Taupunkthygrometer

Projektbeschreibung

Basierend auf dem Peltier Effekt soll ein Gerät zur Messung der Luftfeuchtigkeit entwickelt werden. Dabei steuert eine Infrarot Leuchtdiode einen Phototransistor über einen Spiegel, welcher an das Peltier Element (PE) angebracht ist, mit konstanter Leuchtintensität an. Dadurch hält der Phototransistor die Vergleichspannung am invertierenden Eingang eines Komparators ebenfalls konstant.

Mit einem mP soll nun ein Programm geschrieben werden, daß das Peltier Element mit einem Strom ansteuert. Je nach Stromstärke durch das Peltier Element kühlt dieses schneller (hoher Strom), oder langsamer (niedriger Strom) ab. Dies bewirkt das der auf der erkaltenden Seite angebrachte Spiegel anläuft. Wann der Spiegel anläuft hängt nun von der Luftfeuchtigkeit der Umgebung ab. Läuft der Spiegel nun an, so vergrößert sich der Spannungsabfall am Phototransistor. Daraus folgend steigt das Potential am invertierenden Eingang des Komparators und dieser wechselt den Ausgangspegel, bei Überschreitung der Schaltschwelle, von high auf low. Über einen PortPin kann der mP nun feststellen, ob der Spiegel schon angelaufen ist, oder nicht, je nach dem was der Komparator am Ausgang ausgibt. Liegt der Fall an, daß am Ausgang des Komparators low anliegt, so stoppt der mP den Stromfluss durch das Peltier-Element. Mit Hilfe einer Temperaturmessanlage wird die zum Zeitpunkt des Anlaufens vorherrschende Temperatur am Spiegel gemessen. Über den physikalischen Zusammenhang zwischen Temperatur und Luftfeuchtigkeit, der in einer Tabelle erfaßt ist, kann die Luftfeuchtigkeit festgestellt werden. Über den mP wird diese aus der Tabelle ermittelt und auf eine Anzeige (Bildschirm) ausgegeben.

Das Projekt ist in zwei Teile geteilt. Der erste Teil besteht darin, daß Projekt vom vorigen Jahr Fertigzustellen und eventuelle Fehler zu beheben. Dies ist die Aufgabe der Projektgruppe Hygrometer (Mangi, Preßler). Das Projekt für die Messung der Temperatur sollte bis zur Fertigstellung des ersten Teil des Projekts ebenfalls abgeschlossen sein. Danach wird ein Prototyp geplant, der die beiden Projekte verbindet und vervollständigt.

Zeitdiagramm der Messung

t_{fast_fall}              FastFall Time.

t_react Reaction Time.

t_rise                   Rise Time.

t_{slow_fall}             SlowFall Time.

Die Gesamtmesszeit kann man grundsätzlich in vier verschiedene Perioden unterteilen. Nämlich in die Zeit in der das PE mit einem hohen Takt (hoher Strom) angesteuert wird t_{fast_fall} (fast_fall time), in die Zeit in der sich das PE abkühlt, ohne das ein Strom durch dieses fließt (reaction time). Danach die Zeit in der sich das PE durch die Umgebungstemperatur wieder erwärmt (rise time) und schlußendlich die Zeit in der das PE mit einem niedrigen Takt (niedriger Strom) angesteuert wird.

1. Periode: Diese Periode dient dazu, das Peltier-Element soweit abzukühlen, daß sich die Temperatur des Elements in der Nähe der des Taupunkts (TP) befindet. Dazu wird ein großes Tastverhältnis gewählt, daher ein relativ hoher Strom. Das PE kühlt sich relativ schnell ab, wodurch eine Messung des TP sehr ungenau und daher unbrauchbar wäre. Der Spiegel beschlägt (theoretisch) genau bei Abschalten des Taktes am Ende dieser Periode.

