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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Modell Wärmestrommessung


Autor: Paul H. (pauleheisster)
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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-10...
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/la...

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...

Radiator:
Hier gibt es je nach benötigter Kühlleistung verschiedene Größen. Bspw.: 
https://www.caseking.de/coolgate-cg560-560mm-radia...

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-Teic...
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-...
DC-und Puls-Konverter: 
https://www.reichelt.de/Bausaetze/M-150/3/index.ht...

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-fc...
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-Tou...

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!

Autor: Wolfgang (Gast)
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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

Autor: Bastian W. (jackfrost)
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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

: Bearbeitet durch User
Autor: Paul H. (pauleheisster)
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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

Autor: Peter R. (Gast)
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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.

Autor: Kolja L. (kolja82)
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Denke dran deine Sensoren zu kallibrieren.
Gerade den Durchflussensor ;-)

Autor: Dirk B. (dirkb)
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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.

Autor: Kolja L. (kolja82)
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Was die Zeichnung nicht enthält:
Befüll- und Entleervorrichtung
Luftabscheider
Manometer
Überdruckventil
Durchflussanzeige


Hab sowas ähnliches für einen Praktikumsversuch aufgebaut.

Autor: Clemens S. (zoggl)
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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

Autor: wolle g. (wolleg)
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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.

Autor: Paul H. (pauleheisster)
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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.

Autor: Peter R. (Gast)
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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?

Autor: wolle g. (wolleg)
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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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