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Elektronische Schwerpunktwaage

Dies ist eine Beschreibung des (Nach-)Baus einer elektronischen Schwerpunktwaage für Modellflugzeuge, basierend auf einem existierenden Opensource-Projekt (Quelle siehe #Referenzen).

Inhalt

1.1. Highlights
1.2. Messprinzip
1.3. Mechanik
1.4. Elektronik
1.5. Software
1.6. Einstellungen und Betrieb
1.7. Zusammenfassung
1.8. Referenzen

1.1. Highlights

  • simpler mechanischer Aufbau
  • ebene Holzplatte (25cm x 50cm)
  • nutzbar bis 20kg (mit anderen Wäagesensoren auch mehr)
  • integriertes OLED Display (Wifi Kit 8) ausreichend für Messung und Tara
  • integrierter Tara-Button (Wifi Kit 8)
  • WEB-Oberfläche für alle Einstellungen
  • Modelldatenbank
  • Akkubetrieb (LiIon)
  • integrierte Ladeelektronik (Wifi Kit 8)
  • Genauigkeit besser 1mm

Zum Teil wurden Anpassungen/Modifikation an den existierenden Projekten durchgeführt mit dem Ziel:

  • Nutzung eines ESP8266 basierenden "Wifi Kit 8", zur Vereinfachung von Lötarbeiten, da ein OLED, eine Akku-Ladeeletronik und ein Taster bereits integriert sind
  • mechanisch einfachste Lösung, zur stabilen Vermessung von Modellflugzeugen bis 20kg

1.2. Messprinzip

Physikalisch wird die kontinuierliche Massenverteilung eines Modellflugzeugs auf 2 Messpunkte reduziert. Mittels einer geeigneten Mechanik und zweier Kraftsensoren, misst man die Gewichtskräfte mit hoher Genauigkeit und kann rechnerisch daraus, bei bekanntem Abstand der Messpunkte, den Schwerpunkt bestimmen. Die Formel hierfür lautet:
x s = m 2 m 1 + m 2 x 2

Ist ein mechanischer Anschlag für die Nasenleiste verbaut, dann kann mittels des Abstands dieses mechanischen Nasenleistensanschlages x1 zur vorderen Gewichtsmessung, der im Modellflug übliche Abstand des Schwerpunkt von der Nasenleiste bestimmt werden. Die Formel lautet dann:
x n = x 1 + x s = x 1 + m 2 m 1 + m 2 x 2

mit den folgenden Definitionen:

x1
Abstands des mechanischen Nasenleistensanschlages vom Messpunkt der Masse m1 (vorn)
x2
Abstand des Messpunktes der Masse m2 (hinten) vom Messpunkt der Masse m1 (vorn)
xs
Abstand des Schwerpunkts des Messkörpers (Modellflugzeug), vom vorderen Messpunkt
xn
Abstand des Schwerpunkts des Messkörpers (Modellflugzeug), vom mechanischen Nasenleistensanschlages
m1
Masse am Messpunkt 1 (vorne)
m2
Masse am Messpunkt 2 (hinten)

Anders als die üblichen Ansätze, wird hier jedoch nicht versucht das Modell mittels oft wackeliger Stützen unter der Fläche zu "wiegen", sondern es wird als einfache flache längliche Waage aufgebaut, auf der das Modell auf werkstattüblichen Auflagen des Rumpfes stabil liegt und weitgehend alle Messstörfaktoren eliminiert. Hierbei ist es vollkommen egal, wo die Rumpf-Auflagen positioniert sind.

Es gibt nur folgende Punkte auf die geachtet werden muss:

  • die Rumpfauflagen müssen vor der Messung auf die Waage aufgelegt werden und mit der Tara-Funktion genullt werden.
  • die Rumpfauflagen sollten bei der Messung nicht verschoben werden, was ansonsten zu kleinen Ungenauigkeiten (je nach Gewicht) führen kann.
  • Das Modell sollte so unterlegt werden, dass die Profilsehne horizontal ausgerichtet ist, damit der Anschlag (Kohlestäbe) für die Nasenleiste keine Messfehler ergibt.

