Guten Abend,
ich möchte mit einem Peltier-Element eine ca. 600 cm^3 Aluminium-Platte
auf 16 °C kühlen. Die Temperatur darf um 5 mK nach oben und unten
schwanken, mehr nicht.
Es kommt ein PID-Regler zum Einsatz dem ich mit Labview realisiere.
Das Peltier-Element incl. Kühlkörper und Lüfter, sowie Temperatursensor
+ Messgerät habe ich schon, ist auch alles ausreichend dimensioniert.
Ich bin mir nun unsicher, wenn es um die Auswahl des Netzteils für die
Peltierspannung geht.
Ich habe mal einen Typ rausgesucht, welchen ich bequem per USB ansteuern
kann:
http://datasheet.octopart.com/EA-PSI-6032-06-EA-Elektro-Automatik-datasheet-8398415.pdf
Alle da aufgeführten Netzteile besitzen eine Auflösung von 10 mV. Hat
jemand Erfahrung in dem Bereich und kann mir sagen, ob ich damit
theoretisch auskomme für die Genauigkeit meiner Temperaturregelung?
Ich bin zuversichtlich, dass ich meinen Regelalgorithmus schon gut genug
hinbekomme. Nutzt mir aber leider nichts wenn die Auflösung des
Netzteils zu gering ist. Die Temperaturmessung ist ausreichend genau.
Über Anregungen würde ich mich freuen!
Benjamin schrieb:> ich möchte mit einem Peltier-Element eine ca. 600 cm^3 Aluminium-Platte> auf 16 °C kühlen. Die Temperatur darf um 5 mK nach oben und unten> schwanken, mehr nicht.
600 cm^3 ?
Länge, Breite, Höhe?
Wie stellst du sicher, dass im Material überall dieselbe (5mK ist nicht
viel Unterschied) Temperatur vorherrscht mit nur einem Peltier?
Die Wärme von der anderen Peltierseite schaffst du wie weg, damit da
nichts deine Aluplatte beeinflusst?
Kannst du das Vorhaben mal näher beschreiben?
:-)
Ein ambitioeses Vorhaben. Vor allem bei diesen Abmessungen. 600cm^2
bedeutet eine gewisse Schwierigkeit schon mal ueber dem Alukoerper diese
5mK zu erzielen. Dazu ist noch zu erwaehnen, dass der Koerper auf der
anderen Seite des Peltier groesser sein muss, wenn die Regelung stabil
sein soll. Oder man kuehlt gegen Wasser.
Wenn die Dosierung der Leistung grobkoerniger ist, muss der Regler ein
wenig mehr hin und herspringen. Im Prinzip kann man ein Netzteil mit nur
on/off verwenden, und der Regler macht daraus dann einen PWM, oder
aehnlich.
Sollte man nicht, denn die Lebensdauer bei PWM Ansteuerung leidet.
Die Abmessungen der Platte sind 200*200*15mm :)
Das Peltier hat eine Fläche von ca. 50x50mm und ist schon so eine
Komplettlösung, wo auf der Warmseite ein Kühlkörper+Lüfter angebracht
ist.
Eines von denen hier, falls von Interesse:
http://www.telemeter.info/documents/air-to-air.pdf
Die 5 mK Genauigkeit sind erstmal ein Richtwert, den ich sowieso nur
über meinen Temperatursensor überprüfen kann. Dort soll es halt so genau
sein.
Die Alu Platte wird nach außen Isoliert und ich gehe mal davon aus, dass
aufgrund der Recht guten Wärmeleiteigenschaften von Aluminium keine
allzugroßen Temperaturgradienten auftreten werden, die muss ich dann
halt in Kauf nehmen.
Das Ganze soll, wenn es fertig ist zu Kalibrierung von Wärmeflussmessern
dienen :)
Das mit der PWM habe ich auch schon überlegt und mich da auch schon
etwas eingelesen :)
Ja da leidet die Lebensdauer des Peltiers drunter und der Wirkungsgrad
wird schlechter... Um das zu vermeiden müsste ich die PWM glätten was
wieder ziemlich aufwändig wäre, ist sozusagen die Notlösung.
Schöner wäre es wenn ich mit diesem ca.350€ Netzteil auskäme.
20x20cm Alu auf einem 5x5cm Peltier ... sportlich. Wenn der
Temperaturgradient ueber das Alu so klein waere, wuerde die Position des
Regelsensors ja egal sein ... ist sie aber nicht. Mach diesen Sensor so
nahe am Peltier wie moeglich. zB mit einem 2.5mm Loch grad neben dem
Peltier. Wenn der Sensor weiter weg, gar peripher ist, schwingt der
Regler.
