close

Vores nyhedsbreve

close
Når du tilmelder dig nyhedsbrevet, accepterer du både vores brugerbetingelser og at Mediehuset Ingeniøren og IDA group ind i mellem kontakter dig angående events, analyser, nyheder, tilbud etc. via telefon, SMS og e-mail. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.
rumfart på den anden måde cs banner bloghoved

LOX i passende mængder, 1. del.

Af Emil Møller

Lad mig først introducere mig selv: Mit navn er Emil Møller. Jeg er nok én af dem, som har været gode til at holde sig ude af rampelyset, selvom jeg har været med i CS et godt stykke tid. Og alligevel ikke helt, da jeg i sin tid startede med at arbejde på Nautilus. Det var også i den periode, jeg erhvervede et duelighedsbevis sammen med resten af ubåds-gruppen. Jeg startede i ubåds-gruppen, fordi jeg savnede at arbejde med praktiske ting til afveksling for mit studium. I dag er jeg færdiguddannet som civilingeniør i elektroteknologi; men jeg nyder stadig at lave praktiske ting i ny og næ, som f.eks. da jeg var med til at sejle affyringsplatformen “Sputnik” til Bornholm.

Men nu til sagen: Det er ingen hemmelighed, at vi hos CS i lang tid har ønsket et bedre system til at afmåle LOX (liquid oxygene) på diverse teststande såvel som på raketterne. Ikke mindst med sommerens opsendelse blev det klart, hvor vigtigt det er at kunne afmåle LOX og ætanol korrekt.

Der findes mange forskellige, kommercielle industrisensorer til niveaumåling, men det er de færreste niveaumålere, der er velegnede til kryogene væsker og især LOX med et kogepunkt på -183 °C. Der findes dog off-the-shelf sensorer, som er beregnet til niveaumåling af LOX, men de er så kostbare, at vi ikke kan tillade os at anvende dem på en engangsraket.

Vi har indtil nu brugt vejning af LOX ved tankning af raketter, men som vi tidligere har beskrevet, er det ikke uden problemer. Med ætanol går det dog væsentligt nemmere.

Foto Mads Stenfatt /CS
Foto: Foto Mads Stenfatt /CS

Jeg satte mig derfor for at udvikle en niveaumåler til LOX, som er billig nok til at kunne anvendes på de fremtidige raketter. Jeg vil i denne blog beskrive tankerne bag designet af LOX-måleren, valg af teknologi og design af selve proben. I næste blog vil jeg komme ind på designet af elektronikken. Lad os dog først lige se lidt på resultaterne fra sidste test:

Plot: Thomas Pedersen /CS
Foto: Plot: Thomas Pedersen /CS

Som det ses, er signalerne forholdsvis pæne. Sensoren var stabil inden for ±200 mL, hvilket er en markant forbedring i forhold til vores erfaringer med afvejning. Vi skrev i en tidligere blog, at niveaumålingen endte med en negativ værdi, hvilket var underligt, da LOX proben starter ved 17L. Det viste sig, at vi havde fået plottet væskehøjde (cm) i stedet for volumen. Volumenmålingen, som blev vist på den monitor, Rune Hensel anvendte ved påfyldning, var korrekt.

En ulempe ved det nuværende design for LOX-sensoren er, at elektronikken og proben er forbundet med et coaxialkabel.

Foto: Emil Møller / CS
Foto: Foto: Emil Møller / CS

Det var lidt svært at tage et billede af coaxialkablet, men på billedet ovenfor ses en hvid elektrikerboks, som indeholder elektronikken. Denne var forbundet til proben via det sorte coaxialkabel.

Problemet med coaxialkablet er, at det ændrer kapacitans, når det bøjes. Det var nok til, at det kunne ses på målingerne.

Problemet kan løses ved at placere elektronikken i umiddelbar forlængelse af proben eller ved at anvende et kabel, som ikke kan bøje sig. Når vi ikke har valgt denne løsning i første omgang skyldes det, at proben er i kontakt med LOX, så elektronikken kan blive udsat for en kritisk lav temperatur. Det kan naturligvis løses f.eks. ved at forlænge proben et stykke væk fra tanken og ved opvarmning. (Nej, der er desværre ikke plads til en hårtørrer i NEXØ II’s maskinrum.)

