Guten Tag,
ich moechte die Temperatur eines Heizelements mittels PWM (Pulsweite <
100%) regeln.
Das ganze soll ohne Temperatursensor geschehen, ich will also die
Temperatur anhand des Heizwiderstands ermitteln.
Die Temperatur soll sich mit einem Drehregler einstellen lassen.
Im Heizkreis soll sich idealerweise nur die Batterie und ein Mosfet
befinden (ich moechte keinen Shuntwiderstand im Heizkreis wg.
Waermeverluste).
Wie erfasst man da jetzt am besten den Widerstand um auf die
Heizelementtemperatur zu kommen? Vielleicht eine Wiederstandsmessung im
Nulldurchgang des PWM-Signals?
Oder mittels verwendung eines Sensefet?
Das Heizwiderstand-Heizertemperatur-Kennfeld ist leider auch nicht
linear.
Jemand Ideen wie man so eine Regelung anstellen koennte?
Vielen Dank!
R = U / I
Eingeschaltet liegt die Spannung der Batterie abzüglich des
Spannungsverlustes am MOSFET am Heizdraht (die kann man dort messen) und
es fliesst ein Strom, den du per Hallsensor messen könntest, daraus
lässt sich der Widerstand berechnen.
Ausgeschaltet fliesst kein Strom durch den Heizdraht, damit kannst du
nichts messen. Aber das kannst du ändern, in dem du in der PWM Pause mal
kurz einen Messstrom einschaltest und den Spannungsabfall am Heizdraht
misst. Der Messtrom kommt aus einer Schaltung parallel zum MOSFET, führt
also zu keinen Verlusten beim Heizen und zu keinen Verlusten wenn die
Messstromquelle ausgeschaltet ist. Nur zum Messen selbst brauchst du
Strom, und damit der nicht zu hoch ist, der erwartete Spannungsabfall
also gering ist, muss man den durch den Messstrom an Heizdraht
entstehenden Spannungsabfall verstärken.
Oskar A. schrieb:> Das Heizwiderstand-Heizertemperatur-Kennfeld ist leider auch nicht> linear.
Hauptsache, der Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur er ist
streng monoton und du kennst ihn.
Du wirst das nur empirisch ermitteln können.
Um was für Temperatur geht es dabei?
Du willst also eine ganz flache Kurve ohne überschwingen.
Früher(TM) hab ich mal die Temperatur für mein Farbentwickler-Bad
ähnlich geregelt.
Eine Alu-Platte unter der Schale mit einem Leistungstransistor.
Über den Basisstrom hab ich da die Leistung geregelt.
Ging ganz gut bei etwa 18°C Raumtemperatur und 22°C für das Bad.
Man muß nur die Wärme zuführen, die am Ende abgestrahlt wird.
Oskar A. schrieb:> Vielleicht eine Wiederstandsmessung im Nulldurchgang des PWM-Signals?
Ein PWM-Signal ist zunächst ein Logiksignal, dass zwischen den
Logikpegeln für 0 und 1 springt. Einen Nulldurchgang gibt es da nicht.
Die o.g. Überlagerung eines Messstromes dürfte für dich die richtige
Methode sein. Ob die Nichtlinearität stört, hängt davon ab, wie weit du
den Regler in Bezug auf Einstellgeschwindigkeit optimieren möchtest oder
ob du an einem Arbeitspunkt stabilisieren möchtest.
Direkte Temperaturregelungen können sehr schnell sehr träge werden.
Hallo Oskar,
Normalerweise will man ja nicht die Temperatur des Heizelementes regeln,
sondern die dessen was das Heizelement heizen soll. Je nach
Wärmewiderstand des Heizelementes zum zu heizenden Objekt und der
Zeitkonstante die dabei zum tragen kommt wirst Du mit einer Messung der
Temperatur des Heizelementes einen Wert bekommen mit dem Du vielleicht
gar nichts anfangen kannst. Oder geht es um den Schutz des Heizelementes
vor Übertemperatur?
