Schwingen Verboten Der automatische elektrorheologische Resonanzdämpfer Sarah Rosenblatt Elisa Kromer Aqsa Waris an der Lichtenbergschule Europaschule, MINT-Excellence Center, Internationale Begegnungsschule Ludwigshöhstr. 105 Zusammenfassung Schwingen verboten! – Der automatische elektrorheologische Resonanzdämpfer Während des letzten Projektes im vergangenen Jahr haben wir einen Prototyp eines Elektrorheologischen Resonanzdämpfers (ERD) entworfen. Dabei handelt es sich um einen statischen Resonanzdämpfer, der durch einen EigenschwingungsfrequenzShift eine entstehende Resonanz verhindert. Allerdings musste unser Prototyp manuell betätigt werden. Damit der ERD sinnvoll in praktischen Anwendungen eingesetzt werden kann, ist jedoch eine automatische Funktionsweise nötig. Deswegen ist das Ziel dieses Projektes, einen automatischen Steuermechanismus zu entwickeln. Dieser soll so aussehen, dass Beschleunigungssensoren erkennen, wenn sich eine starke Schwingung ausbildet und somit die Gefahr einer Resonanz besteht. Durch eine Signalauswertung bekommt in diesem Fall das Hochspannungsgerät den Befehl, Spannung an die Elektroden des ERD anzulegen. Dadurch wird die Eigenschwingungsfrequenz in einen unkritischen Bereich verschoben, ohne dass manuell gehandelt werden musste. Die Ausbildung einer Resonanz wird somit automatisch verhindert. Eine Problematik des Steuermechanismus ist, dass die Sensorsignalauswertung (Steuerstromkreis) mit minimalen Spannungsströmen arbeitet, der Leistungsstromkreis zum Aktivieren des ERDs jedoch eine Hochspannung erfordert. Die erste von uns überlegte Schaltung, über einen Transistor, ist nicht fähig mehrere Kilovolt zu schalten. Es wäre also nicht möglich, den Leistungsstromkreis mit dem Steuerstromkreis zu koppeln. Dieses Problem lösen wir, indem wir einen Hochspannungs-schaltfähigen IC verwenden. In diesem Fall fällt der Transistor weg. Um die Effektivität unseres ERD zu verbessern, müssen wir unter anderem das Risiko von Undichtigkeiten und die Gefahr von Lufteinschlüssen reduzieren. Dazu haben wir Veränderungen in der Konstruktion vorgenommen, wie zum Beispiel das Einfüllen über befestigte Schläuche, die mit Schlauchklemmen abgedichtet werden. Außerdem haben wir uns überlegt, den ERD mit einer Vakuumpumpe zu befüllen, um Luftblasen zu verhindern. So können wir zusätzlich einen kleineren Abstand zwischen den Elektroden wählen. Für die Schwingungsmessung verwenden wir Beschleunigungssensoren, die mit dem Prinzip des Differenzialkondensators funktionieren und ein analoges Spannungssignal ausgeben. Zur Signalauswertung verwenden wir einen IC, der es ermöglicht signalabhängig ein Hochspannungsgerät ein- bzw. aus zu schalten. Durch die Hochspannung ändert sich die Viskosität unserer ERF und ein Eigenschwingungsfrequenz-Shift wird erzeugt. 1 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 3 2 Physikalische Grundlagen 3 2.1 Elektrorheologische Flüssigkeit 2.2 Schwingungen und Resonanzdämpfung 2.3 Steuer- und Regeltechnik 3 Verbesserter Prototyp 3 4 5 7 4 Konstruktion des Steuermechanismus 4.1 Sensor 4.1.1 Funktionsprinzip Differentialkondensator 4.1.2 Der ADXL 320 4.2 Signalauswertung 4.2.1 Monostabile Kippstufe 4.2.2 Der NE555 5 Diskussion 5.1 Stelle der Befestigung der Sensoren 5.2 Warum XYZ555 statt Transistor 5.3 Steuern oder Regeln? 