Kalibrierung Messtechnik Foka
[Jörg Dummann, LSV Bad Gandersheim e.V.]

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Zur Beschleunigungsmessung:


Kalibrierungsmessreihe für den Beschleunigungssensor (Umrechnung der mV-Werte in Erdbeschleunigung) durch Drehen des Sensors in die sechs möglichen Oben-/Unten-Positionen um die drei Achsen.


In der Darstellung liefert die Messachse Y den Wert +1g (durchgezogene Linie). Alle anderen sind 0 (potentieller Wert - gestrichelt).
In der Praxis wird dies nicht genau der Fall sein, da weder Fühlereinbau noch Flugzeugausrichtung so ideal sein werden.
Dazu die folgende Darstellung:


Hier die gleiche Situation von vorne gesehen.


Hier die Situation mit abgelegter linker Tragfläche:
x bleibt idealerweise 0, da der Rumpf, was die Längsneigung angeht, in der Waagerechten bleibt.
Durch die abgelegte Tragfläche bildet die Richtung der Schwerkraft einen Winkel mit der Y-Messrichtung. Es wird nicht 1g gemessen, sondern ein kleinerer Wert, da sich die Schwerkraft nun in eine y und z-Komponente aufteilt. Die Z-Komponente wird (hier: negativ) messbar.

Im freien Flug tritt dieser Effekt nicht auf - auch nicht im (sauberen) Kurvenflug, da die Resultierende aus Schwerkraft und Zentrifugalkraft immer in Y-Messrichtung wirkt.
Die im Kurvenflug zusätzlich auftretende Zentrifugalkraft erhöht lediglich den Y-Wert.

Wir wollen künftig nur die Y-Komponente des Fühlers dokumentieren und als Turbulenzindikator verwenden.

 

Zur Temperaturmessung:

Der z.Zt. eingebaute Temperaturfühler bedarf keiner Kalibrierung, aber es muß die Geschwindigkeit ermittelt werden, mit der er Temperaturänderungen folgen kann.

Ich habe also unseren Staubsauger dafür zweckentfremdet den benötigten Luftstrom zu liefern. Ich habe ein Papprohr mit 3cm Außendurchmesser (vielleicht 2,8 mm Innendurchmesser) auf das Ansaugrohr gesteckt und "festgetaped". Diesen dann - um Strahlungseinflüsse zu minimieren - mit Alufolie umkleidet. Leider kann ich nichts über die in diesem Rohr erreichten Strömungsgeschwindigkeiten aussagen, wohl sicher werden sie unter denen im Fluge gegebenen liegen.

1.Versuch:
Der Temp-Fühler befindet sich in ruhender Luft, außen am Rohr befestigt, durch ein "Alu-Folien-Dach" gegen Strahlungseinfluss, aber auch gegen (den herrschenden) Regen geschützt. Die Ergebnisse entsprechen in etwa den ersten so durchgeführten Versuchen. Bei Abkühlung (erst im geheizten Zimmer dann nach draußen ins Freie) ergaben sich Raten von -2,8°C/min,  -2,9°C/min und -3,8°C/min (letztere eingeschränkt gültig! Messung zu früh abgebrochen...).
Bei Erwärmung (erst im Freien, dann nach drinnen ins geheizte Zimmer) ergaben sich Raten von 1,3°C/min,  2,2°C/min und 1,3°C/min.
Die Erwärmung des Fühlers benötigt mehr Zeit als dessen Abkühlung.
Grundsätzlich ist zu sagen, daß diese Angaben mit relativ großer Ungenauigkeit behaftet sind, da eine gewisse Willkür dazu gehört, den asymptotisch verlaufenden Temperaturanpassungsprozess an einem Punkt als abgeschlossen anzusehen.
Hinweise am Rande:
Die unterbrochene Messwertreihe beim schnellen Temp-Abfall rührt aus der Löschung von Werten um die 80°C die vom Fühler - aus welchen Gründen auch immer - dort in die Reihe "eingestreut" wurden.
Der Peak nach Wiedererreichen  der Zimmertemperatur rührt wohl aus Berührungen des Fühlers beim Umbau der Konfiguration.


