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    Piston Tank - Depth Control (Paper by Wolfgang Baumann & Helmut Huhn)

    david f
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    Piston Tank - Depth Control (Paper by Wolfgang Baumann  & Helmut Huhn) Empty Piston Tank - Depth Control (Paper by Wolfgang Baumann & Helmut Huhn)

    Post  david f on Sat Aug 01, 2020 10:35 am

    My thanks to Hein  (Heinrich Kistenich) for this excellent paper (In German and English) by  Messrs. Baumann and Huhn on the use of piston tanks for depth control. (I am afraid I have had problems posting the Excel diagram which accompanies the paper but you can download the whole paper (including the diagram)  from the "Files" section of the AMS Facebook site.)

    Excel diagram with operating data of AKULA II
    A model by Wolfgang Baumann, who also did the translation.
    Scale 1:100, length: 110 cm, weight: 13,51 kg
    Analysis by Helmut Huhn, May 2020 (current correction by David Forrest July 07, 2020)

    The printout shows the 3 parameters piston travel (line 1) depth setpoint (line 2), and depth actual value (line 3) during a vertical trip in Fühlinger See (near cologne) on August 31, 2004.
    Explanation of the attached diagram: static depth control of the model submarine AKULA II by Wolfgang Baumann. Wolfgang Baumann is an IT-professional. He made recordings in his submarine model during the use of the model. The evaluation was created with Microsoft Excel.
    The purpose of this diagram is to show that the position control of the piston in the piston tank (WTC) does not have a PID regulation in the control unit, but is a simple voltage-proportional position control (P regulation) of the piston. The piston runs analogously to the output signal of the pressure sensor in a control window from 15 g of buoyancy to 15 g of underdrive according to the depth of the submarine.
    There is no PID regulation and you can see how the actual depth Fig. 3 the setpoint step function     Fig. 2 and settles in. Fig. 3 is so thick because there is a little noise on the signal of the pressure sensor. The regulation window is located approximately in the middle of the balance point.
    If the target depth is 96 cm, the downforce begins to decrease at 90 cm, the 15 g of water are pushed out at a depth of 96 cm the boat is now balanced, at a depth of 102 cm the boat has a buoyancy of 15 g again. The boat swings down, see M5 (M=measuring point) but due to the simplicity of the control concept this is negligible.
    The actual piston tank position Fig.1: After approx. 7.2 s, Fig.2 jumps to a depth of 32 cm. With a max. capacity of 20 g/s, the piston tank turns 15 g of buoyancy into 15 g of downforce, see M1.
    When the sinking boat has reached the lower control window level M2 (depth 32 – 6 = 26 cm), Fig.1 starts with the water output at 6.6 g/s (M3), and the boat has dipped through the window in 3.5 seconds (M4), the piston stops while the boat swings about 3.5 cm down (M5) due its inertial energy, but then it comes up. In Fig.1 the curve is now flatter and the piston tank drives more slowly against the up and down trend of the boat. The voltage swing of the pressure sensor in the control window corresponds to ± 6cm diving depth. This voltage swing is the setpoint for an amount of ± 15 g water input or output. The control loop does not see the entire setpoint or actual difference as in a normal PID regulation, but only the ± 6 cm water column around the setpoint.
    On line 3, after about 4.5 minutes (M6), you can see a continuous stroke of the submarine of 2.2 cm peak to peak with an oscillation period of approx. 11 seconds. The piston is equipped with a low-friction Airzet sealing ring and a bell-type anchor motor from Maxon with cobalt samarium magnets. Helmut Huhn came up with the control circuit for the piston tank for his own boats, and Wolfgang Baumann took Helmut’s ideas for his AKULA II.
    The weight adjustment of the boat caused by changed water temperature is made by moving the control window accurate to the gram (RC-transmitter: piston tank position channel 1 = changing the tank filling) with a rotary knob on a 1 – 100 scale ≙ 1-2 ms, ≙± 50 g.
    In this diagram the control window has a value of 30 g piston stroke. This value can also be 40 g or 20 g. If you make it smaller, the boat barely goes through a water temperature jump, or a soft outer shell lets the boat sank to the ground. That is why the boats have an adjustable max-depth switch, that drives the piston tank empty.
    The targeted wight change also shows water ingress accurate to the gram. If the boat has a residual buoyancy of 15 g on water surface, you know how much of the boat must look out of the water. Witch changing the position of RC-channel 1 (1 – 100 scale ≙ 1-2 ms, ≙± 50 g water) it is possible to move the control window accordingly water is pressed in or out of the piston tank.
    The "Huhn circuit" has another special feature: Since the air pressure is constantly changing and this fact is not negligible for our purposes, the “Huhn circuits” have built in an air pressure change compensation. When the boat is switched on, a time-controlled relay also switches on a servomotor with attached potentiometer for approx. three seconds. This compensates the changed air pressure measuring to a start value of zero. Sometimes not exactly zero, but always smaller than 1 cm WS. (WS = Water column) The used sensor is an absolute pressure sensor. The sensor “sees” only the outside pressure, here the water pressure plus the current air pressure. The boats internal pressure, which can change due to the inner pressure, the piston stroke or the temperature, is not “seen”. A differential pressure sensor would not be able to ignore this.  
