11 Jul

Diskussion: Einflüsse und Ansprechzeiten von technischen Thermometern

Thermo Scientific ELEMENT XR HR-ICP-MS

 Im Rahmen eines Versuches werden im folgenden äußere Einflüsse auf Messungen mit Thermometern eingegangen. Außerdem werden die gemessenen Ansprechzeiten verschiedener Thermometer mit den theoretischen Vermutungen verglichen. 

(Die Abbildungen dürfen aus Eigentumsrechtlichen Gründen hier leider nicht veröffentlicht werden.)

1. Einflüsse auf Thermometer
1.1 Umpolung des Thermoelements

(Abbildung 1: TE bei Umpolung )

Bei der Temperaturmessung mit einem Thermoelement kann es zu einer Verwechselung der Kontakte kommen. In dem Versuch wird die Umpolung simuliert. Von der 1. Bis zur 31. Messung ist die Umpolung des Thermoelements nur gering ersichtlich. Wie in Abbildung (1) zu sehen, ist bis zur 31. Messung der Wert des fehlerhaften Sensors konstant. Die Daten der Temperatur liegt im Mittel 0,160 K unter der Referenzmessung. Durch den Seebeck-Effekt tritt bei einer Temperaturdifferenz zwischen Messungsstelle und Referenzstelle eine Spannung ein: Bei Umpolung gilt der Seebeck-Koeffizient KAB aus Gleichung (1) für die Berechnung der Temperatur nicht mehr alleine. Bei Umpolung müsste wie bei Gleichung (2) der Koeffizient KBA zusätzlich verwendet werden. Nur dann kann eine korrekte Temperatur berechnet werden.

UAB =UA-UB= KA·(JM -JV)-KB·(JM -JV)= (KA -KB)·(JM -JV)= KAB·(JM -JV)    (1)

UBA = KAB·(JM – JK) + KBA·(JK – JV)   (2)

Ab der 30. Messung wird, nach Versuchsbeschreibung, die Kontaktfläche mit einer Hand berührt. Die Referenztemperatur bleibt konstant, dabei sinkt die Temperatur des fehlerhaften Thermoelements. Nach kurzer Einschwingphase, fällt die Temperaturmessung des TEs linear bis zur 59. Messung. Die Auflegung der Hand bringt einen zusätzlichen Wiederstand in das System. Bei korrektem Anschluss wird dadurch eine höhere Temperatur gemessen, da die Spannung an der Messstelle steigt. Es würde ein höheres Spannungsgefälle entstehen. Bei falschen Anschluss tritt ein rückläufiger Effekt auf: Bei der 59. Messung ergibt sich der globale Minimalwert von 57,88 °C.

1.2 Leitungsverlängerung bei einem Thermoelement

(Abbildung 2: 50-Meterkabel bei TE)

 Bei einem Thermoelement wird der Stromfluss im Leiter, des 2-Phasigen Systems, gemessen. Mit der Verlängerung der Leitung steigt auch der Eigenwiederstand der Leitung an. Aus Gleichung (3) folgt, bei höherem Wiederstand verringert sich bei gleicher Stromstärke der Spannungsfluss.

 

U = R·I                                                                                                        (3)
Die Referenzmessung hat das globale Maximum bei Messung 43. Beim Thermoelement kann der Temperaturzuwachs hier nicht verzeichnet werden. Durch den hohen Leitungswiederstand ist die Spannungsdifferenz an der Temperaturmessstelle höher als an der Spannungsmessstelle. Dadurch wird nur ein geringerer Spannungszuwachs verzeichnet. Bei der Berechnung der Thermospannung müsste zusätzlich der Leitungswiederstand miteinberechnet werden.

