Kalibrierung der NTC-Sensoren
Patricia Viebke, 30.04.2023
Für das Messsystem wird eine neue Elektornikpalatine entwickelt, auf welcher die Signalkonditionierungen für die NTC Sensoren implementiert sind. Es muss bestimmt werden, welche NTC Sensoren funktionieren. Mit einem Multimeter wird der Innenwiderstand der NTC Sensoren gemessen. Es muss ein Wert von 10 kΩ gemessen werden, damit die Funktionalität bestätigt werden kann.
Die Funktionalität der NTC Sensoren für die Messstellen 'vor der Brühgruppe', 'vor dem Kaffeepuck E61', 'vor dem Kaffeepuck nicht E61' und 'Auslauf' ist bestätigt.
Die Kalibrierung der Sensoren kann stattfinden nach Fertigstellung der Lötarbeiten der Bauelemente auf der Platine.
Patricia Viebke, 19.03.2022
Es ist das Aufnehmen einer ersten NTC Kalibrierkurve gelungen. Statt der Elektronikplatine wurde eine NTC Platine verwendet.
Die Kalibrierkurve wurde so aufbereitet, dass jedem Spannungswert nur ein Temperaturwert zur Verfügung steht. Die Kalibrierung ist nicht exakt, da der verwendete Sensor nicht an seinem festen Platz auf der Elektronikplatine angeschlossen war. Weiter sind die Umgebungsbedingungen nicht optimal, das den zu kalibrierenden Temperaturbereich einschränkt.
Für die Aufbereitung der Kalibrierkurve wurden die Werte nach Erreichen der maximalen Temperatur entfernt. Das Wasser fing an der Stelle das Sieden an und es wurde nicht mehr die tatsächliche Wassertemperatur gemessen. Anschließend wurden die Messwerte der Kalibrierkurve manuell erweitert. Da der Verlauf der Kurve bekannt ist, konnte die Kurve ergänzt werden. Der Bereich der Kalibrierung liegt bei den Spannungswerten von 0 bis 4096 mV. Da bei Raumtemperatur angefangen und bei knapp 95 °C aufgehört wurde zu Messen, wird der Spannungsbereich nicht vollständig kalibriert. Anschließend wurde eine Interpolation mit einem Polynom fünften Grades angewendet.
Im letzten Schritt wurde die Auflösung der Kurve angepasst. Die Kurve liegt im finalen Zustand mit einer erhöhten Auflösung um den Faktor 10 vor.
Die Kalibrierkurve wurde erfolgreich in die GUI integriert. Das Umwandeln der Messwerte in Temperaturwerte ist möglich. Die Werte sind nicht exakt, da die Kalibrierkurve eine Annäherung darstellt.
Patricia Viebke, 09.12.2021
Da beim ersten Versuch einer NTC Kalibrierung es nicht gelungen ist den charakteristischen Zusammenhang herzustellen, musste diese Ursache analysiert werden. Angefangen wurde mit der Überprüfung der Funktionalität der MCC128 Karte. Diese konnte bestätigt werden, wie bereits beschrieben. Als nächster Schritt wurde die Platine untersucht, an die die Sensoren angesteckt werden. Das Signal der angeschlossenen Sensoren wird durch eine Verbindung zum MCC128 geleitet.
Abbildung 2: Der charakteristische Verlauf ist zu erkennen. Mit zunehmender Erwärmung des Wassers sinkt der mV Wert des NTCs.
Mit einem Oszilloskop wurde an verschiedenen Stellen der Platine das Signal analysiert. Es konnte festgestellt werden, dass selbst im ruhen Zustand, also ohne Sensoren ein deutliches Rauschen wahrzunehmen ist. Ist kein Sensor angesteckt, so sollte es beim Oszilloskop keinen Signalausschlag geben. Durch weitere Untersuchungen wurde beschlossen, dass ein systematischer Fehler in der Platine vorliegt und diese als Ursache der fehlerhaften Kalibrierung gilt.
Es wurde eine Lösung gefunden mit der die Kalibrierung fortgesetzt werden kann. Mit einem Steckbrett und einer NTC Platine wurde der Anschluss zum MCC128 simuliert. Der Ablauf der Kalibrierung erfolgte nach dem gleichem Vorgehen wie bereits beschrieben am 02.12.2021.
Es ist deutlich zu erkennen, dass mit zunehmender Wassertemperatur die mV des NTC sinken. Der charakteristische Zusammenhang ist deutlich zu erkennen. Es ist geplant den Kalibrierprozess von Raumtemperatur bis 95 °C durchzuführen. Aufgrund nicht optimaler Bedingungen konnten die 95 °C nicht erreicht werden und der Kalibrierprozess musste manuell beendet werden. Die Stellen mit mehreren Werten sind die einzelnen Herdstufen, die langsam erhöht wurden. Nach Erreichen eines Temperaturmaximums, sinkt die Temperatur wieder ab. Dies liegt daran, dass das Wasser anfängt zu kochen und die Luft der Bläschen die Messwerte verfälscht. Somit konnten die geplanten 95 °C nicht erreicht werden.
Die Kurve ist im Rohzustand und muss weiterverarbeitet werden, damit sie zur Umwandlung verwendet werden kann. Der Temperaturrücklauf nach dem ERreichen des Maximums muss entfernt werden. Außerdem müssen durch das nicht Erreichen der max. Wassertemperatur von 95 °C Werte am Ende manuell hinzugefügt werden. Durch das Hinzufügen wird bei der Interpolation die Kurve "richtig geführt". Auch zu Beginn der Kurve muss eine passende Exponentialfunktion hinzugefügt werden, denn bei Temperaturen im niedrigen Bereich steigt die NTC Kurve stark an.