    The electrical presentation of the piston position is realized with a potentiometer, which does not see a rotary movement of the piston caused by different pressures on the water or the air side. The position detection via a number of revolutions of the motor takes over this error undetected.
    *
    The following paragraph describes Hein Kistenich’s boats, all of them are equipped with Huhn’s technique. Helmut Huhn has also developed additional, very special circuits for some boats.
    Let us start with STINT, a Walter project from the 1960s. Since April 2004, the STINT model (built in 1996) has been equipped with Huhn’s technology. During the test phase, the regulation was used to measure the sink rate of the STINT with different negative buoyancy.
    An excerpt from the original text dated July 20, 2004 follows in italics.  
    Today the sink rate of STINT was measured with different weights. For this purpose, a 90 cm long and 2 mm thick aluminum rod - marked every 10 cm in color - was installed on the tower. Helmut took over the floating adjustments. Like the Wolfgang Baumann’s diagram, he had made STINT float. In order to get the most precise result possible, we flooded the boat first by swinging the first 70 cm, only to measure the constant sink rate on the aluminum rod during the last 20 cm.
    The following sink rates were determined:
    negative buoyancy  5 g 2.5 cm / s  
    negative buoyancy 10 g 3.3 cm / s
    negative buoyancy 15 g 4.5 cm / s
    negative buoyancy 20 g 5,2 cm / s
    After the values were noted, our mission was over. However, Wolfgang Baumann has already made such a measurement before us. All parameters are recorded in his AKULA II so that they can be evaluated on a PC afterwards. I saw such a diagram during a meeting in Kassel. It was very impressive. The amount of time it can record is around 104 minutes (depending on the size of the compact flash card). The measurement happens every 200ms with 82 different parameters.
    *
    STINT displaces almost 23 kg. Therefore, the downward acceleration is slower than with Wolfgang Baumann’s AKULA II with 13.51 kg. Regardless of the negative buoyancy weight used with STINT, the max. sink speed was always reached at the depth of 70 cm.
    With STINT, on June 30, 2004 (report no.: 197) it was determined in an experiment, that the air pressure change compensation works in a range around 2000 m below sea level to a height of around 3600 m above sea level. For compensating such extreme height differences STINT must be switched on and off several times. If STINT is operated in his aquarium, the meniscus on the 1 mm thick antenna rod shows an upward and downward movement that is barely recognizable thanks to Huhn’s regulation. If a static depth control with vertical propeller is also activated – also an idea from old master Helmut Huhn – then the vibrations stops completely. STINT seems to be frozen.
    *
    Our joint project ARCHI was also launched in 2004.                                                                           ARCHI 1 shows the correct installation position of the piston tank can be found in jog mode.        ARCHI 2 is equipped with a Huhn regulation for 2 piston tanks. The pistons can be moved in the same or in opposite directions. A total of 677 operating hours have been counted until May 2020.   Both models have been seen at trade shows over and over again.
    *
    In 2007 the K 3, a boat under construction, also has received a control board for a double piston tank. The boat has a double propeller drive, which operated with a controller for tracked vehicles. The larger the rudder deflection is, the slower the motor on the inside of the curve turns, and it stops at half the deflection. If the rudder deflection is increased even further, the motor runs backwards proportionally up to full speed. When testing this drive in another model, it quickly became apparent that changes were still necessary; Helmut Huhn created a circuit that exchanged the two drive motors with a 4 x UM relay when reversing. The relay then sets the current path so that the right motor receives the current (and the direction of rotation) of the left motor and the revers is the case for the left motor. Although the K 3 has never got “really” wet, we are constantly improving this technology.
    *
    In 2011, the EX-U1 mode – a veteran with no real mole model, a 1992 Hein bout – got an Huhn static depth control. To not overload the pressure hull (derived from a rain pipe), the maximum depth switch (empty piston tank) was set to 2.2 m. All other functions are always available. To be able to dive again, the boat must moor and then get switched off and on again manually, using a magnet. By this means the piston tank can filled again.
    In my early days, wild capers were the “normal” way of driving models, today the observation of the boat floating motionless under water is my declared goal.  
    *
    Finally, Helmut Huhn again: 23 g of water were shown in the diagram in the control window, while 30 g were described in the text. Because of this difference, the labeling was not changed again. In reality, this difference is negligible. My own 22 kg U 4 has a control window volume of 21.5 g. This was measured by me extra. So far, no change has been necessary. There are only a few actively regulated model submarines on the water, most of them either broken or sunk. Building a submarine model is a challenge, and there are many ways to lose it. The number of models that work over a long period of time is comprehensible.





