De nauwkeurigheid van het startpistool - KNAW Onderwijsprijs

Waarom dit onderwerp?Ik doe aan schaatsen en ik altijd al geïnteresseerd geweest in de tijdwaarneming bij schaatsen. Anno2012 is de tijdwaarneming zo nauwkeurig dat men tot op 3 duizendsten van een seconde de tijdexact kan meten, maar men wil eigenlijk tot op één duizendsten nauwkeurig kunnen meten. Aan definish zijn er al drie systemen waarmee gelijktijdig de tijd gemeten wordt. Bij de start is er echtermaar één systeem en de vraag is of dat wel voldoende nauwkeurig is? Ik vroeg me dus af hoeveelvertraging er ontstaat bij het starten, bijvoorbeeld hoe lang het geluid erover doet om bij deschaatsers te komen, maar ook welke onnauwkeurigheden er in het systeem zelf zitten. Ik wil andersgraag een elektronisch startpistool ontwerpen dat wél tot op 1/1000s nauwkeurig is.SamenvattingIn dit verslag ga ik kijken naar de eerlijkheid bij het starten bij het schaatsen. Je wilt immers bij eenwereldrecord wel zeker weten dat de tijd voldoende nauwkeurig gemeten is. En je wilt al helemaalniet dat een schaatser een wereldrecord mis loopt op een paar duizendsten, terwijl hij bijvoorbeeldeen (technisch) nadeel had bij de start van enkele duizendsten! Ik ga vooral kijken naar de internevertraging in drie verschillende startpistoolsystemen. Ik kijk ook of het geluid de rijder in debuitenbaan sneller bereikt dan in de binnenbaan en ik ga kijken of mensen sneller reageren op eenpiepgeluid dan op een knal. Buiten het meten aan originele startpistolen heb ik ook zelf eenprototype gebouwd om te kijken of het mogelijk is om een startpistool te maken dat tot op deduizendsten zuiver is.Het maakt wel degelijk uit wat voor startpistool er gebruikt wordt. De drie pistolen die ik getest had,waren heel verschillend. Het originele startpistool, dat in Thialf bij de wereldbekerwedstrijdengebruikt wordt, is het nauwkeurigst van allemaal. Hier gaat het ook om een vertraging van enkeleduizendsten, maar bij een wereldrecord, wil je dit nog kleiner maken. De elektronische pistolen die ikgetest heb, waren minder nauwkeurig. Bij het meest onnauwkeurige startpistool, dat nog steedsgebruikt wordt tijdens regionale wedstrijden, had het geluid zelfs een vertraging van bijna twintigmilliseconden ten opzichte van de startpuls. Dit kan dus een stuk eerlijker leek mij! Uiteindelijk is hetmij ook gelukt om met behulp van een zogenaamde arduino en een rMp3 shield een elektronischstartpistool te bouwen dat exact op de duizendsten seconde nauwkeurig is.Het blijkt inderdaad ook, dat de rijder in de binnenbaan nadeel heeft. Het geluid komt immers vanhet pistool, of bij een elektronisch pistool uit de luidsprekers, beide staan aan de buitenkant van debaan. De afstand tot de rijder in de buitenbaan is kleiner dan tot de rijder in de binnenbaan. Omdatgeluid met een snelheid gaat van ongeveer 340 meter per seconde en het verschil ruim 11 meter (bijde 1000m) is, heeft de rijder in de binnenbaan een nadeel van bijna 33 ms ten opzichte van de rijderin de buitenbaan (bij de 1000m, met een origineel startpistool, dus zonder luidsprekers).Uit de proeven die ik gedaan heb met proefpersonen blijkt dat het merendeel sneller reageert opeen piep dan op een knal. In je ultieme poging om een wereldrecord te verbeteren kun je dus weerenkele duizendsten winnen door met een piep te starten in plaats van met een knal.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 3 | P a g e

Wat wil ik onderzoeken?Hoofdvraag: Hoe nauwkeurig is het huidige startpistool dat bij het schaatsen gebruikt wordt en isdeze nauwkeurigheid te verbeteren?Wat ik dus wil gaan doen is door middel van proeven gaan kijken hoe nauwkeurig de huidigestartpistolen zijn. Vervolgens wil ik een startpistool gaan maken dat nauwkeuriger is dan de huidigestartpistolen.Algemene vragen die ik wil gaan beantwoorden in mijn profielwerkstuk. Waarom zou je het starpistool nauwkeuriger willen hebben, iedereen heeft toch hetzelfdenadeel?• Hoe werkt een startpistool met knalpatronen?• Hoe komt daar het licht en geluid uit?• Is dat licht en geluid vertraagd ten opzichte van het startmoment?• Hoe werkt het elektronische startpistool?• Welke onderdelen zitten in het elektronische pistool en wat is de werking van dezeonderdelen?• Wat zijn de afmetingen van een wedstrijdijsbaan• Waarom een elektronisch startpistool in plaats van een gewoon startpistool• Tijdwaarneming in het kortEerst ga ik daarom metingen doen aan de huidige pistolen. Waar het mij vooral om gaat is of erverschil zit tussen het moment waarop de knal ‘begint’, het moment waarop de de flits aangaat enhet moment dat de startpuls naar de externe klokken wordt gestuurd. Om dit te kunnen meten moetik eerst weten welke apparatuur daar het handigste voor is. Dat ga ik doen in mijn gidsexperiment. Ikvergelijk hier het programma Coach 6, wat op school veel gebruikt wordt en een oscilloscoop.Gidsexperimenten Hoe meet ik met Coach 6 en hoe nauwkeurig is Coach 6? Hoe meet ik met de oscilloscoop en hoe nauwkeurig is de oscilloscoop?Daarna kan ik verder met mijn hoofdexperiment Wat is het tijdsverschil tussen het moment van de flits/geluid en het startsignaal?In mijn hoofdexperiment wil ik dus het volgende meten: Het moment waarop de trekker overgehaald wordt, en dat het systeem in gang wordt gezet.Dit signaal is mijn referentiekanaal, en noem ik het startsignaal. Het moment waarop de flitser aan gaat. Het moment waarop het geluid signaal begint. Het moment waarop er een elektrisch signaal gaat naar de externe klokken.Als ik deze metingen uitgevoerd heb ga ik mijn prototype pistool bouwen.Daarnaast wil ik nog het een en ander te weten komen over het starten bij schaatsen in hetalgemeen. Daarvoor doe ik nog de volgende twee proeven:• Worden schaatsers benadeeld afhankelijk van de baan waarin ze staan? Hoeveel is devertraging van het geluid?• Wordt de reactietijd bij mensen beïnvloed door het soort geluid. Dus verschilt de reactietijdbij een piep of een knal?Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 4 | P a g e

Waarom zou je een elektrisch startpistool willen?Er zijn drie nadelen aan een startpistool met knalpatronen. Allereerst heef een normaal pistool veelonderhoud nodig. Het wordt immers elke keer heel vies van binnen door de ontploffing die plaatsvindt. Om er voor te zorgen dat het pistool lang mee gaat, en dat er niets van binnen klem gaatzitten, moet het dus na elke wedstrijddag goed schoon gemaakt worden.Daarnaast zijn de losse flodders waarmee je schiet vrij prijzig zijn. Elke keer dat je schiet moet ernamelijk een knalpatroon in die zo’n vijftig cent per stuk kost!Ook het houden en vervoeren van zo’n pistool is een stuk lastiger dan een elektronisch startpistool.Voor een elektronisch startpistool hoef je namelijk geen vergunning te hebben, terwijl dit bij eenecht startpistool wel moet. Je kan er immers zo kogels in stoppen en dan heb je een gevaarlijk wapenop zak.Het elektrisch startpistool heeft deze drie nadelen niet. Hetnadeel aan de elektrische startpistolen is, dat ze op ditmoment nog minder nauwkeurig zijn dan het mechanischorigineel. Het mechanische origineel heeft namelijk eenafwijking van enkele duizendste, waar dat in het meestextreme geval bij de elektronische startpistolen enkelehondersten is. Ook klinkt het geluid nooit zo echt als eenechte ontploffing, maar dat lijkt mij iets minder belangrijk. Alshet elektronisch pistool dus even nauwkeurig of zelfsnauwkeuriger zou zijn dat het echte wapen heb je dus geen Figuur 1: Seiko PS-78 startpistoolgrote nadelen meer aan dit pistool. Vandaar dat ik gaproberen om een elektrisch startpistool heel nauwkeurig te maken.Waarom zou je het startpistool nog nauwkeuriger willen hebben?Op zich maakt de onnauwkeurigheid van een startpistool niets uit, maar dan moet het startpistoolwel bij elk startschot dezelfde afwijking hebben. Als iedereen dezelfde start vertraging heeft, maakthet niets uit, want iedereen heeft hetzelfde nadeel. Bij een evenement is dat ook vaak wel zo, omdatiedereen daar weggeschoten wordt met hetzelfde pistool, en deze pistolen vrij constant zijn. Maarop elke baan gebruiken ze een ander pistool, dat dus een andere afwijking heeft. Wereldrecordsvergelijken die gereden zijn met verschillende startpistolen is dus niet eerlijk, omdat het ene pistooleen andere afwijking heeft dan het ander. Het is uiteraard praktisch onmogelijk om overal hetzelfdepistool te gaan gebruiken. Vandaar dat je zou willen dat elk startpistool op de duizendsten secondenauwkeurig is. Je wilt dus een nauwkeuriger startpistool om de wedstrijden zo eerlijk mogelijk telaten verlopen.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 5 | P a g e

De startpistolenOm duidelijk te maken aan welke startpistolen ik metingen heb gedaan, geef ik een overzicht van depistolen en daarbij een korte toelichting.Het originele startpistoolHet originele mechanische startpistool wordt altijd gebruikt tijdens de grote internationalewedstrijden.In vergelijking met een elektronisch startpistool, werkt een normaalstartpistool vrij simpel. Dat komt doordat het geluid en de flits alontstaan uit de knalpatronen die er in zitten. De flits komt door deontploffing en de knal ontstaat daar ook uit. Daar hoeft dus geenelektronica voor gebruikt te worden. Het is eigenlijk een normaalgeweer. Het enige verschil is dat er op de loop een microfoon vastgemaakt is. Dit pistool werkt als volgt. Je haalt de trekker over.Hierdoor schiet de al eerder op spanning gebrachte veer naar voren.Hierbij schiet er ook een pin naar voren die precies op hetslaghoedje (5) van de kogel inslaat, door het slaghoedje vindt er eenchemische reactie plaats. Het kruit (3) vliegt meteen in brand. Dedruk in de kogel wordt hierdoor extreem opgevoerd in de kogel.Uiteindelijk is de druk zo hoog dat er te weinig ruimte is in de kogel.De druk kan nergens weg, aangezien er geen opening is, het zwartedeel bij nummer 5 geeft namelijk alleen de stoot van de pin door,maar houdt de kogel afgesloten. Nummer 1 zit nog klem in de huls(2). De druk wordt op een gegeven moment zo hoog, dat hij meerkracht heeft dan de weerstand van nummer 1 op de huls, waardoornummer 1 wegschiet. De huls blijft dus in het geweer achter. Bij hetschaatsen schieten ze echter niet met echte kogels, maar met losseFiguur 3: Werking pistoolFiguur 2: Schematische weergave vaneen kogelflodders. Dit werkt helemaal hetzelfde, er komt alleen geen kogel (1) uit het geweer. In plaats van dekogel (1) zit er een soort dekseltje dat verpulverd wordt. Je hoort echter wel een enorme knal en ookkomt er een flits/kruitvlam uit.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 6 | P a g e

