AnheizLogger [in Planung]

[TomEdl]

Hallo!

Ich bin nebenbei Heizer/Lokführer auf verschiedenen Eisenbahnen und verschiedenen Dampflokomotiven. Allerdings fahre und betreue ich zu 90% meiner Tätigkeit in diesem Bereich nur eine Maschine, und zwar die Uv.1, ex 298.205, auf der Ybbsthalbahn-Bergstrecke. Nach einer langen Disukussion mit einem Kollegen wurde die Idee geboren, die Kesseltemperatur auf einem Grafik-LCD als Diagramm auszugeben, um die Linearität des Anheizvorgangs zu überprüfen. Hiermit möchte ich dieses Projekt vorstellen und euch um eine eventuelle Mitarbeit bitten.

Allgemeines
Zunächst möchte ich ein wenig über den Sinn des Projektes sprechen. Das Anheizen eines Lokomotivkessels ist ein Vorgang, der sich über mehrere Stunden, oder sogar mehrere Tage erstreckt. Desto größer der Kessel, desto länger dauert dieser Prozess - ebenfalls beeinflusst der Ausgangszustand die notwendige Anheizzeit. Ist zum Beispiel viel Wasser im Kessel, dauert der Vorgang länger. Ist hingegen das Wasser im Kessel noch 90 Grad warm, sinkt die notwendige Anheizzeit.
Der ganze Anheizvorgang dauert so lange, da man beim Anheizen extrem langsam und vorsichtig arbeiten muss. Ein solcher Lokomitvkessel ist ja recht groß und dehnt sich aus diesem Grund beim Anheizen stark aus. Auch die Feuerbüchse, die mit hunderten Stehbolzen praktisch im Stehkessel hängend befestigt ist, dehnt sich in mehreren Richtungen aus. Heizt man nun zu schnell an wird der Kessel beschädigt und schon nach wenigen Betriebsstunden muss er außer Betrieb genommen werden. Die Ausbesserungskosten eines Lokomotivkessels sind sehr hoch. Aus diesem Grunde ist jeder Heizer bemüht das Anheizen so langsam und vorsichtig wie möglich zu gestalten.
Es wäre interessant, den kontinuierlichen Temperaturanstieg im Kessel graphisch an Ort und Stelle darzustellen, damit man sich praktisch selbst kontrollieren kann, wie gut man den Anheizvorgang durchführt. Außerdem gibt es in der Fachliteratur keine graphischen Aufzeichnungen über die Kesseltemperatur beim Anheizen. Damit wäre dies eine komplett neue Sache und würde meine Kollegen und mich interessieren.

Überlegungen zum Temperatursensor
Das größte Kopfzerbrechen bereitet mir der Temperatursensor. Er muss einen Temperaturbereich von mindestens 10 Grad Celsius bis ca. 195 Grad Celsius besitzen. Anbringen würde ich den Sensor an dem Bolzen einer Waschluke (kleiner Kreis in Bild2). Dieser Bolzen besteht aus Messing und verschließt die Waschluke. Demnach ist er mit dem Kesselwasser in direkter Berührung. Das Temperaturgefälle zwischen Wasser und Bolzen kann man ja problemlos berechnen und in die Auswertung einbeziehen.
Allerdings macht mir die Befestigung des Sensors am Bolzen Sorgen. Der Bolzen hat am äußeren Ende einen Vierkant, um ihn mit einem speziellen Bolzenschlüssel öffnen zu können. Dieser Vierkant ist geschätzt 5x5cm groß. Wie befestige ich den Temperatursensor an dieser ebenen Fläche?

Überlegungen zum Gehäuse
Bei der Gehäusewahl bin ich mir auch noch unschlüssig. Da das Gerät mit Akku betrieben werden soll, und die Ladeschaltung im Gerät integriert sein soll schließe ich Holz als Gehäusewerkstoff aus. Netzspannung und Holz gefällt mir einfach nicht. Kunststoff gefällt mir ebenfalls weniger, da das Gerät direkt unter der Waschluke, an der der Temperatursensor angebracht ist, auf einer Platte (welche zum Lokomitvrahmen gehört) stehen soll. Sollte das Gerät aus irgendeinerweise zur Waschluke gelangen, schmilzt ein etwaiges Kunststoffgehäuse. Aus diesem Grunde fällt mir nur Alu ein. Was hält ihr davon?