2. Periode: Während dieser Periode liegt kein Takt am PE an, daher fließt auch kein Strom durch dieses. Aufgrund der Massenträgheit kühlt sich das PE jedoch weiter ab. (Nur relevant wenn PE sehr groß ist, daher nur in der Entwicklungsphase von Bedeutung). Der Spiegel ist noch immer beschlagen, da die Temperatur unter der des TP liegt.

3. Periode: In dieser Periode erwärmt sich das PE wieder über die Temperatur des TP. Es liegt ebenfalls kein Takt (kein Strom) am PE an. Der Spiegel wird wieder klar, allerdings nicht beim Taupunkt sondern bei einer etwas höheren Temperatur, da zuerst das Wasser auf dem Spiegel verdampfen muß.

4. Periode: Zur genauen Bestimmung des Taupunktes dient die letzte Periode. Dabei wird ein Takt mit niedrigem Tastverhältnis (niedriger Strom) an das PE angelegt. Das PE kühlt folglich langsam ab. Sobald der TP erreicht ist (Spiegel besch lägt) wird die Temperatur gemessen. Da das Abkühlen sehr langsam erfolgte, ist die Messung der Temperatur ziemlich genau. Am Ende dieser Periode wird der Takt abgeschaltet.

Anmerkung: Im Zeitdiagramm sind die Temperaturverläufe linear gezeichnet. Dies stimmt natürlich nicht ganz, da die Temperatur nach einer e - Funktion verläuft. Zur anschaulichen Betrachtung der Messung wurden diese Funktionen jedoch linearisiert.

Die Gesamtdauer der Messung ist natürlich von mehreren Faktoren abhängig. Zuerst einmal von der Temperatur auf der das PE vor Beginn der Messung liegt, sowie vom TP und daraus folgend der vorherrschenden Luftfeuchtigkeit. Weiters hängt sie ab von den verwendeten Tastverhältnissen und der Größe des verwendeten Peltier-Elements. Nebenbei hängt auch die Genauigkeit von Tastverhältnissen und Größe des PE ab. So gesehen ist eine Aussage über die Messzeit nicht einfach zu treffen, allerdings auch nicht wesentlich, da sich die Luftfeuchtigkeit nicht schlagartig ändert.

Der Peltier Effekt

Thermoelektrizität, Seebeck Effekt

Die Thermoelektrizität wurde erstmals 1801 vom deutschen Arzt und Naturforscher Wilhelm Ritter festgestellt und 1822 vom deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck (Leipzig) näher studiert.

Erwärmt man eine Lötstelle zweier verschiedener Metalle (z.B. Kupfer und Konstantan), so zeigt ein an den kalten Enden angeschlossener empfindlicher Spannungsmesser eine kleine Spannung an, die etwa linear mit der Temperaturdifferenz DT = J_w J_k ansteigt (J_k = Temperatur der kalten Lötstelle, J_w = Temp. der warmen Lötstelle).

Prinzip der Thermoelektrizität

Ein Temperaturgefälle in einem Leiter verursacht physikalische Inhomogenitäten und bewirkt eine Elektronenverschiebung von der warmen zur kalten Seite hin. Zwischen warmen und kalten Enden des Leiters herrscht dann eine durch die Thermokraft hervorgerufene Potentialdifferenz, man nennt sie die Thermospannung. In einem über ein Messgerät geschlossenen Stromkreis kann die durch die Wärmezufuhr bewirkte Elektronenwanderung als Thermostrom gemessen werden. Die entstehende Spannung ist auch vom Leitermaterial abhängig.

Elektronenthermische Kälteerzeugung, Peltier Effekt

Im Jahre 1834 stellte der Franzose Jean Peltier fest, dass der Seebeck Effekt umkehrbar ist. Wird keine Wärme zugeführt, sondern ein Strom durch die Anordnung geschickt, und zwar so, dass er in der gleichen Richtung fließt wie der ursprüngliche Thermostrom, so er wärmt sich die beim Seebeck Effekt kalte Stelle und die andere kühlt ab.

