Hallo Mikrocontroller Forum, erst einmal eine kurze Vorstellung meinerseits: Ich bin 26 Jahre alt und bin aktuell im Master im Fach Maschinenbau. Meine Elektronik & Programmierkenntnisse sind, nach einigen Arduino Projekten und auch Programmieraufgaben in C#, ganz ok. Natürlich ist ein Maschinenbau-Student keinesfalls mit einem Elektrotechnik-Studenten gleichzusetzen. Würde mich eher als Beginner einordnen. Für eine größere Projektarbeit sitze ich jetzt schon einige Wochen an der Grobplanung. Aufgabe ist es ein Anschauungsmodell für den Wärmestrom für die Vorlesung im Fach Thermodynamik in der Bachelor-Vorlesung zu entwickeln und zu bauen. Hierbei soll Wasser in einem Wasserkreislauf mittels Strom erwärmt und anschließend wieder mittels Lüftern und Radiator gekühlt werden. Temperatursensoren vor und nach der Erwärmung und Abkühlung nehmen die aktuelle Temperatur auf. Ein Durchflusssensor erfasst den Massenstrom. Mit der spezifischen Wärmekapazität des Wassers, Delta T sowie dem Massenstrom lässt sich anschließend der Wärmestrom beispielsweise der Erwärmung berechnen. Die Steuerung und Erfassung soll im besten Fall mit einem Raspberry Pi entwickelt werden. Meine Idee war anfangs ein Arduino zu verwenden, da ich hier schon etwas fortgeschrittenere Kenntnisse habe, mein Betreuer würde aber einen Raspberry Pi bevorzugen. Erfassen muss der Raspberry Pi: Die Temperatur der vier Sensoren sowie den Massenstrom über den einen Sensor. Gesteuert werden muss: die Spannung der Pumpe (Pumpenleistung), die Spannung der Lüfter (Kühlleistung), die Spannung am Heizelement (Heizleistung). Im Anhang habe ich ein Plan beigefügt, dass der Aufbau besser ersichtlich wird (Aufbau.png). Die Ausgabe der Messwerte sowie die Einstellung der verschiedenen Leistungen soll über ein Touch-Display erfolgen. Für das bessere Verständnis habe ich eine erste Idee für eine mögliche Oberfläche im Anhang beigefügt (Oberflache.png). Vor dem Heizelement und vor den Lüftern soll jeweils ein Einbau-Leistungsmesser die aktuelle Leistung anzeigen. Budget des Projektes liegt bei 500 €, kann ggf. aber auch mehr werden. Jetzt also mal zu meinen bisherigen ausgewählten Bauteilen und Ideen: Pumpe: Hier würde ich gerne auf eine 12 V Pumpe einer PC-Wasserkühlung zurückgreifen, diese besitzt gleich ein Ausgleichsbehälter. Laut Recherche sollte diese ab ca. 7 V anlaufen und so zwischen 7 V und 12 V je nach gewünschter Leistung eingestellt werden können (Muss ich natürlich bei Erhalt der Pumpe erstmal testen). Idee 1: Verwendung einer Pumpe die bereits eine PWM integriert hat. Lieferung des PWM Signals über den Raspberry. Eigene 12 V Spannungsversorgung für die Pumpe. Bspw.: https://www.caseking.de/ek-water-blocks-ek-xres-100-revo-d5-pwm-inkl.-pumpe-waek-1124.html Inwiefern da 5V Spannungsspitze des Rasberrys ausreicht müsste ich noch in Erfahrung bringen. Idee 2: Steuerung über PWM des Raspberrys am Ground eines Mosfets (z.B. IRFD 024). Eigene 12 V Spannungsversorgung für die Pumpe. Also je nach gelieferter PWM des Raspberrys am Gate stellt sich die passende Drain- Source Spannung ein. Bspw.: https://www.aquatuning.de/wasserkuehlung/pumpen/laing-ddc/ddc-pumpen/13400/laing-ddc-pumpe-12v-ddc-3.25-18w?c=343 Lüfter: Bei den Lüftern würde ich 120 mm