1.3 Leitungsverlängerung bei einem Platin-Wiederstand

(Abbildung 3: Einflüsse auf das PT100)

Wie bei der manuellen Messung des Kohlewiederstandes hat die Leitungsveränderung Einflüsse auf das Messergebnis. Bei einem 2-Leiter-System wird die Spannung an der Stromquelle gemessen. Dadurch besteht der Gesamtwiederstand aus Leitungswiederstand und dem Messwiederstand des Pt-100. Bei Leitungsverlängerung (und bei Temperaturerhöhung der Leitung) ändert sich der Leitungswiederstand [2]. Der Wiederstand eines Platinwiederstandes erhöht sich bei Temperaturerhöhung annährend linear. Bei Spannungsabfall an der Messstelle, geht das Messgerät von einer steigenden Temperatur aus. In unserem Fall bewirkt der zusätzliche Wiederstand des Kabels einen erhöhten Gesamtwiederstand, das führt zu einem Spannungsabfall. Der Spannungsabfall wird vom Messgerät falsch interpretiert und wird als Temperaturerhöhung aufgefasst. Wie in Abbildung 4 zu sehen, entsteht dadurch die höchste Temperaturänderung mit einer Gesamttemperatur 108,30 °C.

Auch der kürzere 2-Phasen-Anschluss des Platin-Wiederstandes erwirkt einen registrierten Wiederstand. Beim 4-Phasen-Anschluss kann hier der Unterschied festgestellt werden:

Durch eine Trennung des Speisestroms und der Spannungsmessung durch einen hochohmigen Wiederstand, kann der bereinigte Spannungsabfall an dem Platinwiederstand, ohne dem Zuleitungswiederstand gemessen werden. Da in der Leitung der Spannungsmessung, ein vernachlässigbar kleiner Messstrom durchfließt (hochohmiger Wiederstand) fällt sehr geringe Spannung über die Leitung ab, ein genauer Wert kann bei der 4-Leiter-Schaltung gemessen werden.

 

2. Diskussion der Ansprechzeitenaufnahme

(Abbildung 4: Ansprechzeiten der Sensoren)

Bei gleichem Versuchsaufbau sollten die Ansprechzeiten einen konstanten Verlauf zeigen. Durch zufällige und systematische Fehler sind im Versuch Abweichungen entstanden. Die Temperaturmessgeräte wurden vor der Messung nicht kalibriert. Das Temperiergerät des Thermostats wurde nicht kalibriert. Als weiteren systematischen Fehler ist eine falsche Anzeige des Thermostates nicht auszuschließen. Die Fehler sind über den Verlauf des Versuchs konstant und können teilweise bis vollständig eliminiert werden. Bei den Ansprechzeiten sind durchaus systematische Fehler vorhanden. Da die Fehler eine konstante Temperaturdifferenz zur realen Temperatur hervorrufen, kann der Fehler nicht die Abweichung der Ansprechzeiten verursacht haben. Zusätzlich können zufällige Fehler die Ansprechzeiten beeinflussen. Die Messung wird manuell mit dem Eintauchen der Thermometer gestartet. Auf die Außenhaut der Sensoren wirkt bereits beim Umstecken ein Temperaturunterschied. Die Ansprechzeit ist daher auch von der Umsteck-Geschwindigkeit der Thermometer abhängig. Auch der Einfluss der Versuchsteilnehmer kann nicht ausgeschlossen werden. So ist es möglich, die Thermometer am Messstab zu berühren. Die zusätzliche Wärme wirkt sich positiv auf die Ansprechzeiten aus. Auch die Kontaktierung an den Anschlüssen der Thermometer kann sich verändert haben: Es kann somit nicht mit Sicherheit von einer Temperaturänderung ausgegangen werden, die Änderung kann auch durch den zusätzlichen Leitungswiederstand an den Kontaktstelle hervorgerufen worden sein.

