Cavendish experiment

[Pinokkio]

Fan omkeren maakt het dus iets slechter. Nou ja, dat weten we dan ook weer.
 

Tussen de plaat 'chinees marmer' en de onderliggende plaat Eps, thermostaat er op en de box heeft vloerverwarming.

Als je de verwarming onder de marmeren plaat plaatst dan gaat de inertie van de plaat (16 kJ/K) wel een rol spelen, en in je nadeel. Er ontstaat nu een forse tijdsvertraging (time delay) tussen het aanpassen van het vermogen en het effect daarvan op de door de sensor gemeten temperatuur. De thermostaat loopt daardoor constant achter de feiten aan en de temperatuur in de kast zal daardoor gaan schommelen want de warmteinhoud van de lucht is peanuts vergeleken bij die van de marmeren plaat.
 
In de oude situatie had de inertie van de plaat geen invloed, in de nieuwe situatie met een elektrische deken eronder werkt de inertie van de plaat juist tegen. Met een elektrische deken erop zal het overigens niet veel beter gesteld zijn, tenzij je isolatie tussen de deken en de plaat aanbrengt.
 
Waarschijnlijk is het dan beter om de meetkast in een elektrische deken te pakken, met de sensor tussen de deken en de glazen wand.
 
Maar je kunt het natuurlijk ook proberen zonder aparte verwarming. Als je toch veel ongebruikte fans hebt liggen kun je er een heleboel in de buitenkast plaatsen en met de thermostaat de fans zodanig aansturen dat hun totale vermogen precies genoeg is om de lucht op constant op 35,0 graden te houden.

[Michel Uphoff]

Van oscillaties kreeg ik al last toen ik de sensor van de thermostaat in de luwte van het meetkastje plaatste, alsof er een thermostaat met een hysterese van een paar tienden van een graad werd gebruikt.
 
Als we even aannemen dat zo'n matje de plaat volkomen gelijkmatig verwarmt, en ik plaats de themostaatsensor ook aan de onderzijde van de steenplaat tussen de verwarming en de steen in, dan zou dat wel mee kunnen vallen.
 
Ik heb 10 minifans van 4 cm, 0,5 watt (volgens opschrift, dus de facto niet te vertrouwen..). Dat is te weinig vermogen om de boxtemperatuur voldoende stabiel te houden bij wat lagere kamertemperatuur.
 
Eerst de huidige test afmaken. Opwarmen is net gestart en zal naar schatting zo'n 12 uur duren.

[Pinokkio]

Als we even aannemen dat zo'n matje de plaat volkomen gelijkmatig verwarmt, en ik plaats de themostaatsensor ook aan de onderzijde van de steenplaat tussen de verwarming en de steen in, dan zou dat misschien wel mee kunnen vallen?

Als je de temperatuur onder de steen constant op (zeg) 35 graden houdt dan zal de luchttemperatuur in de buitenbox iets fluctueren met de luchttemperatuur op de zolderkamer. Hoeveel precies hangt af van de dikte en de λ-waarde van de plaat en van hoe goed/slecht het contact is tussen matje en plaat, maar ik gok dat als de zolderkamertemperatuur gedurende een test 5 graden verandert de luchttemperatuur in de kast 0,2 graden kan veranderen.
 

Ik heb 10 minifans van 4 cm, 0,5 watt (volgens opschrift, dus de facto niet te vertrouwen..). Dat is te weinig vermogen om de boxtemperatuur voldoende stabiel te houden bij wat lagere kamertemperatuur.

Je hebt toch ook nog die twee 7 cm 1,2 W fans genaamd L en N ?
Als je wat extra EPS isolatie toevoegd rondom de buitenbox ben je er zo.
 
Zonder extra isolatie kun je de thermostaat ook met de fans regelen als je bovendien wat constante vermogentjes toevoegt in de vorm van lampjes (of zoiets). Je hoeft immers niet het volledige vermogen te regelen, 6 W constant (lampjes of ...) plus 6 W variabel (fans) werkt ook.

