Wie misst man den Kraftstoffdurchfluss einer Drohne?

Turbinensensoren eignen sich besonders für Kraftstoffe mit niedriger Viskosität wie Benzin und sind daher eine gute Wahl für UAVs, die mit Verbrennungsmotoren (ICE) betrieben werden. Diese Sensoren bieten eine gute Wiederholbarkeit und hohe Messgenauigkeit über einen weiten Bereich von Durchflussraten.

Turbinensensoren enthalten jedoch bewegliche Teile. Stellen Sie sicher, dass der Kraftstoff frei von Verunreinigungen und Luftblasen ist, und überprüfen Sie die beweglichen Komponenten regelmäßig auf Verschleiß.

2.2 Durchflussmessgeräte mit positiver Verdrängung

Wie Turbinen-Durchflusssensoren messen Durchflussmessgeräte mit positiver Verdrängung (PD) die volumetrische Durchflussrate. Anstelle der Drehzahl eines Impellers verwenden sie jedoch bewegliche Komponenten wie Zahnräder oder Kolben, um den fließenden Kraftstoff in kleine, feste Volumina zu trennen. Jede Bewegung überträgt eine bekannte Menge an Kraftstoff durch den Zähler. Die Durchflussrate wird berechnet, indem gezählt wird, wie oft sich dieser Vorgang im Laufe der Zeit wiederholt.

Abbildung 2: Schematische Darstellung eines Durchflussmessgeräts mit positiver Verdrängung

Aufgrund ihrer mechanischen Konstruktion eignen sich PD-Sensoren gut für die Messung niedriger Durchflussraten und können eine hohe Messgenauigkeit bieten.

Jedoch können Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität durch kleine Spalte lecken und die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Flüssigkeiten mit höherer Viskosität wie Diesel reduzieren den internen Schlupf und verbessern die Genauigkeit.

2.3 Ultraschall-Durchflussmessgeräte mit Laufzeitmessung

Diese Ultraschallsensoren senden Schallpulse in und gegen die Kraftstoffflussrichtung. Die Differenz der Laufzeit wird verwendet, um die Fließgeschwindigkeit zu bestimmen und die volumetrische Durchflussrate zu berechnen.

Abbildung 3: Schematische Darstellung eines Ultraschall-Durchflusssensors

Da Ultraschall-Durchflusssensoren keine beweglichen Teile haben, die den Kraftstofffluss behindern, verursachen sie im Allgemeinen nur geringe zusätzliche Druckverluste.

Die Laufzeitmessung erfordert jedoch eine ausreichende akustische Übertragung durch den Kraftstoff; übermäßige Blasen oder suspendierte Materialien können das Signal streuen.

2.4 Thermische Durchflussmessgeräte

Thermische Sensoren schließen den Durchfluss aus einem beheizten Messelement ab, das misst, wie viel Wärme durch die vorbeiströmende Flüssigkeit abgeführt wird, wodurch der Sensor die Massendurchflussrate bestimmen kann.

Abbildung 4: Schematische Darstellung eines thermischen Durchflusssensors

Wie Ultraschallsensoren haben thermische Sensoren keine beweglichen Teile, was den mechanischen Verschleiß reduziert. Da ihre Messungen von den thermischen Eigenschaften des Kraftstoffs abhängen, müssen diese Sensoren auch entsprechend für die zu messende Flüssigkeit kalibriert werden. Sie bieten außerdem eine gute Empfindlichkeit bei niedrigen Durchflussraten. 

Jedoch können sich Verunreinigungen auf dem Messelement ansammeln und die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Die Kraftstoffkompatibilität ist eine weitere wichtige Überlegung, da viele thermische Sensoren für Gase und nicht für flüssige Kraftstoffe ausgelegt sind.

3. Messung der Kraftstoffdurchflussrate mit dem Flight Stand 60

Der Tyto Robotics Flight Stand 60 verwendet einen in Reihe geschalteten Kraftstoffdurchflusssensor vom Turbinentyp mit einem Messbereich von 20 bis 800 mL/min. Weitere Informationen finden Sie im Datenblatt hier.

Kraftstoffdurchflussmessungen können während der Prüfung von Verbrennungsmotoren zusammen mit Schubkraft, Drehmoment, Drehzahl, Temperatur und Fluggeschwindigkeit aufgezeichnet werden.

Diese synchronisierten Messungen ermöglichen es Ingenieuren, die Kraftstoffzufuhr unter verschiedenen Motorbetriebsbedingungen zu untersuchen.

Um die Kraftstoffdurchflussrate zu messen, folgen Sie zunächst dem Benutzerhandbuch, um den Flight Stand 60 einzurichten und Ihren Verbrennungsmotor und Propeller zu montieren. Befolgen Sie anschließend die unten aufgeführten Schritte, um den Kraftstoffdurchflusssensor zu installieren und zu konfigurieren.