Überlegungen zum Grafik-LCD
Ich habe bereits ein Grafik-LCD gefunden, dass ich für dieses Projekt nutzen möchte. Es handelt sich hierbei um ein 240x128 Pixel-LCD, mit Hintergrundbeleuchtung und blauem Kontrast/weißer Schrift. Die Ansteuerung dieses Displays ist kein Problem, momentan wird es von einem Mega32 angesteuert und dient als Tetris-Spielfläche.

Überlegungen zur Schaltung
Auf der Platine soll ein mit Bascom programmierter AVR arbeiten. Ebenfalls von nöten ist:
Eine Ladeschaltung für den Akku
Eine Überwachung für den Akku
Eine Schaltung zur Erzeugen von -20V für den Displaykontrast

Aber nachdem es hier nur ums Konzept geht gibts noch keine Schaltpläne, erstmal möchte ich mein Problem mit dem Temperatursensor und des Gehäuses gelöst haben, bevor ich mich auf die Schaltungsentwicklung stürze.

Der Akku
Es soll eine relativ lange Laufzeit des Gerätes gewährleistet werden. Wie lange genau muss ich noch ermitteln, aber ich tendiere stark zu einem Blei-Gel-Akku mit 12V/7,4Ah, den ich hier rumliegen habe. Das hohe Gewicht dieses Akkus ist mir bewusst, allerdings soll das Gerät ja sowieso robust und stabil werden.



Soweit wären meine Überlegungen. Achja, nochwas: Das Gerät fährt nicht auf der Lokomotive mit, es wird kurz vor der Ausfahrt aus der Halle von der Lokomitve genommen und im Heizhaus abgestellt.

Grüße
Thomas

[Besserwessi]

Als Temperatursensoren kommen im wesentlichen Platinwiderstände (PT100 oder P1000) oder Thermoelemente in Frage. Für eine Bastellösung auch noch eine Diode oder ein Transisor (wegen der besseren Befestigung). Ich würde zu PT1000 oder der Diode tendieren, denn man hat ja relativ viel Platz.

Für die Befestigung am 4 Kant würde ich eine große Schlauchschelle mit passenden zwischenstücken aus Metall nehmen. Als Alternative auch eine art Schraubzwinge. Den eigenlichen Sensor kann man dann an dem Metall befestigen. Wenn man noch etwas Isolierung drüber hat, sollte es kaum Temperaturgradienten geben.

Für das Gehäuse würde ich Metall nehmen, paßt auch besser zu Eisenbahn. Die Ladeschaltung könnte man gut 2 teilen: intern die Elektronik und extern ein fertiges Netzgerät, ggf. einfach einfaches Steckernetzgerät oder ein Notebooknetzteil. So hat man gar keine 230 V im selbstgebauten Teil. Wegen möglicherweise eindringender Feuchtigkeit wäre mit das lieber.

Wenn man die Hintergrundbeleuchtung nur bei Bedarf einschaltet, kann man den Stromverbrauch sicher realtiv gering halten. Zum Schutz wird man wohl ohnehin eine Abdeckung vor dem Display brauchen.

[TomEdl]

Hallo, vielen Dank für deine Antwort!

Als Temperatursensoren kommen im wesentlichen Platinwiderstände (PT100 oder P1000) oder Thermoelemente in Frage. Für eine Bastellösung auch noch eine Diode oder ein Transisor (wegen der besseren Befestigung). Ich würde zu PT1000 oder der Diode tendieren, denn man hat ja relativ viel Platz.

