Aerodynamik/Rolltest

[Leonardi]

Jetzt erinnere ich mich. Richtig es muss der Reed Kontakt zwischen einem Tonfrequenzgenerator und dem Smartfone Mikrofoneingang liegen. (statt des Kondensators, den ich eingezeichnet habe.)

Es gibt verschiedene Bausätze zum Beispiel:
https://www.luedeke-elektronic.de/d...tor-Signalgenerator-250-Hz---16kHz-B1042.html
oder
http://www.rec-electronic.de/restpo...ten/ton-generator-bausatz---restposten--.html

Ich glaube nicht, das es unbedingt ein gutes Sinussignal sein muss, wenn doch dann gibt es hier zwei Schaltungen, die Sinusschwingungen erzeugen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Oszillatorschaltung

Gruß Leonardi

 

[labella-baron]

Es gibt verschiedene Bausätze zum Beispiel:

Ja, schon - ganz billig den.
Da kann ich ja gleich in den Keller und meine NE555-Schaltung modifizieren mit welcher ich vor 25 Jahren den km-Stand nach Batteriewechsel eingestellt habe
Aber ich fürchte was Fertiges für einen der nicht löten will oder kann wird man nicht finden.

Ist das denn zwingend, dass mit OKTAVE ein Pieps leichter erkennbar ist als ein Knacks direkt vom Reed-Kontakt?

 

[Leonardi]

Vielleicht wartest Du noch damit. Ich habe von @gyps ein Erfassungsgerät mit Atmega 328P zur Verfügung gestellt bekommen, welches jede einzelne Radumdrehung misst und auch noch viel genauer als der Polartacho. Der Polartacho kann bei 20 Zoll bis max. ca. 80 km/h messen und unter 1,4 km/h schaltet er ab. Der neue geht vielleicht bis 200-300 km/h und noch viel genauer, bin noch dabei das freidrehende Laufrad auf mindestens 150 km/h zu bringen:




Damit ich auch mal die Leistungverlußte Speichen, Messerspeichen, Scheibenabdeckung für die schnellsten vergleichen kann. Der neue hat noch bis ca. 0,27km/h (rote Kurve) nach unten gemessen.



In der Ersten Darstellung sieht man aber schon, das die Messungen mit Polar vertraulich waren. Das wir die beiden Kurven v(t) und v(s) nicht genau übereinander bekommen haben, ließ mich anfangs zweifeln.

*****************

Inzwischen habe ich v(t) und v(s) auch am Ende Deckungsgleich bekommen. Zuerst Abstände dt auf 0,01s verringert, brachte nur ganz wenig am Ende, wird aber notwendig wenns ganz genau sein soll. Habe Makro wo ich dt=1; 0,5; 0,2; 0,1; 0,01; 0,005 und beliebig variieren kann. Da tut sich bei < 0,01 s optisch nichts mehr. Aber es hat in keinster Weise ausgereicht die Kurven deckungsgleich zu bekommen.
Das habe ich plötzlich geschafft in dem ich Cw*A mit einem linear geschwindigkeitsabhängigen Faktor multipliziert habe. Habe mir Gerade durch zwei Punkte hier aus der Graphik gelegt 70kmh/0,8 und 20kmh/1,2:



Also Faktor = 0,08*v [km/h]+1,36

Das funktionierte auf Anhieb. Man kann sogar die beiden berechneten Kurven leicht unter die gemessenen bekommen.
Noch besser wird es gehen, wenn man kurve noch besser nachbildet, z.B: mit quadratischer Funktion.

Ich schreibe gerade um, will F_Luft+F_Roll als Funktion der Geschwindigkeit als Kurve ausrechnen.
0 = F_luft+F_roll + F_Steigung + F_Beschleunigung
F_luft+F_roll= - F_Steigung - F_Beschleunigung
F_l+r = -m*g*(dh[cm]/100) / ds - m*(v2-v1) / Δt

Da habe ich sofort die gesuchte Kurve F_Luft+F_Roll (v) und kann dann versuchen diese durch Regressionsfunktionen nachzubilden, bzw. mit der Tabelle wieder zur Probe zurückrechnen, ob die Kurven deckungsgleich sind.

Also für mich ist das schon fast ein Beweis, das Cw*A Geschwindigkeitsabhängig ist.

