Wärmetauscher

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Einleitung

Meine Wahl

Innenleben

Was bringt's?

Betriebskosten

Bastelpotential

Eigenbau - erste Gehversuche

Bayernlüfter vereist

Nordrhein-Westfalen-Lüfter

VierfacheTemperaturmessung

 

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Einleitung

Wärmetauscher in Zabex Schlafzimmer - wer da an Schweinkram denkt, liegt natürlich total falsch!
Obwohl: Ich habe jetzt ein total geiles Gerät im Schlafzimmer.  

  Ist aber immer noch kein Schweinkram...Sondern:  

  Ich schlafe gerne bei offenem Fenster. Im Winter ist mir das aber zu kalt. Und meine bessere Hälfte stimmt mir da zu!  

  Nun gibt es einige Hersteller von Wärmetauschern. Damit ist es möglich, die miefige Schlafzimmerluft gegen frische Außenluft austauschen, ohne dass die Wärme dabei flöten geht.  

  Es gibt da mehrere Prinzipien: Gegenstromwärmetauscher, Kreuzstromwärmetauscher, Rotationswärmetauscher oder Wärmespeicher mit zyklischer Durchflussumkehr.
Die Wirkungsweise ist im Internet so oft beschrieben worden, dass es auf dieser Seite nicht extra wiederholt wird.  

 

Hier eine Link-Sammlung:
Gegenstromwärmetauscher, Prinzip (schwarz weiss) http://buch.pege.org/waerme/gegenstromwaermetauscher.htm
Wärmetauscher in Lüftungsgeräten http://www.energiesparhaus.at/energie/lueftung-wt-arten.htm
Wohnraumlüftung Gegenstromwärmetauscher: http://nilanat.h855543.serverkompetenz.net/index.php?id=52
Einzelraum Lüftungsgerät: http://nilanat.h855543.serverkompetenz.net/index.php?id=46
Keramikwärmespeicher mit Durchflussumkehr (Querlüftung): http://www.inventer.de/
Paul-Wärmetauscher (Gegenstrom Kanalwärmetauscher) http://www.paul-lueftung.net/index_de.php4 oder http://www.passivhaus.de/index.php?id=115&object=99
und PDF-Sammlung: http://www.paul-lueftung.net/downloads_de.php4?id=4&page=1
Schmeisser: (Abtauen durch Umluft; Bild Massenstrombalance) http://www.lufttechnik-schmeisser.de/be_und_ent.html
Air-Lifter http://www.heizungselbsteinbau.de/airlifter.htm
Hier ein Exot: der Rotationswärmetauscher http://www.oekoluefter.de/
Firma Westaflex http://www.westaflex.com/produkte/wohnungslueftung/zentralgeraet-mit-waermetauscher
Firma Maico http://www.maico-ventilatoren.com/index.php?id=g19301
Pege Ecovent http://wohnen.pege.org/2002-lueftungsgeraet/system-aufbau.htm
GF-Sol-Air http://gf-sol-air.de/pages/produkte/cvs-robusto.php

 

   

Meine Wahl

 

  Ich habe mir einen Bayernlüfter kommen lassen - siehe http://www.bayernluft.de/index.htm  

  Das Teil arbeitet als Kreuz-Gegenstrom Wärmetauscher und sieht bei mir im Schlafzimmer nun so aus:  

Notwendig sind zwei Bohrungen nach draußen, in die zwei 50er Rohre mit leichtem Gefälle eingeschäumt werden. Da das bei mir die Wetterseite ist, habe ich ein starkes Gefälle von etwa 10% genommen, damit bei Sturm kein Regen durch das Rohr nach innen gedrückt werden kann.  

 

   

Innenleben

 

  Hier ein paar Fotos vom Innenleben:  

Der Wärmetauscher ist aus Tiefziehfolie - und schlecht zu fotografieren. Seht selbst:  

Für ca. 100Euros gibt's das Gebilde als Ersatzteil.  

  Am linken Rand kann man die Geschwindigkeit der Lüfter von 0 bis 3 mit 2 Tasten einstellen. Ein Drehrädchen zeigt die eingestellte Stufe. Dazu muss man aber hingehen und den Kasten öffnen. Von außen erkennt man das nicht...  