Das Thermoelement hat die geringste Ansprechzeit. Die freien Elektronen im Metall geben den Temperaturunterschied mit höchster Geschwindigkeit an den Sensor weiter. Der Spannungsunterschied kann nach durchschnittlich 3,5 Sekunden gemessen werden. Auch der Platin-Wiederstand ist in Metall-Ummantelung ausgeführt. Dadurch kann auch hier die Temperaturdifferenz gut übertragen werden. Der NTC-Wiederstand ist mit Kunststoff ummantelt. Der Wärmeübergangskoeffizient von Kunststoff ist mit 0,17 bis 0,57 W/mK [1] erheblich kleiner als der Koeffizient von Metall [3]. Im Metall wird die Wärme durch die Elektronen übertragen, da diese frei beweglich vorliegen, liegt ein schneller Austausch vor. Bei Kunststoff tritt der umgekehrte Fall auf: Elektronen sind in molekularen Bindungen gefestigt. Die Wärmeübertragung tritt hier in Form der Brownschen-Molekularbewegung auf. Der Wiederstand erfährt die Spannungsdifferenz erst nach einigen Sekunden. Der PTC-Wiederstand ist auch in Kunststoff eingebettet. Die Übertragung der Wärme erfolgt hier nach gleichen Prinzip. Der PTC-Wiederstand erfährt dadurch auch nach dem NTC-Wiederstand die langsamste Wärmezunahme.

 

verwendete Quellen:

[1]       Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik, 2018.Versuchsanleitung Versuch V3 Temperaturmesstechnik.

[2]       Innorat GmbH, 2010.Wärmeleitfähigkeit Kunststoffe Werkstoffe. http://www.innorat.ch/Kunststoffe_u2_69.html

[3]       Hans-Jürgen-Bargel, Hermann Hilbrans, 2008.Werkstoffkunde S.275.

 

 

 

 

05 Sep

Interrupts für Anfänger in C

In manchen Fällen muss das Programm wegen eines Ereignisses unterbrochen werden. Davor wurde die Interuptsteuerung eingeführt. Hiermit können unvorhersehbare, äußere Ereignisse erfasst werden und sofort verarbeitet. Dafür wird das Hauptprogramm kurzzeitig unterbrochen und der Interupt-Befehl ausgeführt. Danach läuft das Hauptprogramm wieder weiter.
In diesem Artikel behandele ich folgende Themenfelder:

  • Polling vs. Interrupt
  • Funktionen der Interrupts (ATmega)
  • Implementierung eines Interrupt (ATmega)
  • Interrupt-Indexierung bei ATmega
  • Pegel und Flankensteuerung (kommt noch…)
  • Interruptsteuerung eines Kaffeautomaten (kommt noch…)

Beim Polling wird im Programmcode der Zustand des Ergebnisses immer und immer wieder erneut abgefragt.  Hier wird synchron zum Code gearbeitet. Dieses Verfahren benötigt Speicher und Rechenleistung . Jedes mal wird erneut abgefragt, ob der Zustand nun  – endlich – eingetroffen ist. Auch bei einem negativen Ergebnis der Abfrage wird Rechenleistung für die Abfrage benötigt. Bei hoher Taktung der Abfrage wird das Programm unnötig verlangsamt. Allerdings können Fehler bei direkter Implementierung schneller gefunden werden.

Ein Interupt hingegen arbeitet asynchron zum Programmcode. Hier wird ein Nebenläufiger Prozess implementiert, welcher bei negativer Abfrage keine Rechenleistung verbraucht. Denn der Interupt wird,sobald der gewollte Zustand positiv ist, „angestoßen“ und führt den vorgesehenen Programmcode aus. Hierfür wird das Programm direkt vor dem nächsten Maschinenbefehl pausiert, die Register zwischengespeichert und nach dem Interrupt wieder fortgesetzt. Durch diesen „ruckhaften“ Eingriff ist die Fehleranalyse sehr viel aufwendiger.
Sie sehen: bei korrekter Implementierung ist ein Interupt komfortabler und genauer.

