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.
Sorry hier das richtige Datenblatt zum Peltier: http://www.telemeter.info/documents/direct-to-air.pdf (Ich sollte mich mal registrieren, ich kann meine Beiträge nicht editieren)
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.pdf http://www.ti.com/lit/an/spra873/spra873.pdf
Zur Versorgung des Peltiers würde ich PWM + LC Filter (Tiefsetzsteller) benutzen. Also sowas, wie Class-D Verstärker.
Und dabei Aufpassen, dass der PWM das Messsignal nicht stoert.
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.
Hmm mich würde mal interessieren mit welchem Messmittel du auf 5mK genau messen willst. Nur neugierdehalber.
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.
Eine Stabilitaet von 5mK ist zb mit einem NTC gut erreichbar. Mit einem Thermoelement wird's schwierig.
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