 

  Bemerkenswert ist die aufwändige Regelelektronik auf der hochintegrierten Platine, die für nur 50 Euro nachbestellbar ist.  

  Was ist drauf?  

  Ein Microcontroller? Eine PWM-Steuerung mittels Operationsverstärkern
oder mit einem spezial Chip?  

  Oder ist es gar primitiv mit einem einstellbaren Spannungsregler als Längsregler (z.B. LM317) gelöst?  

  Was kann man für 'nen Fuffi schon verlangen?  

   

Eine Z-Diode und 2 Widerstände an einem Stufenschalter. Dahinter ein Elko.
Zusätzlich 'ne Duo-Led mit 2 Vorwiderständen. Eine Sicherung und ein paar Anschlussbuchsen drauf - fertig.  

  Das Teil werde ich wohl nie zur Reparatur einschicken müssen - auch, wenn's mal kaput geht.  

  Betrieben wird das Ganze von einem 12V Steckernetzteil. Drin steckt ein nettes Schaltnetzteil.  

Mit 800mA leistet es knapp 10W - gebraucht werden weniger als zwei.  

  Das Anschlusskabel geht Unterputz bis zur Fußleiste und läuft dahinter bis zum Steckernetzteil neben meinem Bett. Hier die Unterputzverlegung. Man sieht natürlich nix - ist ja alles wieder sauber übertapeziert!  

 

  Die 2 Lüfter sind ganz anständig:  

 

  Durch das Abkühlen der Raumluft kondensiert das Wasser. Hier schön als Tropfen am Ausgang des Wärmetauschers zu sehen:  

Wenn es nun draußen aasig kalt ist, gefriert es unter Umständen.
Da hat sich der Hersteller eine primitive Gegenmaßnahme einfallen lassen: Es wird der angesaugten Frischluft ein wenig Raumluft beigemischt. Das passiert über eine Klappe mit Temperaturskala - leider von Hand.  

Oh, da fällt mir ein - es friert ja gar nicht mehr - muss eben mal die Klappe wieder schließen. Wenn ich das noch öfter vergesse, muss da wohl ein Stepper mit Gewindestange die Arbeit übernehmen.  

 

 

   

Was bringt's?

 

  Erster Eindruck: Erstmal viel Lärm. Auf Stufe 1 ist es grade noch so erträglich, die anderen Stufen sind nicht schlafzimmertauglich.
Also habe ich mir ein paar andere Lüfter besorgt und ein wenig experimentiert. Dabei habe ich zwar leisere Lüfter gefunden, jedoch haben die einfach nicht ausreichend gelüftet.  

  Merkwürdigerweise war nach einer Woche der Apparat deutlich leiser. Ich kann nicht sagen, ob ich mich einfach dran gewöhnt habe, oder ob sich die Mechanik echt erst einlaufen mußte.
Stufe 2 in der Nacht ist nun Standard - und auch auf 3 kann ich notfalls schlafen.  

  Kann dieser kleine Wärmetauscher überhaupt etwas bewirken?  

  Das habe ich getestet. Als Testaufbau habe ich mir eine Beckhoff-Steuerung mit 4 PT-100 Fühlern ausgeliehen und zusammen mit Laptop, Netzteil für die Lüfter und Ersatzlüftern das Schlafzimmer zum Labor gemacht:  

Wie meine Frau das findet ist klar:

Mir bleiben nur ein paar Stunden zum messen...  

  Los geht's:  

  Ein PT-100 mißt die angesaugte Raumluft, einer die eingeblasene Frischluft:  

Die anderen beiden Fühler stecken in den Rohren (Außenluft und Abluft):  

 

  Ein einfaches Auswerteprogramm zeigt die Temperaturen und ihre Differenzen an. Hier die Temperaturen mit Lüfter auf Stufe 1:  

Bedeutung: Es wird Raumluft mit 18.2 Grad angesaugt (türkis) , abgekühlt und verläßt mit 10.3 Grad das Haus (rosa).
Draußen ist es 6.1 Grad warm (rot) und die Luft wird durch den Wärmetauscher auf 17.3 Grad erwärmt (grün), bevor sie ins Schlafzimmer gelangt.  