Het bestaand elektronisch startpistoolDit pistool wordt nog altijd bij regionale wedstrijden in Thialf gebruikt. Het pistool kan alleen maareen piep ten gehore brengen.Dit pistool werkt vrij simpel. Wanneer de trekker overgehaald wordt, gaat er een elektrische pulsnaar de externe klokken. Daarvoor komt dit signaal langs een elektrisch mechanisme dat er voorzorgt dat de puls zo lang wordt gemaakt als wenselijk. De flits werkt exact hetzelfde. Ook hier gaat depuls er bijna direct naartoe.De zoemer werkt iets anders. Tussen de trekker en de zoemer zit nog een elektromechanischrelaiscontact. Wanneer de trekker overgehaald wordt, gaat er dus een elektromagneet aan. Door ditmagnetisch veld wordt een plaatje weekijzer, dat door een veertje omhoog gehouden wordt naarbeneden getrokken en sluit de stroomkring.Doordat de stroomkring gesloten is gaat er wat trillen in de zoemer. Dit gebeurt door resonantie. Ergaat dus eerst iets trillen in een bepaalde frequentie. Dit is de grondfrequentie van het anderevoorwerp waardoor ook dit gaat meetrillen.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 7 | P a g e

Het olympisch goedgekeurd elektronisch startpistool Seiko PS-78Dit type startpistool wordt gemaakt door Seiko en is eigenlijk bedoeld om direct te kunnen gebruikenbij verschillende sportevenementen en is goedgekeurd voor de Olympische Spelen. Om hetduidelijker te maken heb ik twee blokschema’s gemaakt, om te laten zien wat er in het pistoolgebeurt en wat er gebeurt met de signalen die het pistool verlaten.Figuur 4: Blokschema werking van het Seiko PS-78 startpistoolWanneer de trekker overgehaald wordt, is de stroomkring gesloten en gaat er een hoog signaal naarde VSA (voorschakelapparatuur) en naar de pic-controller (programmeerbare interupt controler),daarnaast verlaat dit signaal ook direct het pistool. Wat er met deze signalen gebeurt en wat de VSAen pic-controller doen wordt later uitgelegd.Het signaal dat naar de VSA gaat is bedoeld voor de flitser. Een VSA is nodig bij het ontsteken van eengasontladingslamp. Hoe dit werkt lees je verderop in mijn verslag. Dit signaal wordt meteen helemaalverwerkt in het pistool zelf. De flitser die hier in zit is een xeon-lamp, en werkt dus volgens hetgasontladingprincipe. De flitsbuis is gevuld met het gas xenon. Aan beide kanten van de lamp zittenelektrodes. Door een spanningsverschil tussen beide elektrodes, gaan er elektronen van de ene kantnaar de andere kant. Hierbij botsen ze tegen de atomen van het vulgas. Hierbij kan het elektron zijnenergie doorgeven aan het elektron van het gasatoom. Wanneer dit gebeurt raakt het elektron vanhet gasatoom in een aangeslagen toestand. Dat wil zeggen dat het elektron in een baan verder vande kern is gekomen door de extra energie die het heeft opgenomen. Voor elke baan is een specifiekehoeveelheid energie nodig, en pervulgas verschilt dit. Uiteindelijk vallende elektronen terug in de baan dichterrond de kern, de grondtoestand.Hierbij geven ze de energie af in devorm van elektromagnetische straling.Door de precieze hoeveelhedenFiguur 5: Werking gasontladingslampKjell van den Boogert Profielwerkstuk 8 | P a g e

energie die ze afstaan, ontstaan er spectraallijnen. Voor Xenon liggen deze spectraallijnen in hetultraviolet gebied, waardoor het voor de mens niet zichtbaar is. Door middel van een fluorescentiepoeder aan de binnenkant van de lamp, kan je het licht wel zien. Het poeder neemt namelijk het deUV straling in zich op en afhankelijk van het soort poeder geeft het de lichtenergie weer af in langeregolflengtes waardoor het dus zichtbaar wordt.Om een gasontladingsbuis aan de gang te krijgen is er echter een grote spanning nodig. Vandaar dater een VSA voor zit. In een aantal condensatoren kan tot een relatief hoge spanning en groteelektrische lading opgeladen worden, die ineens over de elektroden van de gasontladingsbuis kanworden “losgelaten” en daarmee de lamp snel ontsteekt.Het signaal dat naar de pic-controller gaat, zorgt voor de knal of de piep, afhankelijk van hoe deschakelaar staat. De pic-controller laadt vervolgens de WAV-files en speelt deze af. Dit signaal verlaathet pistool, samen met het signaal van de headset, die de starter op heeft. De headset heeft hij op,zodat hij duidelijk verstaanbaar is. De starter kan zelf regelen hoe hard dit geluid staat.UitgangpistoolFiguur 6: Vervolg van signalen die het startpistool verlaten hebbenDe signalen die het pistool verlaten zijn dus nog de geluidssignalen en de puls die naar de externeklokken gaat.De geluidssignalen gaan naar de luidsprekers, die naast de baan staan, maar in Thialf gaan ze ooknaar de stadion luidsprekers. Dit gaat draadloos. Hoe dit in elkaar zit is vrij ingewikkeld, omdat erecho’s achter de geluiden aan komen. Een ingewikkeld “echo-cancelling systeem” zorgt ervoor dat jein het stadion niet meerdere knallen hoort. Dit zou namelijk kunnen omdat men op verschillendeplaatsen in de hal staat en het ene signaal er dus langer over doet om je oor te bereiken dan hetandere signaal.Daarnaast gaat het signaal naar de klokken (in het bovenstaande plaatje aangegeven als ETPulse),maar hiervoor moet het eerst door een kastje. Dit kastje zorgt ervoor dat het signaal precies evenlang duurt als men wil. Het signaal moet namelijk een minimum tijdsduur hebben, omdat het andersook ruis kan zijn en dan wil je natuurlijk geen startsignaal. Daarnaast verwerkt het kastje ook hetgeluid, de knal en de piep uit het pistool, maar ook de microfoon van de starter.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 9 | P a g e

GidsexperimentenGidsexperiment met Coach 6BenodigdhedenVoor dit experiment had ik het volgende nodig. Een laptop met Coach 6 De Coach interface Twee geluidsensoren Een lichtsensor Draden om alles aan te sluiten Een leeg klaslokaal.OpstellingBij de proef heb ik de volgende opstelling gebruikt. De afstand tussen beide microfoons bedroeg 5,41meter. Er zat overigens geen gedachte achter waarom dat zo was. Het was puur om te kijken hoecoach werkt, en niet meteen voor echte metingen.Figuur 7: Opstelling van het gidsexperiment met Coach 6UitvoeringOp de interface van coach heb ik tweegeluidsensoren aangesloten en een lichtsensor. Deschotel zat vervolgens aangesloten op de computer,zodat ik de meetwaardes op de computer konaflezen en kon verwerken.Zodra ik coach aanschakelde om een meting testarten klapte ik in mijn handen (zo dicht mogelijkbij microfoon 1). In de grafiek kwam dan te staanwanneer microfoon 1 het geluid waarnam enFiguur 8: Coach 6wanneer microfoon 2 het geluid meet. Aan de handvan die grafiek kon ik dan het tijdsverschil tussen de metingen aflezen..Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 10 | P a g e

De lichtsensor had ik alleen aangesloten om te kijken of hij werkte. Ik hield dan mijn vinger ervoor ofjuist niet en zo kon ik zien of hij dit waarnam. Ook heb ik er een lampje voor gehouden, want desensor moet wel nauwkeurig genoeg zijn, dat hij het verschil ziet tussen normaal licht en de flits vanhet pistool. Dit is gelukt!VerwachtingDoor een rekensommetje te maken kon ik voorspellen hoeveel tijd er tussen beide microfoons zat.Het verband tussen t (tijd), snelheid (v) en afgelegde weglengte (s) is t=s/v. Dat is dus 5,41 / 345 =0,01568 seconde. Dit is heel weinig, maar het is toch al een honderdste van een seconde enwedstrijden worden soms beslist op een duizendsten! Nou was de afstand bij dit experimentweliswaar niet direct representatief voor schaatsen, maar wel is duidelijk geworden dat ik op dezewijze wel de echte proef zou kunnen uitvoeren.Het doel van dit experiment was vooral om te kijken hoe Coach werkt en hoe nauwkeurig ditprogramma meet.ResultatenDe eerste meting is heel anders dan de andere en ik verwacht dat dit een klein meet foutje isgeweest. De eerste meting komt ook niet overeen met het hierboven gegeven rekensommetje. Deeerste meting is dus echt een foute meting geweest, want dit is theoretisch niet verklaarbaar.MetingTijdsverschil (seconde)1 0,0122 0,0163 0,0154 0,0155 0,0166 0,0167 0,0168 0,0169 0,01610 0,01511 0,01512 0,016ConclusieCoach zelf werkt erg handig en je kunt het ook na de meting goed en duidelijk aflezen, maar er zittenook nadelen aan coach. Wat vooral een nadeel is, is dat je geen andere geluidsensoren oflichtsensoren kunt gebruiken, omdat deze niet op de coach schotel passen. Ik zou dan ook niet wetenhoe ik een referentiekanaal, dat de startpuls op moet vangen moet aansluiten op coach. Dat is duseen heel groot nadeel, omdat ik dan geen referentiekanaal heb.Daarnaast twijfelde ik ook aan de nauwkeurigheid van coach. De metingen per tijdseenheid zijnnamelijk gelimiteerd. Je kan deze wel instellen, maar als je heel nauwkeurig gaat kijken in demetingen, blijkt dat coach niet nauwkeuriger gaat meten dan in een minder nauwkeurige instelling.De tijdsduur tussen de meting blijft dan namelijk gelijk. Dit zie je terug als je heel erg inzoomt in deKjell van den Boogert Profielwerkstuk 11 | P a g e

grafiek. Coach verbind dus gemeten punten. Op de gemeten punten zitten dus hoeken. Deze hoekenhoren dichterbij elkaar te komen, wanneer je vaker meet per seconde, maar dat is niet het geval.DiscussieDe meting is dus gelukt, het is alleen jammer dat ik niet gekeken heb hoe nauwkeurig de lichtsensormeet. Ik wist immers niet het exacte tijdsmoment waarop ik mijn vinger op de sensor legde en hetmoment wanneer hij dit meet.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 12 | P a g e