Prinzip

In einem Stromkreis aus inhomogenen Leitern bildet sich beim Stromdurchgang an den beiden Verbindungsstellen ein Temperaturgefälle aus. Die kalte Verbindungsstelle nimmt die zur Kühlung nutzbare Wärmemenge auf und die warme Lötstelle gibt sie ab. Mit Halbleiterelementen (z.B. Wismuttellurid) erreicht man in Luft Temperaturdifferen-zen bis ca.60°C. Bei positiver Stromrichtung - zuerst durch den n-Schenkel - fließt die Wärme in beiden Schenkeln von oben nach unten und bildet somit eine kalte Seite.

Schaltungen

Differenzverstärker

Komparator

Ausschaltlogik

Optischer Teil

Ansteuerung PE

Software

mP Programm

PRESSLER MANGI ** ** ** ** ****

TAUPUNKTHYGROMETER ** ** ** ** ****

HAUPTPROGRAMM ** ** ** ** *****

; -> R1, R2, TH0

R1, R2

; SBR Zähler

org 8003h ;Interruptaddresse für INT0

jmp highcurrent

org 8013h ;Interruptadresse für INT1

jmp mirror

org 8100h ;Startadresse des Hauptprogramms

Starthaupt: mov r1,#0c0h ;Dauer der High-Phase

mov r2,#040h ;Dauer der Low-Phase

setb ea ;Enablen aller Interrupts

setb ex0 ;Enabeln der Externen Interrupts

setb ex1

anl tmod,#0f0h ;Initialisieren eines 16Bit Zählers (Mode ?)

orl tmod,#1h ;wobei nur die unteren 8Bit verwendet werden

mov th0,#0ffh

setb tr0 ;Starten des Timer

call Zaehler ;Aufrufen des Unterprogramms Zähler

jmp Starthaupt

SBR ZAHLER ** ** ** ** *******

; <- R1, R2, TH0

P1.0, TF0, TL0

Zaehler:

t0ofl1:             jnb tf0,t0ofl1 ;Schleife High-Phase

setb p1.0 ;High ausgeben (in Schaltung low weil invertiert)

mov th0,#0ffh ;Timer neu initialisieren

mov tl0,r1

clr tf0 ;Interruptbit des Timers zurücksetzen

jmp t0ofl2

t0ofl2:             jnb tf0,t0ofl2 ;Schleife Low-Phase

clr p1.0 ;Low ausgeben auf P1.0 = Takt Pin für Schaltung

mov th0,#0ffh ;Timer neu initialisieren

mov tl0,r2

clr tf0 ;Interruptbit des Timer zurücksetzen

jmp t0ofl1

reti

INTERRUPT SERVICEROUTINEN ** ** ******** ; ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** *

++++++++++++++++++++++++++++++++++ MIRROR +++++++++++++++++++++++++++++++++

; -> R1,R2

P1.0, P3.3, TH0, TR0

mirror:             clr tr0 ;Timer stoppem

setb p1.0 ;High ausgeben (low in Schaltung)

lmirror:                        jnb p3.3, lmirror ;Schleife bis Spiegel klar

mov th0,#0ffh ;Timer neu initialisieren

mov r1,#040h

mov r2,#0c0h

setb tr0 ;Timer starten

reti

+++++++++++++++++++++++++++++ HIGHCURRENT +++++++++++++++++++++++++++++++++

P1.0, P.3.2, TR0, TR0

highcurrent: clr tr0 ;Timer stoppen

setb p1.0 ;High ausgeben (low in Schaltung, d.h FET sperrt ->kein

;Strom durch PE)

lhighcurrent: jnb p3.2, lhighcurrent ;Schleife bis Fehler :behoben und Strom nicht mehr zu hoch,

;wiedereinschalten durch externen manuellen Schalter

mov th0,#0ffh ;Timer initialisieren und mit vorherigen

setb tr0 ;Tastverhältnis starten

reti

end

Anmerkung: Nach Rücksprung in das Unterprogramm (Zähler) wird P1.0 rückgesetzt.