  Hm, innen habe ich eine Temperaturdifferenz von nur 0.9 Grad - astrein! Aber warum sind es außen 4.2 Grad?  

  Dafür gibt es 2 Möglichkeiten:
1) Es wird weniger Luft angesaugt als rausgeblasen.
2) Die Verdampfungsenthalpie der Luftfeuchte. Das Wasser gibt beim Kondensieren so viel Energie ab, dass die Abluft sich nicht weiter abkühlt.  

  Da das Gerät symmetrisch gebaut ist, nehme ich einfach mal Fall 2 an. Sonst würde sich auch irgendwann ein Unterdruck im Raum bemerkbar machen und dann müsste sich die Temperaturdifferenz ändern. Tat sie aber nicht.  

  Auf höchster Lüfterstufe ergab sich:  

Wow - nur 1,3 Grad Temperaturunterschied bei über 12 Grad Differenztemperatur. Hätte ich nicht gedacht...  

  Nun habe ich von Stufe 3 auf 1 runtergeschaltet und den Verlauf aufgezeichnet.  

Der zeitweise Anstieg der Raumtemperatur um 0,5 Grad könnte an meinem rumhantieren am Gerät liegen. Man erkennt, dass die grüne Kurve innerhalb von ca. 2 Minuten um ein knapp halbes Grad gestiegen ist. Das dürfte auch etwa die Verzögerungszeit sein, welche die Temperaturfühler haben.  

  Nun habe ich mal die Heizung hochgedreht (Lüfter auf Stufe3):  

Man sieht, dass die eingeblasene Frischluft zeitverzögert dem Temperaturanstieg folgt, und nach 10 Minuten immer noch eine höhere Differenz herrscht als zu beginn. Ich habe keine Ahnung, wo sich da die Energie versteckt hält.  

  Als Test habe ich mal den oberen Lüfter für 5 Minuten abgeschaltet - nun wird ja nur noch Außenluft ohne Gegenstrom nach innen eingeblasen. Ich hatte einen rapiden Abfall der grünen Kurve erwartet.  

Die Erhöhung der Kurven am Anfang liegt am öffnen des Gehäuses - die Fühler fühlen dann ja Raumluft.
Den doch recht langsamen Temperaturabfall kann ich mir eigentlich nur durch die Trägheit des Sensors erklären - wo sollte den die Energie her kommen, um die Außenluft fast 5 Minuten lang aufzuwärmen?  

  Um 21:41 habe ich dann oben einen 0,3W Lüfter eingebaut und ihn jeweils 2 Minuten mit 12V, dann mit 14V und zuletzt mit 8.5V betrieben.  

  Weitere Messreihen habe ich leider nicht, da der Wahnsinnsaufbau unbedingt aus dem Schlafzimmer entfernt werden mußte.

In den nächsten Tagen ist es dann draußen deutlich wärmer geworden - und Messungen bei 5 Grad Temperaturdifferenz sind Quatsch.  

 

 

  Nun friert es draußen - minus 6 Grad! Und ich habe kein Meßgerät zur Hand. Da bleibt mir nur, ein Foto des aus der Luft kondensierten Wassers zu präsentieren. So idyllisch sieht der Bayernlüfter von draußen aus, wenn's friert:  

Am Haussockel hat sich auch hübsch was angesammelt:  

 

   

Betriebskosten

 

  Das Gerät braucht recht wenig Saft. Leider ist mein Leistungsmesser im unteren Bereich grauslich ungenau. Klar, der muss ja auch bis 3 KW messen.  

Eineinhalb Watt primär sind doch etwas unglaubwürdig bei ca. 1,8W (zwei Lüfter mit 0,9W) Sekundärlast.  

  Also habe ich mir ein Wirkleistungsmessgerät gebaut, welches eine 0-5W Messbereich hat.
Das grade fertig gewordene Gerät zeigte mir dann 1,7W auf Stufe 3.  

Also keine Verluste durch das Steckkernetzteil? Ich bin erstaunt. Da muss ich auf jeden Fall das Messgerät nochmal überprüfen!  