Pt100/Pt1000 hab ich bis jetzt nur in Kunststoffgehäusen gefunden, die allerdings meiner Ansicht nach keine knappen 200 Grad Celsiuis aushalten, ohne zu zerschmelzen. Die Lösung mit einer Diode oder einem Transistor ist schon wesentlich interessanter, eine Diode im TO220-Gehäuse lässt sich sicherlich recht einfach an einer ebenen Fläche befestigen. Für die Transistorlösung könnte ich mir ebenfalls einen Transistor in TO220-Gehäuse vorstellen. Auch TO-3 wäre interessant.

Für die Befestigung am 4 Kant würde ich eine große Schlauchschelle mit passenden zwischenstücken aus Metall nehmen. Als Alternative auch eine art Schraubzwinge. Den eigenlichen Sensor kann man dann an dem Metall befestigen. Wenn man noch etwas Isolierung drüber hat, sollte es kaum Temperaturgradienten geben.

Die Sache mit der Schlauchschelle stelle ich mir schwierig vor, diese auch dann im Betrieb wieder zu lösen, wenn die Waschluke knappe 200 Grad Celsius warm ist. Ist zwar machbar, allerdings auf Dauer lästig. Die Lösung mit der Schraubzwinge gefält mir dabei wesentlich besser. Die Anfertigung einer solchen "Spezial-Schraubzwinge" ist bei uns in der Werkstatt machbar.

Für das Gehäuse würde ich Metall nehmen, paßt auch besser zu Eisenbahn. Die Ladeschaltung könnte man gut 2 teilen: intern die Elektronik und extern ein fertiges Netzgerät, ggf. einfach einfaches Steckernetzgerät oder ein Notebooknetzteil. So hat man gar keine 230 V im selbstgebauten Teil. Wegen möglicherweise eindringender Feuchtigkeit wäre mit das lieber.

Die Überlegung mit der Feuchtigkeit ist nicht schlecht. Ich habe gar nicht daran gedacht, aber es ist möglich - oder sagen wir mal warscheinlich - das etwa einen halben Meter seitlich ein mäßiger Dampfaustritt herrscht, da das Rückschlagventil für den linken Speiser immer wieder Probleme macht. Die Idee mit der externen Ladeschaltung gefällt mir, da wäre es dann sogar möglich, die Lichtmaschine der Lokomotive für das Laden des Akkus heranzuziehen. Diese erzeugt 25V Wechselspannung bei 500W Leistung. Was mir allerdings noch besser gefällt: Einfach einen weiten Eingangsspannungsbereich vorsehen, sagen wir mal 15-30VDC. Damit lässt sich dann das Gerät flexibel laden.

Wenn man die Hintergrundbeleuchtung nur bei Bedarf einschaltet, kann man den Stromverbrauch sicher realtiv gering halten. Zum Schutz wird man wohl ohnehin eine Abdeckung vor dem Display brauchen.

Das ist richtig und auch so geplant. In der Nacht, wenn ich ohnehin im Nebengebäude schlafe und nur jede halbe Stunde nachsehen gehe, wäre es akzeptabel per Tastendruck die Beleuchtung kurz zu aktivieren, um das Display ablesen zu können.
Allerdings möchte ich den Bleiakku gerne trotzdem verwenden, da er das Gerät schön stabil macht. Außerdem könnte man dann in Betracht ziehen, die 12V in das Bordnetz der Lokomotive einzuspeisen, damit das ewige Taschenlampensuchen aufhört.

Grüße
Thomas

[Besserwessi]

Die PT Sensoren gibt es bis etwa 700 C. Die meisten für die Heizung (PT1000 ist da normal) sind aber wirklich nur bis gut 100 C, wegen der Zuleitungskabel. Es gibt such welche für Solarkollktoren, die bis gut 200 C können, da ist dann ein Siliconisoliertes Kabel dran.