5.4 Ladung am Ausgang des Hochspannungsgerätes 5.5 „Eigensteifigkeit“ des Dämpfers 5.5 Ausblick 6 Literaturverzeichnis 7 Danksagung 8 Anhang 2 1 Einleitung Während des letzten Projektes im vergangenen Jahr haben wir einen Prototyp eines Elektrorheologischen Resonanzdämpfers (ERD) entworfen. Dabei handelt es sich um einen statischen Resonanzdämpfer, der durch einen EigenschwingungsfrequenzShift eine entstehende Resonanz verhindert. Allerdings musste unser Prototyp manuell betätigt werden. Damit der ERD sinnvoll in praktischen Anwendungen eingesetzt werden kann, ist jedoch eine automatische Funktionsweise nötig. Ziel dieser Arbeit ist es, eine automatische Funktionsweise des ERD, durch einen elektrischen Steuermechanismus, zu entwickeln. 2 Physikalische und technische Grundlagen Im Wesentlichen müssen wir bei der Entwicklung des automatisch gesteuerten ERD neben den physikalischen Themen Elektrorheologie und Schwingungslehre vor allem die Prinzipien der Steuer- und Regeltechnik berücksichtigen. 2.1 Elektrorheologische Flüssigkeit Eine Elektrorheologische Flüssigkeit (ERF) kann ihr Fließverhalten beziehungsweise ihre Viskosität durch Anlegen einer Spannung verändern. Für diese Viskositätsänderung benötigt man eine Hochspannung von ca. 5000 Volt, aber nur eine geringe Stromstärke von ca. 1 Milliampere. Eine Gries-Öl-Mischung ist eine alltägliche Suspension, die diese Eigenschaft aufweist. Im Grunde besteht jede ERF aus einem elektrisch nicht leitendem Öl - der Trägerflüssigkeit - und bestimmten darin suspendierten Mikropartikeln, die den eigentlichen Effekt verursachen. Wenn man diese Suspension in ein elektrisches Spannungsfeld gibt, dann richten sich die elektrischen Ladungen in den Mikropartikeln zu den Elektroden aus. Man kann sich vorstellen, dass sich eine gewisse Anordnung, zum Beispiel Ketten der Teilchen bildet. Abb. 1 „ Teilchenanordnung in einer ERF“ a) Ohne angelegte elektrische Spannung b) Mit angelegter elektrischer Spannung 3 Durch diese Teilchenanordnung in der ERF wird die Beweglichkeit der Flüssigkeit beeinträchtigt, das heißt die Viskosität nimmt zu. Wie stark sich die Viskosität verändert, ist abhängig von dem Abstand der Elektroden, von der Zusammensetzung der elektrorheologischen Flüssigkeit und besonders von der angelegten Spannung. Der Abstand der Elektroden sollte nicht zu groß sein, weil die Wirkung des elektrischen Feldes von den Elektroden zur Mitte hin nachlässt. Das bedeutet, dass bei einem zu großem Abstand der Effekt in der Mitte zwischen den Elektroden ziemlich schwach wird und sozusagen ein Teil der Flüssigkeit verschwendet wird. Das Thema der Teilchenanordnungen in ERFs ist im Detail noch nicht ganz erforscht. 2.2 Schwingungen und Resonanzdämpfung Bei vielen natürlichen und technischen Vorgängen können schwingende Bewegungen auftreten. Schwingende Bewegungen pendeln um einen Ausgangspunkt (Ruhelage) hin und her. Beispiele für schwingende Systeme sind der Pendel einer Standuhr, das vibrierende Auspuffrohr eines Fahrzeuges, oder Vibrationen, die von Lautsprechern, insbesondere bei Basstönen, verursacht werden. Schwingungen können für technische Anwendungen erwünscht sein: Uhrenpendel, Schallschwingungen von Musikinstrumenten oder Lautsprechern. Schwingungen können aber auch unerwünscht auftreten und sogar zur Zerstörung von Konstruktionen und Maschinen führen: unerwünschte Vibrationen in Fahrzeugen, störende Vibrationen von Lautsprechern, gefährliche Tragflächenschwingungen bei Flugzeugen, usw. Wenn man ein schwingfähiges Objekt einmal anstößt, schwingt es für eine bestimmte Zeit mit einer bestimmten Frequenz weiter. Diese Frequenz ist die so genannte Eigenschwingungsfrequenz. Amplitude 4 2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0,5 Antr 1,0 iebs freq uen z/Eig enfr equ enz D äm pf un g 0 0,0 1,5 2,0 1,4 Abb. 2 „Resonanzkatastrophe“ Amplitude einer erzwungenen Schwingung in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen Antriebs- und Eigenfrequenz und der Dämpfung. Die Resonanzkurve wird mit abnehmender Dämpfung schärfer und führt bei geringer Dämpfung zur Resonanzkatastrophe. 