Gruß Leonardi

 

[Leonardi]

Leider zu ungenau bei Ausroll mit Polar, wenn zB. gleiche Geschwindigkeiten auftreten ist ja der Weg gleich, der Steigungswiderstand 0 und auch der Beschleunigungswiderstand 0, obwohl er das tatsächlich nicht ist, das gibt dann solche Sprünge. Mit der neuen Sache wo jede einzelne Radumdrehung gemessen wird, könnte das aber vermutlich gehen.



Also den neuen erst mal richtig zum laufen bringen.

Gruß Leonardi

 

[Nepomuk]

Ob knacken oder Sinus ist ohne Störgeräusche glaube ich egal. Ein richtiger Datenlogger ist natürlich besser.

Viele Grüße,
Nepomuk

 

[labella-baron]

Habe mir Gerade durch zwei Punkte hier aus der Graphik gelegt 70kmh/0,8 und 20kmh/1,2:

Das verstehe ich nicht.

 

[Leonardi]

Das verstehe ich nicht.

die Kurve Cw(v) habe ich durch eine etwas steilere Gerade ersetzt. Die Excel Datei wo man sieht, das dich v(t) und v(s) an die gemessene Ausroll gut anpasst, habe ich hier noch nicht beigefügt. Das sich das bis jetzt nicht gut angepasst hatte, liegt daran, das es eigentlich kein festes Cw gibt, wie allgemein angenommen. Sondern der Cw ist auch stark Geschwindigkeitsabhängig.

Gruß Leonardi

 

[Christoph S]

Das sich das bis jetzt nicht gut angepasst hatte, liegt daran, das es eigentlich kein festes Cw gibt, wie allgemein angenommen. Sondern der Cw ist auch stark Geschwindigkeitsabhängig.

Ich hatte bei der Rollwiderstands-Diskussion seinerzeit eine eine polynomische Funktion 3. Grades für v(t) und v(s) orakelt.
Kommt man (wenn man es wie Du richtig macht) mit geschwindigkeitsabhängigem Cw(v) auch dort hin?

fragt ahnungslos

Christoph

 

[labella-baron]

Macht es nicht mehr Sinn eine Spannung auf den Mikrophonkontakt vom Smartphone zugeben? Die meisten haben ja noch eine Klinke. Ich stelle mir das so for: Batterie Reed Spannungsteiler Mic-in

Nein, praktisch alle Smartphones haben ein Headset mit Mikrophon, d.h. der Klinkenstecker hat 4 Pole

Ob knacken oder Sinus ist ohne Störgeräusche glaube ich egal.

Habe also versucht diesen Weg zu gehen.

Der Smartphone-Mic-Eingang hat angeblich bei 3mV bereits Vollaussteuerung. Die NiMH-Zelle hat ca. 1,2V. Also einen entsprechenden Spannungsteiler aus zwei Widerständen gemacht. Der Fahrrad-Computer sollte natürlich weiterhin gehen, tat er aber nicht, als ich es anschloss - hm vielleicht die Polarität tauschen, tatsächlich dann ging er wieder. An seinen Kontakten ist die Spannung der Knopfzelle minus Diodenspannung. Hm die gelangt doch auch an den Smartphone-Eingang.

Dann einen 4-poligen-Klinkenstecker besorgt und in mein HTC-Smartphone gesteckt. Bisschen gemessen - ui, da kommen ja auch 2,5V am Mic-Eingang heraus - wohl zur Versorgung eines angeschlossenen Mikros. Also habe ich schon drei Spannungsquellen: Meine NiMH, den Computer und das Smartphone; eine brauch ich nur, also spar ich mir die NiMH-Zelle.

Das ging aber auch nicht: Wenn ich die Smartphone-Spannung an den Spannungsteiler anschließe liegt immer die gleiche Spannung am Eingang, ob der Reed-Kontakt den kleineren der beiden Widerstände kurzschließt oder nicht. Also kein Signal.

Die Smartphone-Spannung mittels Kondensator C abtrennen und nur die Wechselspannung vom kleinen Widerstand auf den Eingang legen - ging auch nicht, da der C mit jedem Impuls mehr geladen wurde, bis keiner mehr durchkam.

Dann habe ich die geteilte Spannung direkt auf den C gegeben und den kleinen Widerstand mittels Reed-Kontakt kurzgeschlossen, so dass die Spannung ständig zwischen 3mV und null mV wechselt.

Jetzt ist aber der Widerstand parallel zum Reed-Kontakt und wird vom Computer wahrgenommen, so dass dieser beleidigt ist und nichts mehr anzeigt. Ich hätte bei einem Ausrollversuch aber schon gern die Maximalgeschwindigkeit gemessen.