Schon das kleinset 12 W Peltierelement aus dem Datenblatt sollte
reichen, wenn die Isolierung stimmt. Man hat da ggf. auch noch Reserve
um noch eine 2. Platte zur Wärmeverteilung darunter zu haben, und erst
dann schwach an die große Platte zu gehen. Das macht auch gleich den
Regler schneller.
Mit 10 mV Auflösung bei der Spannung und vielleicht 5 V am
Peltierelement (die vollen 10-12 V wird man kaum brauchen) ist das ein
Auflösung die etwa 0,2% der Leistung entspricht (die Leistung ist nicht
linear von Spannung / Strom abhängig, aber in dem Bereich schon
näherungsweise)
Wenn die Leistung für etwa 10 K Temperaturhub reicht sind, entsprechend
die 0,2% dann etwa 20 mK. Mit etwas hin und her schalten also eine Art
schwaches PWM sollte das noch gehen.
Wenn man wirklich +-5 mK haben will, wäre ggf. schon eine 2 stufige
Regelung angesagt. Also erstmal auf konstant z.B. 14° +-0,1 C mit einem
Pletierelement und dann per Heizung mit wenig Leistung von da aus auf
die gewollten 15°C. Das geht aber nur wenn da die Wärmestromsensoren
nicht zu viel Wärme reinbringen.
Es gibt für die Präzise Regelung per Peltierelement auch fertige Regler
zu kaufen. Ich hab mal so einen Regler benutzt, und so weit ich mich
noch erinnere waren da die Schwankungen mehr so bei +-1 mK.
@ Oschi:
Danke für den Tip mit der Sensor Platzierung, wird umgesetzt!
Ulrich schrieb:> Mit 10 mV Auflösung bei der Spannung und vielleicht 5 V am> Peltierelement (die vollen 10-12 V wird man kaum brauchen) ist das ein> Auflösung die etwa 0,2% der Leistung entspricht (die Leistung ist nicht> linear von Spannung / Strom abhängig, aber in dem Bereich schon> näherungsweise)> Wenn die Leistung für etwa 10 K Temperaturhub reicht sind, entsprechend> die 0,2% dann etwa 20 mK. Mit etwas hin und her schalten also eine Art> schwaches PWM sollte das noch gehen.
Danke erstmal für diese Überschlagsrechnung :)
Ich würde gern die 12 V voll ausnutzen, da ich so schneller die
Temperatur einregeln kann und somit auf Dauer viel Arbeitszeit spare.
Wenn ich merke die Peltierspannung pegelt sich bei erreichen der
Solltemperatur z.B. irgendwo um 5V ein, könnte ich doch theoretisch die
Isolierung verschlechtern (oder Heizen), wodurch das Peltier dann doch
mehr Spannung benötigt.
-->Die geringe Auflösung des Netzteils fällt weniger ins Gewicht, da die
Temperaturänderung über einen höheren Spannungsbereich stattfindet.
Oder habe ich einen Denkfehler?
> Wenn man wirklich +-5 mK haben will, wäre ggf. schon eine 2 stufige> Regelung angesagt. Also erstmal auf konstant z.B. 14° +-0,1 C mit einem> Pletierelement und dann per Heizung mit wenig Leistung von da aus auf> die gewollten 15°C. Das geht aber nur wenn da die Wärmestromsensoren> nicht zu viel Wärme reinbringen.
Oder meinst du das damit?
Der Eintrag der Wärmestromsensoren kann vernachlässigt werden.
> Es gibt für die Präzise Regelung per Peltierelement auch fertige Regler> zu kaufen. Ich hab mal so einen Regler benutzt, und so weit ich mich> noch erinnere waren da die Schwankungen mehr so bei +-1 mK.
Hast du vll. einen Link? Oder zumindest ein aussagekräftiges Schlagwort
mit dem ich danach googeln kann und schnell etwas passendes finde?
Benjamin schrieb:>> Es gibt für die Präzise Regelung per Peltierelement auch fertige Regler>> zu kaufen. Ich hab mal so einen Regler benutzt, und so weit ich mich>> noch erinnere waren da die Schwankungen mehr so bei +-1 mK.>> Hast du vll. einen Link? Oder zumindest ein aussagekräftiges Schlagwort> mit dem ich danach googeln kann und schnell etwas passendes finde?
Zwar keine fertigen Regler
http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX1978-MAX1979.pdfhttp://www.ti.com/lit/an/spra873/spra873.pdf
Wenn es um maximale Präzision geht, kann man ggf. auch etwas mehr an
Stromverbrauch in kauf nehmen. So viel Leistung ist das ja nicht.
