Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Metal Work Pneumatic
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Utrzymywanie stałej temperatury wody - pojemność cieplna, bezwładność czujnika

wilkk 20 Mar 2013 00:36 3801 16
  • #1 20 Mar 2013 00:36
    wilkk
    Poziom 11  

    Cześć!
    Proszę o wszelkie sugestie dotyczące rozwiązania problemu.

    Przejdę do rzeczy:
    Mam mały mosiężny blok (boiler).
    Wmontowana jest w niego grzałka elektryczna.
    Jest też mała pompka która może zacząć tłoczyć do niego zimną wodę (od góry).
    Teraz muszę utrzymywać dokładną (±2°C) temperaturę wody na wyjściu (dół) boilera.

    Rozwiązanie wydawało się banalne:
    elektronika odczyta temperaturę boilera, jeśli będzie za niska to włączy grzałkę.
    Jeśli temperatura zbliży się do górnego progu, grzałka zostanie wyłączona.

    Głównym problemem jest bezwładność czujnika temperatury oraz samego boilera:
    Boiler osiąga górny próg temperatury więc wyłączam grzałkę. Niestety odczytywana temperatura wciąż rośnie. W efekcie po kilku(nastu) sekundach mam temperaturę o ok 10° większą niż chciałem.
    Teoretycznie można ustawić ten górny próg na te 10° mniej... ale to nie rozwiąże problemu w drugim przypadku:

    po włączeniu pompki, wpływająca woda chłodzi boiler dużo szybciej niż myślałem. Zanim elektronika zorientuje się że temperatura spada, temperatura wody na wyjściu boilera będzie o wiele niższa niż powinna.

    Dochodzi też problem nierównomiernego rozkładu temperatury w boilerze (góra zagrzewa się dużo szybciej) oraz szybkiego chłodzenia w trakcie przepływu wody.


    Częściowym rozwiązaniem problemu będzie zastosowanie szybkiego czujnika (lub najlepiej dwóch, na górze i na dole boilera) - termopara wydaje się najlepszym rozwiązaniem.

    Wpadłem też na jeszcze jeden pomysł:
    Wyliczać temperaturę i wyprzedzać zdarzenia :D
    Znam temperaturę boilera, znam temperaturę oraz ilość przepływającej wody w czasie. Znam moc grzałki.
    Domyślam się, że można na tej podstawie wyliczyć (doświadczalnie) pojemność cieplną boilera a następnie wyliczać (lob może bardziej "szacować") np jak długo grzałka będzie musiała być włączona żeby osiągnąć daną temperaturę.
    Ponieważ znam ilość tłoczonej wody, w chwili włączania pompy mógłbym wyliczać jak wpłynie to na temperaturę boilera i włączać grzałkę jeszcze zanim temperatura zacznie spadać.
    Waszym zdaniem jest to jakiś pomysł czy to przerost formy nad treścią?

    0 16
  • Metal Work Pneumatic
  • #2 20 Mar 2013 00:42
    c4r0
    Poziom 36  

    Tu się kłania automatyka i sterowanie procesem. Należy mierzyć temperaturę w odpowiednim miejscu i mieć czujnik o małej bezwładności. Jednak zarówno umieszczenie czujnika jak i jego bezwładność zdaje się, że można w jakimś stopniu skompensować algorytmem. Generalnie wydaje mi się, że potrzebny będzie jakiś sterownik, PID lub bardziej skomplikowany z jakimś algorytmem.

    wilkk napisał:
    Wpadłem też na jeszcze jeden pomysł:
    Wyliczać temperaturę i wyprzedzać zdarzenia :D
    Znam temperaturę boilera, znam temperaturę oraz ilość przepływającej wody w czasie. Znam moc grzałki.


    Takie coś robią np. algorytmy autoregresyjne. Taki algorytm na podstawie poprzednich pomiarów i danych aktualnych wylicza jak w danym momencie sterować grzaniem żeby uzyskać oczekiwany efekt.

    0
  • #3 20 Mar 2013 01:15
    wilkk
    Poziom 11  

    niestety kupowanie gotowego sterownika odpada - za duży koszt.
    widziałem, że PIDy dogrzewają boiler bardzo krótkimi impulsami, może to jest jakaś droga?