2.Versuch:
Hier wurde der Fühler seitlich durch das Papprohr gesteckt und der Staubsauger - mit Maximal-Leistung 1.800W - eingeschaltet. Es läßt sich eine ungefähr 1,5fache Beschleunigung der Tempfühleranpassung an die Außentemperatur beobachten (mit Unsicherheiten, vgl.o. - Def. der Tempkonstanz!) (4,8°C/min). Die Erwärmung geht zunächst ebenfalls rapide schnell vonstatten, aber die asymptotische Anpassung der letzten Tempgrade bis Tempkonstanz benötigt dennoch ungefähr soviel Zeit wie beim nicht-umströmten Fühler (1,7°C/min).
Hinweise am Rande:
Es gibt beim Abkühlen wieder Ausreisserwerte um die 80°C .
Interessant sind die kleinen Peaks zum Schluss des Abkühlungsprozesses (auch bei dem zweiten Versuch mit umströmten Fühler treten sie auf - nicht aber beim nicht-umströmten Fühler...  Zufall...?)
Bei wieder erreichter Zimmertemperatur treten wiederum die Konfigurationswechsel-Peaks auf...


3. Versuch:
Dieser Konfiguration liegt die Idee zugrunde, eine schnellere Reaktion des Fühlers durch eine Vergrößerung der Kontaktfläche zur Luft zu erreichen. Dies wurde erreicht, indem der Fühler in ein entsprechend abgemaßtes feines Stahl(draht)gitter gesteckt wurde. Spannend war die Frage, ob die vergrößerte Kontaktfläche den Effekt, daß gleichzeitig ja auch eine größeres Materialvolumen (und auch Masse) erwärmt werden muß überkompensiert. Dies ist natürlich maßgeblich abhängig von den Eigenschaften des verwendeten Materials: optimal ist eine möglichst geringe Wärmekapazität (wenig Energie wird für die "Eigenerwärmung" benötigt) und eine möglichst große Wärmeleitfähigkeit (wenig Zeit wird für die Wärmeweiterleitung benötigt).


