ชื่อโปรเจกต์: Dynamometer Car
ผมแน่ใจว่าหลายท่านคงเคยอ่านเรื่องเกี่ยวกับงาน IMLEC ซึ่งจัดขึ้นทุกปี ผมเองก็เคยอ่านและรู้สึกทึ่งมาก หากท่านไม่ทราบ นี่คืองานที่วัดประสิทธิภาพของหัวรถจักร โดยใช้ Dynamometer car พ่วงท้ายหัวรถจักรที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงในปริมาณที่กำหนดและลากน้ำหนักที่ทราบค่า
สิ่งนี้จุดประกายความสนใจของผม มันทำได้อย่างไร? มีอะไรวิเศษอยู่ภายในเครื่องจักรที่ประกอบเป็น Dynamometer car นี้กันแน่?
การค้นคว้าวิจัยเผยให้เห็นประวัติศาสตร์อันน่าสนใจว่า LNER dynamometer car ถูกนำมาใช้บันทึกสถิติความเร็วของ No 4468 Mallard ในปี 1938 และได้รับการอนุรักษ์ไว้ที่ National Railway Museum ใน York หากคุณสนใจยานพาหนะคันนี้ มีวิดีโอ YouTube ที่ยอดเยี่ยมจากพิพิธภัณฑ์รถไฟ York เกี่ยวกับรถคันนี้ ดูลิงก์ https://youtu.be/6x3TGPeImOc
ปรากฏว่า Dynamometer นั้นเรียบง่ายมาก หลักการทำงานของ Dynamometer car อ้างอิงจากสมการพื้นฐานของ power ซึ่งเท่ากับ force คูณ distance หารด้วย time:
P = F x d / t
สมการนี้สามารถลดทอนเป็น power เท่ากับ force คูณ velocity:
P = F x v
เมื่อค้นพบสิ่งนี้ ผมก็คิดขึ้นมาได้ทันทีว่า… เราทำได้! และเราทำได้ในราคาถูกด้วย!!
ในอดีตสิ่งนี้จะทำด้วยสปริง (ลองนึกถึงตาชั่งในครัว) อย่างไรก็ตาม ด้วยราคาของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นำเข้าที่ถูกลง เราจึงสามารถทำได้ดีขึ้นและง่ายขึ้น นั่นคือ Load Cell ด้วยต้นทุนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ถูกมากในปัจจุบัน สิ่งที่เคยทำไม่ได้เมื่อไม่กี่ปีที่แล้ว ตอนนี้ราคาเพียง 30 ปอนด์เท่านั้น ผมจึงไปที่ eBay เพื่อซื้อมาหนึ่งชิ้น อย่าลืมเลือกช่วงที่เหมาะสม ในกรณีของเราสำหรับการทดสอบ Dynamometer car ของ loco ช่วง 0-50 Kg ถือว่าเหมาะสม
Load Cell ทำงานอย่างไร - Strain gauges คือแผ่นฟอยล์โลหะหรือลวดที่จัดเรียงไว้สองเส้น โดยมีการตั้งค่าให้ความต้านทานเปลี่ยนแปลงเมื่อถูกบีบอัดหรือยืดออก เมื่อ Strain gauge ถูกวางบนวัตถุ (โดยปกติเป็นโลหะ) ความต้านทานของมันจะเปลี่ยนไปตามความเค้นที่วัตถุนั้นได้รับ
นี่เป็นสิ่งที่ดีสำหรับเรา อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงใน resistance มีค่าน้อยมาก ดังนั้นเพื่อให้เราสามารถวัดค่าได้อย่างมีเหตุผล เราจึงใช้ loadcell amplifier HX711 (6 ปอนด์) เพื่อ boost สัญญาณ
Speed
สำหรับการวัด Speed เราจำเป็นต้องวัด distance เทียบกับ time ความคิดแรกของผมคือการใช้ magnet ติดไว้ที่ wheel ของ bogie พร้อมกับ sensor (เหมือนกับ speed sensor บน bicycles) อย่างไรก็ตาม การทดสอบแสดงให้เห็นว่าเป็น solution ที่ไม่ดีนัก เพราะที่ low speeds ผมได้รับ false positives จำนวนมากจาก sensor
ทางเลือกอื่นที่แม่นยำกว่าคือการใช้ rotary encoder (11 ปอนด์) นี่คือ device ที่มี plate พร้อม holes อยู่ภายใน เมื่อมัน rotates มันจะยอมให้ light ผ่านได้หรือไม่ผ่าน เราสามารถวัด pulses ของ light เหล่านี้เพื่อไม่เพียงแต่วัด speed แต่ยังวัด direction ด้วย ข้อเสียคือการ fit มันเข้ากับ bogie เราต้องเพิ่ม pulley เข้าไปที่ axles และ timing belts แต่นี่เป็นเพียง inconvenience เท่านั้น
ผมเลือกรุ่น 100 Pulses per revolution (ในทางปฏิบัติหมายถึงการเปลี่ยนแปลง signal 400 ครั้ง เนื่องจากมีการ rise และ fall ของสอง channels) เราไม่จำเป็นต้องมี pulses มากเกินไป มิฉะนั้นเราอาจถึง electronic limits ของ Arduino
ส่วนที่เหลือ
เมื่อเราตัดสินใจเลือก component สำคัญสองชิ้นนี้ได้แล้ว เราก็สามารถเพิ่มส่วนประกอบ electronics ที่เหลือเพื่อประกอบ design ทั้งหมดเข้าด้วยกัน
Computer
นี่เป็น choice ที่ง่ายสำหรับผม คือ Arduino ผมมี skills ในการ program สิ่งนี้และมันมี form factor ที่เล็ก
อย่างไรก็ตาม ผมได้เลือกรุ่นใหม่ล่าสุด นั่นคือ Arduino Nano Every ซึ่งมี clock speed ที่สูงกว่า Arduino Nano รุ่นเก่ามาก และจะสามารถ handle pulses ที่เข้ามายัง device ได้อย่างง่ายดาย ราคา 18 ปอนด์
Display และ buttons
off the shelf device อีกชิ้นคือ LED & Key TM1638 (6 ปอนด์) เราต้องการวิธี display ตัวเลข ซึ่งนี่เป็น solution ที่ elegant เนื่องจากเราสามารถมีไฟตัวเลข 8 ตัว และ buttons 8 ปุ่ม โดยใช้ wires เพียง 3 เส้น
Data Storage