ich möchte den Wasserstand in einem Dampfkessel (Modell) erfassen.
Der Kessel hat einen Durchmesser von ca. 80mm (liegender Zylinder).
Da mir andere Messverfahren ungeeignet erscheinen beschäftigt mich nun die Idee
eine kleine kapazitive Sonde zu bauen. Fertige Lösungen mit den kleinen Abmessungen
konnte ich bisher nicht finden.
Der Kessel ist aus Messing und mir steht (bisher) nur eine Bohrung mit Innengewinde
auf dem Kesselscheitel zu Verfügung die den Durchmesser der Sonde auf 4mm beschränkt.
Ich denke an eine kleine "Rohrsonde" aus MS mit einem isolierten "Innenleiter".
Die Kapazität wird wegen der kleinen Abmessungen natürlich klein sein.
Ist es überhaupt möglich so etwas zu realisieren oder gibt es ev. andere Möglichkeiten?
Auch langes Suchen hat mich bisher nicht wirklich weiter gebracht.
Natürlich wird ein Arduino (Mini Pro) zur Auswertung benutzt.
Ich glaube die Kapazitätsänderung ist zu klein um was zu messen.
Außerdem haben wir hier nicht ein System Wasser Luft sondern Wasser Wassedampf. Ich weiß nicht wie hoch da der Kapazitätsunterschied in Funktion des Wasserstands ist.
Grüße Uwe
Außerdem ist zu bedenken daß praktisch Wasser als Dielektrikum nicht zu gebrauchen ist. Es enthält gelöste Stoffe die es leitend machen. Auch wenn Du destielliertes Wasser benutzt gehen spätestens im Kessel Metallionen in Lösung.
Grüße Uwe
ElCaron:
EIn 8cm hoher, 2cm breiter Plattenkondensator mit 2mm Abstand hat 7pF. Mit Wasser gefüllt dann das 78fache, wenn ich mich richtig erinnere.
Kann schon sein aber der TO hat weder Platz 20mm Platten in den Kessel einzuführen (er hat ein 4mm Loch zu Verfügung) noch ist diese Kapazitätsänderug realistisch. Das Plattenpaar mag wohl diese Kapazitätsändeung mitmachen (ich habe nicht nachgerechnet sondern vertraue Dir) aber Du mußt die Kapaztät der Kabel vom Sensor zur Elektronik mit berücksichtigen. Damit zusammen ist die relative Kapazitätsänderung viel geringer.
Außerdem muß die Kabeldurchführung hitzebeständig und Druckfest bis einige Bar sein.
im Netz findet man viele Beispiele kapazitiver Füllstandsmessungen mit Wasser. Dazu muss mindestens eine Elektrode (Kondensatorplatte) elektrisch isoliert sein.
Da ich den Arduino nicht direkt an den Sondenanschlüssen positionieren kann wird natürlich ein geschirmtes Kabel notwendig. Dessen eigene Kapazität müsste man berücksichtigen.
Wenn es nicht geht kann ich mir auch den Versuch sparen. Deshalb habe ich gefragt.
Ohne eigene Versuche bringt das nicht Viel - man muss ja erste Tests nicht am Original-Kessel machen, eine offene Blechdose reicht erstmal. Ich würde eine isolierte Elektrode (Glas, Kunststoff ... Schrumpfschlauch?) in den Kessel hängen. Da normales Wasser leitfähig ist, sollte nur die Eintauchtiefe der Elektrode bezüglich deren Kapazität zum umgebenden Kessel eine erwähnenswerte Rolle spielen.
Bei der Software würde ich mal mit dieser Lib hier arbeiten. Die ist zwar eigentlich für Touch-Buttons gedacht, sie bietet aber auch die Möglichkeit, nicht nur zwischen Touch und nicht Touch zu unterscheiden, sondern auch die Messwerte (Umlade-Zeiten) abzufragen und selber auszuwerten.
Allerdings wäre es schon von Vorteil, den Arduino möglichst dicht an die Sensor-Elektrode zu bringen. Evtl. kann man einen Digispark-Mini in einer messingfarbenen Deko-Box direkt am Kessel unterbringen und der sendet seine Resultate per Serieller Schnittstelle ...
uwefed:
Was ist das?
