Innendruckmessung 

am laufenden Heißluft-Modellmotor

Allgemeines

Es ist einfach ein wunderbares Gefühl, wenn  ein Heißluft-Modellmotor das erste Mal seine Eigenreibung überwindet und das Schwungrad seine ersten „freien Umdrehungen“ absolviert, ganz besonders bei einer Eigenkonstruktion.

Und anschließend drängt sich bei mir (und sicher nicht nur bei mir) immer die Frage in den Vordergrund, wie nahe ist die Realität eigentlich an den ganzen Annahmen, Abschätzungen und kleineren Berechnungen, die ich im Rahmen der Eigenkonstruktion durchgeführt habe ?

Diese Frage hat mich in der Vergangenheit auch immer wieder dazu veranlasst, einen Anschluss vorzusehen, an dem ich sozusagen den Innendruck „anzapfen“ kann, finanziell tragbare Sensoren und Messgeräte blieben für mich aber in weiter Ferne.

Die Frage wurde noch drängender, nachdem ich mich noch intensiver mit der Berechnung auseinandergesetzt  und unter Theorie auf meiner Homepage bereitgestellt hatte und anschließend  den  auf dieser meiner eigenen „Basis“  aufgebauten  und mit einem besonderen Verdrängerantrieb versehenen Modellmotor HL-18 erfolgreich vollendet hatte.

Der Anstoß:

Die Bewegung im Thema Innendruck entstand dadurch, dass mich RICHARD EGGE zur Teilnahme an einem Ringversuch zur Leistungsermittlung von Stirling-Modellmotoren einlud  siehe Leistungsmessung ( ist noch in Vorbereitung ).

Für diese Versuche hatte ich nun eine Lichtschranke, die ich an meinen PC anschließen konnte, der wiederum  durch das "Di-194 Starter Kit" von DATAQ  (gibt es auch beim europäischen Vertriebspartner  ALTHEN ) in ein „Speicheroszilloskop“ mit den verschiedensten Auswertungsmöglichkeiten verwandelt wurde.

Nach der Aufzeichnung der ersten Messergebnisse aus vorgenannter Leistungsmessung hieß es für mich : “Nun will ich auch den Druckverlauf wissen,  jetzt oder nie“. 

Der Drucksensor: 

Weil ja der Innendruck während eines Zyklus auch unter den atmosphärischen Umgebungsdruck absinkt und ich Reserven für einen ev. „aufgeladenen“ Motor haben wollte, suchte ich nach kleinen Sensoren für den Bereich  0 bis 2,5 bar.

Die gebotene Preisspanne von Low Cost  ca. DM200,- bis Industrie ca. DM1200,- war nicht für meinen Etat.

Nach Reduzierung meiner Anforderungen stieß ich auf den Drucksensor MPX 5100DP von CONRAD, geeignet für einen Differenzdruck von 100kPa (für die Feinde der Zahlengigantomanie 1bar Differenzdruck!) und für DM 69,95 .

 HINWEIS: Lesen Sie vor irgendwelchen Aktionen das Datenblatt des Sensors, 
                   es ist  Ihr  Geld !! 

Vorbereitungen: 

Der Sensor benötigt eine Stromversorgung von 5V DC.
Ich habe einen Halter für 4 AA Zellen genommen, 4 Akkus (je 1,2V) eingefüllt und bin damit im zulässigen Bereich von 4,75 bis 5,25V.
Der verwendete Halter hat einen Anschluss für einen 9V Batterieclip.
Aus dem örtlichen Geschäft für Elektronik-Bastelartikel stammen auch der Stecker an den  Sensor, Ein-Aus Schalter , Batterieclip, Platine und Leitungen.

Nach dem Zusammenlöten und Stecken sieht das Ganze so aus wie in nachstehendem Bild gezeigt (oder viel besser). Der Sensor selbst ist am Motor.

Funktionstests mit  Sensor

Nach dem Verbinden  mit dem DATAQ Modul und laufender Windaq-Software aus dem Starter Kit schloss ich über einen kurzen Schlauch  eine ¼ l Plastikflasche an den Sensor an (Anschluss P1 = die Seite mit der Beschriftung) und durch drücken und loslassen der Flasche wurden die ersten Kurven sichtbar.