Det er planen at fremstille en ny version af proben til NEXØ II. Jeg håber, at elektronikken ender med at være placeret i forlængelse af proben, men inden skal det afklares med forskellige designgrupper, og det bliver også nødvendigt at designe et nyt “juletræ”.

NEXØ I’s “juletræ”.  Foto: Thomas Pedersen / CS.
Foto: NEXØ I’s “juletræ”. Foto: Thomas Pedersen / CS.

Målingsmetoder

Der findes mange forskellige metoder til niveaumåling med hver deres fordele, ulemper og anvendelsesområder. Jeg skal spare jer for opremse en masse forskellige metoder og nøjes med at beskrive de 3 metoder, som jeg finder mest velegnede, nemlig radar-, trykdifferens- og kapacitiv niveaumåling.

Illustration: Emil Møller / CS.
Foto: Illustration: Emil Møller / CS.

Radar kan anvendes til at måle afstanden fra toppen af tanken og ned til overfladen af LOXen. Udfordringen ved metoden er, at reflektionskoefficienten for LOX er meget lav, mens refleksionerne fra LOX-tanken er høj. Kompleksiteten ved at anvende radar kan hurtigt blive stor, især fordi frekvensen er høj, hvilket sætter krav til PCB-udlægningen. Fordelene er til gengæld, at systemet er let, og der er ikke nogen probe, som skal i kontakt med LOXen. Samtidigt er det muligt at flytte elektronikken væk og nøjes med at placere antennen i tanken.

Trykdifferens fungerer ved at måle trykdifferensen af væskestanden (ca. 100 mbar pr 1 meter). Metoden er meget anvendt i industrien, men udfordringen ved metoden er, at sensoren skal kunne tåle et absolut arbejdstryk på 30 bar, og det gør den kostbar.

Kapacitiv niveaumåling kan nemmest illustreres med en parallel pladekondensator, hvor kapacitansen bestemmes af pladernes areal, afstanden mellem pladerne og dielektriciteten mellem disse. Og netop det forhold, at kapacitansen ændres af dielektriciteten, gør, at det er muligt at måle et niveau. Udfordringen ligger dog i, at permittiviteten er meget lav for LOX: 1,5-1,6 ved -183°C mod 1 for de fleste gasser. Til sammenligning kan det nævnes, at drikkevand har en permittivitet på 80 ved 20°C.

Ovenstående princip for kapacitiv niveaumåling er her forklaret i en video.

Som de fleste nok at gættet, har jeg valgt at designe niveaumåleren med kapacitiv måling; simpelthen fordi det var den metode, jeg fandt lettest at designe og fremstille.

Design af proben En kapacitiv probe kan designes på mange forskellige måder, men typisk er den udformet som to rør med forskellige diametre, hvor det ene rør er placeret inde i det andet. Valget skyldes, at det både giver et stort areal og dermed større kapacitans og en god mekanisk stabilitet samt afskærmning.

Når man ser på den opnåelige kapacitans, ser man hurtigt, at der er tale om meget små værdier selv med rør-i-rør-proben. Kapacitansen for denne type probe er giver ved:

7
Illustration: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/capcyl.html
Foto: Illustration: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/capcyl.html

Hvor,

9

a,b er radius for hvert rør, se illustration L er længden på rørene k er permittiviteten for dielektumet

Hvis vi antager, at det ydre rør er Ø12 mm med en godstykkelse på 1 mm og det indre rør er Ø6; begge med længden 700 mm, er kapacitansen for proben med en gas som medium:

10

Hvis vi derefter antager, at tanken er fyldt op, og mediet nu består af LOX, bliver kapacitansen:

11

Det giver en deltaværdi på kun:

12

En anden mulighed, jeg har tænkt på, er at udnytte, at tanken er fremstillet i aluminum. Den kunne anvendes som ydre elektrode, så man kunne nøjes med et enkelt rør til midterelektroden for at opnå en vægtreduktion af proben. Men det har sine ulemper ved, at der vil opstå ulinearitet ved enderne af tanken, og probens kapacitans bliver endnu mindre.