  Die Abweichung aus Wirkleistung gegenüber Strom mal Spannung mal cos Phi ist doch verdächtig, bei einem Schaltnetzteil aufgrund des so gar nicht sinusförmigen Stromverlaufs aber durchaus möglich. Ich werde prüfen und berichten.
Vorerst glaube ich einfach mal, was da angezeigt wird.  

  Auf Stufe 1:  

Klar, dass das kaum weniger wird - die Leistung wird ja im Widerstand verbraten.
Auf Stufe 0 (also die Lüfter aus, aber vergessen, das Netzteil zu ziehen):  

Weniger als ein halbes Watt im Standby. Sehr löblich!  

  Bleibt die 2 - meine Dauerbetriebsstufe:  

Wenn ich mit 1,6W und einem Strompreis von 20ct rechne, komme ich auf Stromkosten von 24h x 365T x 0,2€ x (1,6/ 1000)KW = 2,77€ im Jahr.  

  Die knapp drei Euro für Strom im Jahr spielen bei dem Anschaffungspreis von rund 400 Euros (Gerät + Bauschaum) eigentlich keine Rolle.
Das spart man wahrscheinlich locker durch die runtergedrehte Heizung wieder ein...

 

Bastelpotential

Die Geschwindigkeitseinstellung der Lüfter muss überarbeitet werden, so dass ich vom Bett aus dirigieren kann. Oder wenigstens den Kasten zu lassen kann und von draussen sehe, auf was der Schalter steht.  

  Vielleicht sogar mit Lichtsteuerung - wenn's dunkel wird, wird's auch leiser.  

  Ich habe schon eine Platine mit einer PWM-Lüftersteuerung und LDR entworfen und gebaut.  

Leider reagieren die Lüfter allergisch auf das PWM-Signal und zappeln geräuschvoll rum.
Ich habe einiges angestellt um das in den Griff zu kriegen - leider vergeblich. Egal, welche PWM-Frequenz und welche Flankensteilheit ich ausprobiert habe - diese Lüfter lassen sich mit PWM nicht steuern!  

  Also brauche ich doch eine Spannungssteuerung.  

  Nachtrag: Inzwischen weiß ich, dass diese Lüfter einen Drehzahl-Eingang haben. Die Spannung an dem Eingang bestimmt die Drehzahl.

 

  Wenn das mit der globalen Erwärmung nicht schneller geht, kommt vielleicht auch noch ein Frostwächter rein. Idealerweise mit automatischer Verstellung der Mischklappe. Bisher musste ich aber noch nicht viel verstellen. Mal sehen, was Januar und Februar so erfordern...  

 

 

   

Eigenbau - erste Gehversuche

Ermutigt durch die recht kleine Fläche des Wärmetauschers werde ich mal selbst einen bauen.  

  Im Keller liegt schon ein Aluflex-Rohr und ein HT-Rohr, die mal zu einem Low-Cost Wärmetauscher werden sollen.  

 

  Ein unverhoffter Urlaubstag aufgrund extremer Witterungsverhältnisse bringen die Sache dann gut voran.  

  Das Aluflex-Rohr kommt ins Abflussrohr und geht einmal ganz durch. Die Deckel werden später noch mit Silikon abgedichtet:  

 

  Das Abflussrohr wird durch Löcher am Ende belüftet  

 

  Ein Gehäuse sorgt für die Anschlussmöglichkeit der Lüfter:  

 

  Was fehlt, ist ein Wasserablauf im unteren Kastenbereich. Den muss ich dann wohl noch mal mit Folie auskleiden und einen Ablauf dranfrickeln.  

  Erste Versuche mit dem Fön waren eher enttäuschend. Warme Luft ins AluFlex-Rohr führten kaum zu Erwärmung der vorbeigestrichenen Luft.  

  Egal, das muss unter realen Bedingungen getestet werden.  

  Wenn das Wetter nicht mehr ganz so arg frostig ist, mach ich mal irgendwo ein Loch ins Haus und schieb das Rohr raus.