    0
  • #4 20 Mar 2013 01:24
    2207985
    Użytkownik usunął konto  
  • #5 20 Mar 2013 06:05
    c4r0
    Poziom 36  

    xD68 napisał:
    wilkk napisał:
    widziałem, że PIDy dogrzewają boiler bardzo krótkimi impulsami, może to jest jakaś droga?

    Jak najbardziej. Eliminujesz w ten sposób bezwładność cieplną grzałki.
    Że co? Oczywiście, "jak najbardziej", ale z eliminacją bezwładności to nic nie ma wspólnego. Za pomocą takiego pseudo-PWM można płynnie regulować moc grzałki. Zamiast robić sterowanie w pełni analogowe można regulować moc średnią w ten sposób i właśnie dzięki bezwładności grzałki i generalnie całego procesu moc grzania wody się dobrze uśredni.

    0
  • Metal Work Pneumatic
  • #6 20 Mar 2013 07:34
    Chris_W
    Poziom 37  

    Jaka jest pojemność zbiornika a jaka ilość pobieranej i napływającej wody (np. w ciągu minuty)? Od tego będzie zależeć czy da się to zrobić. Podejrzewam że masz mały zbiornik dużą grzałkę i duży pobór wody - czyli problemy ze stabilnością rozkładu temperatury w zbiorniku. Musiałbyś użyć większego zbiornika (zachowując pobory wody na obecnym poziomie), lub zmniejszyć pobory wody (zachowując zbiornik) - tak aby ilość wody stabilizowała nierównomierności w rozkładzie temperatur (swoją bezwładnością cieplną) - wtedy wystarczy termostat z niską histerezą.

    0
  • #7 20 Mar 2013 17:55
    wilkk
    Poziom 11  

    Chris_W napisał:
    Jaka jest pojemność zbiornika a jaka ilość pobieranej i napływającej wody (np. w ciągu minuty)?

    Przepływ jest mały bo 3ml/s.
    Grzałka 1000W.
    Pojemność zbiornika musiałbym zmierzyć, sam boiler jest wielkości
    większego kubka, do środka wchodzi pewnie ok 200ml.
    Zastosowanie innego zbiornika niestety odpada.

    0
  • #8 20 Mar 2013 19:40
    Chris_W
    Poziom 37  

    Nie sądzę aby udało Ci się ustabilizować temperaturę w takich warunkach.

    0
  • #9 20 Mar 2013 19:44
    jankolo
    VIP Zasłużony dla elektroda

    Zrób szkic tego zbiornika z uwzględnieniem lokalizacji grzałki, doprowadzenia i odprowadzenia wody oraz izolacji termicznej - jeżeli takowa istnieje.

    0
  • #10 20 Mar 2013 23:17
    wilkk
    Poziom 11  

    jankolo napisał:
    Zrób szkic tego zbiornika z uwzględnieniem lokalizacji grzałki, doprowadzenia i odprowadzenia wody oraz izolacji termicznej - jeżeli takowa istnieje.

    izolacji termicznej na razie brak.
    co do budowy boilera... przed chwilą znalazłem jak jest zbudowany i trochę mnie to zaskoczyło:
    Utrzymywanie stałej temperatury wody - pojemność cieplna, bezwładność czujnika
    zimna woda wpływa tuż obok wylotu!? czemu jest to tak rozwiązane?
    tu wnętrze boilera wraz ze spiralną grzałką:
    Utrzymywanie stałej temperatury wody - pojemność cieplna, bezwładność czujnika

    0
  • #11 20 Mar 2013 23:24
    jankolo
    VIP Zasłużony dla elektroda

    Przy tej prędkości objętościowej przepływu wody, to dopływająca zimna woda opadnie na dno przy ściance naczynia nie zakłócając temperatury odpływającej wody ogrzanej. Na pewno nie dostanie się do obszaru wewnątrz spirali wężownicy.

