketbewegingen tijdens de vlucht. Het resultaat was niet altijd overeenkomstig wat er van verwacht werd.
De door NERO Haarlem gebruikte gyroscoop is van het type Gyrostar van het fabrikaat Murata. Deze gyroscopen hebben zeer kleine afmetingen en zijn redelijk in prijs. Vandaar dat deze gyroscopen zeer gewild zijn bij raketamateurs. De fabrikant noemt als toepassing van deze gyroscopen onder anderen het gebruik als kompas in auto's en boten, maar ook als sensors in video camera's, om het trillen bij het filmen uit de vrije hand tegen te gaan.

Inleiding [Top][Inhoud]

De kleine afmetingen van de Murata Gyrostar gyroscoop zijn te danken aan het bijzondere principe van deze sensors, namenlijk een trillend vaantje van piëzoelektrisch materiaal, dat met een oscillator in trilling wordt gebracht, in zijn eigen mechanische resonantie- frequentie. Wanneer het vlak, waarin dit vaantje resoneert, nu gedraaid wordt, zó, dat dit vaantje in een andere richting moet gaan trillen, dan verzet deze zich hier aanvankelijk tegen (Coriolis kracht) zoals dat ook bij een tollende gyroscoop plaats vindt. Er wordt een detecteerbaar signaal gegenereerd, overeenkomstig de snelheid van hoekverdraaiing. Uiteraard wordt ook de polariteit weergegeven om aan te geven, of de verdraaiing linksom of rechtsom is. De elektronica voor de voorbewerking van dit signaal, is in de sensor ondergebracht.

Sinds het begin van de jaren negentig wordt door de firma Murata een low-budget solid-state gyroscoop op de markt gebracht. Door hun zeer kleine afmetingen zouden deze gyroscopen ideaal zijn om te worden toegepast in amateur raketten. Onduidelijk was of deze gyroscoop zich kan kwalificeren voor rakettoepassingen. Deze bijdrage is geleverd door Bernard.

De problemen [Top][Inhoud]

Het principe van detectie van de hoek verdraaiing van deze gyroscoop en de uitvoering ervan is erg fragiel en daar schuilen de moeilijkheden. Om maar metéén de ergste kwaal te noemen: de schokgevoeligheid. We hebben hier uitgebreid aan getest en het resultaat was, dat het niet mee viel. De sensor heeft de gevoeligheid van een microfoon, als het op schokken aan komt. Het vertoont na een schok vaak een tamelijk lange hersteltijd, voordat de sensor weer op de oude waarde terug komt. Omdat de sensor, zoals reeds vermeld, ook microfooneigenschappen vertoont, zijn ook geluidstrillingen van belang. Onze NERO voorzitter, Bernard, heeft hier enige jaren geleden, uitvoerig metingen aan verricht (zie Nero Bulletin 98-1/2 blz 26) met als resultaat, een maximum in trillingsgevoeligheid bij ongeveer 100 Hz. Deze metingen zijn verricht bij een trillingsniveau van 2,5 G. Ruwweg was de gevoeligheid voor deze trillingen 0.1 graad/sec, met een piek van ongeveer 0.3 graden/sec. Voor nauwkeuriger informatie, zie genoemd blad.

Een andere moeilijkheid is de temperatuurgevoeligheid en nog erger, drift van onbekende oorzaak. We hebben veel metingen gedaan naar dit laatste. Deze drift begint bij het inschakelen en zal als eerste oorzaak wel het op temperatuur komen van de elektronica in de gyroscoop zijn. Na een poosje wordt deze drift geringer. Naast temperatuur zou dit ook veroorzaakt kunnen worden door elektrolytische (tantaal) condensatoren. We weten niet precies wat voor soort elektronica er in de sensor ingebouwd is. We hebben de indruk, dat na het inschakelen, na verloop van tijd, de drift wat minder wordt. De sensor heeft bij ons gedurende de metingen, in een tijdbestek van enige weken, in totaal zeker 24 uur aangestaan. Nauwkeurige temperatuurmetingen zijn door ons nog niet verricht. Misschien wordt dat later nog eens gedaan. Waar wel uitgebreid naar gekeken is, zijn de schijnbaar willekeurige fluctuaties. Hiervan zijn met een penrecorder grafieken gemaakt. Deze fluctuaties komen voor naast de temperatuur drift en de drift in het algemeen. Deze fluctuaties vertonen een vrij plotseling karakter. Ineens kan de uitgangsspanning, met het gewenste signaal, weer gaan verlopen, meestal zonder weer op het oude niveau terug te komen. De oorzaak daarvan weten we niet. Maar deze sensors hebben zeer fragiele onderdelen. Het kan dan ook van alles zijn. Zo zou een oorzaak bijvoorbeeld de oxydehuid van elektrolytische condensatoren kunnen zijn. Maar het is geen slecht idee om de gyroscopen lange tijd aan te laten staan. Zo ook voorafgaande aan de lancering van de raket. De voeding van de gyroscopen zou eigenlijk al een kwartier tot een half uur vóór de lancering aangezet moeten worden en de lancering zou moeten plaats vinden, zonder de voeding van de gyroscopen te onderbreken.
Je zult je afvragen, na al deze ellende, hoe het nog mogelijk is, dat deze gyroscopen nog in een raket gebruikt kunnen worden, maar in de praktijk lijkt het toch weer mee te vallen. Wel moeten er dan een aantal maatregelen genomen worden.