4 Es gibt verschiedene Möglichkeiten Resonanzschwingungen zu verhindern. Am einfachsten wäre es die einwirkende Kraft zu verhindern, also erst gar keine Schwingungen anzuregen. Das ist jedoch in der Praxis nicht möglich, weil im technischen Bereich, bei sich bewegenden Teilen, immer Kräfte wirken, die bei periodischem Auftreten Schwingungen verursachen. Um die Amplituden der Schwingung so klein wie möglich zu halten, also eine ausgeprägte Resonanz zu verhindern, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine Möglichkeit ist, die Anregungsfrequenz und die Resonanzfrequenz weit auseinander zu legen. Dafür müsste die Steifigkeit von mechanischen Teilen so weit erhöht werden, dass es unwahrscheinlich ist, dass die Resonanzfrequenz mit der Anregungsfrequenz übereinstimmt. Die Steifigkeit von technischen Konstruktionen zu verringern wäre theoretisch auch denkbar, würde aber dazu führen, dass die Stabilität des Bauteils verloren geht. Neben der Steifigkeitsveränderung können auch gezielt elastische Schwingungsdämpfer verwendet werden. Ein Nachteil von elastischen Schwingungsdämpfern, z.B. aus Gummi ist die Gefahr der Materialermüdung, insbesondere bei ständiger mechanischer Belastung. Eine andere Möglichkeit ist die Schwingungsdämpfung durch Stoßdämpfersysteme mit beweglichen Teilen. Häufig werden dabei Gase oder Öle unterschiedlicher Viskosität in Kombination mit Federsystemen und Ventilen zum Ein- und Ausströmen der Gase oder Flüssigkeiten verwendet. Ein Nachteil von diesen Schwingungsdämpfern mit bewegten Bauteilen ist ihre mechanische Komplexität und die damit verbundene Anfälligkeit für Defekte oder ein hoher Wartungsaufwand. Das Prinzip welches wir für unseren statischen Resonanzdämpfer verwenden, beruht im Wesentlichen darauf, die Anregungsfrequenz und die Resonanzfrequenz nicht oder nur sehr kurz übereinstimmen zu lassen. Dabei reicht allein eine Änderung des Elastizitätsmoduls der schwingenden Fläche um eine Schwingung zu dämpfen. 2.3 Steuer- und Regeltechnik Um den ERD automatisch auf kritische Schwingungen reagieren zu lassen, ist eine Steuer- oder Regeltechnik notwendig. Unter einer automatischen Steuerung versteht man einen Prozess, bei dem eine Ausgangsgröße zielgerichtet abhängig von einer bestimmten Eingangsgröße beeinflusst wird. Eine Steuerung funktioniert nach dem Prinzip der Steuerkette: Signalgeber (misst Eingangsgröße und gibt ein größenabhängiges Signal ab) – Steuereinrichtung (verstärkt oder wandelt das Signal des Signalgebers um) – Stellglied (schaltet den Arbeitsstromkreis bzw. öffnet oder schließt eine Leitung) Im Gegensatz zu einer automatischen Regelung kann eine Steuerung keine Störungen ausgleichen. Wir stellten uns die Frage, ob wir für unser Problem eine Regelung brauchen oder eine Steuerung. Bei der automatischen Regelung wird eine zu regelnde Größe (Regelgröße) fortlaufend gemessen und mit einem vorgegebenen Sollwert (Führungsgröße) verglichen. Wenn ein Unterschied zwischen