    Excel-Diagramm mit Betriebsdaten der AKULA II
    Einem Modell von Wolfgang Baumann, der auch die Übersetzung machte.
    Maßstab 1:100, Länge 110 cm, Gewicht: 13,51 kg
    Analysiert von Helmut Huhn im Mai 2020

    Der Ausdruck zeigt die 3 Parameter Kolbenweg (Linie 1), Tiefen-Sollwert (Linie 2) und Tiefen-Istwert (Linie 3) während einer vertikalen Fahrt im Fühlinger See am 31.08.2004.
    Erläuterung des beiliegenden Diagramms: statische Tiefenregelung des Modells-Ubootes AKULA II von Wolfgang Baumann. Wolfgang Baumann ist Computer-Profi und hat in seinem U-Bootmodell während der vertikalen Fahrt mit Microsoft Excel Aufzeichnungen gemacht und danach ausgedruckt.
    Sinn dieses Diagramms ist, zu zeigen, dass die Positionsregelung des Kolbens im Kolbentank (KT) keine PID-Beschaltung des Regelkreises hat, sondern es handelt sich hier um eine einfache spannungsproportionale Positionsregelung des Kolbens.
    Der Kolben läuft analog zu der Spannung des Druckgebers im Regelfenster von 15 g Auftrieb nach  15 g Untertrieb entsprechend der Sinkgeschwindgkeit. Es gibt also keine PID Beschaltung, und man sieht, wie der Tiefen-Istwert der Sollwert-Sprungfunktion 2 folgt und sich einschwingt. Die 3 ist deswegen so dick, weil auf dem Druckgebersignal ein feines Rauschen liegt. Das Regelfenster befindet sich etwa mittig auf dem Ausbalancierpunkt.
    Wenn eine Solltiefe von 96 cm vorliegt, beginnt bei 90 cm Tiefe der Abbau des Untertriebs (negativer Auftrieb); bei 1 m Tiefe sind die 15 g Wasser ausgedrückt, das Boot ist jetzt etwa ausbalanciert, und bei 102 cm hat das Boot 15 g Auftrieb. Das Boot schwingt nach unten über, siehe M5 (M=Messpunkt) aber wegen der Einfachheit des Regelkonzeptes ist das vernachlässigbar.
    Zur KT-Position 1: Nach ca. 7,2 s springt Linie 2 auf 32 cm Solltiefe. Mit einer max. Förderleistung von 20 gr/s macht der KT aus 15 g Auftrieb nun 15 g Untertrieb, siehe M1. Hat das sinkende Boot die Untertriebs-Fensterkante M2 (Tiefe 32 – 6 = 26 cm) erreicht, startet Linie 1 mit 6,6 gr/s M3 mit dem Wasserausstoß, und das Boot hat in 3,5s M4 das Regelfenster durchtaucht, der Kolben bleibt stehen, während das Boot wegen seiner Massenträgheit noch ca. 3,5 cm M5 nach unten durchschwingt aber dann aufwärts kommt. In Linie 1 ist nun der Kurvenverlauf flacher und der KT fährt langsamer gegen den Rauf- und Runtertrend des Bootes.
    Der Spannungshub des Druckgebers im Regelfenster ca. 6 cm/WS ist also der analoge Sollwert für ±15 g Wasser als Positionsregelung. Der KT-Regelkreis sieht nicht die gesamte Soll-/Ist-Differenz wie in einer normalen PID-Beschaltung, sondern nur die ± 6 cm Wassersäule um den Sollwert herum. Auf Linie 3 sieht man nach ca. 4,5 min bei M6 einen Dauerhub des U-Bootes von 2,2 ss (Spitze – Spitze) mit einer Schwingungsdauer von ca. 11s.
    Der Kolben ist mit einem reibungsarmen Airzet Dichtring ausgerüstet und der Motor ist ein Glockenankertyp mit Kobalt-Samarium Magneten von Maxon.