Zu Deinen Vorschlägen:
Wenn Du Dir eine gewisse mindest-Heizleistung erlauben kannst könntest
du natürlich einen möglichst großen Meßstrom wärend der 0-Phase des PWM
einspeisen. Der Strom sollte so groß sein daß man die
temperaturabhängige Spannung am Heizer schon gut messn kann, und so
klein daß die Verluste in der Schaltung nicht zu groß werden. Die
Einspeisung kann eine Konstantstromquelle sein, oder man mißt den Strom
und berücksichtigt ihn bei der Berechnung der Temperatur.
Viel einfacher wäre die Strommessung im PWM-On-Zustand, wenn man wie
beschrieben einen Magnetfeld basierten Sensor nimmt. Natürlich kann an
dann nur messen wenn man auch heizt.
Sensefet geht natürlich genauso, aber die Auswahl ist da nicht gerade
toll, und je nach Genauigkeitsanforderung wird's auch aufwändig.
Ich würde mir nochmal durchrechnen ob nicht doch ein Shunt geht. Um
wieviel Spannung und Strom am Heizer geht es denn überhaupt, und was
soll geheizt werden?
btw: Ob die Kennlinie krumm ist oder nicht ist eigentlich egal, so lange
man sie gut genug kennt und sie in den relevanten Bereichen streng
monoton und ausreichend steil ist. Ich bevorzuge zur linearisierung
gefittete Polynome, weil sich die idR schön schnell rechnen lassen.
Michael_ schrieb:> die Temperatur für mein Farbentwickler-Bad> ähnlich geregeltMichael_ schrieb:> Über den Basisstrom hab ich da die Leistung geregelt.
Das ist widersrpüchlich.
Um die Temperatur zu regeln, muss man die Temperatur messen.
Um die Leistung zu regeln, muss man die Leistung messen.
Martin schrieb:> btw: Ob die Kennlinie krumm ist oder nicht ist eigentlich egal, so lange> man sie gut genug kennt
Wenn es um die Optimierung eines Regler geht, kann einem eine kräftig
nichtlineare Strecke schon kräftig in die Suppe spucken und einen
deutlich anderen Ansatz für die Auslegung des Reglers bedeuten.
Hauptproblem scheint erstmal die Klärung der tatsächlichen Aufgabe...
Mike schrieb:> Martin schrieb:>> btw: Ob die Kennlinie krumm ist oder nicht ist eigentlich egal, so lange>> man sie gut genug kennt>> Wenn es um die Optimierung eines Regler geht, kann einem eine kräftig> nichtlineare Strecke schon kräftig in die Suppe spucken und einen> deutlich anderen Ansatz für die Auslegung des Reglers bedeuten.> ...
Ja, natürlich, aber so sehr nichtlinear wird der Heizer nicht sein.
Außerdem geht mein Satz u.A. mit "streng monoton und ausreichend steil"
weiter. Damit ist's sicher kein Problem die Kennlinie erst mal zu
linearisieren und dann zu regeln. Sonst wäre sie nämlich nicht
ausreichend steil :D
Oskar A. schrieb:> Das Heizwiderstand-Heizertemperatur-Kennfeld ist leider auch nicht> linear.
Dieser Zusammenhang ist selbst bei PT100 nicht linear. Du wirst also
nicht drumherumkommen, eine Kennlinie selbst aufzunehmen. Aber
selbst dann hast Du nur die Durchschnittstemperatur des Heizdrahtes
und nicht die Temperatur der Stelle, die Du beheizen willst. Für
einen Lötkolben z.B. wäre diese Art der Temperaturerfassung unbrauchbar.
Gruss
Harald
Ich habe da eine grundsätzliche Frage: Wie grross ist der
Temperaturkoeffizient des Materials, aus dem der Heizwiderstand
hergestellt ist?