Lüfter aus dem Computerbereich nutzen. Hier gibt es ebenfalls Lüfter die bereits über die PWM steuerbar sind. Diese würde ich parallelschalten und das PWM-Kabel mittels Raspberry steuern. Die Lüfter selbst dann über ein passendes 12 V Netzteil mit Spannung versorgen. Bspw.: https://www.caseking.de/bitfenix-spectre-pwm-120mm-luefter-schwarz-lubf-054.html Radiator: Hier gibt es je nach benötigter Kühlleistung verschiedene Größen. Bspw.: https://www.caseking.de/coolgate-cg560-560mm-radiator-schwarz-wara-309.html Heizelement: Für das Heizelement werde ich auf eine Teichheizung (230 V AC) zurückgreifen mit einer Leistung von 1 KW. Hier: https://www.koigarten-mueller.de/Profi-Heater-Teichheizer-220-V-1-KW-Edelstahl Alternativ würden auch Heizpatronen in Frage kommen, die es in verschiedenen Größen gibt. Allerdings müsste ich hierfür wieder ein passendes Gehäuse konstruieren. Vielleicht kennt jemand eine weitere Lösung? Da der Teichheizer ein vorgeschaltetes Thermostat hat, müsste ich erst in Erfahrung bringen ob dieses abtrennbar/deaktivierbar ist. Zur Steuerung habe ich etwas recherchiert und bin auf den Begriff „Wellenpaketsteuerung“ bzw. „Schwingungspaketsteuerung“ gestoßen. Ein User in einem anderen Forum hat ein Heizelement mittels SSR (ohne Nulldurchgangserkennung) angesteuert. Erscheint mir nach Recherche das Beste, da ich wohl keine Synchronisation durchführen muss im Vergleich zur Phasenabschnittssteuerung? Alternativ könnte ich den leichten Weg gehen und mittels Leistungsregler und vorgeschaltetem DC-und Puls-Konverter das ganze bequem steuern. Leistungsregler: https://www.conrad.de/de/leistungsregler-baustein-kemo-m028n-110-vac-230-vac-190516.html DC-und Puls-Konverter: https://www.reichelt.de/Bausaetze/M-150/3/index.html?ACTION=3&GROUPID=7836&ARTICLE=74410 Temperatursensoren: Als Temperatursensoren würde ich 4x den DS18B20 verwenden. Durchflusssensor: Als Durchflusssensor würde ich diesen hier verwenden: https://www.conrad.de/de/durchfluss-sensor-1-st-fch-c-pa-2-x-g-12-ag-bio-tech-ek-betriebsspannung-bereich-5-24-vdc-messbereich-05-503591.html Sollte eigentlich leicht über Raspberry auszulesen sein, da ca. 435 Imp./ L. über das Signalkabel kommen. Anzeige Leistung: Leider habe ich bis jetzt noch keine passende Anzeige für die Leistung gefunden. Einmal benötige ich ein Leistungsmesser für DC und einmal für AC. Diese soll die jeweils aktuelle Leistung von den Lüftern und einmal des Heizelementes anzeigen. Hat jemand eine Idee? Touch-Display: https://www.rasppishop.de/Raspberry-Pi-7-Touchscreen-Display oder https://www.rasppishop.de/101-Zoll-HDMI-VGA-AV-Touch-Screen-Display Nun zu meinen Fragen: Glaubt ihr, dass der Raspberry das richtige System für den gelieferten Aufbau ist? Seht ihr grundsätzlich Problem oder absolute grobe Fehler in meiner Planung? Habe ich etwas nicht bedacht, das so nicht funktionieren kann? Wenn ich das ganze mit dem Raspberry realisieren sollte benötige ich ja eine PWM für die Pumpe, die Lüfter und das Heizelement. Laut Datenblatt für den Raspberry Pi 3 B+ gibt es vier Hardware PWM Pins, das sollte also ausreichen oder? Für den Touchscreen benötige ich ja ein GUI. Welche Library ist denn für Python empfehlenswert und leicht erlernbar? Vielen Dank für eure Hilfe!