Wenn es nicht so sehr auf die Genauigkeit ankommt würde ich auch zur Diode/Transistorlösung neigen (z.B. BD135). TO3 wäre mit zu groß, da schon lieber TO126, das ist etwas kleiner als TO220. Allerdings hat man auch hier das Problem mit dem Kabel. Löten müßte man dann schon bleifrei, oder halt Schrauben/Quetschen.
Eine wirklich hohe Genauigkeit wird man vermutlich schon durch die Postion des Sensors nicht erhalten können. So gleichmäßig werden die Temperaturen über den Kessel nicht sein.

Die Schaltung wird vermutlich etwas zusätzliches EEPROM ( Flash ?) brauchen. Außerdem wäre wohl eine Schnittstelle zum PC sinnvoll um die Daten dahin zu übertragen.

[TomEdl]

Hallo!

Danke für dein Interesse und deine Beteiligung an meinem Projekt.

Wenn es nicht so sehr auf die Genauigkeit ankommt würde ich auch zur Diode/Transistorlösung neigen (z.B. BD135). TO3 wäre mit zu groß, da schon lieber TO126, das ist etwas kleiner als TO220. Allerdings hat man auch hier das Problem mit dem Kabel. Löten müßte man dann schon bleifrei, oder halt Schrauben/Quetschen.
Eine wirklich hohe Genauigkeit wird man vermutlich schon durch die Postion des Sensors nicht erhalten können. So gleichmäßig werden die Temperaturen über den Kessel nicht sein.

Es geht ja primär darum, den Temperaturanstieg in einem längeren Zeitraum zu erfassen. Ob jetzt die gemessene Temperatur von der tatsächlichen Temperatur abweicht, ist mir eigentlich egal - solange diese Abweichung so ziemlich konstant bleibt. Ich will nur sehen, wie linear der Temperaturanstieg ist.
Weil du ansprichst, wie gleichmäßig die Temperatur im Kessel ist: Genau das versuchen wir ja beim Anheizen zu vermeiden - eine Temperaturgefälle in Richtung Langkessel. Aus diesem Grunde dauert der Anheizvorgang ja auch entsprechend lang.

Die Leitungen würde ich mit Quetschverbindungen verbinden. Leitungslänge würde ich mit maximal 0,5m ansetzen.
Was ist denn von der Auswertung her einfacher, Transistor oder Diode?

Grüße
Thomas

[Besserwessi]

Auch von einen Transistor wird nur einen Diodenfunktion (z.B. Basis-Collektor) genutz. Der 3te. Pin bleibt ungenutzt. Die Auswertung ist entsprechend das gleiche. Es ist nur einfacher Transistoren im TO126 oder ähnlich zu finden, wegen der Befestigung. Auch sind Transistoren oft die besseren Dioden und kommen dem Ideal etwas näher, weil saubereres Material benutz wird.

[mausi_mick]

hallo,

halten nicht die Kleber, die für Hochleistungs-LEDs verwandt werden ,
nicht locker 200° aus ?
Bei den Messung mit Dioden / Transistoren sollte man eher vorsichtig sein, da oberhalb von ca 150° - 175° sich die meisten Si-Halbleiter stark altern.

SiC wäre da wohl besser, ist nur relativ schwer erhältlich (Infineon fertigt aber schon).

Gruss mausi_mick

[Besserwessi]

So schlimm sollte die alterung noch nicht sein, Leistungshalbleiter sind schließlich für über 150 C und mehr als Sperrschichtemperatur vorgesehen. Das typischen Limit bei ca. 175 C kommt mehr von Leckströmen. Wenn man da Angst hat, kann man eine Diode mit Glaspassivierung nehmen, da ist wenigstens das Gehäuse relativ dicht.

Pt Sensoren für höhere Temperaturen sind kein Prozipielles Problem. Da muß man nur etwas suchen. Sicher noch einfacher zu bekommen als SiC Halbleiter.

[uwegw]

Zum Gehäuse: bei diesen Umgebungsbedingungen würde ich mindestens IP65 nehmen.
Da kommen zb die BOPLA RCP... (gibts bei Reichelt, allerdings nicht ganz billig) in Frage. Die haben einen transparenten Deckel, wo das Display geschützt untergebracht werden kann.
Die Anschlüsse für die Sensoren und die Stromversorgung dann über wasserdichte Steckverbinder, bei denen es Abdeckkappen für nicht belegte Anschlüsse gibt (da kommen etliche Typen in Frage).