    Die Regelungsbeschaltung des KTs hat sich Helmut Huhn für seine eigenen Boote einfallen lassen, und diese wurde von Wolfgang Baumann in seinem Boot AKULA II übernommen.  
    Die Gewichtsanpassung des Bootes wegen geänderter Wassertemperatur wird durch das grammgenaue Verschieben des Regelfensters (Sender: KT-Position Kanal 1 = Änderung der Tankfüllung) mit einem Drehknopf auf einer 1 – 100 Skala 1-2 ms, ≙± 50 g gemacht. In diesem Diagramm hat das Regelfenster den Wert 30 g Kolbenhub. Dieser Wert kann auch 40 g oder nur 20 g haben. Macht man ihn noch kleiner, durchfährt das Boot nach unten kaum einen Wassertemperatursprung, oder eine weiche Außenhülle lässt das Boot bis zum Grund durchsacken. Deshalb haben die Boote einen einstellbaren Max-Tiefen-Schalter, der den KT leer fährt. Die gezielte Gewichtsveränderung verrät auch grammgenau einen Wassereinbruch. Wenn das Boot mit einem Restauftrieb von 15 g an der Wasseroberfläche liegt, weiß man, wieviel vom Boot aus dem Wasser schauen muss, und mit Kanal 1 (1 – 100 Skala ≙ 1-2 ms, ≙± 50 g Wasser) wird durch das Verschieben des Regelfensters entsprechend Wasser aus dem KT gedrückt.
    Die “Huhn-Schaltung” hat noch eine weitere Besonderheit: Da sich der Luftdruck ständig ändert und diese Tatsache für unsere Zwecke nicht vernachlässigbar ist, haben die Huhn-Schaltungen eine Luftdruck-Änderungs-Kompensation eingebaut. Wenn das Boot eingeschaltet wird, schaltet auch ein zeitgesteuertes Relais für ca. 3 s den Stellmotor ein, der über ein Poti den geänderten Luftdruck zu 0 macht. Manchmal nicht genau 0, aber immer kleiner als 1 cmWS. Der hier benutzte Sensor ist ein Absolutdruckgeber. Er sieht also nur eine Seite, den Außendruck, hier also den Wasserdruck plus den aktuellen Luftdruck, und nicht auch noch den Bootsinnendruck, der sich wegen Innenraum-Vordrucks, des Kolbenwegs und der Temperatur ändern kann, worauf ein Differenzdruckgeber reagieren würde.
    Die elektrische Wegabbildung des Kolbens wird mit einem Poti gemacht, welches eine Drehbewegung des Kolbens, hervorgerufen durch unterschiedliche Drücke der der Wasser- und Luftseite nicht sieht. Die Positionserkennung über die Umdrehungszahl des Motors übernimmt diesen Fehler unerkannt.
    ***
    Der nachfolgende Text handelt von den Booten von Kistenich, die alle mit dieser Huhn’schen Technik ausgestattet wurden. Für einige Boote hat Huhn zusätzlich weitere, ganz spezielle Schaltungen entwickelt.
    Beginnen wir mit STINT, einem Walter-Projekt aus den 1960er Jahren. Seit April 2004 ist das Modell STINT (Baujahr 1996) mit Huhn’scher Technik ausgestattet. Während der Erprobungsphase wurde mit Hilfe dieser Regelung die Sinkgeschwindigkeit bei unterschiedlichem negativem Auftrieb gemessen.
    In kursiver Schrift folgt ein Auszug aus dem Originaltext von 20.07.2004.