Gidsexperiment met de OscilloscoopBenodigdhedenElektronisch startpistoolTwee microfoonsLichtsensorOscilloscoopVersterkerLuidsprekersDradenOpstellingFiguur9: Opstelling gidsexperiment met de oscilloscoopUitvoeringAls oscilloscoop gebruik ik de Tektronix TDS 2004B.De uitvoering van deze proef was iets uitgebreider dan die ikmet coach heb uitgevoerd. Ik heb deze proef al op de ijsbaangedaan met het elektronisch startpistool erbij, waardoor ikook al het referentiekanaal, het startsignaal uit het pistool,aan heb kunnen sluiten. De microfoons zaten via eenversterker op de oscilloscoop aangesloten. De versterker hebik ertussen gezet, omdat anders het signaal niet sterk genoegFiguur 10: Tektronix TDS 2004Boscilloscoopwas. Ook had ik een lichtsensor op de flitser geplakt en op deoscilloscoop aangesloten. Er waren dus vier kanalenaangesloten op de oscilloscoop.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 13 | P a g e

VerwachtingEen echte verwachting had ik niet, maar ik hoopte eigenlijk te zien dat de oscilloscoop nauwkeurigzou meten. Omdat deze proef al vrij veel op mijn hoofdexperiment leek, hoopte ik ook te zien dat ditpistool nauwkeurig was, maar het ging er mij hier vooral om, hoe de oscilloscoop werkt.ResultatenDe osciloscoop meet nauwkeurig en door de metingen op de computer uit te lezen kon ik ook deverschillen op de duizendsten seconde nauwkeurig meten!ConclusieDe proef was goed gelukt, maar een oscilloscoop werkt minder handig dan coach. De oscilloscoop iswel een stuk nauwkeuriger dan coach. De nauwkeurigheid vind ik wel heel belangrijk in dezeproeven, zeker ook omdat het over hele kleine tijdsverschillen gaat bij de proeven die ik uit gavoeren. Verder is het ook handiger dat ik de oscilloscoop gewoon thuis heb, en dus altijd kangebruiken, ook op locatie in Thialf.DiscussieDeze proef was goed naar wens verlopen, en achteraf heb ik hier dus ook geen aanmerkingen op.Wordt het coach of de oscilloscoop in mijn hoofdexperiment?Voordelen CoachVoordelen OscilloscoopWerkt handigHeel nauwkeurigDuidelijk overzichtDuidelijk overzichtMeteen op de computerJe kan alles er op aansluitenDeze heb ik al thuisNadelen CoachNadelen OscilloscoopOnnauwkeuriger, doordat demetingen per tijdseenheid gelimiteerdzijn.Werkt minder handigGelimiteerd, wat je er op aan kansluitenAlle voor en nadelen bij elkaar, heb ik dus toch besloten om met de oscilloscoop te gaan meten. Ditkomt vooral, omdat deze nauwkeuriger is en omdat ik er alles op aan kan sluiten wat ik wil.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 14 | P a g e

HoofdexperimentWat is het tijdsverschil tussen het moment van de flits, het geluid en hetstartsignaal?BenodigdhedenOscilloscoopStartpistoolMicrofoon (en voorversterker)Lichtsensor (en voorversterker)OpstellingFiguur 7: Opstelling experiment met origineel startpistoolFiguur 8: Opstelling experiment met Seiko PS-78Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 15 | P a g e

UitvoeringIk heb drie kanalen aangesloten op de oscilloscoop. Op die manier zorg ik ervoor dat ik in één plaatjekan zien wanneer de trekker is overgehaald, wanneer de flits is aangegaan en daarnaast wanneer hetgeluid aan is gegaan. Vervolgens kan ik dan uit de plaatjes aflezen wat de onderlinge tijdsverschillenzijn.Bij alle proeven heb ik de startpuls als referentiekanaal genomen. Dat heb ik gedaan, omdat dienormaal gesproken als eerste is, omdat er weinig vertraging achter zit. Als iets anders toch snellereen puls geeft dan de startpuls, scoort het dus een negatief getal!Alle metingen heb ik vijf keer uitgevoerd. Zo zijn de proeven betrouwbaarder, dan dat je het maaréén keer uitvoert. Nog vaker testen had ook weer niet zoveel zin, omdat alle pistolen vrij constantblijken te zijn. Het echte pistool heb ik minder vaak getest, omdat dit vrij duur is en omdat ik het ooknog nodig had om de knal op te nemen voor de arduino (het zelf gemaakte startpistool), maar ditpistool bleek ook heel constant.Bij de proeven zat alles als volgt aangesloten:Kanaal 1: Startpuls (referentie kanaal)Kanaal 2: GeluidsensorKanaal 3: Lichtsensororanjelicht blauwroze/paarVerwachtingOnderlinge vergelijkingOnderling tussen de pistolen verwacht ik redelijkgrote verschillen. Dat komt doordat ze tochverschillend werken. Sowieso is er één pistool datde werking heeft van een echt pistool en de anderezijn elektronisch. Maar ook tussen de elektronischepistolen verwacht ik grote verschillen.Ik verwacht dat de arduino en het originelestartpistool het nauwkeurigst zijn. Daarnaverwacht ik pas het Seiko pistool en als laatste hetoude elektrische pistool.Figuur 9: Mijn opstelling arduino experiment in ThialfHet originele pistoolBij dit pistool verwacht ik heel weinig verschil tussen de startpuls, flits en de knal. Ik verwacht dat destartpuls geen meetbare vertraging heeft, van het moment datde trekker overgaat tot het moment dat de externe klokkengestart worden. Er gaat namelijk een schakelaar om op hetmoment dat je de trekker overhaalt. Vervolgens verlaat de pulsdirect het pistool om via een kabel naar de externe klokken tegaan en de tijd te starten. In dit circuit zit dus geen meetbarevertraging. Het signaal verplaatst zich immers met de snelheidvan elektriciteit, die heel dicht in de buurt zit van de snelheid Figuur 10: Starter met het originelestartpistoolKjell van den Boogert Profielwerkstuk 16 | P a g e

van licht. Bij de flits en de knal verwacht ik ook geen meetbare verschillen. Dat komt door de werkingvan het pistool. Het slagpinnetje slaat zonder vertraging op de kogel, waarna een chemische reactiein gang wordt gezet en het buskruit ontvlamt, en je de knal kan horen en de flits ziet. Het enige waarhier dus vertraging zou kunnen zitten is de chemische reactie. Behalve vertraging zou het ook zokunnen zijn dat de chemische reactie de ene keer sneller gaat dan bij een volgende kogel. Dit ligt aande precieze hoeveelheden van de betreffende stoffen die in de kogel zitten. Elke kogel zou net watmeer of minder van een bepaalde stof kunnen bevatten, waardoor de ene kogel minder vertragingheeft dan de ander. Ik verwacht dat de chemische reactie vrij snel verloopt, maar als dit niet zo is,kan je hier ook niets meer aan doen, omdat het de eigenschap is van die kogel. Ook verwacht ik dathet verschil tussen de bepaalde kogels niet enorm is, omdat de hoeveelheden van de stoffen vrijprecies worden afgewogen.Het nieuwe elektronische pistoolNaar mijn verwachting, is de startpuls heel snel. Deze gaat alleen via dat kastje waar hij ietsvertraging op kan lopen, maar ik verwacht dat dit heel weinig is, doordat het grootste deel toch metde snelheid van elektriciteit gaat.De flits vindt ik heel lastig hoe snel deze zal zijn. Het is namelijk onduidelijk hoe snel het principe vande gasontlading werkt, en het is ook onduidelijk hoe snel de VSA werkt. De flitser is mij dusonduidelijk.Bij de knal verwacht ik vertraging. Het pistool moet namelijk de WAV-file nog laden, voordat de WAVafgespeeld kan worden. Bij dit proces verwacht ik vertraging.Het oude elektronische pistoolDe flits verwacht ik vrij snel, omdat dit gewoon een heleboel LEDjes zijn, die parallel geschakeld zijn.De vertraging bij de flits is dus alleen de aanspreektijd van de LED.Het geluid verwacht ik wel wat traag, omdat de relais een korte vertraging heeft. Dat komt namelijkdoor de massatraagheid van het elektromagnetisch contact. Om de schakelaar dicht te krijgen, moeter door middel van magnetisme een stukje metaal verplaatst worden. Door de traagheid duurt diteven. Dit zal heel kort zijn, maar ik denk wel dat het hier over meerdere duizendsten van eenseconde gaat. Daarnaast gebruikt dit pistool een zoemer, die er door middel van resonantie voorzorgt dat je een piep hoort. Hier kan ook nog een korte vertraging inzitten.ResultatenHet originele startpistoolProef nr Startpuls (ms) Δt tussen flits enstartpuls (ms)1 0,0 0,75 1,52 0,0 0,75 1,53 0,0 0,75 1,5Gem 0,0 0,75 1,5Δt tussen geluid enstartpuls (ms)Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 17 | P a g e

Het oude elektronische startpistoolHieronder staan de resultaten van de metingenaan het oude elektronische pistool. Ik noem hethier wel het oude pistool, maar bij regionalewedstrijden in Thialf wordt het nog altijdgebruikt! Dit pistool kan uitsluitend een piep tengehore brengen. Bij de flits (paars) doet ditpistool iets geks. Precies op het moment van destartpuls gaan de LED’s heel kort aan. Ze gaandan weer heel kort uit om daarna een tijdje aante blijven. Het gaat de eerste keer echter zo kortaan, dat je het niet waar kan nemen, vandaardat ik bij de resultaten uitga van het momentwaarop de LED’s een tijdje aan blijven.Figuur 11: Plaatje van de oscilloscoop van het oudeelektronisch startpistoolProef Startpuls (ms) Δt tussen flits enstartpuls (ms)Δt tussen geluid enstartpuls (ms)1 0,0 2,20 19,62 0,0 2,20 19,73 0,0 2,10 19,64 0,0 2,10 19,65 0,0 2,20 19,7Gem 0,0 2,16 19,64Het nieuwe elektronische startpistool (Seiko PS-78)Hieronder staan de resultaten van de metingen die ik gedaan heb aan het Seiko PS-78. Bij dit pistoolheb ik ook gekeken of er nog extra vertraging zit in het kastje wat nog tussen het pistool en deexterne klokken gezet moet worden. Dit is dat kastje, dat zorgt voor de goede tijdsduur van de pulsnaar de externe klokken en het geluid verwerkt.Proef Startpuls (ms) Δt tussen startpuls enstartpuls na het kastje (ms)Δt tussen flits enstartpuls (ms)Δt tussen geluiden startpuls (ms)1 0,0 0,17 -0,37 4,02 0,0 O,15 -0,38 3,03 0,0 0,16 -0,38 3,04 0,0 0,18 -0,36 3,45 0,0 0,16 -0,37 3,2Gem 0,0 0,164 -0,356 3,92Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 18 | P a g e