[WillemB]

Ik ben het niet helemaal eens met Pinokkio, de steen kan een goede buffer te vormen in het regel circuit,
 
Het geheel is een regel systeem, met een hysteresis  die je zo klein mogelijk wil houden, helemaal nul gaat niet,
het regelsysteem hier bestaat uit een langzaam deel, met buffer de steen, en een snel deel de lucht, daar moet dan ook de sensor zitten. De steen zorgt ervoor dat het regelbereik van de lus heel klein kan zijn, en moet oscillaties tegen gaan.
 
De kunst nu is om de hysteresis in de lucht zo klein mogelijk te houden, ik heb dan ook mijn bedenkingen
bij de fan's: snel draaiende fans veroorzaken koude dips, ze zouden eigenlijk vrij langzaam moeten draaien.

[Pinokkio]

ik gok dat als de zolderkamertemperatuur gedurende een test 5 graden verandert de luchttemperatuur in de kast 0,2 graden kan veranderen.

Ik had er in mijn haast geen rekening mee gehouden dat het oppervlak van de steen veel kleiner is dan het oppervlak van de buitenkast, dus zijn warmteweerstand veel groter dan ik eerst dacht.
Als de zoldertemperatuur tijdens de test 5 graden stijgt of daalt zal de luchttemperatuur in de kast ruwweg 1 graad stijgen of dalen.

[Michel Uphoff]

@WillemB: de steen kan een goede buffer te vormen in het regel circuit
...
ze zouden eigenlijk vrij langzaam moeten draaien

 
Dat eerste is ook mijn opvatting. Een deel van de te warme of te koude lucht loopt langs de steen en de verschillen worden daardoor gedeeltelijk vereffend. Over het tweede ben ik heel wat minder zeker; weinig luchtstroom is hoger temperatuurverschil tussen uitgaande en inkomende lucht. Dat is een negatief effect.

Creatief met karton is afgerond en de setup als volgt aangepast:

Van Eps een adaptertje gesneden waarin de (wat zwaardere) fan en een beter koelblok (ribbenhoek 90 graden) passen:

fan in eps adapter.jpg (89.4 KiB) 626 keer bekeken

We hebben grofweg 3 luchtstromen, twee de ringleiding in, en een onder 45 graden de kast in. Wat hier niet zichtbaar is, is dat ik met een stukje karton aan de voorkant de laatste luchtstroom flink heb afgeknepen, zodat daar naar ik hoop minder debiet ontstaat.

Een ringleiding met perforaties gemaakt die aansluit op de zijopeningen van de adapter:

Opbouw ringledingtest klein.jpg (363.01 KiB) 630 keer bekeken

Ringleidingtest sluiten en start.jpg (486.12 KiB) 630 keer bekeken

De meetresultaten (zie voor de positienummers en de vorige tabel bericht 66):

Image1.jpg (61.81 KiB) 630 keer bekeken

Met een terugloop naar 0,2 graden delta een (bescheiden) verbetering t.o.v. de eerde 0,32 graden. Ook de grootste temperatuurschommelingen (0,22 graden in de vorige setup bij meetpunt 5, nu 0,10 bij meetpunt 2) zijn duidelijk afgenomen.

Ik heb de indruk, dat de delta nog verder terugbrengen een exponentieel lastiger klusje word, en laat het voorlopig hierbij.

Nu eerst de torsieslinger en het meetsysteempje weer optuigen, en kijken of deze meer stabiele temperatuur in het meetkastje zich ook laat vertalen in een stabielere torsieslinger, want daar is het natuurlijk om te doen.

Dat opbouwen (lastig klusje), uitlijnen, opwarmen en langduriger meten van de torsiehoek zal wel een aantal dagen duren.

[Pinokkio]

Heb je een fabrikant en typenummer van die zwaardere fan?
Ja, ik weet het inmiddels, veel nut heeft dat waarschijnlijk niet.

Een ringleiding met perforaties gemaakt die aansluit op de zijopeningen van de adapter

Ik zie op de eerste foto geen zijopeningen in de adapter.
Of heb je die zijopeningen gemaakt na nemen van de foto?
 