Maximal kann das Peltierelement gut 20 W gebrauchen, am Arbeitspunkt
sollte man eher deutlich darunter, bei vielleicht 5 W (rund 1 A) liegen.
In dem Bereich ist eine lineare Ansteuerung noch nicht so kritisch.
Man wird auch schon die volle Leistung zum groben Abkühlen nutzen können
- nur später am Arbeitspunkt wird man eher weniger Strom benötigen -
dann ist die Kühlleistung auch noch annähernd linear im Strom, was auch
die Regelung und Überschlagsrechnung vereinfacht. Ob man da jetzt bei 3
V oder 8 V hinkommt, hängt auch von der Raumtemperatur und der Leistung
des Lüfters ab. Ein großer Teil des Wärmzuflusses wird auch durch das
Peltier-element selber gehen - entsprechend wichtig ist da eine
konstante Temperatur auf der Warmen Seite. Über die Luft geht das
vermutlich nicht so einfach, so dass man rein über ein Peltierelemet das
gar nicht so einfach hat da eine gute Unterdrückung von äußeren
Störungen zu bekommen.
Ein extra heizen direkt am Peltierelement, nur damit das Peltierelemet
wieder bei voller Leistung arbeitet ist eher nicht so gut. Da könnte man
schon eher auf die Idee kommen einen Widerstand in Reihe dazu zu
schalten um die Auflösung zu erhöhen. Besser wäre die 2 Stufige
Regelung (als Kaskadenregler) und kriegt so 2 Regelkreise (1 x Pletier,
1 mal Heizung) und damit die Doppelte Dämpfung äußerer Störungen.
Bisher war von +- 5mK an Schwankungen geschrieben worden. Dafür braucht
man nur einen Sensor mit entsprechend hoher Auflösung und ggf. auch noch
geringer Drift über kürzere Zeiten. Das ist mit verschiedenen Sensoren,
insbesondere NTCs, aber auch einfachen Dioden machbar - auch wenn da die
Genauigkeit eher schlecht (z.B. +-2 K) ist.
Bei der Regelung würde ich erstmal mit der Peltier-Stufe anfangen und
dann die zusätzliche Regelung per Heizung als Möglichkeit im Auge
behalten, falls mit dem Peltierelement alleine nicht reicht. Dann kann
man immer noch die Heizung, Wärmeverteilung und extra Sensoren
nachrüsten, wenn man genug Platz lässt.
Danke erstmal bis hierher für die kompetente Hilfe von allen Seiten!
Der Plan ist jetzt, zunächst die Temperaturregelung über eine lineare
Ansteuerung des Netzteils mit Peltier-Element zu realisieren.
Gegebenenfalls schalte ich einen Widerstand mit dem Peltier in Reihe, um
die Auflösung des Netzteils zu erhöhen (Danke Ulrich!).
Reicht das nicht aus kommt eine zweite Regelstufe mit Heizer hinzu.
Da muss ich mich nochmal einlesen. Ich hatte zwar Regelungstechnik im
Studium aber Theorie und Praxis zusamenzubringen ist ja immer so eine
Sache...
Reicht das immernoch nicht aus, muss ich auf eine
PWM-Spannungsversorgung des Peltiers umsatteln. Damit die Lebensdauer
und der Wirkungsgrad des Peltiers nicht in den Keller gehen, wird
zusätzlich ein LC-Filter verwendet.
--> Der macht aus der PWM eine pulsierende Gleichspannung, wenn ich das
richtig verstanden habe.
Die pulsierende Gleichspannung ist insofern besser als die PWM, da sie
zwar den gleichen Effektivwert wie die PWM hat, aber nicht so hohe
Peakströme fließen.
Hohe Peakströme sollen vermieden werden, da thermische Verluste im
Peltier quadratisch mit dem Strom zunehmen aber die Kühlung nur
proportional mit I zunimmt.
Weiterhin werden durch den Filter mechanische Spannungen im Peltier
vermieden, welche die Lebensdauer verschlechtern, da das Peltier sich
nun nichtmehr ständig stark abkühlt, um sich dann wieder stark zu
erwärmen.
Hoffe ich habe für spätere Leser dieses Threads nochmal alles gut
zusammengefasst :)
Vielen Dank für die Hilfe, jetzt kann es richtig an die Arbeit gehn!
PS @ UDO:
Als Messgerät benutze ich ein ALMEMO 2690, was schonmal prinzipiell in
der Lage ist so genau aufzulösen. Zu Testzwecken habe ich da erstmal ein
simples Thermoelement dran. Was ich dann letztendlich für einen Sensor
nutze überlege ich mir noch.
Denke aber da lässt sich was passendes finden, daran wird es nicht
scheitern.