Dann nochmals dasselbe mit Aufzeichnung, Ausschnitt siehe nachstehendes Bild!

Bei genauerer Betrachtung der aufgezeichneten Kurve war folgendes erkennbar:

a)      Die Verbindung zum Sensor war undicht und erzeugte beim vollständigen Loslassen geringfügigen Unterdruck gegenüber Umgebung.

b)      Dieser Unterdruck ist nur durch das „Abschneiden“ der Kurve  erkennbar.

Fazit:  Bei „offenem“ zweiten Anschluss = Umgebungsdruck reagiert der Sensor nicht auf den am ersten Anschluss vorhandenen Unterdruck!

Lösungsansatz: Zweiten Anschluss soweit  in den Unterdruck „ziehen“, dass die erwartete Druckkurve sicher  vollständig angezeigt wird, also eine „Voreinstellung“.
(Diese Voreinstellung habe ich durch die Saugwirkung einer Injektionsspritze am zweiten Anschluss erzielt.)

Weiterer Funktionstest:

Wiederum erst Probe mit der Plastikflasche, Kurven scheinen voll ausgebildet, dann Aufzeichnung.
Aus der Aufzeichnung ist der vollständige Druckverlauf erkennbar, Ausschnitt siehe Bild

Weiteres Ergebnis aus dieser Aufzeichnung:

• Der Sensor gibt lt. Datenblatt 4,5V bei 1 bar Druckdifferenz.
  Die Aufzeichnung ergibt eine Spannungsschwankung von 0,8V.
  Diese 0,8V entsprechen einer mit der Plastikflasche erzeugten Druckschwankung  
  von 0,18 bar. 

• Der Sensor zeigt durch feine Zackenlinien die im Datenblatt erwähnte Hysterese.

• Für konkrete Messungen muß die „Voreinstellung durch Unterdruck“ eindeutig stabilisiert werden.

Messungen am Motor

Als „Versuchskaninchen" habe ich meinen neuesten Eigenbau HL-18 ausgesucht (Einzelheiten bitte aus dem Datenblatt entnehmen.)

Den vorgesehenen Anschluss ( etwas verdeckt und nach unten gerichtet) wollte ich nicht verwenden, da ich nicht riskieren wollte, dass ev. von der Verdrängerstange stammendes Öl meinen Sensor beschädigt, also neuen Anschluss fertigen.

Der „Versuchsaufbau“ ist aus nachstehendem Bild erkennbar.

(Neben dem Schwungrad ist auch die schon erwähnte Lichtschranke positioniert)

Ich hatte mir 3 Motorenläufe mit Aufzeichnung  nach folgendem Muster vorgestellt:

Software starten – Motorheizung an – Aufzeichnung starten – Motor anwerfen – auf Drehzahl kommen lassen – mit dem Finger auf langsamste Drehzahl abbremsen ohne Stillstand zu verursachen – wieder auf Drehzahl lassen – wieder abbremsen – wieder auf Drehzahl lassen – Heizung ausblasen – Motor auslaufen lassen – Aufzeichnung stoppen.

Für die Prozedur habe ich 1 Kanal, 240 Sample/Sec und 4 Minuten Aufzeichnungsdauer vorgesehen.     

1. Lauf

Erste Aufzeichnung ohne Voreinstellung, Ausschnitt einer „Langsamphase“ siehe nachstehendes Bild:

Die Kurve ist wie beim Sensortest abgeschnitten.

 2.Lauf

Voreinstellung auf 0,956V, Ausschnitt einer Langsamphase siehe nachstehendes Bild.

Die Kurve kann stimmen, muß aber nicht, die Werte nicht berauschend.
Bei nächstem Lauf Voreinstellung erhöhen.

3. Lauf
        
Voreinstellung  auf 1,514V und größere Heizflamme.

Ausschnitt einer Langsamphase siehe nachstehendes Bild.

Die Kurve ist voll ausgebildet, die Werte nur geringfügig besser als beim 2.Lauf.

Mit der Software des StarterKit  ist  aus  WinDaq Playback mindestens folgendes ablesbar:

• Wert der Voreinstellung (Gerade am Beginn und Ende der Aufzeichnung)

• Spannung für jeden einzelnen Messpunkt über den gesamtem Aufzeichnungszeitraum

• Drehzahl des Motors in U/min  uam. (Beschreibung vorher lesen!!).