Gemiddelde tijdsverschil ten opzichte van startpuls (ms)Hieronder staan alle gemiddeldes per pistool in een grafiek.20Tijdsverschillen tussen startpuls / flits / knal1510Flits5KnalStartpuls na kastje0-5Echt pistool Oud elektrisch pistool Seiko PS-78Soort pistoolFiguur 12: Grafiek tijdsverschillenKjell van den Boogert Profielwerkstuk 19 | P a g e

ConclusieOnderlinge verschillenDe volgorde van nauwkeurig naar onnauwkeurig klopt redelijk met mijn verwachtingen, maar dearduino, het zelf gemaakte pistool, is de minst nauwkeurige qua flits, en dat was absoluut niet hetplan toen ik hem ging bouwen. Gelukkig weet ik waar ik de fout heb gemaakt en kan ik dit aanpassen.Lees hier meer over bij de conclusie van de arduino.Figuur 13: Het originele pistool wordt afgeschoten (120 beeldjes per seconde camera gefilmd)Normaal startpistoolEigenlijk komt mijn verwachting wel redelijk overeen met de resultaten. Het pistool is vrijnauwkeurig, maar het heeft wel een afwijking van 1,5ms in het geluid. Daaruit blijkt dus wel dat ermet de huidige apparatuur inderdaad niet op de duizendsten nauwkeurig gemeten kan worden. Hetpistool is dus nauwkeurig, maar je zou het graag nog nauwkeuriger hebben. De chemische reactieloopt inderdaad dus vrij snel en het lijkt er ook op dat de kogels vrij constant zijn, maar dit kan ik nietheel goed zeggen, omdat ik daarvoor te weinig metingen heb uitgevoerd.Nieuw elektronisch startpistool Seiko PS-78Wat ik verwacht had, was dat er een kleine vertraging zou zitten in het kastje, wat voor de goedetijdsduur van de startpuls zorgt, en dat klopt ook. Het gaat hier om een heel kleine vertraging, vanongeveer 0,16 milliseconde. Dat vind ik nog nauwkeurig genoeg, aangezien het binnen deduizendsten blijft.De flits is echter sneller dan de startpuls. Hoe dit werkelijk gaat, is onduidelijk. Een verklaring ervoorzou zijn dat de ontwerpers bij Seiko een interne vertraging hebben ingebouwd, voor het startsignaal,omdat ze dachten dat het geluid en de flits tijd nodig hadden om aan te gaan. De interne vertragingzou er dan voor zorgen dat alles tegelijkertijd zou zijn. Wat er dan nu gebeurt, is dat de flitser juistwel snel aan is, en daardoor zelfs voor de startpuls.Dat het geluid vertraging heeft had ik wel verwacht. Ik denk dus dat dit komt, doordat de file eerstnog geladen moet worden.Oud elektronisch startpistoolDe flits in dit pistool is nog redelijk op tijd, maar het kan sneller.Het geluid is inderdaad veel te laat, wat ik dus ook verwacht had. Dit komt dus door het relais endoor de resonantie.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 20 | P a g e

Evaluatie en discussieUiteindelijk ben ik wel tevreden over hoe de proeven gegaan zijn. Het enige wat wel beter hadgekund, was dat ik hier en daar meer metingen had uit kunnen voeren. De elektrische pistolen zijnvrij constant, dus dat is niet zo erg, maar aan het echte pistool zou ik eigenlijk nog wel meermetingen willen doen om te kijken of dit pistool ook werkelijk zo constant is als dat het nu lijkt.Wat wil ik bouwen?Wat ik wil bouwen is een prototype startpistool dat heel nauwkeurig is. Eigenlijk is wel mijn doel omhet startpistool op de duizendsten seconde nauwkeurig te krijgen. Zo wordt namelijk het vergelijkenvan tijden die op verschillende banen zijn gereden ook eerlijker. Of het er ook werkelijk uit gaat zienals een startpistool, maakt mij niet uit, het gaat voorlopig om een prototype.De Arduino en het rMP3-shieldOm het startpistool te kunnen bouwen heb ik gebruik gemaakt van een Arduino, met daarop eenrMP3-shield. Wat deze twee dingen zijn leg ik hieronder uit.Figuur 14: Standaard arduino unoDe Arduino is een wereldwijd bekend open-sourcemicro-controller project. De Arduino is gebaseerd opeen Atmel micro-controller, de ATmega168. Deze isvoorzien van een speciale boot-loader (een boot-loaderstart de arduino op), en een C-compiler omgeving. Doorde C-compiler kan je op je computer een programmaschrijven in C++, een programmeertaal. De compilervertaalt dit in machinetaal van de Arduino. Je kan ditprogramma, via de USB op de Arduino zetten . DeArduino kan vervolgens stand-alone, dus zonder dat hetmet de computer is verbonden, dit programmauitvoeren.De Arduino is bijvoorbeeld heel geschikt om ingangssignalen te detecteren en die met je eigenprogramma te bewerken tot uitgangssignalen. De Arduino micro-controller is in de eenvoudigstevorm gebaseerd op een 8-bits microcontroller. Die micro-controller kan micro-instructies uitvoerenen daarmee bewerkingen op je data uitvoeren in zijn interne ALU (Arithmetic Logical Unit). Datakunnen afkomstig zijn uit program memory (PROM) of RAM (Random Access Memory), interneregisters of externe pinnen van de processor (I/O).Zo gebruik ik in het prototype van mijn elektronischstartpistool 3 ingangspinnen van de Arduino om hetstartsignaal te detecteren, om de geluidspuls tedetecteren en als laatst om de knop voor dereactietijd uit te lezen. Ik heb namelijk ook noggekeken of de reactietijd verschilt met een knal eneen piep, om dit tijdsverschil te meten, heb ik nogeen extra drukknop toegevoegd aan de arduino, dieFiguur 15: Arduino uno met rMp3- shieldKjell van den Boogert Profielwerkstuk 21 | P a g e

natuurlijk ook uitgelezen moet worden.Als uitgangsignalen stuur ik drie commando’s weg. Één voor het geluid, deze gaat via een seriële SPIpoortvan een rMP3-shield naar het rMP3-shield (straks meer hierover), het tweede signaal gaat naarde externe klokken, en het laatste signaal gaat naar de flitser.De rMP3 is een zogenaamd "shield" voor de Arduino, waarmee je mp3 en wav-files kunt afspelen. Erzit ook een "flash"-memory kaart op, waarop je de geluidsfiles kunt zetten, die de rMP3 kan afspelen.De rMP3 heeft hardware aan boord om mp3-files te kunnen decoderen en afspelen. Uiteraard speeltde rMP3 ook niet-gecomprimeerde wav-files af. Verder zit er interne software op om een file-systemop een flash-kaart te kunnen lezen. De rMP3 communiceert met de Arduino via commando's overeen seriële SPI-poort. Via de Arduino kan je commando’s sturen om een geluidsfile te laden, in pausete zetten, resume en het volume kan digitaal ingesteld worden. De routines hiervoor staan in eenrMP3 software library voor Arduino.Ook kun je binnen geluidsfiles vooruit- of achteruit springen en kun je zelfs de titel van de geluidsfileuitlezen. De rMP3 is dus eigenlijk een soort van zelf bestuurbare mp3-speler. Ik gebruik hem echteriets anders, namelijk om een geluidje zo snel mogelijk af te spelen. In mijn geval dus een startknal ofeen piep.Het probleem van het rMP3-shield is wel dat het uit zichzelf niet goed is om op de duizendstenseconde nauwkeurig het geluid te starten. Dat is dus voor mij te laat voor het afspelen van hetstartgeluid. In normaal gebruik maakt het immers niet uit, als het bijvoorbeeld 100ms duurt voordateen opgevraagde geluidsfile begint te spelen. In mijn geval wil ik het liefste binnen 1 ms het geluidstarten. Helaas blijkt dat niet mogelijk met de rMP3. Toch heb ik daar een slimme oplossing omheenbedacht. Met die oplossing blijkt het wel mogelijk om een geluid en flits en elektronische startpulsbinnen 1 ms gelijktijdig (en met heel weinig onderlinge vertraging) af te spelen. Er zit dus wel eenvertraging in de rMP3-shield, maar door deze vertraging te compenseren, is uiteindelijk toch alles tegelijkertijd.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 22 | P a g e

wav versus MP3De rMP3 kan zowel mp3-files als wav-files afspelen. Toch ben ik er achter gekomen dat mp3-fileseigenlijk niet geschikt zijn om als startknal of als startpiep af te spelen. Het verschil in geluid is tussenmp3 en wav weliswaar niet hoorbaar, maar de timing is wel anders. Een wav-file kan vanaf t=0 (0 ms)onmiddelijk een geluid met maximale amplitude afspelen. Het geluid gaat dus meteen aan, en is ookmeteen op volle geluidsterkte. Een mp3-file blijkt dat niet te kunnen. Als je een wav-file omzet naarmp3, wordt er door het conversieprogramma een aanloopstuk van bijvoorbeeld 50 ms vooraanaangeplakt, waardoor het geluid met een vertraging van 50 ms wordt afgespeeld. Het aanloopstukblijkt ook niet helemaal stil. Ik snapte dit eerst niet en dacht dat dit een probleem van hetconversieprogramma was, maar later kwam ik erachter dat dit te maken heeft met decodeermethode van mp3-files.mp3-files zijn gecomprimeerd. De onhoorbare frequenties zijn uit het geluid gehaald. Daarmee kaneen hoge datacompressie worden bereikt. Je hoort er niets van, maar eigenlijk is het bestand welveranderd. Het grootste verschil zit hem in het tijdsdomein; de knal begint niet meer meteen, maarwordt meer "uitgesmeerd" over langere tijd. Aangezien dit over vele ms gebeurd, is het mp3-fileformaat niet bruikbaar als je een knal of een piep wilt maken, die op de ms nauwkeurig start.Stel je hebt een knal in wav-file, die op 0 ms meteen op volle amplitude begint. In dat geluid zittendan heel veel (bijna oneindig veel) frequentiecomponenten. De mp3-converter zal er een heleboelfrequenties uitfilteren, en vervangen door maar een paar relatief lage frequenties. Als je dat signaalvervolgens weer in tijdsdomein bekijkt, blijkt de knal opens niet meer "instantaan" te beginnen.Voordat het zijn maximale geluidsamplitude bereikt, wat pas na 0,050 ms wordt bereikt, zit er eensoort aanloop naar die maximale amplitude. Let wel op dat het hier gaat om het moment dat eenknalgeluid zijn maximale amplitude gaat, de boven genoemde 50ms, gaat over de vertraging voordathet geluid van een MP3 werkelijk start. Het geluid is in de mp3-file dus vertraagd en daarnaast is ereigenlijk geen goed moment meer aan te geven, waarop het geluid begint, het geluid begint immersgeleidelijk.In de afbeelding op de volgende bladzijde, zie je precies wat er gebeurt, met het bestand. Hetbovenste is de wav-file. Dat bestand heb ik gecomprimeerd tot een MP3, en dat is wat je ziet in hettweede plaatje.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 23 | P a g e