Nun, wenigstens hört man jetzt was - ob der Pegel passt oder die Impulse bereits übersteuern; keine Ahnung was dies für die Auswertung bedeutet:

 

[Leonardi]

keine Ahnung was dies für die Auswertung bedeutet:

Schön, deutlich zu sehen und zu hören. Macht @Nepomuk die Auswertung ? Wäre schön wenn man keinen zusätzlichen Tongenerator benötigt.

@labella-baron : nicht zu sparsam, lass doch dem Tacho seinen separaten Reed-Kontakt

Gruß Leonardi

 

[labella-baron]

@labella-baron : nicht zu sparsam, lass doch dem Tacho seinen separaten Reed-Kontakt

Bin nochmals weitergekommen:
Ein Fahrrad-Computer wertet ja beim Reed-Kontakt die Zustände Kurzschluss und unendlicher Widerstand aus.
Der Eingang des Smartphones ist sehr empfindlich.

Warum also nicht gleich die Spannung des Computers nutzen? Also habe ich so getan, als wäre der Widerstand unendlich, war er aber nicht: sondern 2,7 Megaohm! - Und siehe da der Computer zählt fröhlich vor sich hin. Als niedrigen Widerstand habe ich einen rauscharmen 10kOhm-Metallschicht genommen. An diesem ist dann der Pegel 8mV und null mV. Das Signal ist jedoch trotzdem stärker verrauscht - kann es wegen dem riesigen 2,7Mohm-Kohleschicht-Widerstand sein?
Jetzt stört mich eigentlich nur noch dieser Trennkondensator - sonst würde man alle Bauteile im Stecker unterbringen.

 

[Leonardi]

rauscharmen 10kOhm-Metallschicht

Metallschicht oder Kohleschicht verursacht selbst kein Rauschen. Hast Du zwischen dem Spannungsteiler und dem Smartfone noch einen baulich großen Trennkondensator, evtl. einen Elektrolytkondensator, der könnte bei Falschpolung Rauschen erzeugen ( oder auch so weil immer kleiner Leckstrom bei Elko).

Oder es kommt vom Tacho. Du könntest mit den beiden Polen eines Kopfhörer oder Verstärkereingang verschiedene Stellen abtasten um zu hören wo das Rauschen her kommt.

***
Habe jetzt den Atmega Geschwindigkeitsmesser von @gyps geprüft. Der misst tatsächlich bei 30m/s noch auf +-0,01 m/s genau. Muss noch erklären, wie ich das ohne Referenzmesser gemacht habe (*). Bin gespannt wie genau man das mit dem Reed oder einem Hallsensor und Tonaufzeichnung hinbekommt.

(*) Ich habe Speichenlaufrad auf 100 km/h gebracht mit F-Lite welchen ich noch gerade drauf hatte. v(t) gemessen mit Atmega. Dann habe ich nach längerem suchen eine Regressionsfunktion gefunden Typ v(t) = v0 /(1+(t/konst) ) die sich wunderbar an die gemessene v(t) anpasst. v0=100 km/h zum Zeitpunkt 0. Exponentialfunktionen passen sich da überhaupt nicht an. Irgend wie muss man auch die Funktion v(t) algebraisch herleiten können au der Beschleunigung, Kräftegleichgewicht. Man kommt zur Überlegung das F_Luft= rho/2*Cw*A*v^2 für das Laufrad gar nicht gelten kann, weil die Speichen an der Nabe mit ca. v=0 und außen mit v=2*pi*r*n beaufschlagt werden müssen. usw. das ist anderes Thema.

Jedenfalls habe ich aus den gemessenen v(t) die Beschleunigungswerte a(t) mit numerischer Differentation ausgerechnet.
Bei a(t) sieht man die kleinsten Schwankungen die man bei v(t) nicht mit dem Auge erkennen kann.
Das sind die schwarzen Kurven.

rote Kurven: Werte der Regressionfunktion v(t) und numerische Differentation a(t)

grüne Kurve: Werte der Regressionsfunktion mit Zufallszahl +-0,01 km/h beaufschlagt und diese numerisch differenziert.

Man sieht dann bei a(t) das die schwarzen Schwankungen bei (ich habe erst mal nur bis 27,75 m/s mit Bohrmaschine geschafft) nicht größer als die grünen Schwankungen sind. Das bedeutet das die Abweichungen der Messungen <0,01 m/s und nicht größer sind.