Gedanken zur Soll-Empfindlichkeit des Temp-Fühlers:
Durch Hebung erfolgt eine (trocken-)adiabatische Temperaturabnahme von 1°C/100m bei der zu messenden Temperatur. Beim vertikalen Mitsteigen in der aufsteigenden Luftmasse mit angenommenen Max-Werten von 2m/s (unten am Hang oder auch in der Wellenströmung) verbleibt zur Erfassung dieser 1°C-Differenz eine Zeit von 50 sec. (Ergebnis umgerechnet auf eine volle Minute (= min. Fühlerreaktionszeit) 1,2°C/min). Das ist wahrscheinlich auch mit dem vorhandenen umströmten "Netz"-Fühler zu erledigen.
Ziel ist es aber auch +-horizontal angelegte "Stichflüge" in Hang- und/oder Wellenaufwind durchzuführen. Hier gilt es zu ermitteln über welche horizontalen Distanzen welche Temperaturunterschiede auftreten können. Dafür ist entscheidend, mit welcher Neigung der Aufstieg der Luft erfolgt. (Im Denkmodell: Wie die vormals horizontalen 100m Schichten "verkippt" wurden.)
Geht man zunächst von einer für den Hangsegelflug (!) typischen Windgeschwindigkeit von max. 10m/s aus und den in Kammhöhe etwa max. erreichbaren 2m/s Flugzeugsteigen aus, kann man dort etwas großzügig ein Luftmassensteigen von ca. 3m/s annehmen. Dieses Verhältnis (+-willkürlich) zugrunde legend, erfolgt die Abkühlung um 1°C auf 100m Höhenzunahme in einer Zeitspanne von ca. 33 sec. In diesen 33 sec hat die Luftmasse (mit der etwas kleineren Horizontalkomponente der Windgeschwindigkeit von etwa 9,5 m/s) horizontal einen Weg von ca. 320m zurückgelegt (wenn man es mit Hilfe seiner Frau trigonometrisch - 100m Schichtdicke, 10m/s horizontal und 3m/s vertikal - berechnet: 348,97m... ) . Das Flugzeug bewegt sich in der (vom Wind versetzten) Luftmasse mit einer Geschwindigkeit von ca. 80 km/h == 22 m/s. Da der Aufwind ortsfest ist, muß von der Flugzeuggeschwindigkeit die horizontale Luftmassengeschwindigkeit (ca. 10m/s) in Abzug gebracht werden (Gegenwindflug!): es ergibt sich eine Vorfluggeschwindigkeit gegenüber Grund (und damit der ortsfesten Aufwindstruktur!) von ca. 12 m/s. Für das Durchfliegen der horizontalen 1°C-Distanz von ca. 350m benötigt das Flugzeug also ca. 29 sec. (Ergebnis umgerechnet auf eine volle Minute (=  min. Fühlerreaktionszeit) 2,1°C/min)
Das ist natürlich alles idealisiert: das o.A. geht z.B. davon aus, daß die betrachtete Atmosphäre turbulent durchmischt, also trockenadiabatisch geschichtet ist, es kommt natürlich eigentlich auf die real vorgefundene Schichtung an (dann können aus den oben betrachteten -1°C/100m Tempdiff auch vielleicht +5°C/100m werden...dies dann aber außerhalb (oberhalb) der Reibungsschicht, in der dann wiederum auch höhere Windgeschwindigkeiten herrschen, was wiederum die Vorflugzeit des Flugzeugs verlängert, was wiederum einen langsameren Fühler verwendbar macht. Das Segelflugzeug wird auch nicht genau horizontal fliegen... und sicher weiteres an Einflüssen und Konstellationen mehr), aber vielleicht ist es doch ein zumindest grober Anhaltspunkt...

Wenn man zusammenfassend als "worst case" eine Situation mit 10m/s Wind, met. Steigen von 3m/s und einem Temp-Sprung von 5°C auf 100m Höhenzunahme definiert und geometrisch betrachtet, muß der Temp-Fühler einer Temp-Änderung von 1°C in 6 sec folgen können (350m hori f. +5°C mit 12m/s (vgl.o.) sind 29sec für +5°C also 5,8sec für 1°C).

Die ermittelten Reaktionszeiten für den umströmten "Gitterfühler" liegen tatsächlich bei <= 6 sec/°C, allerding beim Ausgleich großer Temperaturschwankungen, eine 1°C-Schwankung wird - wie die Messwertkurven zeigen - nur minimal schneller als die 10°C-Schwankung erfaßt werden können.
Wenn der Fühler tatsächlich auch zum Folgen auf einen 1°C-Tempsprung etwa eine Minute braucht, wäre es viel zu viel.
Leider läßt sich nur mit größerem Aufwand (oder per abzuwartendem Zufall) eine zeitlich konstante Temp-Diff von 1°C zwischen zwei Räumen für meine Versuche herstellen...

ISo wie der Tempfühler z.Zt. in der Foka installiert ist (ohne oberflächenvergrößerndes Gitternetz) , entwickelt er bei großen Tempdifferenzen (ca. 15°C) beim Abkühlen eine Reaktionsgeschwindigkeit von ca. 12,5 sec/°C, beim Erwärmen eine von ca. 36,5 sec/°C. 
Unser oben grob abgeleiteter Sollwert liegt bei 6sec/°C, Carsten (Lindemann) empfiehlt - wenn ich mich recht erinnere - einen 2 sec.-Fühler...

Wir werden also noch einen zusätzlichen, schnelleren Fühler einbauen...