Funktionen der Interrupts (ATmega)

Ein Interrupt ist ein vordefinierter Vorfall. Er kann nicht verändert werden. Allerdings gibt die Tabelle eine reichliche Auswahl:

AdresseBezeichnungBeschreibung
0x000RESETReset
0x001INT0Externer Interrupt 0
0x002INT1Externer Interrupt 1
0x030TIMER2_COMPTimer Compare Match
0x004TIMER2_OVFTimer Overflow
0x0005TIMER1_CAPTTimer Capture Event
0x006TIMER1_COMPATimer Compare
0x007TIMER1_COMPBTimer Compare
0x008TIMER1_OVFTimer Overflow
0x009TIMER0_OVFTimer Overflow
0x00ASPI_STCSPI-Übertragung abgeschlossen
0x00BUSART_RXUSART-Empfang abgeschlossen
0x00CUSART_UDREUSART-Datenregister leer
0x00DUSART_TXUSART-Sendung abgeschlossen
0x00EADCAD-Wandlung abgeschlossen
0x00FEE_RDYEEPROM bereit
0x010ANA_COMPAnalogkomparator
0x011TWITwo-Wire Interface
0x012SPM_RDYStore Program Memory Ready

Implementierung eines Interrupt (ATmega)

Schritt 1: die IQR-Anweisung

Bei Eintritt des Interrupt wird das Hauptprogramm beendet und die Interrupt-Service-Routine wird aufgerufen. Diese wird zunächst geschrieben:

 

In der wird zunächst eine Hilfsmethode zur Initialisierung aufgerufen. Danach wird durch „sei()“ die Verwendung der Interrupts freigeschaltet. Mit cli() können die Interrupts wiederum ausgeschaltet werden. Mittels cli()…sei() Konstruktionen können somit bestimmte Programmbereiche von den Interrupts befreit werden. Interrupts, welche im Laufe der sperre Auftreten werden nach dem Schlüsselwort sei() bearbeitet. Eine systemgegebene Priorisierung liegt vor.

Schritt 2: Initialisierung des Interrupts

In einer Hilfsmethode (oder in der main) wird die Interuptsteuerung initialisiert. Die Indexierung hängt von dem jeweiligen Interrupt ab (siehe Indexierung).

 

Schritt 3: Problembehebung 

Bei vielen Anwendungen (zB: Kaffeeautomat) wird nur auf ein außerordentliches Ereignis gewartet. In der Zwischenzeit wird keine Rechenleistung benötigt. Der Mikrocontroller kann in den Stromsparmodus gehen. 

!Achtung! Interrupts unterbrechen ein Programm an einer x-beliebigen Stelle. Dies kann zu Problemen führen:
Lost-WakeUp

Das Programm erwacht nach dem Energiesparmodus nicht mehr. Die Befehle sei(), cli() und sleep() werden atomar ausgeführt. Das heißt die Befehle werden in einem Maschinenschritt verarbeitet. Dadurch kann das Lost-WakeUp Problem behoben werden. So kann dann eine Wait-Funktion aussehen:

Für eine erfolgreiche Synchronisation mittels Interrupts sollten folgende Punkte beachtet werden:

  • Verwende im Interrupt nur volatile-Variablen !
  • Die Fehler-Anomalien werden durch Testen des Programmes nicht auffallen. Das Programm sollte vor Verwendung nochmals durchdacht werden.
  • Interrupts können bei langen Interruptsperren verloren gehen.

Interrupt-Indexierung bei ATmega

Über die Steuerregister EIMSK und EICRA werden die Interupts INT0 und INT1 geschalten.

ISC11ISC10Beschreibung
00niedriger Pegel generiert Interrupt
01jede digitale Pegel-Veränderung generiert ein Interrupt
10fallende Flanke generiert ein Interrupt
11steigende Flanke generiert ein Interrupt

 

08 Apr

Use It Right: 8 Channel Relais Board – Chinese/Sainsmart Version

Most of you might know this Relais Board and might have problems with it too.
Its not as easy to use, as it looks. There are different options to connect it. Most of the time, you want to isolate the two circuits completely. Thats what I want to show you here.