 

   

Bayernlüfter vereist

Damit man sich später mal dran erinnert: Diese Woche (2009, KW2) hatten wir richtig knackigen Frost. Minus 12 Grad zeigt die Heizungssteuerung.
Die Klappe im Bayernlüfter war nur auf Minus 10 eingestellt und der Wärmetauscher ist auf Stufe 2 gut vereist. Dadurch hat er 4 Grad kalte Luft in den Raum geblasen. Gut, immer noch 16 Grad über Außentemperatur, aber doch ganz schön frisch!  

  Zwar habe ich das Teil mit lauwarmem Wasser und Gebläse innerhalb von 10 Minuten wieder durchgängig und halbwegs trocken gekriegt. Aber das Rohr für die Abluft hatte am Ende nur noch eine centgroße Öffnung am Gitter. Der Rest war Eis!  

  Also die Umluftklappe voll auf und auf Stufe 1 den ganzen Tag laufen lassen. Das Rohr ist nun zu 70% wieder frei. Da die Temperaturen wieder milder geworden sind, bleibt das Teil mit teilverschlossener Umluftklappe in Betrieb. Klar wird das Rohr immer weiter festes Wasser sammeln. Ich hoffe, das es bis zum Wochenende reicht, dann soll es tauen. Fönen wollte ich das Teil nämlich eigentlich nicht.  

 

 

   

Nordrhein-Westfalen-Lüfter

Das Abflussrohr-Alurohr Gebilde hat wohl doch zu wenig Oberfläche. Kein Vergleich zu dem Folienstapel im Bayernlüfter.
Zum Experimentieren habe ich mir mal einen zweiten kommerziellen Wärmetauscher zugelegt. Das Teil soll im Waschkeller die Feuchtigkeit exportieren ohne dass der Raum eiskalt wird.  

  Dazu habe ich das Fenster ausgebaut und eine Styrodurplatte mit Acryl eingeklebt.  

Vor die Isolierplatte kommt eine stabile MDF-Platte mit dem Wärmetauschergehäuse.
Den Aufbau habe ich erstmal möglichst primitiv gehalten um erste Erfahrungen zu sammeln. Hier die Designstudie:  

Flott ausgesägt und festgeleimt:  

Sieht mit Wärmetauscher so aus:  

Das weiße weiche Zeug ist aus einer Sofapolsterung und dient als Grobfilter. Die Platten habe ich mit Clou Schnellschleifgrundierung eingepinselt - im unteren Bereich zwei mal. Damit sollte das Holz einigermaßen wasserfest sein.
Am unteren Rand sieht man den eingeschraubten Schlauchstutzen - hier soll das Kondenswasser abfließen.  

Das Gebilde wird von drehbaren Haltern an der Wand festgeklemmt. Hier mal mit geöffnetem und geschlossenem Deckel:  

Das Wasser im durchhängenden Schlauch verhindert, dass die Luft durch den Schlauch in den Innenraum statt nach draußen gelangt, denn der vom Lüfter erzeugte Druck reicht nicht aus, um das Wasser so hoch zu heben.  

  Als Stromversorgung habe ich ein Schaltnetzteil für eine externe Festplatte verwendet. Knapp 4 Watt zeigt mein Leistungsmessgerät. Die Lüfter haben zusammen 2,4W. Der Wirkungsgrad des Netzteils liegt also bei 60%. Nicht optimal, aber erstmal erträglich.
Die Zeitsteuerung dazu ist simpel: Netzstecker rein = ein (Bis Stecker wieder raus).  

  Nach dem Bau sind mir direkt einige konstruktive Mängel aufgefallen:  

* Die akkustische Betriebsanzeige. Sprich: Das Teil ist höllisch laut! * Eine Warmluft-Mischklappe gegen einfrieren ist mit dieser Lüfteranordnung nicht so einfach möglich. * Im abgeschalteten Zustand zieht eiskalte Luft in den Raum. Da muss noch ein Schieber vor.

Na ja, neben dem Gehäuse ist ja noch massig Platz, um alle möglichen Änderungen aufzubauen. Bisher ist auch noch gar kein Mikroprozessor verbaut - das Gebilde kann also noch gar nicht fertig sein!
Erstmal will ich aber testen, ob das mit der Wasserentsorgung so klappt und ob die Raumtemperatur nun höher wird.