De bovenste grafieken bij beide plaatjes is de 8 ms durende piep die gebruikt wordt voor de feedbackin de arduino zelf, later meer hierover. De onderste grafiek bij beide plaatjes is het piep geluid in eenMP3 of WAV-formaat.De vertraging bij de MP3 zorgt er voor dat ik liever wav-files gebruik dan MP3.Figuur 17: Wav-piep audacity fileFiguur 16: Zelfde piep, nu in Mp3-formaat, audacity fileKjell van den Boogert Profielwerkstuk 24 | P a g e

Wat heb ik uiteindelijk gebouwd?Voorafgaand aan een startschot wordt een belangrijke voorbereiding getroffen. Het geluid wordt alvan te voren klaar gezet, zodat het heel snel kan afspelen. Wanneer het niet klaar gezet zou wordenmoet het namelijk eerst geladen worden van de SD card, wat voor 500 milliseconde vertraging zouzorgen. Het volgende proces (zie ook de afbeelding hiernaast) wordt dus al van te voren gedaan.Eerst wordt het geluid uitgezet. In de code staat rMP3Delay, deze zorgt ervoor dat de arduino 200ms,wacht zodat de arduino 200ms de tijdheeft om het geluid uit te zetten. Dearduino doet er namelijk een flinke tijdover om het geluid uit te zetten. Hetgeluid wordt uitgezet, omdat je andersbij het laden een heel klein stukje vanhet geluid hoort. Vervolgens wordt hetgeluid geladen en gestart, dit kost 500milliseconde, omdat er internvertragingen in gebouwd zijn van intotaal 500 milliseconde. Hij wordtechter al in minder dan tienmilliseconden op pauze gezet.Vervolgens wordt het geluid weer diekleine tien milliseconden teruggespoeld, zodat het geluid weer bij hetbegin is. Dan wordt het geluid weeraangezet, ook hier krijgt de arduinoweer 200 ms de tijd om dit de doen. Figuur 18: Blokschema, klaarzetten van het geluid op de arduinoKjell van den Boogert Profielwerkstuk 25 | P a g e

Figuur 19: Blokschema van de werking van het arduino startpistool dat ik gebouwd hebDe trekker werkt als een soort drukschakelaar. Als je de trekker (bij mij nog een gewonedrukschakelaar) dus overhaalt gaat er een hoog signaal naar de arduino. Dit signaal noem ik deStartpuls (1).De arduino zit in een loop (zie bijlage van de software) waarbij hij controleert of hij de Startpuls ofeen puls uit de level detector ontvangt. Als dit niet zo is maakt hij zijn loop af, zonder iets te doen,want er wordt immers niet aan de gestelde voorwaarde (of hij een van beide pulsen binnen krijgt)voldaan. Wanneer hij de hele loop heeft gehad begint hij weer opnieuw. Dit blijft hij herhalen. Hetkan dus zo zijn dat er een hoog signaal binnenkomt op het moment dat hij de loop voor ¾ heeftdoorlopen. Pas als hij de hele loop heeft doorlopen merkt hij het hoge signaal op en gaat hiermeeaan de slag.De arduino gaat vervolgens weer de loop doorlopen. Dit keer wordt er echter wel aan de voorwaardevoldaan en gaat er een signaal naar het rMP3-shield (2). Hier stonden al twee geluiden klaar omafgespeeld te worden (3). Het ene geluid is een monotone toon (bovenste in overzicht) van 3500 Hzen deze duurt acht milliseconde. De keuze hiervan was vrij willekeurig. Het andere geluid is de WAVfile. Dit kan een knal of een piep zijn, dat kan je kiezen met een schakelaar.Het monotone geluid heeft een heel andere functie dan gewoon geluid te laten horen. Op deprintplaat waar ook de arduino zit, zit namelijk ook een level detector. Dit kun je vergelijken met eenmicrofoon die een hoog signaal afgeeft wanneer er geluid met een bepaalde geluidsterkte is datKjell van den Boogert Profielwerkstuk 26 | P a g e

oven een drempelwaarde uitkomt. De monotone toon zorgt er voor dat deze leveldetector eenhoog signaal afgeeft gedurende die acht milliseconden dat het geluid duurt (4 / 5). Dit signaal gaatweer terug naar de arduino (6), maar ook naar twee ‘OR’ poorten (6).De arduino zit weer in die loop en ontvangt dus het hoge signaal dat van de level detector afkomt (7).De arduino zorgt er dan weer voor dat twee outputs, één voor de flitser en één voor de externeklokken, een hoog signaal afgeven met de bepaalde duur die ik geprogrammeerd heb in de C++ codevoor de arduino. Beide signalen zitten weer aan de ‘OR’ poorten.Aan één van de OR poorten zit dus het signaal van de level detector en het signaal uit de arduino datbedoeld is voor de flitser. Het signaal dat van de level detector afkomt is al veel sneller hoog,namelijk op hetzelfde moment waarop het signaal terug gaat naar de arduino. Door dit signaal gaatdus de flitser aan (7), maar deze gaat na acht milliseconde uit, dan geeft de level detector immersgeen hoog signaal meer af. Op hetzelfde moment als de flitser gaat er ook een puls naar de externeklokken (ETPulse) (7).Ongeveer zes milliseconden nadat de level detector een hoog signaal afgaf, heeft de arduino hetsignaal verwerkt (8) en wordt dus de andere ingang aan de OR poort hoog (9). Deze blijf net zolanghoog als er in de code stond. Het signaal van de level detector (het signaal dat via de hardware komt)zorgt er dus voor dat de flitser op het juiste moment aangaat. Het software signaal (via de arduino)zorgt er vervolgens voor dat de flits 100ms lang aanblijft (staat in de C++ code). De andere OR poortwerkt exact hetzelfde, alleen gaat dit signaal naar de externe klokken in plaats van de flits, hetsignaal voor de klokken duurt 50ms.Figuur 20: Blokschema van het programma dat op de arduino draaitKjell van den Boogert Profielwerkstuk 27 | P a g e

In het bovenstaande figuur zie je heel duidelijk dat er drie stadia binnen het programma zijn.Namelijk “Ready”, “Delayed”, “Active” en “Completed”. Nog voordat de trekker overgehaald wordtstaat alles in “Ready” en is het klaar om snel actie te ondernemen. Wanneer de trekker overgehaaldwordt gaat rMP3 meteen door naar Active, omdat de ingebouwde vertraging 0 ms is. Deze is één totzes keer actief. Dat hangt er namelijk vanaf hoe vaak de starter de trekker overhaalt. Bij een gewonestart doet hij dat één keer en dan is de rMP3, één keer 1000ms actief. Bij een valse start is hij tweekeer 1000ms actief.Als de level detector een hoge puls geeft, omdat het geluid afgespeeld wordt gaan de ETPulse en depuls naar de flitser naar actief. Om in de status actief te kunnen komen, worden ze 6 ms vertraagd.Dit is om ervoor te zorgen dat de software puls binnen de 8 ms de hardware puls overneemt. Dehardware puls is namelijk 8 ms actief, omdat het monotone geluid zo lang duurt. De software pulsmoet dan de puls naar de klokken en naar de flits overnemen, om ervoor te zorgen dat dezevoldoende lang duren. De 6 ms vertraging zorgt ervoor dat dit ook gebeurt, en niet dat de puls ervoor of er na actief is.Vervolgens keren ze allemaal terug naar “completed” en tegelijkertijd worden ze in “ready” gezet.Het zou kunnen dat de arduino bij de metingen toch nog verschillende vertragingen heeft, maar ditzou goed opgelost kunnen worden, omdat er nog aanpassingen te doen zijn. Wat voor aanpassingenlees je hieronder.De eerste vertraging komt doordat dearduino in de loop zit. Het signaal uit hetpistool komt dan dus aan, maar het duurteven voordat het verwerkt wordt. Op zichmaakt dit niets uit, omdat het signaal nogniet naar de externe klokken, de flitser ofhet geluid is gestuurd. Het moet echter welzo kort zijn dat de starter denkt dat hetpistool iets doet. Gelukkig is het zo kort dateen mens het onmogelijk kan merken.Figuur 21: Het arduino startpistool dat ik gebouwd hebDe tweede vertraging zit in de leveldetector, deze reageert wat later. Dat zouer dus voor zorgen dat de flits en de puls naar de externe klokken een vertraging hebben ten opzichtvan het geluid. Dit zou je heel makkelijk op kunnen lossen. Je moet namelijk weten wat de vertragingis van de level detector. Stel dat je er in je metingen achter komt dat het twee duizendsten is, pas jede geluidsfile aan. Hier zet je namelijk twee duizendsten stilte voor. De monotone toon laat je echterexact hetzelfde. Wat je dan krijgt is dat beide geluiden tegelijkertijd aangezet worden. Het monotonegeluid begint ook meteen. De geluidsfile begint ook meteen, maar hij begint met twee duizendstenvan een seconde stilte af te spelen. Pas daarna hoor je werkelijk het geluid. In die twee duizendstenis ook de puls voor de flits en de externe klokken hoog geworden. En dus is alles op exact hetzelfdemoment.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 28 | P a g e