You can buy the Relay board all over the internet, all of them are more or less the same. (buy it on: Banggood or Sainsmart, costs: 5$ to 9$)

 

 

Do-it-R!GHT with complete opto-isolation (standard):

 

click to enlarge.

Connect your the Relays afterwards in-between your power-circuit. Don’t use to much voltage. The relays are built for up to 250V, but the Circuitboard is defiantly not made for it. Be aware of the voltage you are using !

If you want to use all of the 8 Relais, get a powerful 5V Supply, the datasheet says, it needs 400mA at max

click to enlarge.

But I wouldn’t trust them. The calculation gets different results:  you need 1500mA or even more. It depends on the dimension of power, that goes throw the relays.
It can still work if you take less, but you could get flattering Relays, nobody whats that :D.

I did use the 8 Channel Relays for my Gardening Project, have a look how to use them in reality.

29 Mrz

Hochbeet fürs Zuhause – Bio ohne Lieferwege!

In einer urbanen Studentenwohnanlage bleibt oft nur wenig platz fürs Grüne, das muss sich ändern !

Die Aufgabe:

Hochbeet mit folgenden Eigenschaften:

  • mobil trotz massiver Ausführung
  • Gehrungsschnitt
  • Boden zur Gewichtsreduzierung
  • Abflusssystem
  • kubistischer Grundkörper, angepasster Farbstil

 

Unten findet ihr eine Einkaufsliste fürs Nachbauen 😉

Die Idee

In der vorgestellten Ausführen handelt es sich schon um die sparsame Variante: Winkel werden durch Querstreben ersetzt, Innenleben wird aus Fichte hergestellt (nur eingeschränkt zu empfehlen).

Für eine effizientere Bewirtschaftung wird ein Boden eingebaut.
Aufgebaut, wie ein Lattenrost, bildet er die Auflagefläche für die Teichfolie.

Mit dem Multischicht Modell bleibt die Erde feucht, nährstoffreich und modert nicht. Dazu aber hier mehr. Nicht benötigtes Regenwasser läuft entweder in den Regenwassertank oder ins Abwasser.

Für eine kleine Terrasse oder einen großen Balkon: 1400*600 sind die perfekten Maße. Und falls ihr mal ne Party macht, kann mans einfach beiseite schieben.

 

Schritt für Schritt: Die Umsetzung

„Man nehme einen schönen Samstag Nachmittag.“

1. Zuschneiden der Dielen

Um den Gehrungsschnitt zu erzeugen benötigen wir eine Kappsäge mit Einstellwinkel. 8 der 45Grad Gehrungen schaffen unseren Quader.
Bleibt beim schneiden mit der Kappsäge sehr präzise, beim zusammensetzten können bereits kleinste Ungenauigkeiten den smooothen Look beeinflussen.

Die Terassendielen (145*23*3000):

4 mal (horizontal):
◤ ◢██████████◣   ◥◤   ◢██████████◣   ◥
↑                      1350                       ↑               ↑                  1350                            ↑

2 mal (horizontal):
◤ ◢█◣   ◥◤   ◢█◣   ◥◤ ◢█◣   ◥◤   ◢█◣   ◥
↑ 650 ↑                ↑ 500 ↑              ↑ 500 ↑               ↑ 500

 

1 mal (vertikal):
Für die obere Abdeckung wird zunächst mit einer Handkreissäge eine Diele längs in zwei identische Stücke geteilt. Danach wird hier der Gehrungsschnitt mit vertikalem 45Grad Winkel durchgeführt:

◤ ◢██████████◣   ◥◤   ◢██████████◣   ◥
↑                      1350                       ↑               ↑                  1350                            ↑
◣◥██████████◤  ◢◣   ◥██████████◤   ◢
↑                      1350                       ↑               ↑                  1350                            ↑

 

Die Pfosten (40*60*2000):

2 mal:
██████ ██████ ██████
↑        580            ↑          580           ↑         580           ↑

Die Querstreben für den Lattenrost (40*60*2000):

1 mal:
███████ ███████ ███████
↑(innere breite)  ↑(innere breite)  ↑(innere breite)  