De maatregelen [Top][Inhoud]

n de eerste plaats kan de gyroscoop beschermd worden tegen schokken, door deze niet direct op de structuur van de raket te schroeven, maar door een mechanische buffer aan te brengen. Hierdoor kunnen schokken en trillingen gedempt worden. Tevens kan deze buffer dienen als bescherming tegen temperatuursveranderingen. Wij hebben de gyroscoop omwikkeld met watten en in een stukje aluminium U-profiel geplaatst, van 15x15x2mm en 25mm lang. Gewicht 5 gram. Dit dempt schokken en trillingen al enigszins. Daarna is dit pakketje, als een toffee, ingepakt in plastic folie en opgehangen in een ander stukje aluminium U-profiel van 20x40x20mm, 3mm dik en 10mm lang. De 'toffee' hangt hierbij tussen de twee korte poten van dit U-profiel, waar gaten in geboord zijn van 6 mm. Dit geeft een soepele ophanging, die samen met het gewicht van het eerst genoemde U-profiel, een aanzienlijke barrière vormt tegen schokken en trillingen. Dit geheel is dan op de structuur van de raket bevestigd. Dunne litze-draadjes zorgen voor de verbinding met de gyroscoop.

In de tweede plaats zijn er de fluctuaties van de uitgangsspanning. Door de gyroscoop langdurig aan te zetten, zoals in dit artikel reeds beschreven is, is gepoogd deze te verminderen. Veel meer valt hier niet aan te doen.

In de derde plaats, ten slotte, wordt de invloed van drift zo veel mogelijk tegen gegaan, door met behulp van een elektronisch circuit, de drift vóór het moment van lancering, voortdurend te compenseren en op het moment van de lancering deze compensatie te verbreken. Aan de daarop volgende drift kan niets meer gedaan worden. Doch de invloed daarvan zal niet zo groot zijn, aangezien de vlucht meestal minder dan enkele minuten duurt.

Het elektronisch circuit [Top][Inhoud]

Het doel van deze schakeling is tweeledig. Ten eerste om de drift te compenseren, in elk geval, tot aan het moment van lancering en ten tweede, om het signaal voldoende te versterken. De versterking moet zodanig ingesteld worden, dat de kans op vastlopen van het signaal zo gering mogelijk is. Ook mag het signaal niet te klein zijn. De versterking is ingesteld met behulp van gegevens van vorige lanceringen.
Voor de compensatie van de DC offset en de drift tot aan de lancering, is gebruik gemaakt van een condensator. Dit was ook op deze manier aangegeven in het voorbeeldcircuit van de fabrikant. In dit voorbeeldcircuit was gekozen voor een simpele hoogdoorlaatfilter, bestaande uit een serie condensator van 4,7µF met daar achter een weerstand van 100K naar de referentie spanning van de gyroscoop. Deze referentie spanning wordt als een hulpspanning van 2,3v op de gyroscoop meegegeven. Via deze weerstand laadt de condensator op tot de waarde van 2,3V en levert zo de gewenste compensatie. De RC-tijd is echter maar 0,47 seconden. Een uitgangssignaal van de gyroscoop, die langere tijd duurt, zoals dit vaak het geval is tijdens de vlucht van de raket, zal op deze manier weglekken, doordat de condensator zich weer zal ontladen naar de waarde van de referentie- spanning. Een raketvlucht van bijvoorbeeld 25 seconden, waarbij deze raket langzaam om z'n x-as draait, zal dus niet goed weergegeven worden. Daarvoor zal de RC-tijd veel langer moeten zijn.

