Giriş
Model roket motorunun performansı sahip olduğu toplam itici kuvvet ve ortalama itme kuvveti ile ölçülmektedir. Ölçülen bu değerler her bir motorun üzerinde harf ve rakamla belirtilir. Kuvvet ölçümleri basitçe mekanik olarak yapılabilirse de elektroniğin sunduğu nimetler sayesinde hemen hemen tüm ölçü aletlerinde (doğru, güvenilir ve pratik olması bakımından) elektronik aletler tercih edilmektedir. Bu yüzden ben de motorlarım için bir test cihazına ihtiyaç duyduğumda hiç düşünmeden elektronik bir test standı üzerinde karar kıldım.
Önceleri ürettiğim motorların performans testini geçip geçmediğinin yolunu basit olarak başarılı bir roket uçuşuna bağlıyordum. Eğer ürettiğim motor, roketi başarılı bir şekilde uçuruyorsa o motorun tasarım bilgileri ile diğer motorları üretiyordum. Elbette deneme-yanılma yoluyla süren bu çalışmaların sonucunu almam uzun zaman alıyor ve bu sonuçların hiç bir bilimsel dayanağı olmuyordu. Bu motorları test edilmeleri için birkaç üniversitenin araştırma laboratuvarına göndersem de testleri yapan kişilerin acemiliği ya da testlerin bana ulaşmasının zaman alması gibi değişik nedenlerden dolayı bir test cihazına sahip olmamın gerektiğine inandım. Bu amaçla kullanabilecek bir test cihazını piyasadan satın alamayacağımı (gerek maliyet ve gerekse işlerliği bakımından) fark edince bu cihazın tasarımını kendim yapmaya karar verdim. Zaten deneysel amatör roketçilik çalışmalarının özünde fabrikasyon üretime meydan okumak yatmaktadır.
Tasarım
Roket motorlarının üretmiş olduğu itici kuvveti ölçen cihazlar hemen hemen aynı tasarım prensibine dayanmaktadır. Bu tasarımda roket motorunun ürettiği kuvveti, bir yük hücresi çok düşük voltaja sahip elektrik sinyallerine dönüştürmektedir. Bu düşük voltajlı elektrik sinyalleri bir amplifikatörle yükseltildikten sonra bir sinyal dönüştürücü yardımıyla sürekli bir veri akışı sağlanmaktadır. Bu veriler uygun bir yazılımla sayısal olarak kaydedilebilir ya da dijital bir ekranda gösterilebilir. Bu prensibe dayanan tasarımlara gerek ticari ve gerekse deneysel çalışma bazında internetde rastlanabilir. Benim için en uygun böyle bir tasarıma Jimmy Yawn adlı Amerikalı bir deneysel amatör roketçinin web sitesinde rastladım ve kendisinden de destek alarak sitesinde yaptığı projesinin aynısını gerçekleştirdim. Bugüne kadar elde edemediğim en doğru ve mükemmel verileri bu cihaz sayesinde elde etmeye başladım. Teşekkürler Jimmy!.... Jimmy'nin projesi ve benim de gerçekleştirdiğim model roket motoru statik test standının başlıca öğeleri şunlardır:
- Yük Hücresi(Load Cell): Yük hücrelerinin yapısı bir kuvvet uygulandığında şekli bozulan ve bu şekil değişikliğine orantılı olarak düşük voltajda elektrik sinyali üreten bir gerinim ölçer ağından oluşmaktadır. Yaygın olarak kiriş ve halka tipi olmak üzere iki tipi kullanılmaktadır. Kiriş tipi yük hücreleri genellikle düşük seviyedeki kuvvetleri ölçtüğünden ben de 20 kg. kapasiteli kiriş tipi bir yük hücresi kullandım. Yük hücrelerinin montajında dikkat edilmesi gereken en önemli husus yerleştirildiği zeminin düz olması ve yük hücresine tam kapasitesinde kuvvet uygulandığında zemine değmeyecek şekilde havada sağlam bir şekilde kalmasıdır. Resim 3 de görüleceği üzere yük hücresini ağaç bir şasiye takılı uzun vidaların üzerine rondela ve pullarla destekleyerek sıkı bir şekilde sabitledim. Yük hücresinin bulunduğu şasi ve standı ucuz ve pratik olması bakımından ağaçtan yaptım. Ayrıca roket motorunun test esnasında sabitlenmesi için standa bir motor kundağı ekledim.
Resim 1 -- Standın genel görünümü Resim 2 -- Standın üstten görünümü Resim 3 -- Standın iç görünümü
- Amplifikatör: Benim gibi elektronikten pek anlamayan kişiler için rengi gibi tam bir kara kutu. İçerdiği o büyülü entegre devre ile yük hücresinin ürettiği milivolt düzeyindeki elektrik sinyalini volt düzeyine yükseltiyor. Aşağıdaki satırlarda bu kutuyla ilgili daha ayrıntılı bilgi vereceğim.
- Dataq DI-194 RS Sinyal Dönüştürücüsü: DATAQ Instruments şirketi tarafından satılan başlangıç düzeydeki kullanıcılar için tasarlanmış seri bağlantı noktalı veri toplama modülüdür. RS 232 kablosu ile bağlı bulunduğu bilgisayara saniyede 240 veri örneğini gönderebilmektedir. Şirket artık bu model yerine daha üst model olan DI-145 USB adlı modeli satmaktadır.
- WinDAQ Veri Toplama ve Kaydetme Yazılımı: DATAQ Instruments şirketinin donanım ürünleri ile kullanılabilen ve en önemlisi ücretsiz olan özel bir yazılımdır.Yazılım Windows XP, Windows Vista ve Windows 7 işletim sistemince desteklenmektedir. Yazılım verileri sinyal dalgası şeklinde kaydetmektedir. Kaydedilen veriler gerektiğinde tekrar okunup değerlendirilmektedir.