3.1 Hardware-Installation:

1. Nehmen Sie die folgenden Artikel aus der Flight Stand 60 Auxiliary Sensor Box (SKU: FP37):

• Kraftstoffdurchflusssensor-Kit:
  • Kraftstoffdurchfluss-Wandlereinheit
  • Jeti Kraftstoffdurchflusssensor und Verstärker
  • Kabel und Schraubklemmen 
  • Kraftstoffdurchflusssensor und Kraftstofftank-Stützplatte

2. Öffnen Sie das Kraftstoffdurchflusssensor-Kit, nehmen Sie die Stützplatte heraus und legen Sie sie flach auf eine Werkbank, wie in der Abbildung unten gezeigt:

Abbildung 5: Stützplatte mit 6 Löchern links und 4 Löchern rechts

3. Installieren Sie den Kraftstoffdurchflusssensor auf der Stützplatte mit dem Einlass links und dem Auslass rechts. Verwenden Sie die M3-Schrauben und Sicherungsmuttern. Achten Sie darauf, die Muttern auf derselben Seite wie den Durchflusssensor zu installieren, wie unten gezeigt:

Abbildung 6: Kraftstoffdurchflusssensor auf der Platte, Einlass links und Auslass rechts

4. Installieren Sie die Kraftstoffdurchfluss-Wandlereinheit auf der Stützplatte mit zwei M5-10-mm-Senkkopfschrauben und zwei M5-Muttern.

Abbildung 7: Stützplatte mit Kraftstoffdurchflusssensor und Kraftstoffdurchfluss-Wandlereinheit

5. Bereiten Sie eine 5-V-DC-Stromquelle vor, die über die 2-POS-Schraubklemme an die Wandlereinheit angeschlossen werden kann; dies kann ein beliebiges 5-V-Netzteil auf dem Markt oder ein USB-Verlängerungskabel sein, bei dem VCC und GND an der richtigen Position der Schraubklemme angeschlossen sind; stellen Sie sicher, dass die Schraubklemme vollständig festgezogen ist.

Abbildung 8: USB-Kabel mit 5V und GND an die Kraftstoffdurchfluss-Wandlereinheit

6. Verbinden Sie die Jeti-Verstärkereinheit auf der einen Seite mit dem weißen JST-Stecker und den 2,54-mm-Stecker der anderen Seite mit dem Brown - Red - Orange (BRO) Eingang der Wandlereinheit.

Abbildung 9: Jeti-Verstärker-Verbindungen an der Kraftstoffdurchfluss-Wandlereinheit [B: Braun, R: Rot, O: Orange]

7. Verbinden Sie den Jeti-Durchflusssensor mit der Kraftstoffdurchfluss-Wandlereinheit über das grüne JST-Kabel (SKU: 47CG).

8. Verbinden Sie die 5-V-Stromversorgung (USB oder Netzteil).

Abbildung 10: Kraftstoffdurchflusssensor und Wandlereinheit vollständig installiert und verbunden auf der Stützplatte

9. Führen Sie die Kraftstoffleitung nicht ein, bis Sie bereit sind, den Kraftstofftank zu installieren.

10. Installieren Sie die mit dem Durchflusssensor und der Wandlereinheit montierte Stützplatte auf den oberen L-Klammern des Flight Stand 60 hinter der FMU; stellen Sie sicher, dass der Kraftstoffdurchflusswandler und die Kraftstoffdurchflusssensoren nach unten zeigen und Sie einen freien Platz oben auf der Platte hinter der FMU haben; Sie können den Kraftstofftank anschließend auf der Platte installieren.

Abbildung 11: Installieren Sie die Stützplatte mit den nach unten zeigenden Sensoren 

Anziehdrehmoment:

• M6 - 30 mm Flaschenkopfschraube und Muttern: 12 Nm

11.  Verbinden Sie die Kraftstoffdurchfluss-Wandlereinheit seitlich mit der FMU (RPM-Port).

Abbildung 12: Stecken Sie das 3-POS JST-Kabel vom Kraftstoffdurchflusswandler in den RPM-Port der FMU

12. (optional): Sie können eine benutzerdefinierte Stützplatte entwerfen, um Ihren Kraftstofftank oben auf der Kraftstoffsensor-Stützplatte zu montieren

Abbildung 13: Kraftstofftank hinter dem FMU auf einer benutzerdefinierten Halterplatte (nicht im Lieferumfang enthalten)

13. Sie können dann die Kraftstoffleitung für den Motor vorbereiten. HINWEIS: Stellen Sie den Gashebel auf AUS, schließen Sie den CHOKE und stellen Sie sicher, dass die Zündanlage AUS ist, wenn Sie die Kraftstoffleitung vorbereiten.