1.3. Mechanik

Um dem Wiegebrett eine gut seitliche Stabilität zu verleihen, wurden auf die Wäagezellen ein 10mmx10mm Aluprofil quer zur Wäagezellenausrichtung aufgeschraubt. Bei den ersten Versuchen des Bau dieser Waage, wurde das obere Brett vorn fest mit dem Aluprofil verschraubt. Hinten wurde es lediglich frei aufgelegt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass schon durch diese starre mechanische Verbindung eine Biegemoment auf die vordere Wäagezelle gebracht wird, was zu erkennbaren Messfehlern führt. Deshalb wurde die Verbindung des vorderen Aluprofils mit der oberen Holzplatte mittes zweier Kugelgelenke ausgeführt, die eine Torsionkraft der oberen Auflage auf die vordere Wäagezelle ausschließt.

Auf die hintere Wäagezelle wurde auch ein Aluprofil aufgeschraubt, das allerdings nur auf zwei, auf der oberen Holzauflage aufgeklebte, Alu-L-Leisten aufliegt und mittels einer kleine Menge Lagerfett leichtgängig gemacht wurde. Damit diese Gleitauflage beim Transport der Waage nicht aufklappen kann, wurden noch eine Holzleiste mit übermaßigem Distanzstück aufgeschraubt, die ein aufklappen der oberen Auflage verhindert.

Für die Anschläge der Flächennasenleiste wurde eine Vierkantleiste mit exakt gebohrten 5mm Bohrungen versehen und mit dem Auflagebrett exakt im 90° Winkel verklebt.

1.4. Elektronik

Für die beiden 10kg-Wäagesensoren, muss je ein HX711-Adapter angeschlossen werden, der die Wheatsone-Brücke versorgt und die Differenzspannung mit hoher Auflösung messen kann.

Die HX711-AD-Wandler können leicht auf der Unterseite des Wiegeauflage befestigt werden und sind dann nicht mehr im Weg. Da das untere Brett 5cm länger ausgeführt wurde, kann hier der Mikrokontroller mit OLED ein eine Art Frontblende eingebaut werden. Ein Schalter und eine kleiner LiIon-Akku (ICR 10440) mit 350mAh sorgen für die Stromversorgung.

Da das Wifi Kit 8, bei Anschluß über USB am Batterieausgang eine Ladespannung für den LiIon-Akku liefert, ist natürlich eine exakte Spannungsmessung und Anzeige sinnvoll. Damit dies gewährleistet ist, sollte mit einem guten Meßgerät die Spannung am Batterieeingang gemessen und über die Konfigurations-Fein-Einstellungen der Widerstandswerte R1 und R2 so angepasst werden, dass die Spannungswerte genau angezeigt werden.

So kann sehr kompfortabel die Waage ohne Kabel benutzt und ohne weitere Hardware einfach im eingeschalteten Zustand mit einem Micro-USB-Kabel wieder aufgeladen werden.

1.5. Software

Die Software kann leicht mit dem Arduino IDE, das für ESP8266 kompatible Wifi Kit 8 gebaut und hochgeladen werden. Eine Anleitung ist unter https://github.com/nightflyer88/CG_scale/wiki/Firmware-V2.x-auf-ESP8266-laden zu finden.

Der Author hat auf einem Fork des tollen und gut gemachten OpenSource Projekts [CG scale] die Anpassungen für das Wifi Kit 8 gemacht und veröffentlich:

Hier kann die Software geholt, gebaut und hochgeladen werden. Zusätzlich zur Orginal von nightflyer88 wurde folgendes eingebaut:
  • Anpassungen für das kleinere Display des Wifi Kit 8
  • Angepasstens Wifi Kit 8 Pinout
  • Oberer Taster des Wifi Kit 8 dient als Tara Button
  • Bugfix für zu kleine Wifi Passwort und Unterstützung von Sonderzeichen
  • Bei Konfiguration des Akku-Typs wird nun der Batterie-Lade-Zustand in Prozent und die Akkuspannung angezeigt
  • die im SPIFFS Filesystem integrierten HTML Dateien sind nun ohne Komprimierung, was in der Web-Ansicht eine spürbare Beschleunigung ergibt.