Die aufbereitete Kurve muss in die GUI integriert werden und gemessene mV Werte sollten annährend richtige Werte zeigen. Zu 100 % richtige Werte erhält man nur, wenn man mit der finalen Platine kalibriert, die auch beim Messen verwendet wird.
Bei vollständiger Inbetriebnahme des Pumpenprüfstandes werden die Sensoren erneut kalibriert. Dort sind auch Werte über 100 °C zu erfassen, da dort der Behälter unter Druck gesetzt wird. Mit optimierten Bedingungen lässt sich eine Verbesserung der Kalibrierwerte vornehmen.
Patricia Viebke, 02.12.2021
Die Kalibrierung der NTC Sensoren ist mittels des Kalibrierprüfstandes geplant. Da dieser noch nicht betriebsbereit ist, muss eine andere Vorgehensweise definiert werden. Ziel ist es eine Kalibrierkurve zu ermitteln, um die vom NTC gemessenen mV-Werte einer Temperatur zuzuordnen.
Für die Kalibrierung wurde ein Aluminiumbehälter mit Wasser gefüllt und auf eine Herdplatte gesetzt. Im Wasser befinden sich der zu kalibrierende NTC Sensor und der PT100. Der PT100 ist für die Aufnahme der Messwerte in °C zuständig, während der NTC die mV Werte misst. Der NTC ist während des Messprozesses mit der Platine des Raspberry Pis verbunden - gemessen wird hier über das MCC128. Der PT100 ist ein Temperatursensor, mit einem Widerstand von 100 Ohm. Für diesen muss die Messung in MATLAB mit der NI Messkarte konfiguriert werden. Hier gibt es die Option 'RDT' (Resistance Temperature Detector), das bedeutet, dass der Widerstand gemessen wird und in Temperatur umgewandelt wird. Beim langsamen Schalten der Herdstufen erwärmt sich das Wasser und die Sensoren nehmen jeweils ihre Messwerte auf. Mit einem MATLAB Skript wird die Messung gestartet. Der Aufbau des Skriptes wird anschließend erläutert.
Zu Beginn des Skriptes muss eine Verbindung mit dem Raspberry Pi hergestellt werden und die Messung mit der NI Messkarte konfiguriert werden. Mit einer while Schleife läuft die Aufnahme der Messwerte. Die Messwerte beider Sensoren werden so lange aufgenommen, bis der Messwerte des PT100 einen Wert von 95°C erreicht. Da Wasser bei 100°C das Sieden anfängt, kann nicht bis 100 °C gemessen werden, da die Siedebläschen die Messwerte verfälschen.
Während der Durchlaufen der while-Schleife werden jeweils 10 Messwerte vom NTC gemessen und diese anschließend gemittelt. Für den PT100 wird pro Durchlauf ein Wert aufgenommen. Die Werte werden einer Matrix "werte" hinzugefügt, bis die Messung vorbei ist. So hat man anschließend jedem mV-Wert des NTCs einen Temperaturwert zugewiesen. Bei der Messung ist darauf zu achten, dass die Temperatur der Herdplatt nur langsam erhöht wird, um eine maximale Anzahl an Messwerten zu erzielen.
Als Ergebnis wurde erwartet, den charakteristischen Verlauf eines NTCs wiederzuerkennen. Das bedeutet, mit zunehmender Temperatur sinkt der mV Wert. Dies konnte nicht bestätigt werden. Die Werte sind stark gestreut und vor allem konnte der charakteristische Zusammenhang nicht erkannt werden. Es wird vermutet, dass der gefertigte NTC Sensor fehlerhaft ist. Die Messung wurde mit einem im Labor vorhandenen NTC Sensor wiederholt. Er hat ähnliche Eigenschaften wie der gefertigte NTC und wurde mit einem improvisierten Adapter an die Platine des Raspberrys verbunden. Es wurde erneut das Wasser langsam erhitzt, bis die 95°C erreicht wurden. Hier konnte jedoch auch nicht der typische Verlauf eines NTCs widergegeben werden.
Es wird vermutet, dass der Fehler nicht in den Sensoren liegt sondern in der Elektronik. Daher wird eine Problemanalyse schrittweise durchgeführt. Angefangen wird mit der Bestätigung der Funktionalität des MCC128. Hierfür wurde der MEsskanal (Channel 0) mit einem Netzgerät verbunden, bei dem die Spannung variiert werden kann. Ein Multimeter wurde an die Klemmen des Netzgerätes angeschlossen, um zu sehen welche Spannung tatsächlich abgegeben wird. Um die Funktionalität des HATs bestätigten zu können, muss das MCC128 einen ähnlichen Spannungswert messen, wie das Multimeter. Für die Messung wurde ein MATLAB Skript geschrieben, welches beim Starten 100 Mittelwerte der 10 Messwerte pro Messdurchlauf liefert. Man hat also 100 Mittelwerte, die man mit dem Multimeter vergleichen kann. Es wurde bei einer Spannung von 3 Volt angefangen und in 1 V - Schritten bis 10 Volt gemessen. Nachdem unterschiedliche Spannungen zugeführt wurden bei einer jeweils Vielzahl von Messwerten kann daraus geschlussfolgert werden, dass der Fehler nicht am MCC128 liegt.
Der nächste Schritt der Problem Analyse ist die Untersuchung der Elektronikplatine. Mithilfe des Schaltplans wird die Platine mit Armin Rohnen untersucht.