Durchflussmessung
FB Mechatronik: O.Scharnefski


Mechatronikprojekt der HGS, Klasse E3Me (2007/08)

Durchflussmessung und -regelung


Hier lernst Du, wie eine Durchflussregelung mit vielen Schnittstellen umgesetzt wird.

Inhalte der Seite:






(1) Blockfunktionsbild

(2) Gruppenbildung

(3) Auftrag

(4) Projektplan

(5) Wirkprinzipien

(6) Umsetzungen

(7) Datenblätter

(8) Lernziele

(9) Präsentation

(10) Erfahrungen

(11) Pressemeldungen



(1) Blockfunktionsbild:

(2) Gruppenbildung:



(3) Auftrag (Lastenheft):

Team 1 Sensorik und Messtechnik am Steigrohr.

Team 2
Sensorik und Messtechnik am Flügelrad inkl. Elektronik des Reglers.

Team 3
Leistungselektronik für Gleichstrompumpe.

Team 4
Sensorik und Messtechnik am induktiven Durchflussaufnehmer.



Über alle Gruppen hinweg sind Schnittstellendefinitionen notwendig: Analoge Spannungsbereiche und codierte Digitalsignale.






(4) Projektplan:




(5) Wirkprinzipien der Durchflusssensorik:



  • Ultraschallsensor im Steigrohr,
  • Magnetfeldsensor (Hallsensor) im Durchflussrohr


  • Schwimmer mit Widerstandsmessung im Steigrohr,
  • Hydromotor im Durchflussrohr





  • Druckaufnehmer im Steigrohr,
  • Turbinenrad mit induktivem Aufnehmer im Durchflussrohr


  • Drucksensor im Steigrohr,
  • Flügelrad mit induktivem Sensor im Durchflussrohr

(6) Umsetzungen durch Teamwork:



  • Planungsphase mit Ideenfindung und Umsetzungsvorschlägen


Team 1





Team 1







Team 2






Ein Vertreter aus Team 2





Team 2



Team 3


Team 3






Team 4





Team 4




  • Realisierungen der einzelnen Teams


        Team 1: Steigrohrsensorik

Je nachdem, wie die Durchflussbehinderung im Hauptrohr beschaffen ist, baut sich ein Staudruck vor dem Hindernis auf. Der Staudruck lässt eine Wassersäule im geeignet angebrachten Steigrohr steigen.
Die effektive Höhe der Wassersäule kann auf verschiedene Arten gemessen werden.

       Team 2: Rohrsystem, Flügelradsensorik und Regelungstechnik

Die erste Aufgabe des Teams war die Realisierung eines rechteckförmigen Rohrsystems aus Plexiplas (PMMA).

Das Flügelrad mit zwei an den Seiten der Flügel angebrachten Magneten liefert bei der externen Abnahme der Umdrehungszahl per induktivem Sensor zwei Impulse pro Umdrehung.

       Team 3: Leistungselektronik

Die Pumpe, eine Wasserpumpe für KFZ-Kühlsysteme, hat unter Volllast 100% an 24V eine Stromaufnahme von 2,6 A. Eine pulsweitermodulierte (PWM) Ansteuerung ist möglich.
Der Tastgrad g = ti / T kann zwischen 10% und 100% variieren.

Kern der elektronischen Schaltung bildet ein N-Kanal IG-MOS-FET.

       Team 4: Induktive Durchflussmessung

Dieses Messprinzip beruht auf der Wirkung eines Magnetfeldes auf fliessende Ladung (hier: Ionen). Nach dem Gesetzmässigkeiten der Lorentz Kraft (Linke Hand-Regel) werden diese Ladungsträger abgelenkt.
Da die abgelenkten, nun also getrennten Ladungsträger eine elektrische Spannung bedeuten, die messbar ist, können aufgrund verschiedener Fliessgeschwindigkeiten unterschiedliche Messspannungen im Rohr abgenommen werden.




  • Regelungstechnik - Modelldarstellung


Kenngrößen des Regelkreises

w Sollwert
e Regeldifferenz
yR Reglerausgangsgröße
y Stellgröße
z Störgröße
x Regelgröße
r Rückführgröße


  • Elektronik des Reglers




Sensor und Sollwertsteller Der gewählte Sensor liefert eine dem Volumenstrom des Fluids proportionale Spannung von 0V bis 10V.
Als Sollwertsteller, auch Sollwertgeber genannt, dient ein manuell einzustellendes Potentiometer von 4,7kOhm. Es teilt die von der Z-Diode ZPY13 stabilisierte Spannung von 13V in einen Bereich von 0V bis 13V.
Der Vorwiderstand von 470 Ohm zur Z-Diode ermittelt sich etwa aus einem Viertel von IZmax. Die maximale Verlustleistung der Z-Diode beträgt 1,3W, so dass sich ein IZmax von I = P/U = 1,3W/13V = 100mA ergibt.
Für IZmin = 0,1 x IZmax folgt IZmin=10mA. Bei gewählten 23mA Z-Diodenstrom ermittelt sich der Vorwiderstand bei 11V Spannung zu 470 Ohm.
Dreieckspannungs-
generator		 Er liefert eine Dreieckspannung von f = 3kHz bei einer Offsetspannung von 5V und einem Spitzenwert von 22V.
Komparator Hier wird die Dreieckspannung und die im Differenzverstärker gebildete Referenzspannung URef verglichen. Überschreitet URef die Dreieckspannung, so wird der Tastgrad g = ti/T größer, d.h. die Pulsweiten steigen an.
Stellglied:
Leistungselektronik		 Der N-Kanal IG-MOS-FET BUZ11 erhält über sein Gate die PWM-Signale und öffnet bei geringem RDSON den Strompfad durch die Pumpe.