Hvis man anvender en tank som ydre elektrode, vil delta kapacitans være:

12

hvis vi ser tanken som et simpelt rør hvor dimensionerne for det ydre rør er Ø300 mm og det indre Ø10 mm og med en længde på 700 mm.

For at undgå for meget bøvl med ulineariteter valgte jeg at gå videre med rør-i-rør-metoden. Den nuværende probe er 2. version, eller - det vil sige: den første version lykkedes jeg ikke med. Jeg valgte at fremstille den første version i aluminium for at få en let probe. Jeg løb dog ind i problemer med at indsætte afstandsstykker mellem de to rør. I mellemtiden kunne vi låne en professionel probe, som viste sig at være fremstillet i rustfri stål. Takket være dette materiales stivhed kunne man nøjes med afstandsstykker i enderne af proben.

Tegning af første version: Rune Hensel / CS.

Til den 2. version af proben opstillede jeg følgende krav til Peter Meincke: * Proben skal være udformet af to rør: et indre og et ydre. * Proben skal kunne holde til et arbejdstryk på 30 bar * Elektroderne skal være af rustfrit stål

Her er resultatet af Peter Meinckes flotte arbejde:

Foto Peter Meincke / CS
Foto: Foto Peter Meincke / CS

Den yderste elektrode forbindes til stel for at undgå udefrakommende støj. Ringen under møtrikken er en mejerikobling, som er blevet en “standard” i NEXØ-designet.

Længdeudvidelseskoefficient En sidste ting, som man skal være opmærksom på, er længdeudvidelseskoefficienten. Hvis man kigger godt efter på NEXØ I, kan man se, at de to kabelbakker har en overgang, som man også kender det fra vejbroer; simpelthen for at undgå at kabelbakken brækker i stykker ved nedkøling. Faktisk trækker tanken sig op til 5 mm sammen når tanken nedkøles med LOX.

Det samme gør sig naturligvis gældende for LOX-proben. Da proben nu er fremstillet i rustfri stål og tanken består af aluminium, skal der tages højde for forskellen i længdeudvidelseskoefficienterne i designet af fixturen. Det betyder derfor at for at undgå at proben bliver mast sammen, må proben ikke fastgøres til begge ender af tanken eller være i samme længde som tanken.

Foto: Carsten Olsen / CS
Foto: Foto: Carsten Olsen / CS

Se vores seneste film **Building a Capacitive Liquid Oxygen Level Sensor **

Næste afsnit: Næste del af bloggen vil omhandle designet af elektronikken.

Carsten Olsens billede
Carsten Olsen
er et af flere medlemmer af Copenhagen Suborbitals, der skriver på denne blog.

Kommentarer (14)

Tak for en fin blok.

Super upgrade og lækkert at det er løst.
Fraværet af dette tilbagevendende problem giver nok nogen lettelses suk. :-)

Vil det ikke være muligt at placere en klods plast imellem probe og elektronik boks, som giver tilstrækkelig med isolering til at elektronikken - evt med en varme modstand - kan holde sig i et fornuftigt arbejdsområde?
Det er vel primært probe ledningerne der bringer kulden ind til elektronikken.

Off topic:
Problemet ved NEXØ1 opsendelsen var vel ikke så meget det at måle LOX niveauet, men mere at varme optaget igennem den uisolerede tank gav mere GOX end udluftningsventilen kunne håndtere.

Er der nogen der kender status på det?
større ventil diameter + isolering?
Nu skal juletræet jo over knæet igen :-)

  • 4
  • 0

Det er netop proben og ledningen som bringer kulden ind til elektronikken. Jeg har planer om bestemme varmefluxen, ved at måle temperaturen to steder på proben lige foran elektronikken. Samme måde som ved strømmåling, hvor strømmen kan bestemmes ved at måle spændingen over en kendt modstand.

En god ting er dog at proben er fremstillet i rustfri stål, som har en meget lav varmeledningsevne i forhold til de fleste andre metaller.

  • 4
  • 0