if ((InStartPulse != InStartPulsePrevious) && (InStartPulseDebounce== false)) {InStartPulseDebounce = trueInStartPulseDebounceTime = TimeNowInStartPulsePrevious = InStartPulse;if (InStartPulse == LOW) {if (OutPistolPulse_State != StateReady) {rMP3SetFalseStart(); }else {InStartPulse_LastFired = millis();InStartPulse_usLastFired = micros();rMP3ResetFalseStart();OutPistolPulse(StateDelayed);rMP3Sound(StateDelayed);}}}Er wordt in de code steeds opgeslagen welke toestand de schakelaar heeft. In de eerste regel kijk ikof de nieuwe toestand gelijk is met de vorige toestand. Daarnaast mag de InStartPulseDebounce niettrue zijn. Deze is gedurende een korte tijd “true”. De schakelaar die gaat namelijk niet zomaar over,maar die blijft door traagheid heel kort even op en neer springen totdat zijn snelheid echt isafgenomen. In de tijd van het op en neer springen geeft hij dus meerdere pulsen af. Met deze extravoorwaarde zorg je ervoor dat hij niet elke keer actie onderneemt bij zo’n pulsje.Vervolgens wordt de InStartPulseDebounce juist true gezet, want juist nu, mag er niet opnieuw actieondernomen worden.Vervolgens slaat hij ook het tijdstip op, wanneer de InStartPulseDebounce de waarde ‘true’ krijgt. Hijmoet immers later ook de waarde ‘false’ weer krijgen, maar dat moet wel op het gewenste moment.Ook wordt de InStartPulsePrevious gelijk aan de InStartPulse, ook door deze regel wordt er niet meeraan de allereerste voorwaarde voldaan.De trekker heeft normaal de waarde “HIGH”. Als hij ingedrukt is wordt dit “LOW”. Doordat hetschakelaartje nog even op en neer gaat, de veer is namelijk niet sterk genoeg is, zou er ook een“LOW” puls komen, maar dat wil je niet als startmoment hebben. Daarom moet er aan devoorwaarde InStartPulse == LOW voldaan worden voor een start. InStartPulse == LOW is eigenlijkhetzelfde als InStartPulse, een variabele, dat de waarde ‘LOW’ moet hebben voor een start, maar danin taal die de computer snapt.Als de OutPistolPulse_State niet StateReady is, dan zit hij dus in een andere status. Dit kan alleenkomen, doordat hij het vorige start nog aan het verwerken is. Hij verkeert echter zo kort in de anderestatus dat het wel moet zijn dat de starter meerdere malen heeft gedrukt. Het is dus een valse startKjell van den Boogert Profielwerkstuk 29 | P a g e

en de knal moet twee keer te horen zijn. Dit wordt gedaan door het geluidsfragment, waar zesknallen opstaan langer af te spelen.Als er geen valse start is dan moet hij een puls naar de externe klokken, de flitser en de rMP3 geven,wat dus ook gebeurt. Daarnaast slaat hij ook de tijden op van het moment dat er een echte start is.Dit is om ook bij het programmeren te kunnen kijken of er niet al teveel vertraging in zit. Eerst deedik dat in milliseconden, maar microseconden was nauwkeuriger, dus dat is later toegevoegd. Hij resetook de valse start, dit staat toevallig hier, maar dat had ook ergens anders gekund.De hele code is achteraan het verslag toegevoegd als bijlage.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 30 | P a g e

Hoofdexperiment met het prototype*= alleen bij de arduino, anders niet aangesloten en dus niet te zien op de plaatjes.BenodigdhedenOscilloscoopStartpistoolMicrofoon (en voorversterker)Lichtsensor (en voorversterker)OpstellingFiguur 22: Opstelling hoofdexperiment met het zelfgebouwde arduino startpistoolUitvoeringDe uitvoering van deze proef heb ik exact hetzelfde gedaan als bij mijn gewone hoofdexperiment(dus het hoofdexperiment met de andere starpistolen). Kijk dus voor meer informatie over deuitvoering bij “Hoofdexperiment, wat is het tijdsverschil tussen het moment van de flits, het geluiden het startsignaal?”. Ik heb hier echter wel een vierde kanaal toegevoegd. Tijdens het doen van deproeven kwam ik erachter dat ik de flits niet goed had aangesloten, hij zat namelijk alleen maar aande software output. Aan het vierde kanaal heb ik dus de hardware output van de arduinoaangesloten om te kijken of de hardware output wel nauwkeurig was.Bij de proeven zat alles als volgt aangesloten:Kanaal 1: Startpuls (referentie kanaal) oranjeKanaal 2: Geluidsensorlicht blauwKanaal 3: Lichtsensorroze/paarKanaal 4: Hardware output Arduino groen *

VerwachtingIk hoop en verwacht eigenlijk dat deze al een van de nauwkeurigste startpistolen is, maar als dat nietzo is dan heb ik nog wel het een en ander achter de hand om het aan te kunnen passen. Het wasnatuurlijk ook de bedoeling om een nauwkeurig pistool te bouwen. Ik verwacht dat dit op deduizendsten seconde nauwkeurig is. Het is echter wel zo dat er een vertraging zit tussen het momentvan de knop indrukken en dat alles in gang komt, maar dit maakt niet uit als de startpuls, flits en hetgeluid maar op hetzelfde moment vallen. Ik verwacht wel dat dit met de knal en piep als WAV geluidhet geval is, maar ik verwacht dat de mp3, bij de piep 50ms te laat is, omdat dit komt door hetverschil in formaat. De knal zal dan ook wel vertraging hebben, maar ik weet niet precies hoeveel.ResultatenDe arduino, het gebouwde startpistoolMet de arduino heb ik niet alleen gemeten met een knal en met een piep, maar ook of er echt nogeen merkbaar verschil zat tussen de WAV-files en de MP3 files. Met de arduino heb ik dus in totaaltwintig proeven uitgevoerd.Hieronder staan de resultaten met een knal. De knal is opgenomen als WAV file.Proef nr Startpuls (ms) Δt tussen flits enstartpuls (ms)Δt tussen geluid enstartpuls (ms)1 0,0 6,10 -1,02 0,0 6,40 -1,03 0,0 6,00 -1,04 0,0 6,10 -1,05 0,0 6,25 -1,0Gem 0,0 6,17 -1.0Hieronder staan de resultaten met een “piep”. Deze piep is in het formaat van een WAV file.Proef nr Startpuls (ms) Δt tussen flits enstartpuls (ms)Δt tussen geluid enstartpuls (ms)1 0,0 6,10 -1,02 0,0 6,25 -1,03 0,0 6,50 -1,04 0,0 6,60 -1,05 0,0 6,25 -1,0Gem 0,0 6,34 -1,0Hieronder staan de resultaten. Bij deze resultaten hoorde je de knal die opgenomen is als MP3.Proef nr Startpuls (ms) Δt tussen flits enstartpuls (ms)Δt tussen geluid enstartpuls (ms)1 0,0 7,10 0,002 0,0 6,30 -0,103 0,0 6,90 0,004 0,0 7,20 -0,105 0,0 7,00 0,00Gem 0,0 6,90 -0,04Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 32 | P a g e

Hieronder staan de resultaten met een “piep”. Deze piep is in het formaat van een MP3.Proef nr Startpuls (ms) Δt tussen flits enstartpuls (ms)Δt tussen geluid enstartpuls (ms)1 0,0 7,10 -1,502 0,0 6,90 -1,503 0,0 7,00 -1,754 0,0 7,10 -1,755 0,0 7,00 -1,6Gem 0,0 7,02 -1,62Om makkelijk te kunnen vergelijken heb ik hieronder ook de resultaten van de andere pistolenweergegeven.Het originele startpistoolProef nr Startpuls (ms) Δt tussen flits enstartpuls (ms)Δt tussen geluid enstartpuls (ms)1 0,0 0,75 1,52 0,0 0,75 1,53 0,0 0,75 1,5Gem 0,0 0,75 1,5Het oude elektronische startpistoolProef nr Startpuls (ms) Δt tussen flits enstartpuls (ms)Δt tussen geluid enstartpuls (ms)1 0,0 2,20 19,62 0,0 2,20 19,73 0,0 2,10 19,64 0,0 2,10 19,65 0,0 2,20 19,7Gem 0,0 2,16 19,64Het nieuwe elektronische startpistool (Seiko PS-78)Proef nr Startpuls (ms) Δt tussen startpuls enstartpuls na kastje (ms)Δt tussen flits enstartpuls (ms)Δt tussen geluiden startpuls (ms)1 0,0 0,17 -0,37 4,02 0,0 O,15 -0,38 3,03 0,0 0,16 -0,38 3,04 0,0 0,18 -0,36 3,45 0,0 0,16 -0,37 3,2Gem 0,0 0,164 -0,356 3,92Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 33 | P a g e

Gemiddelde tijd ten opzichte van startpuls (ms)Hieronder staan alle gemiddelden per pistool in een grafiek, voor een duidelijk overzicht..20Tijdsverschillen tussen startpuls / flits / knal15105FlitsKnalStartpuls na kastje0-5EchtpistoolOud Seiko PSelektrisch78pistoolArduino ArduinoWAV knal WAV piepSoort pistoolArduinoMP3 KnalArduinoMP3 piepFiguur 23: Grafiek tijdsverschillenConclusieDe arduino voldeed niet echt aan mijn verwachtingen. Vooral de flits viel mij heel erg tegen. Gelukkigis de flits heel goed te verklaren. Bij het bouwen heb ik namelijk een foutje gemaakt. De flits zatnamelijk alleen maar op de software output aangesloten, maar deze had ook aan de hardwareaangesloten moeten zitten. Gelukkig kon ik nog goed bij die pin en heb ik tijdens de metingen alkunnen zien dat die output exact op hetzelfde moment hoog wordt als de startpuls, wat ook logischis, omdat deze beide aan de level detector zitten. Als ik dit probleem oplos dan is de flits dus supernauwkeurig.Het geluid had ik ook beter verwacht. Het geluid was nu ongeveer één milliseconde sneller dan depuls naar de externe klokken. Dat komt doordat de startpuls en de flits een milliseconde vertraagdKjell van den Boogert Profielwerkstuk 34 | P a g e

zijn ten opzicht van het geluid. Deze vertraging zit dus in de level detector. Gelukkig is dit probleemop te lossen.Uit mijn proeven komt wel wat onverwachts, wat betreft het mp3 formaat. Bij de piep blijkt dezenamelijk een halve milliseconde sneller te zijn dan de wav. Hoe dit kan snap ik niet helemaal, omdathet juist 0,050ms langzamer had verwacht. De knal is wel langzamer in mp3 formaat dan in wav. Dusdat klopt wel met mijn verwachting.Bij deze proeven was mijn prototype pistool nog lang niet zo nauwkeurig als ik gewild had, maar metwat kleine aanpassingen zou hij de nauwkeurigheid die ik voor ogen had wel halen. Het is mij dusgelukt om een startpistool te maken dat op de duizendsten van een seconde nauwkeurig is. Hetenige is wel dat het zo’n prototype is, dat er nog wel het een en ander aangepast moet worden wil jehet echt kunnen gebruiken. Nu is het namelijk nog een print plaatje met daarop wat knoppen en éénenkele flits-LED. Er moet dus nog wat gedaan worden aan het uiterlijk van het pistool, er moetenmeer flits-LED’s op en moet de knop die ik gebruikt heb om de reactietijd te meten er nog af.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 35 | P a g e