Für Heizelemente wird gerne Konstantandraht benutzt. Der hat einen TK
nahe 0 (in Worten: NULL). Damit lässt sich beim besten Willen keine
Temperatur messen.
Jetzt angenommen du hast ein Heizelement mit brauchbarem TK: Um damit
die Temperatur zu messen, muss es in thermischem Gleichgewicht mit dem
zu messenden Medium sein, d.h. du kannst während der Messung nicht
heizen. Damit diese Phase mmöglichst kurz bleibt, sollte die Thermische
Trägheit des Heizeleements so niedrig wie möglich sein, d.h. aus blankem
Heizdraht hergestelltes Heizelement wääre optimal. Damit in dem
beheizten Medium eine lokalen Temperaturunterschiede auftreten sollte
man umrühren oder sonst irgendwie für gute Durchmischung sorgen.
Harald Wilhelms schrieb:> Aber> selbst dann hast Du nur die Durchschnittstemperatur des Heizdrahtes> und nicht die Temperatur der Stelle, die Du beheizen willst.
Das kommt drauf an, welche Stelle man beheizen will und wo der Heizdraht
sitzt ;-)
Man könnte eventuell ein PTC Heizelement nutzen: dessen Widerstand
steigt mit der Temperatur, so dass die Heizleistung mit steigender
Temperatur abnimmt. Damit wäre ein selbstregelndes Verhalten machbar.
Als Einstellparameter hat man das Heizelement selbst und die Spannung,
mit der es betrieben wird. Je nachdem wie genau man es haben möchte kann
das eine ziemlich diffizile Angelegenheit werden.
ernst oellers schrieb:> Ich habe da eine grundsätzliche Frage: Wie grross ist der> Temperaturkoeffizient des Materials, aus dem der Heizwiderstand> hergestellt ist?
Dazu müsste man zuerst einmal das Material des Heizdrahtes kennen.
und auch dann gibts nur einen ca. TK weil dieser temperaturabhängig ist.
> Für Heizelemente wird gerne Konstantandraht benutzt.
Eigentlich eher nicht, weil dieses Material zu teuer ist.
Gruss
Harald
Hallo,
das Ganze funktioniert nur, wenn du in jeder Beziehung konstante
Verhältnisse hast: die Temperatur der Heizwicklung muss ja grösser sein
als die des geheizten Objekts, sonst fliesst nun mal keine Wärmeenergie
dahin, aber um wieviel hängt von allem Möglichen ab, Wärmewiderstand
Heizung->Objekt, Wärmeabgabe des Objekts an die Umwelt usw. Das ist nur
in seltenen Fällen begerrschbar, und dann bräuchtest du garkeine
Regelung, weil dann die Objekttemperatur in bekannter Weise von der
Leistung abhängt - du müsstest also bloss die Leistung steuern.
Georg
ernst oellers schrieb:> Man könnte eventuell ein PTC Heizelement nutzen
So gut wie jeder gemeine Heizdraht ist ein PTC, wenn er nicht
absichtlich auf einen Tk nahe 0 getrimmt ist.
Mike schrieb:> Hauptproblem scheint erstmal die Klärung der tatsächlichen Aufgabe...
Sehe ich genauso. Zumal ich das Problem bzw. den Aufbau noch nicht
verstanden habe. Soll eine Batterie die Energiequelle für eine Heizung
sein??? Wohl kaum sinnvoll. Wenn doch, dann Widerspruch zu:
Oskar A. schrieb:> Im Heizkreis soll sich idealerweise nur die Batterie und ein Mosfet> befinden (ich moechte keinen Shuntwiderstand im Heizkreis wg.> Waermeverluste).
Wie wär's mit einem AC71x, z.B.
http://www.watterott.com/de/ACS714-Stromsensor-Breakout-Board-5-to-5A?