den beiden Werten besteht, wird entsprechend des Unterschieds eine Beeinflussung vorgenommen, so dass die 5 Regelgröße dem Sollwert entspricht. Die Regelung bildet im Gegensatz zur Steuerung einen geschlossenen Wirkungsablauf mit Rückkopplung, bei dem die Regelgröße fortlaufend sich selbst beeinflusst. Da wir keine Störungen, wie zum Beispiel Spannungsschwankungen, ausgleichen müssen und weil wir keine bestimmte Schwingungsamplitude einstellen wollen, brauchen wir keine Regelung. Für die Steuerung des ERD genügt es, wenn bei einer bestimmten Schwingungsamplitude ein Eigenschwingungsfrequenz-Shift vorgenommen und somit die Schwingung reduziert wird. 3 Verbesserte Simulationsfläche Die von uns während der Jufo Arbeit 2008 gebaute ERD-Simulationsfläche war vom Design und von der Anfertigung noch verbesserungsfähig. Deshalb haben wir eine neue optimierte Simulationsfläche konstruiert, die sich aufgrund eines geringeren Elektrodenabstands (1-2mm) und einer vergrößerten Elektrodenfläche, durch eine größere Effizienz auszeichnet und zusätzlich durch die kompaktere Form eine stabilere Bauweise ermöglicht. Für die Simulationsfläche haben wir eine 300mm x 120mm x 2mm große Kunststoffplatte verwendet. Die Platte hat einen ovalen, ca. 200mm x 80 mm großen, Ausschnitt, der als Hohlraum für die ERF dient. Auf die Ober- und Unterseite der Platte sind zwei gleichgroße ca. 0,8mm dicke Kunststoffplatten geklebt. Die Innenseiten dieser beiden Platten sind mit Kupferfolie beklebt, die als Elektroden dienen. Platten (0,8mm dick) Elektroden ERF-Kammer (ca. 2mm dick) Abb. 3 „Konstruktionsschema der Simulationsfläche - Querschnitt“ Um die ERF luftblasenfrei einfüllen zu können, enthält die obere Platte an einer Seite zwei Einfülllöcher von ca. 6mm Durchmesser, in die zwei Kunststoffschläuche eingeklebt sind. Wir füllten die ERF mit einer Spritze durch einen der Schläuche, bis die ERF an dem anderen Schlauch wieder herauskam. Nach dem Füllen verschlossen wir beide Schläuche mit Hilfe von selbstgebauten Schlauchklemmen. Abb. 4 „Konstruktionsschema der Simulationsfläche“ 6 4 Konstruktion des Steuermechanismus Für die automatische Steuerung des ERD brauchen wir einen Sensor, der ein schwingungsabhängiges elektrisches Signal erzeugt. Mit Hilfe dieses Signals muss im Falle einer bestimmten Schwingungsstärke ein Hochspannungsgenerator geschaltet werden, damit Hochspannung an die ERD-Elektroden angelegt wird und dadurch ein Eigenschwingungsfrequenz-Shift entsteht. Um bei einem bestimmten Sensorsignal das Hochspannungsgerät einzuschalten, muss das Sensorsignal mit Hilfe einer monostabilen Kippstufe (Monoflop) ausgewertet werden. Überschreitet das Sensorsignal einen bestimmten Spannungswert, so wird der Monoflop ausgelöst und gibt für eine bestimmte Zeit ein Spannungssignal von 4 Volt aus. Der Ausgang des Monoflops dient der Ansteuerung einer Hochspannungsquelle, die proportional zur Eingangsspannung von Null Volt (Monoflop nicht ausgelöst) oder 4Volt (Monoflop ausgelöst) eine Hochspannung von Null Volt (ERD nicht aktiviert) beziehungsweise 4000 Volt (ERD aktiviert) liefert. Der Steuermechanismus funktioniert nach folgender Steuerkette: Abb. 5 „Steuerkette automatischer ERD“ 4.1 Sensor Als Schwingungsaufnehmer sind verschiedene Sensoren denkbar. Folgende Eigenschaften sollte der von uns benötigte Sensor haben: Kurze Ansprechzeit, Sensitivität für geringe Schwingungsstärken und einen möglichst großen Frequenzbereich, geringe Größe und Gewicht, kostengünstig und robust. Neben piezoelektrischen Sensoren erfüllen vor allem kapazitive Sensoren diese Anforderungen. Wir entschieden uns für einen Beschleunigungssensor, der mit dem Prinzip eines Differenzialkondensators funktioniert. 