 

   

VierfacheTemperaturmessung

Um die Wirksamkeit zu kontrollieren habe ich ein 4-fach Thermometer gebaut. Da mir ein paar fertig konfektionierte Temperatufühler Typ LM35DT in die Hände gefallen sind, wurden die darin verbaut.  

Das Projekt war mal wieder ein Freund von Murphys Gesetz. Der Kram hat ja sowas von gar nicht funktionieren wollen. Probleme an allen Ecken! Doch davon später, hier erstmal das Ergebnis.
Die fertige Schaltung mit diversen nachträglichen Änderungen sieht so aus:  

 

  Da doch recht viele Drähte nötig sind, habe ich mal kein Lochraster genommen, sondern auf die Schnelle (nur Autorouter benutzen) eine Platine gemacht. Nachdem die Schaltung fertig war, stellte ich fest, dass ich versehentlich im Datenblatt die Pinbelegung für den LM35DP im TO202 Gehäuse nachgeschlagen hatte, die Fühler mit DT in der Bezeichnung aber ein TO220 Gehäuse haben - und dafür gibt's ein extra Datenblatt. Idiotischerweise sind bei den beiden Typen 2 Anschlüsse vertauscht. Also habe ich die Leiterbahnen der Fühler durchgekratzt und mit Fädeldraht umverdrahtet.  

  Dann habe ich ewig rumprobiert, weil das Display nix angezeigt hat. Nach unzähligen Softwareexperimenten fand ich dann endlich einen haarfeinen Riß in einer Leiterbahn.  

  Laut Datenblatt sind die Fühler bereits kalibriert, aber Kontrolle ist besser. Leider gab der Fühler gar keine Meßwerte raus. Mist - defekt. Als der nächste Fühler es aber auch nicht tat wurde ich stutzig und habe mal die Isolierungen aufgeschnitten.
Oh Wunder: Im Kabel wurden 2 Leitungen verdreht!
Also konnte ich die ganzen Fädeldrähte wieder zurückverdrahten - das Original wäre OK gewesen. Ich könnte mich in den Finger beißen! Aber das hat vor mir wahrscheinlich auch schon jemand getan und daraufhin gedrehte Kabel fertigen lassen.  

  Nachdem das geklärt war, kamen alle Fühler auf eine dicke Aluschiene.  

Dann habe ich gewartet, bis meine bessere Hälfte länger außer Haus ist und den Waschkeller beschlagnahmt. Auf den Kühlschrank hatte ich es abgesehen, um Meßwerte fern der Zimmertemperatur zu erhalten.  

Das Ergebnis: Die Werkskalibrierung ist für meine Zwecke totaler Schrott.  

Links der Meßwert des Analog/Digital Wandlers, rechts die zugehörige Temperatur. Der A/D Wandler hat eigentlich nur 10 Bit. Durch Trickserei (massives Oversampling, Dreieckssignal auf Referenzspannung aufgemischt) konnte ich den auf 15 Bit aufbohren.  

  Die angezeigten 1,6 Grad Differenz sind natürlich total unbrauchbar. Ich wollte schon deutlich genauer als 1/10° sein.!  

  Nach diversen Versuchen mit Messungen im Bereich von -20° bis +35° (Die Küche hatte ich auch mal ein paar Stunden in Beschlag) habe ich festgestellt, dass die Fühler Kennlinien haben, die im wesentlichen gegeneinander verschoben, aber nur minimal gegeneinander verdreht sind.  

Damit kann man die Kalibrierung bei einer beliebigen Temperatur machen. Um sie zu starten dient der nachträglich mit Powerknete angebrachte Taster oben links auf der Platine. Kalibriert werden die Fühler nur relativ zueinander. Die angezeigte Temperatur kann also von der wirklichen Temperatur abweichen, aber die Temperaturunterschiede stimmen recht genau. Nach der Kalibrierung sehen die Messwerte dann auch viel besser aus:  

Die rechte Spalte gibt den auf 1/20 Grad gerundeten Wert aus - so wie sie endgültig angezeigt werden soll. Mit 2 hundertstel Grad Abweichung ist das System nun genau genug.  

