Dämmbox: Sensorik und Elektronik

Die Grundlagen

Um den Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) eines Dämmmaterials zu bestimmen, kommt es auf präzise Temperaturmessungen und eine kontrollierte Wärmequelle an. Die Studierenden der Hochschule Niederrhein mussten daher eine Lösung finden, die sowohl kostengünstig als auch zuverlässig ist. Sie entwickelten eine clevere Kombination aus Temperatursensoren, Heizelementen und einem zentralen Steuerungssystem, die das Messinstrument effizient und funktional macht. Dieser Abschnitt gibt Einblick in die technische Ausstattung der Dämmbox und zeigt, wie jede Komponente dazu beiträgt, präzise und verlässliche Messungen zu gewährleisten.

Die Temperatursensoren

Um die thermischen Eigenschaften eines Dämmmaterials zu messen, benötigten die Studierenden hochpräzise Temperatursensoren, die die Temperaturen sowohl auf der heißen als auch auf der kalten Seite des Prüflings erfassen. Nach Abwägung von Genauigkeit, Kosten und Handhabung fiel die Wahl auf den digitalen DS18B20-Temperatursensor, der folgende Vorteile bot:

1. Wasserdicht und robust: Der DS18B20 ist wasserdicht und stabil, wodurch er sich gut für den Einsatz in der Testumgebung der Dämmbox eignet. Seine robuste Konstruktion stellte sicher, dass die Messungen auch bei ständigen Temperaturwechseln verlässlich blieben.
2. Hohe Genauigkeit und breite Einsatzspanne: Die Sensoren messen in einem Temperaturbereich von -55°C bis +125°C mit einer Genauigkeit von ±0,5°C. Diese Spezifikationen sind ideal für die Dämmbox, da sie eine präzise Überwachung der Temperaturen in beiden Kammern ermöglichen.
3. Einfache Integration: Da der DS18B20-Sensor mit einer digitalen 1-Wire-Schnittstelle arbeitet, konnte er problemlos an die Steuereinheit der Dämmbox, einen Raspberry Pi, angeschlossen werden. Die einfache Verkabelung erleichterte die Installation und reduzierte das Risiko von Wackelkontakten.

Die Sensoren wurden strategisch auf beiden Seiten des Dämmmaterials angebracht, um die Oberflächentemperatur des Prüflings und die Temperaturen der warmen und kalten Kammer präzise zu erfassen. Dank dieser genauen Daten konnten die Studierenden eine zuverlässige Berechnung des U-Wertes durchführen.

Das Heizelement

Um die notwendige Temperaturdifferenz zur Messung zu erzeugen, wählten die Studierenden ein speziell angepasstes Heizelement:

1. Silikon-Heizelement für gleichmäßige Wärmeverteilung: Das Heizelement besteht aus einem dünnen Draht aus einer Nickel-Chrom-Legierung (80 % Nickel, 20 % Chrom) und ist in Silikon eingebettet. Es zeichnet sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit und gleichmäßige Wärmeverteilung aus, was für die Stabilität der heißen Kammer wichtig ist.
2. Wärmeleistung und Effizienz: Mit einer Leistung von 20 Watt und einer Temperaturbeständigkeit bis 200°C erfüllt das Heizelement die Anforderungen der Dämmbox. Die Studierenden führten Tests zur Validierung der Wärmeleistung durch und bestätigten, dass das Heizelement die Temperatur in der heißen Kammer konstant und ohne erhebliche Schwankungen halten kann.
3. Sichere Befestigung und Austauschmöglichkeit: Um das Heizelement sicher zu befestigen, entwickelten die Studierenden eine Klemmvorrichtung, die sowohl Stabilität als auch eine einfache Austauschmöglichkeit bei Defekten bietet. Diese Konstruktion gewährleistet, dass das Heizelement sicher montiert ist und zugleich flexibel ausgetauscht werden kann.