7 4.1.1 Funktionsprinzip Differentialkondensator Bei Beschleunigungssensoren mit dem Differentialkondensator-Prinzip misst der Sensor die Beschleunigung über das Kapazitätsverhältnis zweier kombinierter Kondensatoren. Die Kondensatoren sind so nebeneinander angeordnet, dass sie eine gemeinsame mittlere Kondensatorplatte haben. Die mittlere Kondensatorplatte ist federnd beweglich und mit einer seismischen masse verbunden, die proportional zu den Beschleunigungskräften ausgelenkt wird. Dadurch erhöhen beziehungsweise verringern sich die Abstände zu den festen Kondensatorplatten und die Kapazitäten ändern sich. Das Kapazitätsverhältnis C1 zu C2 ist proportional zur Beschleunigung. Abb. 7 „Differentialkondensator“ 4.1.2 Der ADXL 320 Der von uns verwendete Sensor ADXL320 von Analog Devices ist ein kleiner, 4mm x 4mm x 1,45mm, niedrig-Strom, 2-Achsen Beschleunigungssensor mit amplitudenabhängiger Spannungsausgabe zwischen 2,4Volt und 5,25Volt (Anschlussspannung Vs= 3V). Der Sensor misst Beschleunigungen im Bereich von +/- 5g. Die Frequenzbandweite ist von 0,5 Hz bis 2500Hz limitiert. Mit Demodulationstechniken wird das Ausmaß und die Richtung der Beschleunigung bestimmt. Der ADXL 320 wurde von uns so konfiguriert, dass nur Schwingungen in einer Achse aufgenommen werden. Der Sensor wurde so auf der Simulationsfläche befestigt, das Transversalschwingungen, die senkrecht zur Plattenfläche verlaufen gemessen werden. Abb. 8 „Pinbelegung ADXL 320“ 8 4.2 Signalauswertung Um mit dem Sensorsignal eine Hochspannungsquelle zu Schalten gibt es theoretisch verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise könnte ein Transistor verwendet werden Denkbar wäre auch ein Optokoppler oder ein elektromagnetisches Relais. 4.2.1 Monostabile Kippstufe Ein Monoflop ist eine Schaltung, die für eine wählbare Zeit ein verändertes logisches Signal ausgibt: Ist z.B. das elektrische Ausgangssignal des Beschleunigungssensors > 1V, so wird z.B. das Ausgangssignal des Monoflop für 1s von logisch 0=0V auf logisch 1=4V gesetzt. Nach dieser Zeit geht das Signal wieder auf logisch 0 = 0V. Der Vorteil einer monostabilen Kippstufe ist, dass Sie als Timer funktioniert und eine Schaltung für eine bestimmte, einstellbare Zeit auslöst. Nach Ablauf der Zeit schaltet die Kippstufe automatisch auf „Aus“, bis Sie durch eine bestimmte Eingansspannung wieder „An“ schaltet. Mit Hilfe dieser Timer Funktion kontrolliert die Kippstufe in kurzen Zeitabständen (ca. 1 Sekunde), ob eine starke Schwingung vom Sensor gemessen wird. Ist die Schwingung gering, bleibt die Kippschaltung „Aus“, das Hochspannungsgerät wird nicht aktiviert. Sobald jedoch eine kritische Schwingung vorliegt sendet der Sensor eine Spannung an den Monoflop und dieser springt auf „An“. Der Monoflop wandelt so zu sagen das analoge Spannungssignal in eine Ja/Nein-Entscheidung, also eine digitale Information um. 4.2.2 Der NE555 Wir haben den NE555 mit einem 1µF Kondensator und einem 2,7MΩ Widerstand so konfiguriert, dass er eine Schaltperiode von ca. 10 Sekunden bietet. Durch Variation der Kondensatorkapazität und des Wiederstandes lassen sich auch andere Zeitintervalle einstellen. T= 1,1 x R1 x C1 (vereinfacht). Abb. 9 „Konfiguration ADXL 320“ 