    Heute wurde die Sinkgeschwindigkeit von STINT bei unterschiedlichen Untertriebsgewichten gemessen. Zu diesem Zweck war am Turm ein 90 cm langer und 2 mm dicker Alustab - alle 10 cm farbig markiert - montiert worden. Helmut übernahm das Einschweben. So wie im Diagramm von Baumann hatte er STINT zum Schweben gebracht. Um ein möglichst präzises Ergebnis zu bekommen, ließen wir nach dem Zufluten das Boot zunächst die ersten 70 cm auf Schwung kommen, um danach erst an den letzten 20 cm die konstante Sinkgeschwindigkeit an dem Alustab zu messen.
    Es wurden folgende Sinkgeschwindigkeiten ermittelt:
    Untertrieb  5 gr 2,5 cm/s
    Untertrieb 10 gr 3,3 cm/s
    Untertrieb 15 gr 4,5 cm/s
    Untertrieb 20 gr 5,2 cm/s
    Nachdem die Daten notiert waren, war unser Einsatz auch schon beendet. Jedoch hat vor uns Wolfgang Baumann bereits eine solche Messung gemacht. In seiner AKULA II werden alle Parameter festgehalten, um sie später auf dem PC sichtbar zu machen. Während eines Treffens in Kassel sah ich solch einen Ausdruck. Das war sehr beeindruckend. Die Aufnahmezeit beträgt ca. 104 Minuten (abhängig von der Größe der Speicherkarte). Die Messung erfolgt alle 200 ms mit 82 verschiedenen Parametern.
    STINT verdrängt knapp 23 kg. Daher ist die Abwärtsbeschleunigung langsamer als bei der AKULA II von Wolfgang Baumann mit 13,51 kg. Egal welches Untertriebsgewicht bei STINT genommen wurde, erst bei 70 cm Tiefe wurde die max. Sinkgeschwindigkeit erreicht. Bei STINT wurde am 30.06.2004 (Einsatz Nr.: 197) im Versuch ermittelt, dass die Luftdruck-Änderungs-Kompensation in einem Bereich von rund 2000 m unter NN bis zu einer Höhe von etwa 3600 m über NN funktioniert. Um solche extremen Höhenunterschiede zu kompensieren muss STINT allerdings mehrfach aus- und eingeschaltet werden. Wird STINT in seinem Aquarium betrieben, dann zeigt der Meniskus am 1 mm dicken Antennenstab dank der Huhn’schen Regelung eine kaum noch zu erkennende Auf- und Abwärtsbewegung. Wird zusätzlich eine statische Tiefenregelung mit dem Vertikalpropeller aufgeschaltet – auch eine Idee von Altmeister Huhn – dann hören die Schwingungen fast ganz auf. STINT scheint erstarrt zu sein.
    *
    Ebenfalls in 2004 wurde unser Gemeinschaftsprojekt ARCHI aus der Taufe gehoben.                ARCHI 1 zeigt im Tippbetrieb wie die richtige Einbauposition des Kolbentanks gefunden werden kann.            ARCHI 2 ist mit einer Huhn Regelung für 2 KTs ausgestattet. Die Kolben können gleich- und gegensinnig gefahren werden. Bis Mai 2020 wurden 677 Betriebsstunden gezählt. Beide Modelle waren im Laufe der Jahre immer wieder auf Messen zu sehen.
    *
    In 2007 erhielt die K 3, ein im Bau befindliches Boot, ebenfalls eine Steuerungsplatine für ihre Doppel-KTs. Das Boot hat einen Doppelschraubenantrieb, der mit einem Regler für Kettenfahrzeuge betrieben wird. Je größer der Ruderausschlag gewählt wird, umso langsamer dreht sich der kurveninnere Motor, bei halbem Ausschlag bleibt er stehen. Wird der Ruderausschlag noch weiter erhöht läuft der Motor bis zur vollen Drehzahl rückwärts. Bei der Erprobung dieses Antriebs in einem anderen Modell zeigte sich schnell, dass hier noch Änderungen nötig waren; Helmut Huhn schuf daraufhin eine Schaltung, die die beiden Antriebsmotore bei Rückwärtsfahrt mit einem 4 x UM-Relais elektrisch vertauscht. Das Relay legt dann den Strompfad so, dass der rechte Motor den Strom (und die Drehrichtung) des linken Motors erhält und beim linken Motor ist es umgekehrt. Obwohl die K 3 noch nie „richtig“ nass wurde, wird mit dieser Technik ständig gespielt.