  Die Meßfühler wurden dann um den Wärmetauscher herum agebracht:  

Das Plastikteil unter dem Fühler dient als Kondenswassersammler.  

  Diese beiden Fühler sind auf Stehbolzen geschraubt - leider sieht man das kaum:  

Hier nochmal aus besserer Perspektive:  

Damit man einen Einblick in das Gerät hat (wo läuft das Kondenswasser lang), habe ich mal eine Plexiglasscheibe montiert:  

Die ist aber ohne Anpressrahmen so undicht, dass sie dann doch wieder gegen die Holzplatte ausgetauscht wurde, weil ich keine Lust hatte einen Anpressrahmen zu bauen.  

  Der ganze Apparillo sieht nun so aus:  

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Vorsicht: es folgen trockene technische Details. Diesen Abschnitt kann man ruhig überspringen.  

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Hier der Schaltplan: 4fachthermometer_schaltplan.pdf
Und das Gesamtpaket aus Software, Protel-Projekt und Schaltplan: 4fachthermometer.zip  

  Beim Schaltungsentwurf sind mir ein paar Fehler unterlaufen, weshalb ich noch ein paar Bauteile extra brauchte. Im Schaltplan sind die eingezeichnet, im Platinenlayout noch nicht eingebunden.
Die LM35 brauchen eine negative Spannung, um negative Temperaturen messen zu können. Daher habe ich die Masse des LM35 einfach um 278mV (ergab sich so) angehoben, so dass ich bis -27,8 Grad messen kann. Das Problem war, das der LM324 mit einfacher Versorgung (0V, 5V) die 4x60µA bei 278mV für die LM35 nicht aufgebracht hat - obwohl das ja so gut wie nix ist.
Also brauchte ich eine negative Versorgungsspannung.
Die ganze Schaltung braucht rund 13mA. Prima! Da habe ich einfach eine rote Led in die Masseleitung gehäkelt, damit die Schaltungsmasse (GND) 1,6V über der negativen Versorgung des OpAmps liegt. Fertig ist meine indirekte negative Versorgung.  

  Na, ganz fertig noch nicht. Ich hatte dann doch ein schlechtes Gewissen, weil beim Einschalten die Led volle 12V kriegt und damit einen 100µF Elko ohne Vorwiderstand laden muss. Das macht die nicht oft mit. Erstaunlich, dass es schon so oft gehalten hat.  

  Ich habe mal eben eine 20mA Strombegrenzung aus 78L05 und 270R Widerstand in die Versorgung eingeschleift. Gute, simple Idee. Aber leider war der Spannungsabfall so groß, das die Schaltung nur noch 4V hatte.
Grrmbl.
Also Lochraster raus und eine richtige kleine Strombegrenzung aus NPN-Transistor, 2 Widerständen und noch 'ner roten Led als 1,6V Referenzspannung verbaut.  

Damit wäre die Hardware komplett.  

  Die Software hat auch so ein paar Fallstricke bereit.
Stundenlang habe ich versucht, eine Variable sowohl in der Interrupt-Routine als auch in der Hauptschleife zu benutzen, um die Übergabe der 16Bit Werte zu synchronisieren. Offenbar hat der Compiler da noch ein paar Kinderkrankheiten.
Obwohl als volatile deklariert, hat der Optimizer die Variablenzugriffe immer hübsch wegoptimiert.  

----------------------------------------------------------------------
volatile  U8  holeWerte;
   ...
  holeWerte=1;
  while (holeWerte);  <- Endlosschleife, obwohl holeWerte in Interrupt-Routine auf 0 gesetzt wird!
----------------------------------------------------------------------

Ich habe alle Variationen der volatile Deklaration ausprobiert. Nix geht!
Auch die feste Zuordnung zu einem Register hat nix geholfen.  

----------------------------------------------------------------------
     register unsigned char holeWerte asm("r15");
----------------------------------------------------------------------

Der Compiler hat R15 trotzdem in den Interruptroutinen des Displays benutzt.  