  • Montage des Rohrsystems


Alle helfen ...





... schauen sich das Ergebnis an ...







... staunen ...





... und freuen sich.


  • Induktiver Durchflussmesser


    • Die induktive Durchflussmessung beruht auf der Ablenkung von Ladungsträgern, in unserem Fall gelöste Ionen im Wasser, durch ein Magnetfeld:





    Quelle: KROHNE    www.krohne.com


    Nach der Dreifingerregel der linken Hand (Ursache = Daumen, Verbindung = Zeigefinger, Wirkung = Mittelfinger) werden die Ladungstäger nach folgendem Prinzip abgelenkt:

         Die Ionen strömen im Rohr (Ursache v) , das von einem Magnetfeld annähernd homogen durchflutet wird (Verbindung B) . Die Strömungsrichtung des Wassers ist senkrecht zum Magnetfeld. Ähnlich der Lorentzkraft, mit der ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld abgelenkt wird, werden die Ionen abgelenkt (Wirkung U) .

    Die Richtung der Ablenkung ist dabei wiederum senkrecht zum Magnetfeld und zur Strömungsrichtung.

    Die positiven Ionen (Kationen) werden dabei in die entgegengesetzte Richtung der negativ geladenen Ionen (Anionen) abgelenkt.

    Diese Ladungstrennung hat eine Spannung U zur Folge, die an sich gegenüberliegenden Elektroden im Rohr abgegriffen und gemessen werden kann.

    Eine Sattelspule dient der Erzeugung des annähernd homogenen Magnetfeldes im Durchflußrohr:


1. Option: (Sattelspule 1) Länge ca. 75mm





Spulendrahtwiderstand 11,5 Ohm





Innendurchmesser ca. 42mm







1. Option: (Sattelspule 2) Länge ca. 80mm





Spulendrahtwiderstand 3,0 Ohm





Innendurchmesser ca. 35mm


Arbeitsschritte zur Fertigstellung und zum Einsatz des induktiven Durchflussmessers:





Simon fräst den Sattelspulenaufnehmer aus PA





Anpassen der Aufnahme der Sattelspule an das Rohr



Bohren der Elektrodensitze für die Spannungsmessung am Rohr







Ausrichten des Durchflussmessers am Rohr



(7) Datenblätter:

OP LM 324 LM324.pdf
IG-MOS FET BUZ 11 BUZ11.pdf
Z-Diode ZPY13 ZPY13.pdf
Potentiometer 4k7 Poti_4k7.pdf



(8) Lernziele:

     Technisch
  • System- und Funktionsanalyse


  • Messmethoden


  • Signalaufbereitung: Verstärkung und Konditionierung


  • Handling flüssiger Medien


  • Regelkreis: Theorie, Bestandteile und praktische Anwendung


     Persönlich
  • Selbstständige Einarbeitung in unbekannte Technologien


  • Schnittstellenarbeit durch Verknüpfung unterschiedlicher Projektkomponenten


  • Teamarbeit: Absprachen, Lösungssuche und Arbeitsaufteilung


  • Einsatz von Projektmanagementmethoden


(9) Präsentation:



Präsentation war am Mo., den 23. Juni 2008 ab 14:00 Uhr in der Hohentwiel-Gewerbeschule mit Ausbildern und Lehrern:


Markus Mink bereitet sich vor, ...





... Team 2 trifft letzte Vorkehrungen ...







... wird die Technik funktionieren?!







Der letzte Schliff ...





... und die letzten Proben.



Die Projektarbeit im Gesamtüberblick



Dominik Bechler startet, ...





Ben Albers zeigt uns physikal-
ische Gesetzmäßigkeiten, ...





Simon Isele erklärt das Steigrohrprinzip.





Alle Schülerteams vor ihrer gemeinsamen Projektarbeit



(10) Erfahrungen, Meinungen und Aussagen:


    "Wir haben gelernt, dass jeder im Team gebraucht wird."

    "Es ist wichtig und notwendig einen Zeitplan zu haben."

    "Die Aufgabenstellung war sehr komplex und wir hatten auch Durchhänger."

    "Unsere Ausbilder haben uns sehr gut untersützt."

    "Das Projekt wird noch lange im Gedächtnis bleiben."

    "Wir waren auf Informationen anderer Teams angewiesen und mussten ständig in Kontakt bleiben."

    "Ich habe gelernt durchzuhalten."

    "Das Projekt war abwechslungsreich."

(11) Pressemeldungen:


    Südkurier vom Di., 01.07.2008:

    (Klick für Artikel zum Download in 600dpi:)


    Wochenblatt vom Mi., 02.07.2008:

    (Klick für Artikel zum Download in 600dpi:)



Fragen? Email an mich: o.scharnefski@t-online.de



Weiterhin viel Spaß mit Regelungstechnik!
O.Scharnefski
last update: 08.07.2008


Die außerschulische Verwendung oder Verwendung außerhalb der Lernortkooperation von oben aufgeführten Materialien ist nur mit Zustimmung des Verfassers gestattet!

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