Ik tel nu slechts 14 perforaties met een diameter van hooguit 1,5 cm (schat ik), dus een open oppervlak van slechts 0,0025 m². Dat lijkt me veel te weinig. De opening aan de voorzijde van de adapter lijkt me een stuk groter en bovendien heeft die veel minder weerstand dan de ringleiding met gaten.
Als je de fan laat draaien zonder dak op de kast kun je wellicht "met de hand voelen" met wat voor snelheid de lucht uit de gaten stroomt en met wat voor snelheid uit de hoofduitlaat van de fan die op het midden van de kast gericht is. Meten is beter dan voelen, maar dan zou je met een pitotbuis moeten werken, bijvoorbeeld een doorzichtige slang gevuld met gekleurd water.
 
Bovendien zitten de gaten niet langs alle wanden. Het lijkt me beter om dat wel te doen, en bovendien veel meer gaten of spleten, en bovendien een nieuwe, bredere en/of hogere, adapter bouwen waarbij alle fanlucht in de ringleiding terecht komt. Geen opening meer aan de voorzijde van de adapter. Ik weet niet hoe groot die adapter mag worden om voeldoende ruimte en draaicirkel voor die toekomstige 10 kg gewichten te laten.

Met een terugloop naar 0,2 graden delta een (bescheiden) verbetering t.o.v. de eerde 0,32 graden.

Probleem blijft dat het grootste deel van de fanlucht schuin de kast in schiet en daarna joost mag weten wat doet.
 
Voordat je een beslissing neemt zou je de test moeten doen met dummies met dezelfde afmetingen als de 10 kg gewichten, want die zullen in de huidige opzet de luchtstroming in de kast verstoren. Als alle lucht via een nieuwe adapter door de ringleiding zou stromen zouden die gewichten nauwelijks of geen invloed hebben.
 
Een andere mogelijk betere oplossing:
ik zie nu dat het dak los van de zijwanden verwijderd kan worden. Maak aan de onderzijde van dat losse dak een over het gehele oppervlak geperforeerde plaat (luchtspouw 49 x 49 x 2 cm, aan alle randen gesloten) zodat de fanlucht gelijkmatig over de gehele kast verdeeld omlaag stroomt.
Monteer de fan ondersteboven op het koelblok zodat hij lucht door het blok trekt. Het koelblok moet dan enkele cm boven de vloer en van de wand staan om goede luchtaanvoer te hebben. Of je monteert wellicht beter weer dat ander koelblok.
Maak een slang of kartonnen buis bovenop de fanuitlaat die aansluit op de geperforeerde luchtspouw in het dak. Die slang kan eventueel via de zijwand naar buiten de kast lopen en dan bovenop het dak aansluiten. Dat is waarschijnlijk gemakkelijker bij het verwijderen en terugplaatsen van het dak.
Mocht het niet duidelijk zijn dan zal ik een schets posten.

[Michel Uphoff]

Heb je een fabrikant en typenummer van die zwaardere fan?

 
Foxconn, het is het 'N' type uit  bericht 78
Maar ik heb hem op 15 volt draaien, bij een stroomsterkte van 0,13 A en op 4500 Rpm.
 

Ik zie op de eerste foto geen zijopeningen in de adapter.

 
Daar kijk je tegenaan.
 

De opening aan de voorzijde van de adapter lijkt me een stuk groter en bovendien heeft die veel minder weerstand dan de ringleiding met gaten.

 
Dat was de reden dat ik die opening met karton vrijwel volledig (op 10% na) heb afgedekt. De gaten zijn 18 mm groot, en hebben dus per arm een oppervlak van zo'n 18 cm². De binnendoorsnede van de ringleiding heeft een oppervlak van 11 cm²
 

Als je de fan laat draaien zonder dak op de kast kun je wellicht "met de hand voelen" met wat voor snelheid de lucht uit de gaten stroomt

 
Ja dat is goed te voelen, het voelt wat minder heftig dan de lucht die direct onder de fan (die staat op 'pootjes' zie de eerste afbeelding rechts) uit de spleet naar alle kanten blaast. Die pootjes verwijderen was bij nader inzien waarschijnlijk beter geweest.
 