Zit er verschil in hoe snel een persoon een knal of een piepwaarneemt?BenodigdhedenHiervoor heb ik de volgende dingen nodig:• Arduino• Druk knopje• Laptop• ProefpersoonUitvoeringVoor deze proef heb ik de arduino code wat aangepast. Ik heb hem zo gemaakt dat hij hettijdsverschil meet tussen het moment waarop het geluid aan gaat en wanneer het proefpersoon opeen knopje drukt. Op een random moment wordt er op een knop gedrukt door iemand waardooreen knal of een piep hoorbaar is. Je kan met behulp van een schakelaar kiezen of er een piep of eenknal afspeelt. De proefpersoon weet wel hoe de knal of de piep klinkt, en daarnaast weet hij ookwelk van de twee wordt afgespeeld. Hij weet dus of hij een knal of een piep kan verwachten. Dit hebik gedaan, omdat je bij het schaatsen ook weet wat er komen gaat, er is immers altijd al eentestschot geweest.Om te zorgen dat de proefpersoon niet hoort of ziet wanneer er op de knop wordt gedrukt zodat hetgeluid gaat afspelen zit hij een eindje weg, met zijn hoofd de andere kant op gedraaid. Bij het horenvan de knal of de piep moet het proefpersoon zo snel mogelijk op een knopje in zijn hand drukken.De proefpersoon hoort zeven keer een piep en ook zeven keer een knal, zodat ik daarvan hetgemiddelde uit kon rekenen, en daarmee mijn meting betrouwbaarder maakt. Doordat ik hetallemaal intern meet kan ik bijna op microseconde nauwkeurig meten. De arduino registreertnamelijk zelf de precieze tijd wanneer het geluid aan gaat en daarnaast registreert hij ook hetmoment dat de proefpersoon op de knop drukt vervolgens stuurt hij deze waardes door naar eencomputer waar ik zo de tijden kan aflezen.VerwachtingOm hierover een verwachting te kunnen hebben moest ik weten wat het verschil is tussen een piepen een knal. Nou is dat vrij simpel. De piep heeft een sinus vorm, terwijl de knal vol zit met allemaalrare effecten. Bij een knal duurt het dan ook langer voordat hij op volle geluidssterkte is. Daarnaastzijn ook de echo’s heel belangrijk bij de knal, voor het menselijk gehoor. Zonder echo hoor jenamelijk wel de knal, maar hij klinkt heel anders dan hoe wij normaal een knal waarnemen.Ik verwacht dan ook dat mensen sneller reageren bij een piep dan bij een knal. Vooral doordat dezesneller op zijn volle sterkte is.Hoe groot het verschil zou zijn in beide reactietijden vind ik moeilijk te zeggen.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 36 | P a g e

ResultatenLet er wel op dat in het staafdiagram een snellere reactietijd resulteert in een kortere staaf.Hieronder staan de resultaten:Persoon 1 2 3Geluid ReactietijdKnal (ms)ReactietijdPiep (ms)ReactietijdKnal (ms)ReactietijdPiep (ms)ReactietijdKnal (ms)ReactietijdPiep (ms)Proef 1 251 211 358 202 386 271Proef 2 330 234 424 229 399 313Proef 3 277 286 260 275 311 251Proef 4 239 252 345 282 232 238Proef 5 290 258 338 263 295 218Proef 6 331 301 284 254 341 223Proef 7 277 270 253 212 299 233Gem 285 259 323 245 323 250ΔGemknal/piep26 78 73Persoon 4 5 6Geluid ReactietijdKnal (ms)ReactietijdPiep (ms)ReactietijdKnal (ms)ReactietijdPiep (ms)ReactietijdKnal (ms)ReactietijdPiep (ms)Proef 1 331 279 226 234 430 368Proef 2 311 248 224 268 358 281Proef 3 263 255 372 279 338 489Proef 4 225 255 250 269 332 258Proef 5 356 265 340 272 277 259Proef 6 345 269 270 281 273 268Proef 7 250 246 351 324 280 317Gem 297 260 290 275 327 320ΔGemknal/piep37 15 7Persoon 7 8Geluid ReactietijdKnal (ms)ReactietijdPiep (ms)ReactietijdKnal (ms)ReactietijdPiep (ms)Proef 1 305 167 280 279Proef 2 245 228 318 288Proef 3 207 304 307 293Proef 4 296 353 309 311Proef 5 236 267 435 248Proef 6 251 303 297 306Proef 7 284 234 313 254Gem 260 265 322 283ΔGemknal/piep5 39Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 37 | P a g e

Gem. reactietijd (ms)340320300280knal260piepTot. Gem2402202001 2 3 4 5 6 7 8ProefpersoonFiguur 24: Resultaten reactietijdenConclusieMijn verwachting komt eigenlijk heel duidelijk uit. Er is maar een proefpersoon, persoon 7, die bij deknal sneller reageert dan bij de piep. De anderen reageren allemaal sneller bij de piep. Bij sommigenzijn de verschillen ook vrij groot. Bij proefpersoon 2 zal het zelfs resulteren in een eindtijd die bijnaacht honderdste van een seconde sneller is wanneer hij mag starten met een piep, dan wanneer hijmag starten met een knal.EvaluatieDe proef is eigenlijk geheel naar wens verlopen. Het enige wat niet helemaal goed was, was dat ik deproef in een klaslokaal heb uitgevoerd waar ook anderen aan het werk waren. Hierdoor was er nogalwat achtergrondruis, waar de proefpersonen af en toe last van hadden. Het was dus nog betergeweest om het in een rustigere ruimte te doen.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 38 | P a g e

Worden schaatsers benadeeld in welke baan ze staan; wat is devertraging van het geluid?Voor deze berekening neem ik even de start van de duizend meter. Bij de 500 meter start je namelijktwee keer, een keer in de binnenbaan en een keer in de buitenbaan, deze tijden worden bij elkaaropgeteld, waardoor je geen nadeel hebt van de baan waarin je start. Bij de 1000 en 1500 meter hebje dit nadeel wel, maar ik ga het uitrekenen bij de 1000 meter, omdat deze korter duurt, qua tijd.Doordat deze korter duurt is het nadeel dat je hebt bij de start procentueel groter dan bij de 1500meter. Bij mijn berekeningen en proeven ga ik ervan uit dat beide rijders exact in het midden van derijbaan staan.Om uit te rekenen hoe lang het geluiderover doet om bij de rijders te komenmoet je dus de geluidssnelheid weten bijde temperatuur van de ijsbaan. In eenijsbaan zoals Thialf is het C.De formule om de geluidssnelheid uit terekenen is: ( waarbij V in m/s, C=20,03315, T in Kelvin). De geluidssnelheidbij een temperatuur van 16°C :m/s.Bij de grote wedstrijden wordt deopstelling gebruikt zoals in de bovensteopstelling. De afstand tussen schaatser 1en schaatser 2 heb ik opgemeten. Datbleek ongeveer 11,30m.xIk wil t uitrekenen, dus moet ik de formuleombouwen tot .= 0,03317 s = 3,317ms. Dit isdus het nadeel dat de rijder in debinnenbaan heeft ten opzichte van derijder in de buitenbaan, bij de opstellingzoals in het bovenste plaatje.Figuur 25: Overzicht verschil in afstand met verschillende opstelling van deluidsprekersBij de regio wedstrijden wordt echter vaak gebruik gemaakt van een elektrisch startpistool en dan isde opstelling zoals het tweede plaatje van toepassing. Het verschil in afstand tot de luidspreker, bijde rijders is 5,0 meter. Het verschil in afstand 1 en afstand 2 (zie plaatje) is dus 5,0 meter. Ook hiergebruik ik de formule:. Vervolgens ga ik dit invullen voor schaatser 1 en krijg je= 0,01468 s = 1,468ms. Dat is dus het nadeel van schaatser 2 ten opzichte van schaatser 1. Dezeopstelling is dus al eerlijker, maar het scheelt nog altijd ruim één honderdste van een seconde, terwijlze er alles aan doen om de tijdwaarneming op de duizendsten seconde nauwkeurig te maken.Beide opstellingen zijn dus niet heel eerlijk.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 39 | P a g e

Nu de vorige berekening in de praktijk!OpstellingUitvoeringDeze proef heb ik uitgevoerd in de opstelling zoals bij het bovenste plaatje. Op de plek van de starterstond de luidspreker. Microfoon A lag op de plaats van de rijder in de buitenbaan en microfoon B opde plaats van de rijder in de binnenbaan. Beide microfoons zaten aangesloten op de oscilloscoop.Daarnaast had ik ook hier een referentiekanaal aangesloten. Dit signaal is dus de startpuls. Zo kan ikook kijken hoeveel milliseconden de rijder in de buitenbaan al aan voorsprong heeft.Benodigdheden Oscilloscoop Twee microfoons Startpistool LuidsprekersVerwachtingIk verwacht dat de theorie hier heel dicht in de buurt ligt van de praktijk. Uit de berekening op devorige pagina kwam een tijdsverschil van 33ms en ik verwacht zo’n tijdsverschil ook bij mijnmetingen.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 40 | P a g e

ResultatenProef nr Startsignaal(ms) Geluid bij A(ms) Geluid bij B(ms) Verschil(ms)1 0,0 20,0 53,0 33,02 0,0 20,0 53,0 33,0ConclusieMijn verwachting is precies uitgekomen. Het verschil is precies wat ik ervan verwacht had.DiscussieDe proef is eigenlijk verlopen zoals ik gewild had. Het enige is, dat ik wat weinig metingen heb, maaralle factoren in deze proef zijn heel constant, er zouden dus heel vaak exact dezelfde resultatenuitkomen.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 41 | P a g e