Außerdem ist zu bedenken daß praktisch Wasser als Dielektrikum nicht zu gebrauchen ist.
Oder man überzieht die Elektroden mit Isolierung. Z.B. dünn mit Plastik 70. (Keine Ahnung, ob das gegen 160°C hält, und die Ausdehnung, die evtl. Risse erzeugt ...)
aber Du mußt die Kapazität der Kabel vom Sensor zur Elektronik mit berücksichtigen
Warum sollten dünne, möglichst weit von einander geführte Kabel einen relevanten Beitrag zu einem Plattenkondensator mit geringem Abstand bringen?
Das Projekt ist sicher nicht problemlos, aber was besseres fällt mir eigentlich auch nicht ein.
Evtl könnte man eine Resonanzmessung mit zwei Piezos versuchen. Die Resonanzfrequenz ist vermutlich primär abhängig von Füllstand und Druck. Wenn letzterer bekannt ist, kann man aus der gemessenen Frequenz den Füllstand ermitteln.
ElCaron:
Oder man überzieht die Elektroden mit Isolierung. Z.B. dünn mit Plastik 70. (Keine Ahnung, ob das gegen 160°C hält, und die Ausdehnung, die evtl. Risse erzeugt ...)
Warum sollten dünne, möglichst weit von einander geführte Kabel einen relevanten Beitrag zu einem Plattenkondensator mit geringem Abstand bringen?
Das Projekt ist sicher nicht problemlos, aber was besseres fällt mir eigentlich auch nicht ein.
Evtl könnte man eine Resonanzmessung mit zwei Piezos versuchen. Die Resonanzfrequenz ist vermutlich primär abhängig von Füllstand und Druck. Wenn letzterer bekannt ist, kann man aus der gemessenen Frequenz den Füllstand ermitteln.
Ich glaube nicht daß Plastik 70 so hohe temperaturen aushält.
Weil der Kabel lang ist und weil die Kapazität bei 2 getrennt geführten Adern durch jede leichte Positionsänderung sich ändert. Außerdem ist die Kapazität auch zwischen Ader - Metallfläche und Ader.
Zum Piezo kann ich nicht viel sagen als der muß auch die Temperatur aushalten.
Es bleibt das Problem der Durchführung der Kabel im Kessel.
In der Praxis wird sich der Wasserstand nur um ca. 25mm ändern.
Mit einer Sonde die den gewünschten Abmessungen entspräche ist die Kapazitätsänderung sehr klein.
Ich befürchte das diese Variante, mit Hobbymitteln, nicht realisierbar ist.
Eine temperaturfeste Isolierung sowie ein druckfester Anschluß nach "draußen" wäre dagegen kein Problem.
Schade, aber es bleibt mir wohl nur übrig weiter nach Alternativen zu suchen.
Geht es, das dein Wasser leitend werden kann. Wegen Kalkablagerung und so.
Wenn ja, häng den Draht ins Wasser durch deine Öffnung, aber nicht den Boden berühren. Am Draht Spannung anlegen und am Kessel Masse. Am Spannungsabfall weist du welche Wasserstandshöhe. Je nach Wasserstand wird der Draht mehr oder weniger von Wasser umspült. Letztendlich baust du einen Spannungsteiler aus Drahtwiderstand und Wasserwiderstand, wobei sich wenn der Wasserwiderstand kaum verändert, da er immer den Weg vom Draht zur Wandung nimmt. Das verändert sich im bereich 25%-75% Fülllhöhe nur gering. Leer = Unendlich Widerstand. Voll wirkt nur der Widerstand des Wassers.
Die Kurve wird nicht linear sein, du wirst also kalibrierwerte brauchen. Dafür ist der Aufbau simple und einen Draht Druckfest in deinem 4mm Loch einzubringen sollte machbar sein. Irgendwie ist das Loch jetzt ja auch geschlossen.