9 4.3 Hochspannungsverstärker Das vom Monoflop ausgehende Spannungssignal steuert direkt den Hochspannungsverstärker. Bei 4 Volt Steuerspannung erzeugt das Hochspannungsgerät 4000 Volt Ausgangsspannung, die an die Elektroden des ERD angelegt ist. 5 Ergebnisse und Diskussion Abb. 6 „Schaltung auf der Platine“ 5.1 Ergebnis und Ausblick Mit der erfolgreichen Konstruktion einer automatischen Steuerung können wir zeigen, dass es möglich ist einen automatisch funktionierenden elektrorheologischen Resonanzdämpfer zu bauen. Für die Anwendung in der Praxis ist das Design noch weiter zu optimieren und den jeweiligen Gegebenheiten in Form und Ausführung anzupassen. 5.2 Stelle der Befestigung der Sensoren Eine schwingende Platte, wie unsere Modellfläche, kann in sinus-wellenförmige Schwingungen versetzt werden. Bei der Anregung in Resonanzfrequenz bilden sich so genannte stehende Wellen aus, die Knotenpunkte bilden. In den Knotenpunkten ist die Schwingung gleich Null. In den Bereichen zwischen den Knotenpunkten werden die höchsten Amplituden erreicht. Für unseren Versuchsaufbau ist es wichtig, dass der Sensor nicht an der Stelle eines Knotenpunktes befestigt wird. 10 6 Literaturverzeichnis [1] Datenblatt „ADXL320“ von Analog Devices [2] Datenblatt „NE555“ von ST Microelectronics [3] www.emt.tugraz.at/publications/diplomarbeiten/dauntersweg/prinzipkaplaenge.gif [4] www.as-workshop.de „Die wichtigsten Sensoren“ [5] www.aectech.at (Automatisierungstechnik GmbH) [6] www.siemens.com/buildingtechnologies „Regeltechnik“ [7] www.eduhi.at/gegenstand/obis/data/SRT_3_Klasse_RV__ZHZDZH.pdf [8] www.elektronik-kompendium.de 7 Danksagung Wir danken allen die uns dabei geholfen haben diese Arbeit zu erstellen. Insbesondere danken wir - Unserem Projektbetreuer Dr. Milan Dlabal, der uns wichtige Hinweise zum Inhalt und formalen Aufbau dieser Arbeit gegeben hat und uns bei den Versuchen und der Gestaltung der Steuerung hervorragend motiviert und unterstützt hat. - Felix Heidt für die Informationen über Elektrotechnik und die Unterstützung bei unseren Experimenten. - Fludicon ( Fluid Digital Control), für die zur Verfügung gestellte ERF (RheOil®) mit bestem Dank an Dr. Johnston für die freundliche Beratung und Hilfe bei dem Design der Simulationstragfläche. - Ulrich Veit, der uns großartig beim Erstellen der Simulationsflächen geholfen hat. - Azar Divshali, die immer ein offenes Ohr für unsere Probleme und Fragen hatte und uns beim Zurechtfinden in der Physiksammlung bestens geholfen hat. - Elias Most, für die hervorragenden kleinen und großen Hilfen während der praktischen Arbeit und den guten Tipps für die Erstellung der schriftlichen Arbeit. 8 Anhang Abb. 1 „Teilchenanordnung in einer ERF“ Aus: „Polymerbasierende elektrorheologische Flüssigkeiten und ihre haptische Wirkung in einem Modellaktorsystem“, Mario Baumann, 2005, Würzburg. Abb. 2 „Resonanzkatastrophe“ 11 Aus „Erzwungene Schwingungen“ Uni Tübingen. www.uni-tuebingen.de/uni/pki/skript_ppt_0607/Schwingung_Erzwungene.ppt Abb. 3 „Konstruktionsschema der Simulationsfläche - Querschnitt“ Abb. 4 „Konstruktionsschema der Simulationsfläche“ Abb. 5 „Steuerkette automatischer ERD“ Abb. 6 „Schaltung auf der Platine“ Abb. 7 „Differentialkondensator“ Aus: www.emt.tugraz.at/publications/diplomarbeiten/dauntersweg/prinzipkaplaenge.gif Abb. 8 „Pinbelegung ADXL 320“ Aus: Datenblatt „ADXL320“ von Analog Devices Abb. 9 „Konfiguration ADXL 320“ Aus: Datenblatt „ADXL320“ von Analog Devices 12