Mit Funktionsgenerator (Rechteckimipulsen) misst der noch ohne Ausfälle bis 150m/s = 540 km/h geschätzt immer noch < 0,5 m/s genau. Mit Hilti werde ich Laufrad auf ca. 200 km/h bekommen. Und dann möchte ich Speichen, Messerspeichen, einseitige und zweiseitige Verkleidung vergleichen. Kann ja so die aerodyn. Verlußte sehr genau ermitteln, bei 100 km/h ca. auf 0,3 Watt genau.

Gruß Leonardi

 

[Nepomuk]

Schön, deutlich zu sehen und zu hören. Macht @Nepomuk die Auswertung

vorab: spätere Beiträge habe ich noch nicht gelesen. Auswertung kann ich machen. Die Datei ist super zum Aauswerten sehr klare Signale kein rauschen, ganz einfach. Ich stelle hier dann Skript wieder ein, das heißt jeder mit Octave kann die Auswertung machen.

Den Rest lese ich später.
VG,
Nepomuk

 

[gyps]

Hallo Leonardi,

Habe jetzt den Atmega Geschwindigkeitsmesser von @gyps geprüft. Der misst tatsächlich bei 30m/s noch auf +-0,01 m/s genau

Freut mich, dass sich die Genauigkeit auch in Deinen Experimenten bestätigt hat.

Dann habe ich nach längerem suchen eine Regressionsfunktion gefunden Typ v(t) = v0 /(1+(t/konst) ) die sich wunderbar an die gemessene v(t) anpasst. v0=100 km/h zum Zeitpunkt 0. Exponentialfunktionen passen sich da überhaupt nicht an.

Das ist interessant. Eigentlich sollte es ja ein Tangens sein, aber die von Dir verwendete Hyperbel

(a-d)/(1+(t/c)^b)+d​

lässt sich wesentlich besser anpassen. Nun stellt sich mir natürlich die Frage: warum ist das so? Und welche Bedeutung haben die Parameter in der Realität? Ich habe Deine Daten eben einmal in Matlab reproduziert und das Fitting wird tatsächlich noch besser, wenn man der Gleichung noch einen weiteren Exponenten spendiert:

(a-d)/((1+(t/c)^b)^e)+d (wobei: [a b c d e]= [27.8946 0.9676 26.6396 -2.0128 1.3359])​

Macht das nun Sinn, oder ist das Overfitting? Oder wäre die richtige Regressionsfunktion (a-d)/((1+t/c)^e)+d.
Diese Frage lässt sich wohl nur beantworten, wenn man die Parameter in der Realität interpretieren kann.

In diesem Zusammenhang: Funktioniert diese Funktion auch bei "richtigen" Ausrollversuchen?

 

[gyps]

Man sieht dann bei a(t) das die schwarzen Schwankungen bei (ich habe erst mal nur bis 27,75 m/s mit Bohrmaschine geschafft) nicht größer als die grünen Schwankungen sind. Das bedeutet das die Abweichungen der Messungen <0,01 m/s und nicht größer sind.

Auch wenn hier mind. zwei Arten von Fehlern gemeinsam betrachtet werden (systematischer Approximationsfehler und stochastischer Messfehler plus ggf. weitere Fehler), denke ich, dass man so zumindest eine Abschätzung der Größe des Fehlers machen kann (in Ermangelung von "ground truth").

Ich habe hier noch einmal die Differenz der gemessenen Beschleunigung zur modellierten Beschleunigung betrachtet (als Schätzung des Messfehlers)

und man sieht, dass bei den höheren Geschwindigkeitsbereichen durchaus auch einzelne wenige "Fehler" über 0,1 m/s dabei sein können. (alle Beschleunigungen wurden wie bei @Leonardi über zentrale Differenzen ermittelt).

(EDIT: anbei noch der Matlab Quellcode)

 

[labella-baron]

Nun stellt sich mir natürlich die Frage: warum ist das so? Und welche Bedeutung haben die Parameter in der Realität?

War das schon mit Radverkleidungsscheiben?
Könnte es sein, dass der Anteil der laminaren Strömung also lediglich Scherkräfte an der Oberfläche und auch am profillosen Reifen eine größere Rolle spielt?

Wäre es eine 100% laminare Umströmung dann wäre nach Stokes die Luftwiderstandskraft proportional zur Geschwindigkeit. Im KFZ-Bereich geht man dagegen vereinfachend davon aus, dass die Luftwiderstandskraft proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist. Der Rechenfehler ist im Fall von teilweise laminar umströmten Körpern also gewaltig.