14. Sie können den Kraftstofftank direkt auf der Halterplatte für Kraftstofftank und Durchflusssensor platzieren, direkt hinter dem FMU; Sie müssen eine eigene Befestigung anfertigen, um den Kraftstofftank zu sichern, wie in Abbildung 13 gezeigt.

15. Bereiten Sie drei Abschnitte von Kraftstoffleitungen vor, die verbunden werden sollen:

• Kraftstofftank zum Öldruckfilter
• Öldruckfilter zum Kraftstoffdurchflusssensor
• Kraftstoffdurchflusssensor zum Vergaser am Motor

16. Schneiden Sie die Kraftstoffleitungen auf die richtige Länge und setzen Sie dann für jede Leitung zwei Schellen ein, außer für die Leitung, die in den Kraftstofftank führt.

17.  Bereiten Sie einen Öldruckfilter vor und überprüfen Sie sorgfältig die Ein- und Austrittsseite.

Abbildung 14: Kraftstofffilterrichtung

18.  Stecken Sie einen Abschnitt der Kraftstoffleitung in den Einlass des Öldruckfilters und führen Sie das andere Ende zum Kraftstofftank; befestigen Sie die Leitung mit einer Schelle, um die Dichtigkeit des Filters zu gewährleisten.

19. Stecken Sie einen weiteren Abschnitt der Kraftstoffleitung  in den Auslass des Öldruckfilters und verbinden Sie das andere Ende mit dem Einlass des Kraftstoffdurchflusssensors; befestigen Sie die Leitung an beiden Enden mit Schellen, um die Dichtigkeit zu gewährleisten.

20. Stecken Sie den letzten Abschnitt der Kraftstoffleitung in den Auslass des Kraftstoffdurchflusssensors und verbinden Sie das andere Ende mit dem Öleinlass des Vergasers; befestigen Sie die Leitung an beiden Enden mit Schellen, um die Dichtigkeit zu gewährleisten.

21. Verwenden Sie eine Handpumpe, um Kraftstoff zum Motor zu fördern, damit der Motor starten kann; der Motor startet nicht im trockenen Zustand.

3.2 Softwareeinrichtung:

Der Sensor liest den Durchfluss als Impulse und hat einen unteren Grenzwert von 20 ml/min. Bitte stecken Sie den Durchflusssensor-Konverter immer in den Drehzahlanschluss des FMU. Obwohl es auch möglich ist, ihn an die DAQ-Einheit des Flight Stand anzuschließen, empfehlen wir dies aufgrund der begrenzten Kabellänge nicht.

Zur Einrichtung des Kraftstoffdurchflusssensors:

1. Stecken Sie den Sensor ein und versorgen Sie ihn mit 5 V, öffnen Sie dann die Flight Stand-Software.

2. Gehen Sie zum Tab Hardware -> ETS60-FMU -> finden Sie Drehzahl, klicken Sie auf die kleinere Zahnrad-Schaltfläche rechts und stellen Sie den Teiler auf 1.

Abbildung 15: Teiler-Einstellung für Durchflusssensor

3.  Gehen Sie dann zu Eingangsübertragung -> Neu, mit den folgenden Informationen.

• Name: Kraftstoffdurchflusssensor
• Einheitstyp: Sonstige: ml/min

Formel-Eingabe:

• a: ETS60-FMU - Drehzahl
• Formel: 1.16*a
• Systemgrenzen: 0 bis 0

Abbildung 16: Eingangsübertragung für Durchflussmessung

4.  Speichern Sie die Eingangsübertragung.

5.  Gehen Sie zu Antriebsstrang-Mappings -> Antriebsstrang 1 -> Zusätzliches Mapping -> Zusätzlichen Eingang/Ausgang hinzufügen -> Wählen Sie „Transformation - Kraftstoffdurchflusssensor“ im Dropdown-Menü.

Abbildung 17: Zusätzliches Mapping des Kraftstoffdurchflusssensors in der Software

Fazit

Die Messung des Kraftstoffdurchflusses einer Drohne ist ein wesentlicher Bestandteil der Bewertung von kraftstoffbetriebenen Antriebssystemen. Genaue Daten zum Kraftstoffverbrauch helfen Ingenieuren, die Motorleistung zu verstehen und die Einsatzdauer einer UAV zu schätzen.

In Kombination mit Schub-, Drehmoment- und Drehzahlmessungen liefern Kraftstoffdurchflussdaten ein vollständigeres Bild der Antriebsleistung und helfen Ingenieuren, die Motorleistung zu bewerten und Antriebskonfigurationen zu vergleichen.

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