Zweiter Prototyp

Nach Fertigstellung des ersten Prototypen beginnt nun die Planung des zweiten Prototypen, der kleiner und preisgünstiger sein soll als der Erste. Weiters soll die Schaltung auf einer Leiterplatte aufgebaut werden, und das PE sowie die Sensoren (Infrarot LED und Phototransistor) in einem Stift untergebracht werden. Weiters soll die Temperatur beim Taupunkt gemessen werden, um daraus Rückschlüße auf die Luftfeuchtigkeit zu erhalten. Dieses Projekt (Herbst, Volkert) wird daher ebenfalls ein großer Bestandteil des Projekts werden.

Die Planung beginnt mit der Wahl des neuen PE. Darauffolgend soll die Spule dimensioniert werden. Die weiteren Abläufe können dem Zeitplan entnommen werden.

Mögliche Peltier Elemente:

Neue Stromabschaltung

Die neue Stromabschaltung soll das Problem der ersten Schaltung, die zeitweise abgeschaltet hat, obwohl der Strom nicht zu hoch war, beheben. Zur Dimensionierung der Bauteile dient eine beiliegende Vorlage.

Weiters wurde ein neues Software Programm entwickelt. Im alten Programm wurden die high- und low-Phasen des an den FET angelegten Taktes durch einen Timer bestimmt. Diese Programmierung ist umständlich. Im neuen Programm wird dies durch dekrementieren von Registern erreicht, was die selbe Wirkung erzeugt, aber wesentlich einfacher zu handhaben ist.

Neues Software Programm

; ** ** ************ MANGI Markus, PRESSLER Jochen ** ** ********

; ** ** ** ** **** TAUPUNKTHYGROMETER ** ** ****** ; ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** *********

; ** ** ** ** ****** HAUPTPROGRAMM ** ** ************

ORG 8003h

JMP Highcurrent

ORG 8013h

JMP Mirror

ORG 8100h ;Startadresse des Hauptprogramms

Starthaupt:      SETB ea ;Enabeln aller Interrupts

SETB ex0 ;Enablen der externen Interrupts

SETB ex1

MOV R2,#005h ;Dauer der High- und

MOV R3,#005h ;Low-Phase festlegen

Schleife:          CALL Eins ;Ruft SBR High auf

NOP

CALL Null ;Ruft SBR Low auf

JMP Schleife ;Springt wieder an Anfang

; ** ** ** ** ***** UNTERPROGRAMME ** ** ************

ORG 8200h ;Startadresse für Unterprogramme

;-------- ----- ------ ---- HIGH -------- ----- ------ ----- ----- --------- ----- ----

Eins:                MOV A,R2

MOV R0,A

SETB P1.0

Eins0: DJNZ R0 ,Eins0 ;dekrementieren von R0 für high-Phase (=low an FET)

RET

;-------- ----- ------ ---- LOW -------- ----- ------ ----- ----- -----------------

Null:                MOV A,R3

MOV R1,A

CLR P1.0

Null0: DJNZ R1 ,Null0 ;dekrementieren von R1 für low-Phase (=high an FET)

RET

; ** ** ** ** * INTERRUPTSERVICEROUTINE ** ** *********

ORG 8300h

;-------- ----- ------ ---- MIRROR -------- ----- ------ ----- ----- ---------------

Mirror:            SETB P1.0

Mirror0:                      JNB P3.2 ,Mirror0

MOV R2,#008h

MOV R3,#002h

RETI

;-------- ----- ------ -- HIGHCURRENT -------- ----- ------ ----- ----- ---------

Highcurrent: SETB P1.0

Highcurrent0: JNB P3.3 ,Highcurrent0

RETI              

END

Spulendimensionierung

Um die benötigte Spule (ca. 50µH) möglichst klein zu halten, wird ein Ferritkern verwendet. Zur Dimensionierung benötigt man die Verlustleistung die berechnet wird von der Übertemperatur J gebrochen durch den thermischen Widerstand R_therm. Der thermische Widerstand hängt von der Oberfläche ab, die Wärme abgibt. Zur ungefähren Einschätzung der Verlustleistung wird R_therm geschätzt, da er in Datenbüchern sehr selten angegeben wird.