Ein alternatives Konzept: an der Lok nur den Sensor+Auswertung anbringen, und dann per Funk an die Anzeige-Einheit, die dann dort platziert werden kann, wo du sie gut ablesen kannst. Dann würde an Sensor ein deutlich kleinerer Akku reichen.

[TomEdl]

Auch von einen Transistor wird nur einen Diodenfunktion (z.B. Basis-Collektor) genutz. Der 3te. Pin bleibt ungenutzt. Die Auswertung ist entsprechend das gleiche. Es ist nur einfacher Transistoren im TO126 oder ähnlich zu finden, wegen der Befestigung. Auch sind Transistoren oft die besseren Dioden und kommen dem Ideal etwas näher, weil saubereres Material benutz wird.

Über das habe ich mich schon etwas informiert und eine Operationsverstärkerschaltung dazu skizziert und berechnet. Ich werde sie noch digitalisieren und etwas nachrechnen, dann stelle ich sie hier zur Diskussion rein.

halten nicht die Kleber, die für Hochleistungs-LEDs verwandt werden ,
nicht locker 200° aus ?

Ich darf keinesfalls an Kesselteilen chemische Substanzen heranbringen. Diese Lösung fällt deshalb aus. Außerdem wird die Waschluke regelmäßig geöffnet, daher muss das Ansetzen mit dem Schlüssel jederzeit möglich sein. Aus diesem Grunde muss der Sensor entfernbar gestaltet werden. Die weiter oben genannte Lösung mit der Schraubzwinge gefällt mir daher besser.

So schlimm sollte die alterung noch nicht sein, Leistungshalbleiter sind schließlich für über 150 C und mehr als Sperrschichtemperatur vorgesehen. Das typischen Limit bei ca. 175 C kommt mehr von Leckströmen.

Ich habe gestern noch etwas im Internet gestöbert und konnte ein Projekt finden, dass sich mit dieser Materie beschäftigt. Die Temperaturmessung mit Si-Halbleitern sollte bis 200 Grad Celsius möglich sein. Außerdem kann man ja mehrere "Sensoren" - also in meinem Fall Transistoren - auf Lager halten und die ganez Sache austauschbar gestalten.

Zum Gehäuse: bei diesen Umgebungsbedingungen würde ich mindestens IP65 nehmen.
Da kommen zb die BOPLA RCP... (gibts bei Reichelt, allerdings nicht ganz billig) in Frage. Die haben einen transparenten Deckel, wo das Display geschützt untergebracht werden kann.
Die Anschlüsse für die Sensoren und die Stromversorgung dann über wasserdichte Steckverbinder, bei denen es Abdeckkappen für nicht belegte Anschlüsse gibt (da kommen etliche Typen in Frage).

Eines habe ich bis jetzt mal sicher beschlossen: Es kommt keine Netzspannung in das Gerät! Das sollte die Sicherheit schonmal beträchtlich erhöhen. Deine Gedanken bezüglich Gehäuse werde ich mir mal durch den Kopf gehen lassen.

Ein alternatives Konzept: an der Lok nur den Sensor+Auswertung anbringen, und dann per Funk an die Anzeige-Einheit, die dann dort platziert werden kann, wo du sie gut ablesen kannst. Dann würde an Sensor ein deutlich kleinerer Akku reichen.

Diese Variante ist sehr interessant. Es wäre auch denkbar, das Gerät dann im Sozialraum zu positionieren, wo ich mich während der Nachtstunden oft aufhalte und Kaffee trinke. Damit weiß ich dann stets die aktuelle Temperatur im Kessel, auch wenn ich nicht gerade vor Ort bin.

Danke für eure rege Beteiligung und die nützlichen Tipps für die Realisierung des Projekts!

Grüße
Thomas