Für diesen 3. Lauf sind daher folgende Werte aus der Aufzeichnung ablesbar (im Bild ist die Cursorlinie auf Vmax): 
Vmax = 1,992V, Vmin. = 0,797V, Drehzahl =  1,161E+02 C/M (TM ) =116,1 U/Min.
Der Sensor gibt nach Datenblatt  4,5V für eine Druckdifferenz von 100kPa.

Das ergibt (Vmax – Vmin.)  / 4,5 V pro bar   = (1,992 - 0,797)  /4,5 = 0,266 bar
bei 116 U/Minute als erste Anhaltspunkte.

Einen Kommentar dazu gebe ich aber erst nach einer genaueren Analyse !!!

Stand 22.12.2001

Ergänzung 1:

Die schönste Druckkurve verliert an Reiz, wenn keine Referenzmarke vorhanden ist und diese galt es nun herzustellen. Dazu wollte ich die für die Leistungsmessung vorbereitete Lichtschranke verwenden.

Hier sollte ich noch anmerken, daß das von ALTHEN ausgelieferte Starter Kit auch den "key"  für die 3 weiteren Analogkanäle enthält und dadurch auch gleich die vorgenannte Lichtschranke angeschlossen werden kann.

Zudem bietet die Software die Möglichkeit, 2 Kanäle "überlappt" darzustellen und somit auch optisch einen eindeutigen zeitlichen Bezug des Druck- und des Markierungs-Kanales herzustellen..

Durch die "Aufteilung" der "Sample rate" von 240 auf 2 Kanäle ergibt sich gleichzeitig eine Reduzierung identischer Messwerte bei langsamem Lauf (User's Manual gelesen?). 

Referenzmarke:

Seitlich am Schwungrad habe ich einen Streifes eines festen Klebebandes so angebracht. daß die Lichtschranke am unteren Totpunkt (UT) des Arbeitskolbens  reagierte.

Den UT habe ich gewählt, weil ich das Klebeband "in der Verlängerung der Pleuelstange" besser anbringen und die Lichtschranke in dieser Position auf einer Unterlage stehen konnte..

Ein paar "Probeauslösungen" bei laufender Software sind sehr zu empfehlen, da die durch die Lichtschranke erzeugte "Linie" des Spannungsanstieges möglichst parallel zur Y-Achse im Diagramm verlaufen sollte (habe den Klebestreifen mit der Nagelschere getrimmt).

Der "Versuchsaufbau" ist aus nachstehendem Bild erkennbar.

(Sichtbar ist auf dem blauen Klebestreifen am Schwungrad die angezeichnete Linie für UT und noch erforderlichem "Trimmen" mit der Nagelschere, die bereits bekannte Lichtschranke und der mit Schlauchnippel und Schlauch seitlich am Kopf des Arbeitszylinders angeschlossene Drucksensor.)

4. Lauf

Ablauf wieder wie vorstehend ( bei "Messungen am Motor") beschrieben aber:

2 Kanäle, Kanal 1 Druck, Kanal 2 Lichtschranke, 120 Sample/Sec und Kanal

"Voreinstellung" 1,514V, Heizung erhöht (wie 3. Lauf) 

Ich habe natürlich einen Probelauf ohne Aufzeichnung gemacht, bei dem die sichere Freigängigkeit der Lichtschranke (habe ich mit der Hand fixiert), das Abbremsen mit der Hand, die Bedienung der Maus erprobt wurde (bin kein Dreihänder!).

Dann sollte auch darauf geachtet werden, daß der Darstellungsmaßstab für die Lichtschranke so gewählt wird, daß bei der "überlappten Darstellung" der Lichtschrankenimpuls die Druckkurve ausreichend überlappt.

Einen Ausschnitt aus einer "Langsamphase" des anschließend aufgezeichneten Laufes zeigt nachstehendes Bild.

Für diesen 4. Lauf sind folgende Werte aus dem Diagramm der Aufzeichnung ablesbar (im Bild ist die Cursorlinie auf der Voreinstellung = 1,514V): 
Vmax = 2,07E+00V, Vmin. = 9,56E-01V, Drehzahl =  1,125E+02C/M (TM ).
Der Sensor gibt nach Datenblatt  4,5V für eine Druckdifferenz von 100kPa.