Angehängte Dateien:
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Aufbau.png
76 KB -
Oberflaeche.png
60 KB
Paul H. schrieb: > Steuerung über PWM des Raspberrys am Ground eines Mosfets (z.B. > IRFD 024) Wie kommst du drauf, dass sich ein IRFD024 irgendwie von den 3.3V eines Raspberry Pi beeindrucken lässt? Du brauchst einen Schaltplan und vermutlich einen Logik Level MOSFET
Du brauchst halt noch die Dichte zu den verschiedenen Temperaturen. Sonst hast du ja nur Den Volumenstrom. Ein temperaturkompensierter Coriolis wird sicher den preislichen Rahmen sprengen. Schau dir mal das STM32F7 Disco Board an. Da ist der Controller und der Touchscreen schon drauf. Kostet ~50€ Gruß JackFrost
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Bearbeitet durch User
Wolfgang schrieb: > Paul H. schrieb: >> Steuerung über PWM des Raspberrys am Ground eines Mosfets (z.B. >> IRFD 024) > > Wie kommst du drauf, dass sich ein IRFD024 irgendwie von den 3.3V eines > Raspberry Pi beeindrucken lässt? > Du brauchst einen Schaltplan und vermutlich einen Logik Level MOSFET Wolfgang, vielen Dank für deine Antwort. Hast natürlich Recht, der oben genannte Mosfet funktioniert so nicht. Würde aber wenn möglich sowieso gerne eine Pumpe verwenden, die sich über PWM steuern lässt. Muss jetzt mal bei dem Hersteller herausfinden ob die 3.3 V vom Rasp Spannungsspitze ausreicht. Bastian W. schrieb: > Du brauchst halt noch die Dichte zu den verschiedenen Temperaturen. > Sonst hast du ja nur Den Volumenstrom. > > Ein temperaturkompensierter Coriolis wird sicher den preislichen Rahmen > sprengen. > > Schau dir mal das STM32F7 Disco Board an. Da ist der Controller und der > Touchscreen schon drauf. Kostet ~50€ > > Gruß JackFrost Bastian, Danke für deine Antwort. Vielleicht könnte ich auch einfach ein Drucksensor einbauen und dann anschließend den Massenstrom berechnen über
Ob das Projekt realisiert werden kann, hängt natürlich von der geforderten Genauigkeit und Auflösung der Aktoren und Sensoren ab. Man sollte also erstmal diese herstellen bzw. aufbauen und sie für diesen Zweck verwendbar machen oder prüfen. Das lässt sich hier doch gut jeweils als Einzelkomponente machen. Die Leistung des Heizers zu messen, eigentlich kein Problem, Materietransport mal Temperaturdifferenz wäre da wohl gut erfassbar. Vielleicht reicht auch die elektrisch aufgenommene Leistung. Die Leistungsabgabe des Kühlers hat nur indirekt mit der Leistung des Lüfters zu tun. Da Heizer und Kühler hintereinandergeschaltet sind, sind da die entstehenden Temperaturdifferenzen aussagekräftiger für die Leistungsabgabe, da ja ein geschlossener Kreislauf besteht. Die Wärmeisolation der Rohre und ihre Wärmekapazität können da störende Faktoren sein. Man sollte sich aber auch Gedanken darüber machen, wie sich die Anlage im Fehlerfall verhält, z.B. Ausfall der Pumpe oder überschreiten des normalen Werteintervalls beim Hochheizen oder beim Ausschalten. Da kann z.B. die Restwärme im Heizer zu Siedeeffekten führen sodass z.B.das System sprotzt wie eine Kaffeemaschine.
Denke dran deine Sensoren zu kallibrieren. Gerade den Durchflussensor ;-)
Paul H. schrieb: > Seht ihr grundsätzlich Problem oder absolute grobe Fehler in > meiner Planung? kein Fehler aber ein Punkt der u.U. das Projekt etwas vereinfachen könnte, auch wenn es anfangs etwas Mehraufwand ist: > Meine Idee war anfangs ein Arduino zu verwenden, [...] > mein Betreuer würde aber einen Raspberry Pi bevorzugen. eine weitere Idee wäre ein Ardunio UND einen Raspberry Pi zu verwenden und die Schnittstellen und einfache Vorberechnungen Skalierungen etc. vom Arduino erledigen zu lassen und die Aufbereitung vom Raspberry (u.U. beim zum testen auch ein 'normaler' PC) Technisch sicherlich nicht notwendig, aber organisatorisch kann so eine Aufteilung helfen.
Was die Zeichnung nicht enthält: Befüll- und Entleervorrichtung Luftabscheider Manometer Überdruckventil Durchflussanzeige Hab sowas ähnliches für einen Praktikumsversuch aufgebaut.