    *
    In 2011 erhielt das Modell Ex-U1 - ein Veteran von 1992 ohne Vorbild von Hein – eine Huhn’sche statische Tiefenregelung. Um den Druckkörper aus Regefallrohr nicht über Gebühr zu belasten, wurde hier der Tiefen-Maximalschalter (KT leeren) auf 2,2 m eingestellt. Alle anderen Funktionen bleiben in dieser Situation erhalten. Um erneut tauchen zu können, muss das Boot anlegen, und dann manuell mit einem Magnet aus- und wieder eingeschaltet werden. Danach ist der KT wieder füllbar.
    War in meiner Anfangszeit noch wildes Herumkarriolen die „normale“ Fahrweise, ist heute die Beobachtung eines bewegungslos unter Wasser schwebenden Bootes mein erklärtes Ziel.
    ***
    Zum Schluss noch einmal Helmut Huhn: Im Diagramm wurden im Regelfenster 23 g Wasser aufgezeigt, während im Text 30 g beschrieben wurden. Wegen dieses Unterschiedes wurde die Beschriftung nicht nochmals geändert. In der Realität ist dieser Unterschied vernachlässigbar. Mein eigenes 22 kg schweres U 4 hat ein Regelfenster-Volumen von 21,5 g. Dies wurde von mir extra nachgemessen. Es bedurfte bisher keiner Änderung.
    Es gibt nicht viele aktiv geregelte U-Boot-Modelle auf dem Wasser: Entweder defekt oder versunken. Der Bau eines U-Boot-Modells ist anspruchsvoll, und die Verlustmöglichkeiten sind vielfältig. Die Anzahl der über einen langen Zeitraum funktionierenden Modelle ist überschaubar.
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    Piston Tank - Depth Control (Paper by Wolfgang Baumann  & Helmut Huhn) Empty Re: Piston Tank - Depth Control (Paper by Wolfgang Baumann & Helmut Huhn)

    Post  salmon on Mon Aug 03, 2020 8:22 am

    Does this person sell piston controller?


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    Post  david f on Thu Aug 06, 2020 9:17 am

    Email message from Hein:

    All persons involved in this elaboration are hobbyists and have no monetary interests whatsoever. None of us have anything to sell. What drives us is the joy in experimenting especially but in "physics to touch".

    Thank you very much for your effort.

    Kind regards from Cologne

    Hein



    Sehr geehrter Herr Forrest.

    Um zukünftig Fragen von möglichen Kaufinteressenten zu vermeiden, bitte ich Sie darum, folgenden Satz zu dem Artikel vom 01. August 2020 von Helmut Huhn und Wolfgang Baumann hinzu zu fügen:

    Alle an dieser Ausarbeitung beteiligten Personen sind Bastler und verfolgen keinerlei monetären Interessen. Niemand von uns hat etwas zu verkaufen. Was uns antreibt ist allein die Freude am Experiment, und ganz besonders an der "Physik zum Anfassen".

    Vielen Dank für Ihre Mühe.

    Herzliche Grüße aus Köln

    Hein

      Current date/time is Sat Oct 24, 2020 12:15 pm