    0
  • #12 20 Mar 2013 23:53
    Chris_W
    Poziom 37  

    Jeśli przepływ jest stabilny w czasie (nie ma przerw, woda płynie cały czas) to regulatorem analogowym powinieneś zminimalizować te wahania temperatury. Najlepszy będzie proporcjonalny, ale PID też da radę, ostatecznie regulator mocy (jakiś tyrystorowy) - ale tylko pod warunkiem stabilności przepływu wody - przy niestabilnym przepływie PID będzie jeszcze gorszy niż termostat z histerezą.

    0
  • #13 21 Mar 2013 17:34
    wilkk
    Poziom 11  

    Chris_W napisał:
    Jeśli przepływ jest stabilny w czasie (nie ma przerw, woda płynie cały czas) to regulatorem analogowym powinieneś zminimalizować te wahania temperatury.

    Niestety: przepływu brak a później jest przez kilkanaście sekund. Następnie znów przerwa.

    0
  • #14 21 Mar 2013 18:12
    Chris_W
    Poziom 37  

    Masz jeszcze inne możliwości - zasilaj wodą o najbardziej zbliżonej temperaturze - najlepiej z zewnętrznego bojlera np. 50l.

    0
  • #15 23 Mar 2013 12:21
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Dobrze byłoby znać również temperaturę na wejściu. I szybkość stygnięcia bojlera.
    I trzeba wyliczać, ile ciepła dostarcza grzałka, a ile trzeba do uzyskania wymaganej
    temperatury. Moc 1000W przy przepływie 3ml/s zwiększy temperaturę wody o 80°C,
    a wodę w bojlerze 200ml będzie ogrzewać o 1.2°C/s. Szybkość stygnięcia zależy
    od temperatury wody i temperatury otoczenia (to trzeba zmierzyć), napływanie wody
    do bojlera obniża temperaturę (to można wyliczać, jak znamy jej temperaturę).

    Żeby utrzymać wahania temperatury w przedziale 2°C trzeba włączać i wyłączać
    grzałkę co parę sekund - mam nadzieję, że do tego używasz triaka, nie przekaźnika?
    Jest jeszcze kwestia, jak przepływa woda przez bojler - jeśli część wody przepływa
    szybko, a część bardzo powoli, to ta druga część będzie się nagrzewać znacznie
    bardziej i wprowadzać dodatkowe zakłócenie całego sterowania.

    Sterowaniem musi zajmować się minikomputer, który "zna" zależność czasową
    temperatury od włączenia grzałki i przepływu wody, oraz "wie", kiedy grzałka była
    włączona i jaki był przepływ; mając te dane wylicza przewidywaną temperaturę
    wody i porównuje z wymaganą, dobierając grzanie tak, by temperatura była bliska
    wymaganej; czujnik temperatury daje informację o aktualnej temperaturze wody
    w bojlerze, kiedy jest przepływ, ale przy jego braku temperaturę trzeba wyliczać
    z charakterystyki stygnięcia bojlera, którą trzeba wcześniej zmierzyć.
    W sumie wyjdą z tego skomplikowane wyliczenia, ale inaczej się chyba nie da.

    0
  • #16 23 Mar 2013 20:24
    dioda1000
    Poziom 27  

    _jta_ napisał:
    temperaturę trzeba wyliczaćz charakterystyki stygnięcia bojlera, którą trzeba wcześniej zmierzyć.W sumie wyjdą z tego skomplikowane wyliczenia, ale inaczej się chyba nie da.

    W przypadku kiepskiej izolacji lub jej braku dojdzie pomiar temperatury pomieszczenia w którym znajduje się bojler.

    0
  • #17 24 Mar 2013 19:49
    Chris_W
    Poziom 37  

    Ale to nie izolacja jest problemem tylko napływająca "zimna woda" - opróżnianie zbiornika to czas ok. minuty przez ten czas straty ciepła przez obudowę będą niewielkie w stosunku do ciepła wymaganego do podgrzewania napływającej zimnej wody. A dokładna stabilizacja temperatury będzie niemożliwa z tego samego powodu, występują za szybkie zmiany temperatury, brak reprezentacyjnego miejsca gdzie można wyłapać średnią temperaturę wody.

    0
  Szukaj w 5mln produktów