Oskar A. schrieb:> Im Heizkreis soll sich idealerweise nur die Batterie und ein Mosfet> befinden (ich moechte keinen Shuntwiderstand im Heizkreis wg.> Waermeverluste).
Dann baue den Shunt mit in den zu heizenden Bereich und nenne ihn
"Kleinheizelement".
Ein Shunt wird dir allerdings kaum die Temperatur messen - sollte er
zumindest nicht. Der Hersteller läßt es sich meist sogar extra gut
bezahlen, je näher ein Shunt diesem Idealverhalten kommt.
Oskar A. schrieb:> Das ganze soll ohne Temperatursensor geschehen, ich will also die> Temperatur anhand des Heizwiderstands ermitteln.
Warum?
Ich habe so das Gefühl daß Du Dir damit einigen zusätzlichen Aufwand
einhandelst. Wenn es jetzt nicht gerade um Hochpräzision oder sehr
hohe/niedrige Temperaturen geht, sind Temperatursensoren normal günstig
und einfach abzufragen.
Mike schrieb:> So gut wie jeder gemeine Heizdraht ist ein PTC, wenn er nicht> absichtlich auf einen Tk nahe 0 getrimmt ist.
Oje. Mir ist nicht nach Haarspalten.
Ich meinte so etwas hier, siehe Abschnitt "Bariumtitanat"
http://de.wikipedia.org/wiki/Kaltleiter
Ich habe ein sehr ähnliches Problem:
ich möchte die Heizleistung der Glühkerze eines Glühzündermotors in der
Art regeln, dass die Glühkerze eine möglichst konstante Temperatur hat.
Im Normalfall werden die Kernzen nur beim Starten des Motors elektrisch
beheizt. Im Betrieb reicht i.d.R. die Explosionsenergie aus um die Kerze
auf Betriebstemperatur zu halten.
Nun kann es passieren, dass der Motor gedrosselt im Schiebebetrieb läuft
(Modellflugzeug Sturzflug) und sich die Kerze dabei zu stark abkühlt.
Das führt gelegentlich zu Motorabstellern. Ausserdem handelt es sich um
einen Viertakter, bei dem der Motorrundlauf bei niedrigen Drehzahlen
leidet, da die Kerze aufgrund der Zündhäufigkeit des Viertakters stärker
abkühlt als bei Zweitakter. Die Elektronik soll nun dafür sorgen,
automatisch Energie zuzuführen, wenn der Widerstand der Glühwendel
aufgrund er Temperaturveringerung zu stark absinkt und - im
gegenteiligen Fall - soll der Strom bei heißer Kerze bei Vollgas
weitgehend komplett abgeschaltet werden, da sonst die Kerze durchbrennen
könnte.
Leider ist eine direkte Temperaturmessung nicht möglich, da sich die
Glühwendel im Brennraum des Motors befindet. Die Temperatur muß also
durch den Widerstand der Kerze ermittelt werden.
BTW: Ich bin Elektronik Anfänger und arbeite mich erst in das Thema ein.
Von physikalischen Dingen verstehe ich einiges, da ich Diplom Physiker
bin, in Bezug auf Elektronik bin ich noch Anfänger. Arduinos o. ä. habe
ich bisher noch gar nicht verwendet aber irgendwann fängt alles an. Wäre
das Projekt in meinem Stadium zu anspruchsvoll?
Martin schrieb:> Ich habe ein sehr ähnliches Problem:
Da stehst du vor dem gleichen Widerspruch wie Oskar
Oskar A. schrieb:> ich moechte die Temperatur eines Heizelements mittels PWM (Pulsweite <> 100%) regeln.> Das ganze soll ohne Temperatursensor geschehen
Regeln ohne zu messen geht prinzipiell nicht - sonst würde es
regelungstechnich als "steuern" bezeichnet.