Ik weet niet hoe groot die adapter mag worden om voldoende ruimte en draaicirkel voor die toekomstige 10 kg gewichten te laten.

 
Dit zijn de maximale afmetingen, er is 5 mm speling.
 

Mocht het niet duidelijk zijn dan zal ik een schets posten.

 
Ik begrijp wat je bedoelt. Maar ik ga nu eerst een nieuwe stabilteitstest doen, want ik ben niet ontevreden met dit resultaat. Mocht die test sterk tegenvallen, dan is het tijd om mij verder te beraden en eventueel een verbeterde setup te bouwen.

[WillemB]

Over de snelheid van de fan's, volgens de gaswet geeft drukverschil ook temperatuur variaties.
Je zit in de buurt van 300 Kelvin, 1 graad verschil is al 0,3 % in gasdruk, dat lijkt me zo niet te verwaarlozen.

[Michel Uphoff]

Inmiddels de torsieslinger ingebouwd, een venstertje met dubbel glas voor de laserstraal gemaakt, de kieren onder de fan door die pootjes gedicht, en de box 12 uur laten opwarmen.

De meetresultaten van de afgelopen 24 uur (rechts) vergeleken met die van 2 weken geleden, toen het heel matig geïsoleerde meetkastje zonder de box nog werd gebruikt. De verticale schaal is hetzelfde.

eerste 5 dagen stabiliteitstest torsieslinger Temperatuur en Positie.jpg (254.43 KiB) 629 keer bekeken

Eerste dag meting stabiliteit torsieslinger in geisoleerde box.jpg (188.74 KiB) 629 keer bekeken

• De temperatuur in de box is mooi stabiel, de Labortherm kwikthermometer laat een variatie van -0,02 tot + 0,03 graden zien (groene lijn), terwijl de kamertemperatuur met 2,8 graden varieert.
• De omstandigheden waren minder ideaal dan tijdens de 5 dagen meting. Er was die dagen niemand in huis, en het was al die tijd vrijwel windstil. Tussen 9 en 13 uur vandaag waaide het vrij stevig.
• De curieuze temperatuurcurve in de meting is veroorzaakt door het (opzettelijk) openen en sluiten van de ramen.
• De grootste spreiding van de plotpunten wordt gezien op de moment van de meeste activiteit in het huis en op momenten dat de wind sterk is. Dat is te ook herkennen aan de verticale schommelingen in deze animatie:

torsieslinger in temp gecontroleerde box.gif (1.6 MiB) 628 keer bekeken

Als we het vergelijken met een eerdere animatie, dan wordt het verschil heel duidelijk, temeer omdat bij onderstaande animatie ieder streepje 0,2 graden is en bij die hierboven 0,1 graden:

Stabiliteitstest 16 uur met temperatuur klein.gif (1.47 MiB) 625 keer bekeken

Al met al een sterke verbetering! Ik laat de meting nog een paar dagen doorlopen om te zien of er nog onverwachte effecten zijn, maar naar het zich nu laat aanzien is de invloed van luchtstromingen op de oscillatie van de meetmassa's in het meetkastje zo goed als geëlimineerd. Heel tevreden hiermee.

[Michel Uphoff]

Over de grafiek van de tweede dag ben ik bijzonder tevreden:
 

Tweede dag meting stabiliteit torsieslinger in geisoleerde box.jpg (89.26 KiB) 628 keer bekeken

Tweede dag stabiliteitstest torsieslinger in isolatiebox.gif (1.84 MiB) 624 keer bekeken

 
Deze dag weinig wind, geen bezoek aan de kamer om de stand van de kwikthermometer met een loepje te bekijken (wat mijn massa onvermijdelijk dicht bij de torsieslinger brengt), en tevens geen open en dichtzetten van de ramen om de temperatuur te beïnvloeden. Het enige minpuntje is wellicht de richting van het voortschrijdend 25 punts gemiddelde (de zwarte lijn), die aan het einde van de meting naar beneden afbuigt. Er werd gestart met een afwijking van + 0,008 graden en geëindigd met -0,016 graden, een verloop van ruwweg 1,5 boogminuut.
 