Nichtsdestoweniger darf man nicht vergessen, dass so ein Radauslaufversuch für den Fahrbetrieb nicht so aussagekräftig ist, da sich die Punkte auf dem Laufrad nicht auf einer Kreisbahn gegenüber der umgebenden Luft bewegen, sondern ein auf einer Zykloide:
Bei 100km/h ist die Geschwindigkeit am Reifenaufstandspunkt null und oben 200km/h - im Radkasten gegenüber der Luft nicht ganz so schlimm.

 

[labella-baron]

Metallschicht oder Kohleschicht verursacht selbst kein Rauschen. Hast Du zwischen dem Spannungsteiler und dem Smartfone noch einen baulich großen Trennkondensator

Es ist ein wohl 40 Jahre alter Folienkondensator. Aber auch ein neuerer kleiner Keramikkondensator brachte keine Besserung.
Habs jetzt auch ohne Kondensator probiert - aber da sind die Klicks nur noch sehr leise wahrnehmbar.
Das Rauschen kommt möglicherweise wirklich vom Fahrrad-Computer - muss ich noch verifizieren.

 

[Leonardi]

War das schon mit Radverkleidungsscheiben?

das war ohne Radverkleidung, nur Speichenlaufrad 20 Zoll mit 36 Speichen.

nicht so aussagekräftig ist, da sich die Punkte auf dem Laufrad nicht auf einer Kreisbahn gegenüber der umgebenden Luft bewegen, sondern ein auf einer Zykloide:

Bei meinem Quest ist das Laufrad im Radkasten vor seitlicher Strömung größtenteils geschützt und bei schnellen Streamlinern noch mehr.

Die : https://www.vda.de/dam/vda/publications/2016/FAT/FAT-Schriftenreihe_291.pdf
bezeichnen das als Ventillationswiderstand, in meinem Fall "zero Ventilationswiderstand" weil keine Anströmung.

Auf Seite 30 des pdf findet man auch Werte für den "zero Ventilationswiderstand" für glatte Scheiben ohne Anströmung. Ich komme bei 27,75 m/s mit Ersatzmasse 0,575 Kg auf F=m*a = 0,92 N für mein Speichenlaufrad D=530 mm. Die Speichen beidseitig mit glatten Carbonscheiben nach dem Diagramm mit etwa 0,5 N etwa halb so hoch.

Seite 17, 18 ist auch interessant, könnte man mit einer d=44 cm und 1,6cm dicken Sperrholzscheibe auch mal messen. "zero Ventilationswiderstand" geht ja so viel genauer als im Windmesskanal. Und J kann man auch genauer ermitteln.

Auch wenn hier mind. zwei Arten von Fehlern gemeinsam betrachtet werden (systematischer Approximationsfehler und stochastischer Messfehler plus ggf. weitere Fehler), denke ich, dass man so zumindest eine Abschätzung der Größe des Fehlers machen kann

Ich merke schon, Dein Spezialgebiet. Ja, mein Laufrad hat auch etwas vibriert bei 100 km/h, dadurch könnten auch Schwankungen der Messwerte vorliegen, welche tatsächlich auch vorhanden waren.

30m/s zu 0,01m/s wie 1,5m Reifenumfang zu ca.0,5mm beim Hallsensor - schon erstaunlich.

Taste "t" geht noch nicht. Morgen kommt mein Programmer für den Atmega ca.9,-€, dann kann ich das Programm auslesen.

Gruß Leonardi

 

[gyps]

und man sieht, dass bei den höheren Geschwindigkeitsbereichen durchaus auch einzelne wenige "Fehler" über 0,1 m/s dabei sein können

Das ist natürlich Unsinn... die Fehler der resultierenden Beschleunigungswerte liegen teilweise über 0,1 m/s² nicht die Messwertfehler.

 

[gyps]

Da immer eine Radumdrehung gemessen wird, denke ich, könnte man die gemessenen Zeiten ins Verhältnis zu den modellierten Zeiten setzen und dann die jeweils daraus resultierenden Geschwindigkeiten subtrahieren, um eine Schätzung für den Fehler zu erhalten. Das Ergebnis sähe dann so aus:

Die Fehler der Geschwindigkeiten liegen wohl nahezu immer unter 0,01 m/s (außer am Anfang, wo bei 100km/h einzelne Ausreißer dabei sind).