Om een veel langere RC-tijd te verkrijgen, zal geen elektrolytische condensator gebruikt mogen worden, vanwege het feit dat deze meestal een te grote eigen lek heeft. We hebben gekozen voor een lekarme condensator van 0,1µF, 630V met een zelfontlading, die ruim voldoende is. De condensator moet dan afgesloten worden met een weerstand van meer dan 100.000 MOhm. De meeste op-amps voldoen niet aan deze eis. De bias ingangsstroom gooit roet in het eten. Gelukkig bestaat er een op-amp met FET-ingangen, de CA3140, met een zeer hoge ingangsimpedantie van 1,5 TOhm (1,5x1012 Ohm). Nu bleek deze op-amp zelf echter ook nog drift van enige mV's te vertonen en het uitgangssignaal van de gyroscoop is maar laag (1,11 mV/graad/sec), zodat daar ook wat aan gedaan moest worden. Om deze problemen te overkomen, hebben we nog een voorversterker (LM324) tussen de uitgang van de gyroscoop en de condensator geplaatst. Deze versterker versterkt maar 10x. De drift hiervan is gering (geen FET-ingang en dan nog de compensatie) en de biasstroom van de ingang kan gemakkelijk door de gyroscoop geleverd worden. De totale versterking van beide versterkers samen komt hiermee op 23x, hetgeen later goed gekozen bleek te zijn. Met de condensator C kunnen hoge frequenties nog weggefilterd worden, maar echt nodig is dit niet.

Dan rest nu nog de compensatie van de drift vóór de lancering. De condensator moet aan de kant van de CA3140 op een spanning van 2,5 V gehouden worden. Na de lancering moet dit circuit echter de zeer hoge weerstand hebben, gelijk aan of in de buurt van de waarde van de FET-ingang van de CA3140. Dit gaf weer een moeilijkheid, want een eerste proef met een gewoon schuifschakelaartje bleek al veel te veel lek te veroorzaken. Bij het opmeten bleek deze een weerstand van 7000 MOhm te hebben, wat veel te gering was. Een tuimelschakelaar had een weerstand van 12000 MOhm en ook dat was te laag evenals een reedrelais van 80.000 MOhm. Tenslotte hebben we voor een brugschakelaar met lekarme dioden (BAS33) gekozen. De lekweerstand in sperrichting hiervan bleek groter dan 1000.000 MOhm (>1 TOhm)te zijn. Dit is zeer goed vergeleken met de 400 à 900 MOhm die gemeten is bij gewone Si-dioden (1N4148).

Deze brugschakelaar werkt met vier dioden (zie schema). Eén tak bevat de lekarme dioden, namelijk de tak die verbonden is aan de condensator/FET-ingang. De andere tak mogen gewone Si-dioden zijn. Het hadden ook lekarme dioden mogen zijn. Wanneer er nu een sperspanning over de brug gezet wordt, dan wordt de condensator/FET-ingang nagenoeg volledig geïsoleerd door de lekarme dioden. Wordt de spanning over de brug echter omgekeerd, dan komen de dioden in geleiding. De gewenste 2,5 V kan nu via de dioden de condensator bereiken. De doorlaatspanning over de dioden is geen groot probleem, aangezien de spanning over de ene diode tegengesteld is aan de spanning over de andere diode. Deze twee spanningen heffen elkaar dus ongeveer op. Deze dioden brugschakeling bleek zeer goed te werken. De dioden brug wordt aangestuurd door een digitale IC, de CD4093, welke vier Schmitt triggers bevat. Deze worden op hun beurt weer aangestuurd door een lift-off signaal of door de breekdraad van de raket. Dit signaal ontstaat bij het ontsteken van de raket.

De rest van de elektronische schakeling bevat niet meer zo veel bijzondere dingen. De genoemde 2,5 V wordt met een spanningsdeler van 3,9 KOhm op 2,2 KOhm afgeleid van de voedingsspanning van 6,8 V. Deze 6,8 V staat over een zenerdiode die weer via een weerstand van 470 Ohm is aangesloten op de 12 V voeding uit de raket. De 2,5 V wordt tevens gebruikt als referentiepunt voor de tegenkoppel weerstanden van de CA3140. Dit zijn weerstanden van resp. 15 KOhm en 10 KOhm plus de weerstand van de spanningsdeler. Dit geeft een versterking van 2,3x.

Eén versterker van de quad-opamp LM324 wordt gebruikt als 10x voorversterker, de drie anderen zijn benut voor het leveren van de signalen voor twee ingangen van de RDAS, namelijk voor het aangeven, dat het gyroscoop signaal buiten het normale bereik is gevallen en het andere signaal levert, in digitale vorm, de polariteit van het gyroscoop signaal. De signalen hebben goed gewerkt tijdens de vlucht en het gyroscoop signaal is niet in verzadiging gekomen.

Technische Specificaties
Voedingsspanning	+12 Volt
Stroomverbruik	18 mA
Gevoeligheid	25 mV/graad/sec
Start uitgaande spanning	+2,5 Volt
Uitgangsspanning	0 tot +5 Volt
Digitale uitgangen	0 tot +5 Volt
Digitale ingangen	TTL niveau