  Es war zum verzweifeln. Fast hätte ich das Datenblatt rausgekramt und die paar Befehle einfach direkt in Assembler programmiert, aber dann habe ich einfach eine freie Portleitung (PC5) als Speicher benutzt - Damit gings!  

----------------------------------------------------------------------
  PORTC |=BIT5;
  while (PORTC & BIT5);
----------------------------------------------------------------------

Raffiniert ist die Verbesserung der Auflösung des A/D-Wandlers. Hier kurz die grundsätzliche Funktionsweise:
Die Fühler liefern Spannungen von 0V (-27,8°) bis 0,7V (42,2°). Die Referenzspannung des ATmega habe ich daher nicht auf +5V, sondern auf 700mV gelegt. Damit habe ich bereits eine Temperaturauflösung von ca. 1/14 Grad.  

  Jetzt kommt die Trickserei:  

  Der Referenzspannung wird ein Dreiecksignal mit so geringer Amplitude aufmoduliert, dass sich der Meßwert um einige wenige Digits ändert. Dann wird der Mittelwert aus richtig vielen Meßwerten erzeugt. Der ADC hat 10 Bit. Für jedes weitere Bit ist 4-fach Obersampling notwendig. Ich messe noch viel öfter, um gleichzeitig einen Tiefpass zu erhalten.
Genauer gesagt: Ich messe die Summe aus 8192 Messungen und teile anschließend nicht durch 8192 sondern durch 256. Damit bekomme ich einen 15 Bit Wert, der rechnerisch einer Auflösung von 1/468 Grad entspricht. Durch die Tiefpasscharakteristik der Mittelwertbildung sind auch Effekte wie 50Hz-Netzbrummen wirkungsvoll unterdrückt und der Meßwert ist bis auf wenige Digits stabil. Auf 1/20 Grad kann ich damit auf jeden Fall messen.  

  Das Dreiecksignal erzeuge ich mittels eines PWM-Ausgangs, der zwischen 0V und 1400mV umschaltet und eines R-C Filters. Mit einem Poti kann ich die Amplitude einstellen. Meine Versuche haben gezeigt, dass die Potistellung relativ unkritisch ist. Ein 47K oder 100K Widerstand hätte es also auch getan.  

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Hier enden die technischen Details  

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  Momentan sind die Temperaturunterschiede zwischen drinnen und draußen nicht besonders hoch.  

Man erkennt: Die Temperaturdifferenz zwischen Keller und Straße sind 2,95 Grad. Huch - da stimmt was nicht: Die vom Wärmetauscher nach draußen geblasene Luft ist angeblich kälter als die Außenluft?  

  Wäre ja auch ein Wunder, wenn Das auf Anhieb funktioniert hätte.  

  Fühler vertauscht? Hm, kann nicht sein. Nachgeprüft: Zuordnung stimmt.
Also passt vielleicht was mit der Kalibrierung nicht. Daher werden die Kalibrierdaten jetzt beim Start angezeigt. Das Ergebnis:  

Die Kalibrierdaten sind futsch! Dies sind nur die Default-Werte. Die Kalibrierung ist im EEPROM gespeichert - und das habe ich bei der Neuprogrammierung wahrscheinlich gelöscht.  

  Seufz - also alle Fühler wieder auf die Alu-Platte und neu abgleichen.  

Damit ich die Werte nicht wieder verliere ein Foto davon:  

 

  So - nochmal von vorn:
Momentan sind die Temperaturunterschiede zwischen drinnen und draußen nicht besonders hoch.  

Man erkennt: Die Temperaturdifferenz zwischen Keller und Straße sind 1,6 Grad. Die Außenluft wird um 1,3 Grad erhöht und dabei verliert die ausgetauschte Luft grade mal 0,3 Grad.  

  Jetzt kann ich die Werte prima im Auge behalten.
Mal sehen, wie das Teil bei größeren Temperaturunterschieden arbeitet. Bleibt nur noch eine Kleinigkeit:  

  Ich habe einen Kabelkanal und eine Frontabdeckung spendiert.  

Nun stört sich auch das Auge meiner Mitbewohner nicht mehr an dem Aufbau.