Als de grafiek ook vandaag zo strak is, beschouw ik het intomen van luchtstromingen in het meetkastje als geslaagd, en komt de volgende stap in het experiment in beeld; het zo precies mogelijk bepalen van de torsieconstante van de dunne staaldraad:
 
Dat gaat aan de hand van de oscillatieduur van de slinger, en er ligt een zo goed mogelijke bepaling van het traagheidsmoment van de torsieslinger aan ten grondslag.
Met een digitale keukenweegschaal zijn alle onderdelen van de slinger zo goed als mogelijk is gewogen, en met een schuifmaat zijn alle relevante afmetingen bepaald. I.c.m. de formules voor het traagheidsmoment van verschillende vormen is zo het totale traagheidsmoment I van de hele torsieslinger berekend:
 

Parameters torsieslinger.jpg (166.91 KiB) 664 keer bekeken

 
Het is duidelijk dat het traagheidsmoment van de spantang en de spiegelhouder met spiegel verwaarloosd kunnen worden.
Op basis van het traagheidsmoment I en de slingerduur t kan nu de torsieconstante k van de draad, uitgedrukt in Nm per graad worden berekend (hier is als voorbeeld een periodeduur van 500 seconden genomen):
 

bepaling torsieconstante draad.jpg (40.38 KiB) 661 keer bekeken

 
Het wordt nu dus zaak die oscillatieduur zo precies mogelijk vast te stellen, waarbij een paar vragen moeten worden beantwoord:
 
1: Is de oscillatieduur voldoende constant (gezien de nauwkeurigheid van de tijdwaarneming, blijft ze op x +/- 1 seconde)?
2: Indien dit niet zo is, welke factoren spelen een rol (bijvoorbeeld temperatuur, onvoldoende lineariteit draadmateriaal)?
3: Zijn andere afwijkingen (door bijvoorbeeld de wind, trillingen in huis, het verlopen van het nulpunt) te elimineren dmv het kiezen van de gunstigste omstandigheden en middeling/corrigeren van meetgegevens?
3: Tevens is het raadzaam de demping vast te stellen. Het is een gedempte oscillatie, want er is luchtweerstand en interne wrijving in de draad. Hoe groot is die demping bij verschillende torsiehoeken (en dus verschillende snelheden van de meetmassa's door de lucht in het meetkastje)?
 
Het plannetje is om met de draadrotator de torsieslinger telkens een vaste uitslag van ongeveer 1 graad te geven, en iedere seconde een opname te maken van de positie van de laserdot totdat de slinger minder dan 0,1 graden uitwijkt. Dit zal een keer of 10 herhaald worden bij verschillende kamer (=draad) temperaturen. De resultaten zullen worden vergeleken met een nauwkeurig model dat ik met Interactive Physics heb opgezet.
 
[sharedmedia=core:attachments:24691]

Testmassa 1.jpg (264.33 KiB) 625 keer bekeken

De draadrotator en de eerste testmassa.
 
Ondertussen ben ik de loden testmassa's aan het gieten (waarschijnlijk 2x 9 kg). De eerste is af, zie boven. Het lood kreeg ik gratis van een kennis. Terzijde: Grappig idee, in mijn testmassa's zit daklood dat vaak meer dan een eeuw op diverse kerken en molens heeft gezeten.

[Pinokkio]

Als de grafiek ook vandaag zo strak is, beschouw ik het intomen van luchtstromingen in het meetkastje als geslaagd,

En, was de grafiek de volgende dag ook zo strak?
Als de test zonder dummy gewichten in de buitenkast gedaan is dan is er een kleine kans dat straks luchtturbulenties rondom die gewichten een kleine verstoring kunnen geven.
 

Het enige minpuntje is wellicht de richting van het voortschrijdend 25 punts gemiddelde (de zwarte lijn), die aan het einde van de meting naar beneden afbuigt.

