対気速度計の校正1

対気速度計の校正を行うために1.5m低速風洞をお借りして実験を行いました。

気速計はCopalのロータリーエンコーダRE12D-100-201-1とIndoor airplane worldで販売されているプロペラを組み合わせて作りました。
F-tecで活動していた頃はエンコーダを自作していましたが、小型・軽量化には限界があるので、今回は市販品を使っています。

製作した対気速度計

エンコーダ+プロペラで気速計を作った場合、エンコーダが出力するパルス数を気速の値に直すためには換算計数を求める作業が必須ですが、今回はそれに加えて動特性と迎え角依存も測定しました。

少し長くなりそうなので、2回に分けて記事を書きます。

静特性の測定

はじめにもっとも基本的な、静特性の測定結果について述べます。

気速に対するカウント値の変化は下の図のようになりました。
測定は気速を上げる・下げるの2方向で行っています。（以下では行き・帰りと表現します）

気速に対するカウント値の変化

少なくとも今までの経験では、気速とカウント値の関係は線形でしたが、行きの測定の10m/sくらいまで、直線から外れた値が出ています。
原因は、測定時の気温が8℃と低く、エンコーダの軸を支えるベアリングのグリスの粘度が上がり、動摩擦が大きくなってしまったことだと考えられます。
それを検証するために気速計を冷凍庫で冷やし、指で回してみましたが、明らかに抵抗が増えていました。
実際に気速計を使用するのは、もっと気温の高い時期なので、実用上は問題がないと考えられます。

また、データシートによると、このエンコーダの最高周波数は10kHzとなっていますが、20kHz(=2000count)でもきちんと動作していることが見て取れます。

行きの直線から大きく外れた点を除いて、カウント値(x)から気速(y)を求める式をフィッティングで求めると、

No.1: y=0.35+0.0053x

No.2: y=0.65+0.0050x

となりました。
同時に試験した2機の換算係数の違いはわずかで、エンコーダ・プロペラの特性にばらつきが少ないことがわかります。

測定中にカウント値がふらつくことがわかったので、9.8m/sに気速を固定し、数分の間カウント値を記録し続けてどの程度のばらつきがあるかを調べてみました。
結果は下の図です。

カウント値のふらつき




カウント値の最大は1900、最小は1760、平均は1811、標準偏差は22となりました。
このデータをフーリエ変換したり、アラン分散を求めたりしてみましたが、ふらつきの原因はよくわかりませんでした。
（ピトー管など違う方式で取ったデータがあればセンサが原因なのか、風洞によるものなのかはわかると思います。）
少なくとも、標準偏差から測定した気速の精度は0.1m/s程度になるとは言えそうです。

ここまでの実験結果で気速計の基本的な特性がわかりました。
次回は動特性と迎え角依存の測定について書く予定です。

2011/2/27追記
今回の実験結果についてTwitter上で議論していただいたので、そのツイートをまとめておきました。