Paul H. schrieb: > Da der Teichheizer ein vorgeschaltetes Thermostat hat, müsste ich erst > in Erfahrung bringen ob dieses abtrennbar/deaktivierbar ist. Das ist deine übertemteratursicherung bei trockenlauf/ versagen deines gebastels. Paul H. schrieb: > Zur Steuerung habe ich etwas recherchiert und bin auf den Begriff > „Wellenpaketsteuerung“ bzw. „Schwingungspaketsteuerung“ gestoßen. Ein > User in einem anderen Forum hat ein Heizelement mittels SSR (ohne > Nulldurchgangserkennung) angesteuert. Erscheint mir nach Recherche das > Beste, da ich wohl keine Synchronisation durchführen muss im Vergleich > zur Phasenabschnittssteuerung? Du gibst immer volle anzahlen an wellen raus. Zb 20ein 80 aus. Das schalten im nulldurchgang ist ein extra das störungen im netz vermindert Es gibt aber auch phasenanschnitt mit 0-10v steuereingang. Schätz doch einmal ab, wie fein du die leistung einstellen must und wie schnell. Sg
Paul H. schrieb: > Aufgabe ist es ein Anschauungsmodell für den Wärmestrom > für die Vorlesung im Fach Thermodynamik in der Bachelor-Vorlesung zu > entwickeln und zu bauen. Hierbei soll Wasser in einem Wasserkreislauf > mittels Strom erwärmt und anschließend wieder mittels Lüftern und > Radiator gekühlt werden. >Jetzt also mal zu meinen bisherigen ausgewählten Bauteilen und Ideen: > ......................... In meinen Augen viel zu umständlich. Wozu braucht man dazu einen µC? Heute sieht man die Sache vielleicht auch anders als vor zig Jahren, als es dieses „Spielzeug“ noch nicht gab. Mal ein grober Plan: a) Mittels Stelltrafo die Leistung des Heizstabes einstellen. Das Produkt aus Strom x Spannung ergibt bekanntlich die eingebrachte Leistung. b) Durch Messung des Volumenstroms und der Temperaturdifferenz lässt sich der Wärmestrom, welcher vom Wasser weitergeleitet wird, bestimmen, Die Dichte des Wassers lässt sich über die Wassertemperatur + Tabellenwerk bestimmen. c) Hier kommt die erste Erkenntnis, dass Energie fehlt. (Verluste durch Konvektion, Strahlung und Wärmeleitung) c) Entweder ist hier das Modell zu Ende, oder man misst die weiteren Größen für den Radiator und der abgeführten Luft.
Peter R. schrieb: > Die Leistung des Heizers zu messen, eigentlich kein Problem, > Materietransport mal Temperaturdifferenz wäre da wohl gut erfassbar. > Vielleicht reicht auch die elektrisch aufgenommene Leistung. > > Die Leistungsabgabe des Kühlers hat nur indirekt mit der Leistung des > Lüfters zu tun. Da Heizer und Kühler hintereinandergeschaltet sind, sind > da die entstehenden Temperaturdifferenzen aussagekräftiger für die > Leistungsabgabe, da ja ein geschlossener Kreislauf besteht. Die > Wärmeisolation der Rohre und ihre Wärmekapazität können da störende > Faktoren sein. Vielleicht habe ich mich da falsch ausgedrückt. Die elektrische Leistung soll in jedem Fall mittels Einbauanzeige angezeigt werden, die vor dem Heizelement und vor den Lüftern eingebaut werden. Habe leider noch keine passenden Einbauanzeigen für die Leistung (für Gleichstrom und Wechselstrom) gefunden. Aus dem Vergleich zwischen elektrischer eingebrachter Leistung und ausgerechnetem Wärmestrom können die Studenten dann überlegen woher der Unterschied kommt, wo Wärme verloren geht etc. Peter R. schrieb: > Man sollte sich aber auch Gedanken darüber machen, wie sich die Anlage > im Fehlerfall verhält, z.B. Ausfall der Pumpe oder überschreiten des > normalen Werteintervalls beim Hochheizen oder beim Ausschalten. Da kann > z.B. die Restwärme im Heizer zu Siedeeffekten führen sodass z.B.das > System sprotzt wie eine Kaffeemaschine. Da muss ich mir aufjedenfall noch was überlegen. Eine Regelung sollte aber ja realisierbar sein wenn die Wärme der Sensoren einen kritischen Wert überschreitet. So könnte dann z.B. ein Ausschalten des Heizelements veranlasst