Die Längsstreben für den Lattenrost (20*40*3000):

mindestens 2 mal:
████████████ ████████████
↑            (innere länge)                ↑               (innere länge)              

 

2. Befestigen der Verschalung

Jetzt geht es ans zusammenschrauben: Zunächst befestige ich 2 Pfosten an den inneren Enden der 4 aufgereihten langen Dielenbrettern, bohre zunächst mit einem 5er Bohrer vor und schraube dann diese zunächst nur mit der hälfte der Schrauben an. Den Vorgang wiederhole ich für die andere Seite.
Danach stelle ich die zwei Wandhälften auf, lege die kurzen Dielen für die Befestigung dazwischen. Auch die kurzen Dielen werden mit zunächst zwei Schrauben je Diele befestigt.

Jetzt kommt der Knifflige Part:
Für das feinjustierten der Dielen kommt der zweite Satz an Schrauben ins Spiel: Diese werden nun -nach dem Vorbohren- mit leichtem seitlichen Druck verschraubt, sodass die Kanten miteinander abschließen.

Nun noch die Bretter für die obere Abdeckung symmetrisch anschrauben.

 

„Der Quader steht, jetzt gehts ans innere:“

3. Stabilisierung und Ausbau im Innenraum

 

Die inneren Querstreben werden mit einem Höhenabnahme von min. 1% befestigt. Durch die Schräge kann das überschüssige Wasser später besser ablaufen, es bildet sich kein Brackwasser am Boden.
Diese werden doppelt verschraubt, da die gesamte Biomaße auf die Streben ihr Gewicht setzt.
Beachte bei der Wahl der Höhe, dass auf die Querstreben zusätzlich:
Latten (20mm), Teichfolie (1mm), Rasensteine (35mm), Rindenmulch (ca. 100mm) kommt, bevor die Pflanzenerde (ca. 300mm) kommt.
Zuletzt noch die Latten auf den Streben befestigen.

4. Konstruktion des Abflusses

 

5. Grundieren und Lasieren

Zunächst streichen wir das Hochbeet mit der Grundierung innen und außen 2 mal. (Zieht bei Sonne in ca. 30min ein)
Danach Lasieren wir die True außen mindestens 2 mal. (Die Farbe benötigt mehr Zeit zum trocknen, da schon die Grundierung eingezogen ist)
(Eine Lasur lässt das Holz trotz der Schutzschicht atmen und platzt nicht wie ein Lack ab)


6. Auskleidung mit der Teichfolie

 

„Jetzt ist Sonne von Vorteil !“

Falls es draußen schon warm ist, legt die Teichfolie in die Sonne. Durch die Wärme lässt sich das Plastik besser verformen.
Aus dem vorherigen Beispiel entnehme ich die Gesamttiefe von 456mm (ca. 600mm) ab Oberkante:
(2*600mm + 1350mm)   x    (2*600mm + 650mm)    =     2,55m   x   1,85m

Die Teichfolie wird mittels eines Serviettenschlages an jeder Ecke eingeschlagen, erst zum Schluss den Überhang abschneiden und anschließend tackern.
Durch zuschneiden und kleben entständen unnötige Posten und potenzielle Lecks.

 

Einkaufsliste fürs Nachbauen:

  • Holzbaustoffe (ca. 80€)
    • Terassendielen Douglasie (145*23*3000)
    • Pfosten (60*40*3000) (40*20*3000)
  • Edelstahlschrauben und Tackernadeln (ca. Stück)
  • Teichfolie (0.5mm)
  • Stückchen Gartenschlauch
  • ein paar alte Rasenplatten o.ä.
  • Feuchtraumverteilerdose
  • Rollen oder Füßchen (mindestens verzinkt)
  • Grundierung  (klar) und Dünnschichtlasur (schiefergrau)

 

 

Anschließender Artikel:

Zum Gießen zu faul:  Automatisierung fürs Hochbeet