Das ergibt (Vmax – Vmin.)  / 4,5 V pro bar   = (2,07 - 0,956)  /4,5 = 0,247 bar
bei 112,5 U/Minute. 
Ganz besonders interessierte mich aber, wie weit der sog. "Nulldurchgang" des Druckes vom UT entfernt war und welchen Innendruck ich bei UT hatte gerade wegen des  besonderen Verdrängerantriebes.

Nun war aber die Zeit reif für eine "Schleifendarstellung!

Umformung der Messergebnisse

Da die Software des Starter Kit zwar eine komprimierte Darstellung ermöglicht, ein "Dehnen" aber nicht (oder ich hab es nicht herausgefunden), habe ich die  .WDQ -Datei  auch als eine .DAT -Datei gespeichert.

Diese  .DAT -Datei anschließend in EXCEL importiert und ich hatte die tabellarische Darstellung der Messwerte des ganzen Laufes, aber Vorsicht!

Beim Export der Aufzeichnungen  z.B.  nach EXCEL  sollten Sie auf die Ländereinstellung Ihres PC achten. Die Starter Kit  Software verwendet den Dezimalpunkt !

Nach dem Auffinden des entsprechenden "Zeilenpaketes" wird im EXCEL ein Diagramm erstellt, das nun in X- und/oder  X-Richtung beliebig dehn- oder komprimierbar ist.  Dieses Volt-Zeit-Diagramm war nun die genauere Basis für meine "Schleifendarstellung".

Es gibt sicher elegantere Lösungen, meine schnellste war Import in Autocad, Kreis schräg neben und unter das Diagramm zeichnen, Kreis in gleiche Sektoren unterteilen, Diagramm zwischen 2 "UT"-Marken in gleiche Abschnitte derselben Anzahl wie Kreissektoren unterteilen,  vertikale Linien durch die Schnittpunkte  am Kreis, horizontale Linien durch die Schnittpunkte im Diagramm, der Schnittpunkt der vertikalen und der horizontalen Linie ist der Punkt im "Schleifendiagramm".

Nach Umrechnung der Volt-Werte und Beschriftung der X- und X-Achse sieht das Ergebnis etwa wie nachstehendes Bild aus.

(Bitte nicht vergessen, der verwendete Motor HL-18 hat einen "nicht sinusförmigen" Verdrängerantrieb und einen Verdrängerdurchmesser von 20mm!.
Durch das "Einbremsen und Halten" auf einer niederen Drehzahl ist die von der Schleife eingeschlossenen Fläche ein Maß für die Arbeit, die pro Umdrehung  bei der gewählten Drehzahl im belasteten Zustand zur Verfügung steht.) 

Die vorstehenden Ausführungen sind natürlich keine "wissenschaftliche Abhandlung" und sind sozusagen mit der "Heißen Nadel gestrickt", sie zeigen aber, daß auch der Modellbauer sich zu erschwinglichen Preisen einen genaueren "Einblick" in seine Heißluft-Modellmotoren (einschließlich Flammenfresser) verschaffen kann und dadurch Veränderungen am Modellmotor wie Änderung der Heizleistung, Veränderung des Voreilwinkels, Reduzierung des Totraumes usw. sichtbar gemacht werden können und nicht zuletzt dadurch auch bessere Grundlagen für weitere Eigenkonstruktionen geschaffen werden.

Wenn Sie bis zu diesen Zeilen durchgehalten haben, bedanke ich mich recht herzlich für Ihr Interesse und vielleicht reicht Ihre Zeit noch für ein Kommentar an mich.

Ich würde mich über Ihre Meinung freuen!  E-Mail an:  motoren@laengle-hp.de 


Für mich selbst beginnt nun der mühseligere Teil: Sorgfältigere Kalibrierung, Kontroll-Läufe, genaue Totraumemittlung (einschließlich Sensorinhalt), Auswirkungen der Voreilung, ev. ein Vergleich mit sinusförmigem Verdrängerantrieb, Heizleistung usw. und dann sollte ja auch der Bau von weiteren Modellen weitergehen.

Bis zur nächsten Ergänzung wird daher schon noch einige Zeit vergehen!

Ihr

Hans-Peter Längle, 12.1.2002.