Hallo Raspberry Pi Community,
erst einmal eine kurze Vorstellung meinerseits: Ich bin 26 Jahre alt und bin aktuell im Master 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, 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).
Folgend der komplette Aufbau:
Die Ausgabe der Messwerte sowie die Einstellung der verschiedenen Leistungen soll über ein Touch-Display erfolgen.
Nachfolgend eine Beispiel wie ich mir das GUI vorstelle:
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-block…-waek-1124.html
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…-3.25-18w?c=343
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-spect…z-lubf-054.html
Radiator:
Hier gibt es je nach benötigter Kühlleistung verschiedene Größen. Bspw.: https://www.caseking.de/coolgate-cg560-560mm-radiator-schwarz-wara-309.html</p><p>
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-T…-1-KW-Edelstahl
Alternativ würden auch Heizpatronen in Frage kommen, die es in verschiedenen Größen gibt. Allerdings müsste ich hierfür wieder ein passendes Gehäuse konstruieren. Falls jemand alternative Ideen zum Heizen hat, immer her damit.
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/leistungsre…vac-190516.html
DC-und Puls-Konverter: https://www.reichelt.de/Bausaetze/M-15…6&ARTICLE=74410
Temperatursensoren:
Als Temperatursensoren würde ich 4x den DS18B20 verwenden. Dieser wird anschließend durch eine Bohrung in die Leuitung gehängt und von dem Wasser umströmt.
Durchflusssensor:
Als Durchflusssensor würde ich diesen hier verwenden: https://www.conrad.de/de/durchfluss-…-05-503591.html
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-…-Screen-Display
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!