Resim 4 -- Model Roket Motoru Statik Test Standının genel görünümü
Load Cell Amplifikatör
Şekil 1 yük hücresine bağlı olarak kullandığım amplifikatör devresinin elektrik şemasını göstermektedir. Bu özel devrede güç kaynağı olarak iki adet 9V pil kullanılmaktadır. Amplifikatörün en önemli parçası olan INA 125 çipi Digi-Key adlı siteden temin edilebilir. Bu çipin teknik veri sayfası incelendiğinde yük hücresinde Wheastone köprüsü şeklinde düzenlenen dört adet gerinim ölçere ait çıkış voltajının INA 125 çipinin Vin+ ve Vin- uçlarına gitmesi gerektiği görülecektir. Ayrıca bu çıkış voltajının amplifikatör kazancını (voltaj büyültme faktörünü) ayarlamak için çipin 8 ve 9 no'lu ayakları arasına 1 K Sermet Potansiyometre (ayarlı direnç) bağlanmaktadır.
Şekil 1 -- INA 125 P Entegreli Load Cell Amplifikatör devre şeması
Elektronikten anlayan birinin devre şeması ve çipin teknik veri sayfasından yararlanılarak bu amplifikatörü yapması ve başarıyla çalıştırması hiç de zor olmamaktadır. Elektrik-elektronik ve haberleşme sektör üçgeninde yıllar boyunca kazandığı deneyimlerini öğrencilerine sunan Dokuz Eylül Üniversitesi İzmir Meslek Yüksek Okulu Öğretim Görevlisi Özgür Öz bu amplifikatörün gerek tasarımında ve gerekse yapımında desteklerini benden esirgememiştir. Kendisine bir kez daha buradan teşekkür ederim.....
Resim 5 -- Amplifikatörün dış görünümü Resim 6 -- Amplifikatörün iç görünümü
Veri Toplama
Model roket motorunun test edilmesi sırasında ortaya çıkan itme kuvveti yük hücresi tarafından düşük voltajlı elektrik sinyallerine dönüştürülür. Bu sinyaller amplifikatörde yükseltilir. Amplifikatörden çıkan bu sinyallerin değerlendirilmeleri için bilgisayar ortamına aktarılması gerekmektedir. Amplifikatörden gelen bu analog sinyallerin dijital sinyale çevrilme şarttır. Bu gerekliliği piyasada çok çeşitli modelleri bulunan ve aynı zamanda veri toplama işlevini de gören sinyal dönüştürücüler yapmaktadır. Çok çeşitli fiyat ve özelliklere sahip bu sinyal dönüştürücülerin benim için en uygunu olarak DATAQ Instuments şirketi tarafından satılan DI-194 RS sinyal dönüştürücüsünü kullandım. Bu kayıt modülünün giriş ucuna amplifikatörden gelen analog sinyal bağlanırken çıkış ucu RS-232 kablosu ile bilgisayarın RS-232(ya da seri) bağlantı noktasına bağlanır. Teste başlamadan önce muhakkak surette bu modülün kalibrasyonunun yapılması gerekmektedir. DATAQ Instuments şirketi artık DI-194 RS modelini satmamakta muadili olarak USB bağlantılı DI-145 modelini satmaktadır.
Resim 7 -- DI-194 RS Sinyal Dönüştürücüsü Resim 8 -- DI-145 Sinyal Dönüştürücüsü
Verilerin Değerlendirilmesi
Sinyal dönüştürücüden bilgisayara gelen dijital veriler ancak ücretsiz olan WINDAQ yazılımı ve sinyal dönüştürücü donanımına ait sürücünün bilgisayara kurulumu ile değerlendirilmektedir. WINDAQ yazılımı hem kayıt ve hem de okuma yazılımından oluşmaktadır. Kayıt yazılımı, bilgisayar ekranında görüntülenen gerçek zamanlı bir dalga görüntüsünün doğrudan ve sürekli olarak bilgisayara .wdq uzantılı bir dosya halinde kaydedilmesini sağlar. Verilerin kaydedilmesine başlanmadan önce ve sinyal dönüştürücünün kanallarına bağlı test cihazından gelen verilerin toplanması amacıyla; kanalların etkinleştirilmesi, sinyal örnek hızının belirlenmesi, kazanç ve ölçüm aralığının belirlenmesi ve giriş sinyallerinin kalibre edilmesi gibi bazı ön işlemlerin dikkatlice yapılması verilerin güvenirliliği açısından çok önemlidir. Okuma yazılımı, .wdq uzantılı şekilde kaydedilmiş dosyadaki dalga forumundaki verinin istenilen zaman aralığını (test anını) seçip o aralıkta mevcut olan veri akışını .csv uzantılı olarak kaydedilmesini sağlar. Bu .csv uzantısına sahip dosya aynı zamanda Excel simgesine sahip olup Excel formatında açılmaktadır. Excel formatına bilimsel gösterimde kaydedilen veriler Excel hücrelerinin sayı formatında biçimlendirilmesinden sonra genellikle çizgi grafiği şeklinde gösterilir. Bu grafik gösteriminde X yatay ekseni saniye olarak zamanı gösterirken Y dikey ekseni newton olarak itme kuvvetini göstermektedir.
Deneysel olarak yürüttüğüm model roket motor üretim çalışmalarına, bu statik test standından aldığım veriler büyük ışık tutacak!...
Resim 9 -- Windaq Kayıt Yazılımı