werden. Die Anlage selbst wird aber sowieso nur unter Aufsicht angeschaltet und von kritischen Studenten beobachtet ;) Aber sicher ein wichtiges Thema! Dirk B. schrieb: > eine weitere Idee wäre ein Ardunio UND einen Raspberry Pi zu verwenden > und die Schnittstellen und einfache Vorberechnungen Skalierungen etc. > vom Arduino erledigen zu lassen und die Aufbereitung vom Raspberry (u.U. > beim zum testen auch ein 'normaler' PC) > Technisch sicherlich nicht notwendig, aber organisatorisch kann so > eine Aufteilung helfen. Sicher keine schlechte Idee. Mach ich mich mal schlau. Kolja L. schrieb: > Was die Zeichnung nicht enthält: > Befüll- und Entleervorrichtung > Luftabscheider > Manometer > Überdruckventil > Durchflussanzeige Befüll- und Entleervorrichtung kann an der Pumpe vorgenommen werden, diese besitzt ein Ausgleichsbehälter mit Öffnung. Die Durchflussanzeige wird auf dem Display des Raspberrys realisiert. Im Beispiel ist aktuell nur der Massenstrom, der sich aber ja aus dem Volumenstrom ergibt. Luftabschneider, Manometer, Überduckventil müsse rein, definitiv. Danke dir! Überdruckventil hatte ich schon überlegt ob das vielleicht auch mittels Anzeige am Raspberry realisiert werden kann, hab aber noch kein passenden Sensor gefunden. Clemens S. schrieb: > Das ist deine übertemteratursicherung bei trockenlauf/ versagen deines > gebastels. Aber wenn ich das Heizelement mit Thermostat hinter einen Leistungsregler packe, kann das ganze doch nicht mehr funktionieren. Das Thermostat selbst regelt ja auch die Leistung... Muss ich nochmals dem Hersteller schreiben, vielleicht kann ich das ja vorgeschaltet so betreiben. Clemens S. schrieb: > Es gibt aber auch phasenanschnitt mit 0-10v steuereingang. Schätz doch > einmal ab, wie fein du die leistung einstellen must und wie schnell. Das muss garnicht fein sein und auch nicht schnell. Hatte mir das so überlegt, dass man zwischen 0 und 100% die Leistung in 10er Schritten wählen kann. Also wirklich nicht fein. wolle g. schrieb: > In meinen Augen viel zu umständlich. Wozu braucht man dazu einen µC? > Heute sieht man die Sache vielleicht auch anders als vor zig Jahren, als > es dieses „Spielzeug“ noch nicht gab. Ja da hast du absolut Recht. Im ersten Schritte geht es aber an einer Hochschule auch immer darum, dass ich als Student etwas lerne. Man kann das natürlich in einem super leichten Aufbau mit analogen Anzeigen realisieren, wäre aber vermutlich nach 2 Wochen intensiver Arbeit fertig. Blöd gesagt geht es auch darum, dass wir Studenten mit etwas beschäftigt sind, uns neues Wissen aneignen müssen, vor Problemen stehen und diese lösen sollen. Hier z.B. gerade der Fall.
Was meiner Meinung als Erstes geklärt werden sollte : Was soll gezeigt werden? Wie sollte bei Benutzung des Geräts verfahren werden? Welche Messergebisse erhält man? Welche Abweichungen bzw. welche Erkenntnisse soll man im Versuchsablauf finden?
Paul H. schrieb: > Blöd gesagt geht es auch darum, dass wir Studenten mit etwas > beschäftigt sind, uns neues Wissen aneignen müssen, vor Problemen stehen > und diese lösen sollen. Richtig. Da es hier um das Gebiet der Wärmelehre geht, sollte man sich zuerst mit Teilthemen daraus beschäftigen. Z.B. Wärmeübertragung (Wärmeübergangszahl, Reynoldssche Zahl, Prandtlsche Zahl usw.) > Luftabschneider, Manometer, Überduckventil müsse rein, definitiv. Nicht unbedingt. Ich kenne zwar nicht das Fachgebiet Maschinenbau, aber dazu gehört wahrscheinlich auch die Konstruktion von Pumpen und deren Funktionsweise. Wer sonst, wenn nicht der Maschinenbauingenieur baut Pumpen. Es gibt sogn. Kreiselpumpen, die den Druck selbst begrenzen bzw. für einen bestimmten Druck ausgelegt werden. (Manometer, Überduckventil können entfallen.)
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