Wenn du allerdings deine Glühkerze als Temperatursensor benutzt, ließe
sich das einfach realisieren. Gib regelmäßig einen Puls drauf und miss
damit den Widerstand (R=U/I). Dann brauchst du nur noch den Zusammenhang
zwischen Widerstand und Temperatur.
Du bist Physiker, also fange an zu experimentieren.
Denke dir einen Aufbau aus, wie man den Widerstand der Glühkerze für
unterschiedliche Temperaturen messen kann.
Sobald du einen Satz Daten Temperatur <-> Widerstand hast kannst du
damit beginnen bei abgeschalteter Glühkerze deren Widerstand mit einem
Messstrom zu ermitteln und falls zu kalt nachzuheizen.
Da ich kaum Elektronik Erfahrungen habe, stelle ich mir erstmal sehr
grundlegende Fragen, wie z. B.:
"Könnte man das Problem mit einer analogen Schalung lösen oder sollte
man das lieber gleich lassen und den digitalen Weg gehen"
In dieser Hinsicht interessieren mich andere Einschätzungen. Ich weiß ja
noch gar nicht, was analog geht und was nicht geht. Da stehe ich noch
ganz am Anfang.
Martin schrieb:> Da ich kaum Elektronik Erfahrungen habe, stelle ich mir erstmal sehr> grundlegende Fragen, wie z. B.:> "Könnte man das Problem mit einer analogen Schalung lösen oder sollte> man das lieber gleich lassen und den digitalen Weg gehen"
Natürlich könnte man. Schliesslich sind die vor 50 Jahren auch nicht auf
der Nudelsuppe dahergeschwommen. Die Frage ist eher: wie sinnvoll ist
das heute noch?
Um einen gewissen Analoganteil wirst du sowieso nicht rumkommen. Aber
die PWM-Erzeugung bzw. die Auswertung ist mit einem µC um einiges
resourcensparender. Programme sind viel leichter anpassbar als im
Nachhinein an einer diskreten Lösung rumzufrickeln.
Geht wohl analog...
ein Messpuls (zB. 555) schaltet alle x1 ms eine Stromquelle für x2 ms
ein,
die Spannung über der Kerze wird ggf verstärkt und einem Komparator
zugeführt. Der Ausgang des Komparators schaltet dann für x3 < x1-x2 ms
über einen FET die Kerzenheizung ein. Plus 'VerUNDung', dass erst
eingeschaltet wird wenn der Messstrom abgeschaltet ist.
Dualkomparator mit Komplementärausgängen??
Martin schrieb:> Die Elektronik soll nun dafür sorgen,> automatisch Energie zuzuführen, wenn der Widerstand der Glühwendel> aufgrund er Temperaturveringerung zu stark absinkt und - im> gegenteiligen Fall - soll der Strom bei heißer Kerze bei Vollgas> weitgehend komplett abgeschaltet werden, da sonst die Kerze durchbrennen> könnte.
Ich hab da mal einen Vorschlag skiziert. Ähnliches hab ich mal für einen
Lötkolben gemacht. Der ist ein ausgeprägter PTC, das macht das etwas
leichter. Aber eine Glühkerze sollte da auch funktionieren.
Der IR3314 schaltet nicht nur den Strom sondern kann ihn auch messen und
gibt ihn als Spannung gegen GND aus. Wenn man diese Spannung und die
Spannung an der Glühkerze misst, kann man den Widerstand und damit die
Temperatur leicht errechnen. Der PIC braucht noch nicht mal eine feste
Spannung, er arbeitet von 2V bis 5V und hat zum Messen eine interne
Referenz. Zum Messen schaltet man den Strom mal für ein paar
Millisekunden an. Ist die Temperatur zu niedrig kann man ihn gleich
anlassen. Da man die Ausgangsspannung mit misst, ist das ganze ziemlich
unabhängig von der Versorgung.
MfG Klaus
P.S. die Widerstandswerte müssen natürlich an Strom und Spannung
angepasst werden