Steuerung und Elektronik

Die Steuerung der Sensoren und des Heizelements erfolgt über einen Raspberry Pi, der als zentrale Steuereinheit fungiert. Hier die wichtigsten elektronischen Komponenten und ihre Funktionen:

1. Raspberry Pi als Steuerzentrale: Der Einplatinencomputer Raspberry Pi 3 Modell B+ steuert alle Messvorgänge und sammelt die Sensordaten in Echtzeit. Aufgrund seiner flexiblen Anschlussmöglichkeiten war der Raspberry Pi optimal für die Integration der Temperatursensoren und des Heizelements geeignet. Zusätzlich läuft auf dem Raspberry Pi ein maßgeschneidertes Python-Programm, das die Messdaten im Sekundentakt ausliest, verarbeitet und in einem Live-Plot darstellt.
2. PWM-Modul für präzise Temperatursteuerung: Die Heizung wird über ein PWM-Modul (Pulsweitenmodulation) geregelt, das die Temperatur in der Heizkammer konstant hält. Das PWM-Modul ist mit einem integrierten Relais ausgestattet, das auf Temperaturabweichungen reagiert und die Heizung abschaltet, sobald der Sollwert erreicht ist. Die Studierenden passten die Einstellungen des Moduls so an, dass der Schaltkreis ±0,5°C vor Erreichen des Sollwerts reagiert – eine Maßnahme, die die Regelgenauigkeit verbessert und Temperaturschwankungen minimiert.
3. Stromkreise und Lüftersteuerung: Die Elektronik der Isolierbox besteht aus zwei Stromkreisen. Der erste Stromkreis versorgt das Heizelement, der zweite Stromkreis steuert die Lüfter und die Temperatursensoren. Um eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Heizkammer zu gewährleisten, werden die Lüfter kontinuierlich betrieben, wodurch die thermische Stabilität verbessert wird.
4. Verkabelung und Montage: Die Komponenten werden über Steckplatinen und GPIO-Pins (General Purpose Input Output) des Raspberry Pi angeschlossen. Aufgrund der leichten Wackelkontakte der Steckbretter muss die Verkabelung jedoch vor jedem Test sorgfältig überprüft werden, um Messfehler zu vermeiden.

Zusammenfassung

Die Sensorik und Elektronik der Isolierbox wurden speziell für die präzise Messung der thermischen Eigenschaften von Isoliermaterialien entwickelt. Dazu werden wasserdichte DS18B20 Temperatursensoren eingesetzt, die sowohl die Oberflächentemperaturen des Prüflings als auch die Bedingungen in der Warm- und Kaltkammer überwachen. Ein Silikon-Heizelement sorgt für eine konstante Temperatur in der heißen Kammer, die über ein PWM-Modul geregelt wird, um präzise Messbedingungen zu schaffen.

Ein Raspberry Pi dient als zentrale Steuereinheit und verarbeitet die Messdaten in Echtzeit, was den Studierenden eine genaue Überwachung und Steuerung ermöglicht. Die Verkabelung der Sensoren und der Aufbau der Schaltungen gewährleisten eine stabile Funktionalität und Datenübertragung. Diese technische Ausstattung macht die Dämmbox zu einem effektiven und kostengünstigen Prüfstand für die U-Wert-Bestimmung und zeigt, wie durchdachte Elektroniklösungen innovative Wärmemesstechnik ermöglichen.

Weiterführende Einträge

Für eine detailliertere Betrachtung der einzelnen Themen haben wir jeweils eigene Einträge erstellt. Alle Beiträge laufen hierbei unter dem Namen Dämmbox. Dazu gehören:

• Dämmbox: Prüfstand für kostengünstige Dämmstofftests
  Dieser Eintrag fasst das Projekt zusammen und stellt die Ziele und Ergebnisse dar.
  
• Dämmbox: Die Entwicklung der Konstruktion
  In diesem Blogpost beschreiben wir, wie die Idee der Dämmbox entstand und sich durch verschiedene Prototypen bis zum finalen Entwurf entwickelte. Dabei gehen wir auf die Herausforderungen und die kreativen Lösungsansätze der Studierenden ein.
• Dämmbox: Validierung und Optimierung
  Nach der Konstruktion war die Validierung ein wichtiger Schritt. Dieser Artikel beschreibt die Testreihen mit verschiedenen Dämmmaterialien und wie die Ergebnisse genutzt wurden, um die Dämmbox zu optimieren und zu kalibrieren.

Fragen?
Die Betreuer dieses Projekts waren Prof. Dr. Joachim Schettel und Thomas Leidenbach vom SWK E² – Institut für Energietechnik und Energiemanagement der Hochschule Niederrhein (https://www.hs-niederrhein.de/swk-e2). Nehmen Sie hier gerne Kontakt auf, um mehr Informationen zu erhalten.