Ein möglicher Spulenkern wäre ein RM4 doch muss zuerst die Verlustleistung berechnet werden. Dazu dient die untere Dimensionierung, die auf den maximalen Luftspalt zielt.

Kern: RM4

dimensionieren auf maximalen Luftspalt (ca. 1mm)

Geg:    I=2,2A aus DTB.: m_e=24,6

L=50µH           A_L=16nH

B₀=240mT       V_FE=230mm³

A_R=89µW

größten Luftspalt angenommen und Induktion berechnen

B₀ ist kleiner als gewünscht. Ein Vorteil ist dadruch gegeben, daß die Kupferverluste bei kleinerem B₀ geringer werden.

Nun kann aus A_L und L die notwendige Windungsanzahl N berechnet werden

Draht Durchmesser für RM4 bei 56Wdg. Maximal 0,35mm (isoliert), laut Drahttabelle Siemens DtB.

Weiters wird nun der Kupferwiderstand der Windungen berechnet, um infolge die Verlustleistung und die Übertemperatur berechnen zu können.

Nun kann von aus einer Tabelle auf die Übertemperatur geschlossen werden. Es stellt sich heraus, daß die Übertemperatur ca. 45°C beträgt. Um aber ganz sicher zu gehen, daß sich die Spule nicht zu sehr erwärmt, wird ein RM5 Kern verwendet.

Kern RM5:

Geg:    I=2,2A aus DTB.: m_e=20,3

L=50µH           A_L=25nH

B₀=240mT       V_FE=430mm³

A_R=90µW

Draht Durchmesser für RM5 bei 45Wdg. Maximal 0,4mm (isoliert), laut Drahttabelle Siemens DtB.

Die Übertemperatur beträgt nun ca. 25°C

Kennlinie des PE

Aus der Kennlinie des PE läßt sich nun der Widerstand bestimmen. Da die KL annähernd linear verläuft läßt sich der Widerstand überall ablesen und beträgt 0,7W

Tagesprotokoll

Testen der Schaltung

Testen der Schutzschaltung

Aufgabe: Die Schutzschaltung hat die Aufgabe das PE vor einem zu hohen Strom zu schützen (>4,83A). Wenn der Strom zu groß wird, wird der der Gate Eingang des FET auf Masse gelegt und verhinder so den Stromfluss durch das PE.

Testen: Die Schaltung wird vom PE getrennt. FET wird den Eingang wird eine Differenzspannung mit Hilfe eines Spannungsteilers angelegt. Dann wird der Abschaltpunkt gemessen.

Ergebnis: Messung der Diff.Spg.: Pin3: 2V Diff.Spg.: 2V

Pin5: 4V

Buffer: Pin1: 2V Buffer O.k.

Pin7: 4V

Pin8: 2V O.k.

339: Pin5 (+): 1V O.k.

Pin2: Low

Messung des Schaltpunktes durch erhöhen der Diff.Spg. Diff.Spg bei 4,33V - Schutzschaltung geht auf high => funktioniert. Am Gate Eingang des FET liegt low an. Wiedereinschaltung funktioniert auch. Gatter funktionieren auch.

Testen des FET

FET funktioniert. Kein Gate Strom. Source-Drain Strom bei 1.5k und 5V bei 3.33mA

Testen des Phototransistors

Test ohne PE: Phototransistor schaltet voll durch, weil Spiegel nicht beschlagen. Ausgang des OPV (339 Pin7) ist auf high.

Test mit PE: Phototransistor schaltet durch (1mA) wenn Spiegel nicht beschlagen. Ausgang des OPV auf low wenn Spiegel komplett beschlagen. Strom durch Phototransistor 680mA.