Het lijkt er in de grafiek op dat het vooral naar beneden buigt als de temperatuur in de zolderkamer stijgt.
Als de temperatuur in de kamer verandert dan verandert niet alleen de temperatuur van de torsiedraad maar ook de temperatuur van het houten dak en de houten balk met daaraan de houten constructie waaraan de torsiedraad hangt.
Bovendien is hout gevoelig voor luchtvochtigheid. De balk is weliswaar geverfd maar die houten constructie niet. Ik heb geen idee hoe sterk de invloed van T en %RV is op de vorm van die houten constructie, maar het is toch iets om in het achterhoofd te houden. Wellicht had je daarvoor beter metaal kunnen gebruiken.

[Michel Uphoff]

En, was de grafiek de volgende dag ook zo strak?

 
Ja en nee. En een groot raadsel voor mij.
Dat minpuntje werd een joekel van een minpunt, zie deze grafiek:
 

Image1.jpg (104.78 KiB) 628 keer bekeken

klik voor grotere weergave.
 
Wat was er nu in de avond van 26 juni aan de hand, waardoor de slinger in grofweg 8 uur tijd liefst meer dan een tiende graden roteerde om daarna weer netjes te stabiliseren op het lagere niveau?
Ik heb werkelijk geen idee..

• Ik ben niet in de kamer geweest, doe de metingen nu remote.
• Weergrafieken nagelopen (zou luchtdrukverschil de oorzaak zijn), geen aanleiding gevonden. 
• Neerslag nagelopen (2 meter verderop is een plat dak dat wellicht vol liep met water), ook geen aanleiding gevonden.
• Temperatuur intern (door de Voltcraft) nagelopen, geen aanleiding.
• Labortherm staat al 4 dagen lang strak op 35,2 graden, geen aanleiding.
• Tussen de kamertemperatuur en de grafiek zie ik ook geen enkele correlatie (wat logisch is gezien de voorgaande twee punten).
• Is er iets verschoven? Zo ja, waarom dan zo geleidelijk en zo gelijkmatig? 
• Heeft er iets daadwerkelijk de gravitatie beïnvloed? Zo ja wat dan?

Vooralsnog laat ik de meting nog een tijdje doorlopen, wellicht werp dat wat meer licht op dit bizarre gedrag.
 
Wie een suggestie heeft: Heel graag!

[Pinokkio]

De oorzaak zal niet in de buitenkast zitten.
Dus moet de oorzaak buiten de buitenkast zitten.
De torsiedraad zou kunnen veranderen met de zolderkamertemperatuur, maar dat effect zou dan op en neer moeten gaan met die T en dat is in de grafiek niet zo.
 
Dan blijft toch eigenlijk alleen de houten dakconstructie over, immers: once you eliminate the impossible, whatever remains, no matter how improbable, must be the truth.
 
Door de dalende temperatuur van de afgelopen dagen zal het dak ook afkoeld zijn waardoor er spanningen in het hout ontstaan zijn die zich af en toe geleidelijk ontladen door kleine verschuivingen. Gerede kans dat de komende dagen nog een of meer van die sprongen zullen optreden.

[Michel Uphoff]

Een rotatie veroorzaakt door het werken van een balk of mdf hulpstukje vind ik niet waarschijnlijk.
 
Buiten de thermobox is er meer dat mogelijk van positie kan veranderen door allerhande invloeden.
Zo zijn er twee externe spiegels, een op een statief en een aan de dakbalk. Die zijn tussen klemmen met rubberen plaatjes gezet. Er is de laser die op een driepootje staat. Garantie dat die exact uitgelijnd blijven is er niet. De kast waarop de laser en de thermobox staan zou kunnen werken, en het projectieschermpje staat weer op een bureau dat kan werken.
 
Ik denk dat ik het eerst hierin moet zoeken, temeer omdat ik ook een verticale component in de verplaatsing zie terwijl de torsiedraad natuurlijk in het lood blijft hangen:
 

Instabiliteit verticaal.gif (42.08 KiB) 627 keer bekeken