De tijdwaarneming in het kortBij de grote toernooien werken ze tegenwoordig metdrie tijdmeetsystemen aan de finish, namelijk optischgedetecteerde tijd, transponders en de fotofinish. Dit iszo bij toernooien die gehouden worden in Thialf, wantelke baan heeft zijn eigen tijdwaarneming. Op ditmoment heeft Nederland de meest nauwkeurigetijdwaarneming. Soms komt het dan ook voor datETiming (Nederland) ergens anders de tijdwaarnemingmoet doen. Maar eigenlijk zou de tijdwaarneming pasnauwkeurig zijn als ze over heel de wereld exacthetzelfde systeem gebruiken, want nu verschilt denauwkeurigheid per baan.Figuur 26: Optische tijdwaarneming op het ijsDe optisch gedetecteerde tijd werkt met behulp van een soort lichtpoortje. Hierbij schijnt eenlaserbundel over de baan, deze wordt vervolgens door middel van een reflector weerkaatst, en weeropgevangen. Als er een schaatser door de finish komt wordt de lichtstraal onderbroken. Er zit nuimmers een schaats tussen, en de lichtstraal komt dus niet meer terug. Op het moment waarop hetde lichtbundel onderbroken is, gaat er een signaal naar de tijdwaarneming, om óf de rondetijd doorte geven, óf de tijd zelfs te stoppen. Er is wel over nagedacht, waarom er een laserbundel gebruiktwordt. De laserbundel is namelijk perfect evenwijdig en levert dus een hele smalle lichtbundel. Zokan je dus de lichtstraal perfect op de finishlijn zetten, al gebeurt dit nog altijd door onder andere hetmenselijk oog. Hier zit dus ook nog een hele kleine foutmarge, maar daarom gebruiken ze ook nog deandere meetsystemen. Vroeger gebruikten men dit als enige systeem, maar er zit een groot nadeelaan. Als een schaatser namelijk zijn been iets optilt en over heen de laser heen gaat met zijn eersteschaats of met een deel van zijn schaats dan stopt de tijd pas later en is de schaatser benadeeld. Inhet reglement staat dat de punt van de schaats gemeten moet worden dus het klopt ook niet eensvolgens het reglement. Dit is dus de tweede reden, om niet alleen met dit systeem te meten.De transponders zijn chips die om de enkels worden gedragen. In het ijs liggen lussen die detransponders waarnemen. Zo weet je dus “waar” de rijder is. In Thialf liggen twaalf lussen endoormiddel van de formule v=s/t wordt de snelheid van de rijder uitgerekend en dat zie je soms opTV. Er ligt ook zo’n lus bij de finish en dus weet men wanneer de rijder de finish passeert. Ook aan ditsysteem zit een nadeel: het is namelijk niet zonauwkeurig als de optisch gedecteerde tijd.Bij fotofinish worden, zoals de naam al zegt, foto’s vande finish gemaakt en dat gebeurt heel nauwkeurig,maar het systeem ziet zelf niet wanneer er iemand definish passeert en dus moet een mens daarbij helpen.Nu heeft de KNSB een systeem waarbij detransponders en de fotofinish aan elkaar gekoppeldzijn, waardoor je bijna meteen de goede foto’s hebt,Figuur 27: De race tussen Kuipers en Davis die voorveel ophef zorgde, doordat Davis (onder) als winnaarwerd gekozendit maakt de tijdwaarneming van de KNSB ook uniek.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 42 | P a g e

Al deze systemen bij elkaar zijn erg nauwkeurig, maar ze willen het nog nauwkeuriger. Nu is hetnamelijk zo dat men op duizendsten seconde nauwkeurig wil kunnen meten. Dat kan het systeemnog niet aan. Het systeem geeft wel informatie op 1/1000s, maar de absolute nauwkeurigheid isongeveer circa 2/1000s. Om met zekerheid een winnaar aan te wijzen, moet het onderling verschilminimaal 3/1000s bedragen. De genoemde onnauwkeurigheid zit niet in het startpistool, maar in derest van het tijdwaarnemingsysteem. Als je het pistool er nog bij neemt is het dus nog watonnauwkeuriger.Ook worden schaatstijden afgekapt en niet afgerond. Een voorbeeld: het zou dus kunnen zijn datWotherspoon 1.07.662 minuut rijdt op de duizend meter en Wennemars 1.07.658 minuut. Op TV lijkthet verschil dus een honderdste als je de tijden afkapt op 0,01 seconde. Het lijkt dus duidelijk datWennemars gewonnen heeft en dat vinden de tijdwaarnemers ook wel heel aannemelijk, maar intheorie zou het kunnen dat Wotherspoon gewonnen heeft. Tel namelijk 3 duizendsten op bij de tijdvan Wennemars. Je krijgt dan 1.07.661. Bij Wotherspoon haal je 3 duizendsten van zijn tijd af. Jekrijgt dan 1.07.659 en dus zou Wotherspoon gewonnen hebben. Eigenlijk is het dus niet eerlijk als erbij dit verschil echt beslist wordt wie nou de nummer één is. Vandaar dat men de tijdwaarnemingnog nauwkeuriger wil hebben.Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 43 | P a g e

EindconclusieHoofdvraag: Hoe nauwkeurig is het huidige startpistool dat bij het schaatsen gebruikt wordt en isdeze nauwkeurigheid te verbeteren?Uiteindelijk viel het me wat tegen hoe nauwkeurig de huidige startpistolen zijn. Het startpistool bij dewereldbekerwedstrijden was nog het nauwkeurigst en dit startpistool vond ik ook niet slecht, zekeromdat hij vrij constant lijkt, maar dat kan ik niet met zekerheid zeggen, omdat ik daar te weinigproeven voor heb uitgevoerd. Iedereen zou dus dezelfde vertraging hebben van anderhalvemilliseconde, bij dezelfde wedstrijd, maar als het gaat om wereldrecords, vind ik dezeonnauwkeurigheid toch iets te groot. Om tijden tussen verschillende banen, en dus verschillendestartpistolen, te vergelijken vind ik dat dezenauwkeurigheid beter moet.Uit mijn testen kwam vooral dat het geluidvaak te laat is ten opzichte van de startpuls.Dit heeft dus een negatief effect op deeindtijd van de rijder. Het onnauwkeurigstwas toch wel het pistool waarmee regionalewedstrijden worden geschoten, aangezienhet hier om een onnauwkeurigheid ging vanbijna 20 milliseconde!Figuur 28: In de jury toren op het NK afstandenBij de flits gingen sommige pistolen apartedingen vertonen, maar het moment van de flits was vaak nog wel nauwkeurig genoeg. De flits dientook vooral voor de handklokkers en die hebben zelf ook al een onnauwkeurigheid van ongeveer drietienden seconde. Door deze, in verhouding, enorme onnauwkeurigheid is de onnauwkeurigheid vande flits te verwaarlozen. Mijn doel was echter om te weten te komen hoe nauwkeurig de huidigepistolen werken en of deze de nauwkeurigheid te verbeteren is. Vanuit dat oogpunt moet ik tochzeggen dat ik over het algemeen de flits ook te onnauwkeurig vind.Op de vraag of het mogelijk is om een startpistool te kunnen bouwen dat nauwkeuriger is kan ik meteen duidelijke “Ja” antwoorden! Ook al is het niet zonder slag of stoot gegaan, en was mijnexperiment nog niet heel nauwkeurig, kan ik uiteindelijk wel zeggen dat het heel goed mogelijk is omeen startpistool te bouwen dat op de duizendsten van een seconde nauwkeurig is! Het startpistooldat ik namelijk heb gebouwd is op de duizendsten seconde nauwkeurig!Kjell van den Boogert Profielwerkstuk 44 | P a g e

AdviesOm er voor te zorgen dat de wedstrijden zo eerlijk mogelijk verlopen, is het sowieso een verbeteringom met bijvoorbeeld mijn prototype startpistool te gaan starten, op alle wedstrijden. Zo zorg jeervoor dat niemand een langere eindtijd heeft door interne vertraging in het startpistool.Om er daarnaast ook voor te zorgen dat er geen verschil meer zit tussen in de binnen of in debuitenbaan te starten, kan je de luidsprekers boven de baan hangen, en er voor te zorgen dat ze opexact dezelfde hoogte hangen.Een piep of een knal maakt niet zoveel uit, omdat hier bij beide een spreiding in zit tussen de rijders.DankwoordAllereerst wil ik natuurlijk mijn begeleiders bedanken! Mijn hoofdbegeleider, René van de Veerdonk,dacht altijd goed mee en daar heb ik dus zeker wat aangehad! Ook mijn bijbegeleider, Jos Schillings,hielp me wanneer ik hulp nodig had!Daarnaast wil ik ook de KNSB heel erg bedanken. Zonder hen had ik immers niet de betreffendepistolen tot mijn beschikking en kon ik ook niet de proeven doen, zoals ik ze nu heb mogen doen inThialf. Daarnaast hebben ze me ook heel goed geholpen bij het bouwen van het nieuwe startpistoolen was het heel gaaf om een van de grote toernooien in Thialf vanuit de jury toren mee te maken!Als laatste wil ik ook nog Marc Pieksma bedanken. Hij werkt bij VSL, waar ze de Nederlandseatoomtijdstandaarden bijhouden. Daar heb ik de laboratoriums mogen bekijken, maar ook een goedgesprek over wat tijd eigenlijk is.Bronnenlijst KNSB VSL www.vsl.nl Marc Pieksma Pulsar natuurkunde deel 2 Pulsar natuurkunde deel 3 http://doks.khk.be/eindwerk/do/files/FiSe413ebf17fb066ff200fb0670624b0122/2003186.pdf?recordId=SKHK413ebf17fb066ff200fb0670624b0121 http://www.volkskrant.nl/vk/nl/2698/Sport/article/detail/3227357/2012/03/18/Tijdwaarneming-in-topsport-niet-volstrekt-betrouwbaar.dhtml http://www.arduino.cc/ http://www.arduino.nl/ http://www.atmel.com/Images/doc2486.pdf http://www.challenge-cup.com/content/langebaan/downloads/afm400mbaan.pdf http://www.roguerobotics.com/wikidocs/rmp3/documentation/system_diagram http://www.speedskating.ca/client/cmsUploads/speed_skating/File/Officials/Starters_Manual_EN.pdf http://www.deingenieur.nl/upload/downloads/IG/THIALF_Image.pdf http://nl.wikipedia.org/wiki/Geluidssnelheid http://www.sportknowhowxl.nl/OpenPodium/4031 http://meettechniek.info/basis/stroom.html http://on5wis.org/cursus/metrolog/oscillo.htmKjell van den Boogert Profielwerkstuk 45 | P a g e

http://www.wetenschap24.nl/videos/nieuwslicht/nieuwslicht-11-februari-2010.htmlhttp://www.tek.com/http://www.cplusplus.com/doc/tutorial/http://www.seiko-sts.co.jp/e/products/sports/cat04/003.htmlhttp://www.seiko-sts.co.jp/e/products/catalog/sports/multitiming_e.pdfhttp://www.youtube.com/watch?v=YKRMcTlbWTsKjell van den Boogert Profielwerkstuk 46 | P a g e