Abstimmung von Poti R12 so, dass Transistor genau beim TP schaltet. Zuerst Spannung am Kollektor des P-Transistors zum Zeitpunkt des Beschlagens messen, dann die Spannung am + Eingang des OPV einstellen (mittels Poti R12).

Kennlinien Aufnahme des Peltier Elements

Problem: Da die heiße Seite des PE nicht genügend gekühlt wurde, beeinflußte sie die kühle Seite, sodaß sich die kühle nie genug abkühlen konnte. Wir entfernten den Kühlkörper und erstzen ihn durch einen CPU-Kühler. Mit diesem waren wir in der Lage das PE besser abzukühlen. Der Spiegel auf der kalten Seite kühlte innerhalb einer halben Minute bei einem Strom von 2A soweit ab, dass er den Taupunkt erreichte und beschlug.

Testen der Gesamtschaltung:

Messpunkte: Gate Pin FET 74LS02 Pin 1

Ausgang Schutzschaltung LM339AN Pin 2

Ausgang des OPV (Phototrans.) LM339AN Pin 1

Aufbau und Testen der Gesamtschaltung

Da die Einzelnen Teile der Schaltung einwandferei funtionieren, war zu erwarten, dass auch die Gesamtschaltung funktioniert. Dem war jedoch nicht so, da die Stromabschaltung sofort nach dem Einschalten die Schaltung deaktiviertem, und dadurch konnte keine aussagen-kräftige Messung durchgeführt werden. Nun muss herausgefunden werden, warum die Stromabschaltung schaltet.

Problem

Die Stromabschaltung schaltet aufgrund von Spannungspitzen immer wieder ab. Es wurde versucht diese hochfrequenten Spitzen (f 3MHz) durch einen Tiefpass so stark zu dämpfen, dass sie den Komparator der Stromabschaltung nicht mehr zum vorzeitigen Schalten bringen. Die Quelle dieser Spannungsspitzen konnte noch nicht gefunden werden.

Tiefpass: f_G = 50kHz R = 1kW C = 3,3nF

Der Tiefpass brachte keine Veränderung der Spitzen. Nun sollen mit Hilfe eines TP zweiter Ordnung und einer Spannungsbegrenzung (zwei Leuchtdioden hintereinander 4V in beiden Richtungen) die Spannungsspitzen unterdrückt und weggeschnitten werden.

Abb. Spannungsspitzenunterdrückung:

Aufbau der Spannungsspitzenunterdrückungsschaltung

(siehe 20.10.1997).

Durch die Neue Schaltung wird die Stromabschaltung wesentlich unempfindlicher, jedoch konnten die Spitzen nicht vollständig unterdrückt werden. Soweit funktioniert die Schaltung jedoch.

Jetzt müssen nur noch die Potentiometer auf die genauen Schaltzeitpunkte getrimmt werden.

Anmerkung: Versorgung für Ics vom Board nehmen Eine weitere Verbesserung der Spannungsspitzenunterdrückung würde ein Tiefpass nach dem Differenzverstärker bringen. Allerdings darf die Grenzfrequenz nicht zu hoch sein, da die Schaltung sonst nicht schnell genug reagieren würde. Bei der Inbetriebnahme des fertigaufgebauten Prototyps stellten wir fest, das selbst bei einem Strom von 3 - 3,5A der Spiegel auf dem PE nicht anläuft. Nachdem wir das PE aus der Schaltung ausgebaut haben und direkt mit einem Strom von 3A speisten, lief der Spiegel inerhalb kürzester Zeit an.

Seit dem 19.01 wird das Tagesprotokoll verstärkt im Projekttagebuch geführt, um Tagesgeschehnisse nicht doppelt zu umschreiben

Projekttagebuch

Anhang:

Projektablauftabelle

Strommessung am MOSFET von Ralf Bertram = neue Stromabschaltung

Sensor Spezifikationen von OPTEK

Spulenspezifikationen für Ferritkerne aus Siemens DtB. Zur Spulendimensionierung

Gesamtschaltung

Bestückungsplan und Leiterplatte