1.6. Einstellungen und Betrieb

Vor der Nutzung müssen einige Wert sehr genau eingestellt und kalibriert werden. Hierzu sind die Wäagesensoren zuerst mit einem genau bekannten Referenzgewicht zu kalibrieren, was mit der Web basierten Konfigurationsseite recht gut funktioniert. Danach in der Web-Oberfläche die Werte für die mechanischen Abstände eingetragen, was aber nicht so einfach ist wie es zuerst aussieht. Da alle Bauelemente der Wäägezellenauflage deutlich von 1mm abweichende Abmessungen haben, ist schon das Vermessen des effektiven Abstandes X2 der oberen Auflagen-Abstandes nicht einfach. Da der feste Abstand X2 hier mit ca. 490mm relativ groß gewählt wurde, ist der vermittelte Abstand der beiden Alu-Aufnahmeprofile vermutlich ein guter Wert. Schwieriger wird es schon mit dem, bei diesem gewählten Aufbau, negativen Wert des Abstandes der Nasenleistenposition vom effektiven Druckpunkt des vorderen Wäagesensors. Vorausgesetzt, dass die Bohrungen für die Stäbe für den Anschlag der Nasenleiste sehr exakt, gleichmäßig und senkrecht ausgeführt sind und die Leiste danach auch exakt im rechten Winkel auf die obere Wäageauflage befestigt worden ist, hat sich die exakte Mittel des vorderen Aluprofils als wirklich korrekte Position herausgestellt. Da sich hierbei jede Abweichung vom korrekten Wert direkt auf jedes Messergebnis auswirkt, wurden noch mittels eines speziell hergestellten Referenzgewichts mit exakt ausgewogenem, also bekanntem Schwerpunkt, Prüfmessungen durchgeführt, was hat den Mittelpunkt des Aluprofils als korrekte Position bestätigt. Damit wären alle für die exakte Schwerpunktermittlung notwendigen Werte genau bestimmt.

Als sehr brauchbar hat sich der im Wifi Kit 8 integrierte Taster, der als Tara-Button hinzu programmiert wurde, erwiesen. Da die Wheatstone-Bücken der Wäagesensoren cirka 30s-60s benötigen, um stabile Werte zu liefern, kann die Waage so auch wirklich ohne Rechner oder Smartphone betrieben werden. Man kann einfach warten bis die Anzeige auf dem Display nach dem Einschalten stabile Werte liefert oder auch nachträglich Unterleg-Material hinzufügen und die Tara-Funktion direkt an der Waage nutzen.

1.7. Zusammenfassung

Wie hier beschrieben, kann eine wirklich brauchbare und genaue elektronische Schwerpunktwaage gebaut werden. Allerdings sind Erfahrungen im genauen Bau von mechanischen Komponenten, der elektronischen Bauteile und nicht zuletzt beim Programmieren/Flashen des Mikrokontrollers notwendig. Wer diese Hürden nehmen kann, kann sich ein Messinstrument bauen, das mit hoher Genauigkeit und vor allem tollen mechanischen Eigenschaften glänzt, wie man es kaum auf dem Markt kaufen kann.

Selbst teure mechanische Waagen mit Kugellager und in Metallausführung können hier nicht mithalten. Um hier vergleichbar genaue Werte zu erhalten, sind nämlich auch hier die mechanischen Ungenauigkeiten der Drehachsen der beiden Flächenauflagen ohne jegliche Verspannung und Versatz unter beiden Flächen notwendig, was bei Modellen in der 10-20kg Klasse praktisch nicht möglich ist.

Auch elektronische Schwerpunktwaagen mit Flächenauflagen haben hier ihre Probleme, da ein Verspannen der Streben zwischen den Messsensoren sofort zu Fehlern führt, was bei hohen und/oder schweren Rümpfen kaum zu vermeiden ist.

Mit dem hier gezeigten Aufbau als ebene Platte mit festem Abstand zwischen den Sensoren und einer sauberen mechanischen Entkopplung entledigt man sich zum großen Teil dieser Probleme.

Author R.Stransky, 07/2020

1.8. Referenzen

RC-Network
[Thread Schwerpunkt-Waage-mit-Arduino]
OpenSource-Projekt CG scale
["CG scale" auf GitHub (by nightflyer88)] (aktuell nicht für Wifi Kit 8 geeignet/pull request pending)
angepasstes OpenSource-Projekt CG scale
["CG scale" auf GitHub (by Pulsar07)] (für Wifi Kit 8 geeignet)
Wifi Kit 8
[ESP8266 basiertes Board mit integriertem OLED und Akku Ladeelektronik]