über eine Widerstandsmessung hatte ich auch schon nachgedacht. Da es nicht garantiert ist, dass der Leitwert des Kesselwassers immer gleich ist müßte man nach jeder neuen Befüllung der Schaltung "sagen"wo der max.-Pegel liegt. Wenn man das umgehen möchte kann die Sonde noch einen Anschluß am unteren Ende erhalten. (potentiometrische Füllstandsmessung) hier sind die Messverfahren gut erklärt.
Da sich, durch das Verdampfen des Wassers, mit der Zeit eine isolierende Schicht aus (z.B. Kalk) auf der Sonde bilden wird muss man diese Sonde allerdings so montieren das es, ohne großen Aufwand, möglich wäre diese zu reinigen.
Hannes54:
Schade, aber es bleibt mir wohl nur übrig weiter nach Alternativen zu suchen.
Ein andere Idee, für die Füllung des Dampfzylinders ist ein bestimmtes Volumen Dampf nötig. Zählt man die Kolbenbewegungen z.B. über die Zahl der Drehungen des Antriebsrades, könnte man auf den Volumendurchsatz des Zylinders und damit auf die vielleicht auf die verdampfte Wassermenge schließen. Wegen verschiedenen Dampfdruck usw. ist das vielleicht nicht ganz genau, aber vielleicht sogar besser als Messungen am Kessel mit großem Fehler.
der Kessel speist eine kleine, oszillierende, 2-Zylinder Maschine. Natürlich kann man die Dampfmenge berechnen aber es gibt zu viele Fehlerquellen bei einer so kleinen Anlage um eine sichere Aussage zu machen.
Die Sache mit der Widerstandsmessung erscheint mir machbar. Wenn man als Sondenmaterial einen Widerstandsdraht (Konstantan/Kanthal) verwendet dürfte die Änderung des Widerstandes des umspülten Bereiches noch deutlicher werden.
bei einer stationär betriebenen Anlage wäre das Gewicht natürlich eine gute Referenz.
Dummerweise kommt mein Kessel in ein Schiffsmodell. (Sorry, hätte ich eher erwähnen sollen)
Bei der Schaukelei wird es schwierig das Gewicht zu messen.
Was meinst du wie die früher am Moped die Tankanzeige gemacht haben. Analog, dicker Kondensator als Integrator und dann über einen Poti justiert zwischen schneller Anzeige und genauer Anzeige. Da sagen wir 20L Sprit in 2-3 Std verfahren werden, kann man durchaus mit 1 Minuten integralzeit kalkulieren bis von Null auf Voll wandert. Der Tankgeber ist dann ein Spannungsteiler.
Wenn die Dampfmaschine sagen wir 10-15 Minuten braucht um ihr Wasser zu verbrauchen, sind integralzeiten von 30sec kein Problem. Man wird sowieso bei erreichen eines unteren Grenzwertes den Heimweg anpeilen und sich dann noch genug Luft lassen um nicht mit bodenleerem Kessel anzukommen.
Das kalibrieren ist eher das problem. Aber wenn der Draht dünn genug ist, bzw der Widerstand sehr hoch spielt der Wasserwiderstand eine untergeordnete Rolle. Nehmen wir an, der Draht hat 100KOhm Gesamtwiderstand und das Wasser zwischen 10 und 50 Ohm je nach Leitwert. Dann ist der Leitwert des Wassers eine Störgröße von ca 0,02%. Das dürfte man vernachlässigen können. Wenn man keinen Draht in der Länge mit diesem Widerstand hinbekommt, könnte man vieleicht auch einige normale Widerstände zusammen löten zu einem Strang. Kleinstwiderstände mit RM5 kann man hintereinander löten und sicherlich 9 solcher Widerstände zusammen bekommen bis man 80mm erreicht. Dann 10KOhm nehmen und man hat eine zwar stufige aber recht genaue Messung. Und oben bzw unten zu kalibrieren würde bei diesen Widerstandsverhältnissen entfallen. Es spielt keine Rolle ob das Wasser dann mit 1, 10 oder 100 Ohm leitet, wenn ich zwischen 10 und 90kOhm meinen Messbereich habe.