Przepływomierz powietrza cz. 1

     Witam.

     Lato już przeszło. Zaczęły się przygotowania do sezonu zimowego. Zauważyłem, że centrala zaczęła przełączać się w tryb odzysku ciepła z mieszkania. Niestety zima się zbliża. Temat chłodzenia centralą jestem zmuszony przełożyć na przyszły rok.

     Postanowiłem, że zajmę się ulepszeniem centrali. Na pierwszy ogień poszły przepływomierze powierza. W obecnej konfiguracji używam dwóch skrętek sieciowych do komunikacji sterownika z centralą. Nie ma tam komunikacji na wzór sieci LAN. Użyłem tych przewodów z racji łatwości kupienia i ilości żył. W tych dwóch kablach mam przepuszczone wszystkie sygnały. Zasilanie sterownika, sygnały napięciowe do sterowania przekaźnikami klapy by-pass’u, pomiar wilgotności, PWMy, sygnały zwrotne pozycji klapy, obrotów wentylatorów. Wszystkie, 16 żył, są zajęte. Chcą dołożyć sygnał z przepływomierzy, potrzebuję wygospodarować wolne miejsce. Dołożenie dodatkowej skrętki nie wchodzi w rachubę. Rycie tynku, łatanie i malowanie, to za dużo na takie zmiany.

Nie pozostało mi nic innego jak zmienić sposób przesyłania danych. W pierwszej kolejności postanowiłem zrezygnować z sygnału obrotów wentylatorów. Uzyskałbym 2 żyły, przez które mógłbym przesyłać sygnał z przepływomierzy. Szkoda tylko usuwać skoro jest i działa.

     Zastanawiając się jak wygospodarować wolne przewody wpadłem na pomysł, aby pomiary analogowe, przesyłane w postaci poziomów napięć, przetworzyć i przesyłać drogą cyfrową. Naturalne jest, aby „doczepić” do istniejącej już mikro sieci 1-Wire. Przeszukując bazę elementów posiadające zaimplementowany taki interfejs, trafiłem na układy scalone do kontroli poziomu napięcia w bateriach. Układ nadzorujący DS2438Z+ jest przetwornikiem analogowo cyfrowym z modułem komunikacji 1-Wire. Producentem jest Maxim. Ważną cechą jest to, że protokół komunikacji jest identyczny jak czujniki temperatury DS18B20. Bez większych problemów  mogę dołożyć dodatkowe elementy w sieci. Zmiana będzie polegała na przeniesieniu konwersji analog-cyfra z uC do układu zewnętrznego. Sam przetwornik będzie znajdował się w centrali, tuż przy czujnikach wilgotności. Informacja przez 1-Wire będzie odebrana i obrabiana w mikrokontrolerze.

W ten sposób zyskuje dwie wolne żyły do przesyłania impulsów z przepływomierzy.

Początkowo myślałem, aby użyć przepływomierze z jakiegoś auta. Ładne proste rozwiązanie. Wystarczyło wyciągnąć z niego potrzebny sygnał. Niestety ceny trochę zaporowe aby użycie miało jakiś sens. Dodatkowo musiałbym użyć konwersji napięć  z 12 na 3,3 V.  Pomiar przepływu na bazie różnicy ciśnień na kryzie też jest trudny do wykonania w takich warunkach. Zależy mi na jak najmniejszych oporach przepływu. Dodatkowo prędkość powietrza też jest tu stosunkowo mała.

Wybór padł na przepływomierze turbinowe/wirnikowe. Na wirniku takiego przepływomierza zainstalowany jest mały magnes. Używając czujnika halla można uzyskać sygnał dyskretny częstotliwości winniczka. Są gotowe rozwiązania przemysłowe, ale są drogie i przeważnie pracują na napięciu 24 VDC.

     Nie pozostaje nic innego, jak wykonanie samemu takiego przepływomierza. Zdecydowałem się na  kupienie turbinki, aby ominąć wszystkie problemy mechaniczne. Czujnik i resztę postanowiłem dorobić  samemu. W „polskim” Internecie, bardzo trudno kupić samą turbinkę w przystępnej cenie. Druga bardzo irytująca sprawa, to brak cen na stronach. Praktycznie wszystkie hurtownie piszą „zadzwoń po cenę” , „cena przez kontakt z doradcą” itp. Na koniec i tak się okazuje, że nie mają czegoś takiego na miejscu, a czas oczekiwania to ok. 6-8 tygodni. Prawie jak paczka z Chin.

„W sumie, dlaczego by nie z Chin …”

AliExpress.com i kilka zapytań w wyszukiwarce i mamy sporą listę przepływomierzy. Ceny od 5 USD do … Jeżeli chcemy „na już”, to koszt transportu przewyższa koszt zakupu. Jeżeli możemy poczekać to przesyłka za darmo. Kupiłem dwie turbinki po 7 USD. na początku sierpnia. Pomyślałem, że i tak jadę na wakacje, to niech paczka sobie spokojnie płynie w kontenerze. W poniedziałek  listonosz oficjalnie dostarczył mi avizo, że paczka już jest, ale na poczcie.

Czujniki  halla kupiłem w tme. Cena spora bo po 3 zł/szt + koszt przesyłki 16 zł. Pozostaje tylko sprawdzić czy działa i poskładać.

Sam montaż jest stosunkowo prosty. Po rozebraniu przepływomierza, zeszlifowałem powierzchnię, aby ułatwić sobie montaż. Płaska chropowata powierzchnia ułatwi późniejsze przyklejenie czujnika. Aby oznaczyć miejsce przyklejenia podłączałem czujnik do multimetru sprawdzałem czy reaguje na magnes wirnika.

Kiedy miałem tak przygotowane materiały, zacząłem składać wszystko do kupy.

Sam czujnik był uruchomiony, w chwili przyklejania do ścianki przepływomierza. Ważne jest aby kontrolować czy nic się nie przesunęło. Użyłem kropelki. Po związaniu całość zalałem klejem na gorąco. Aby nie uszkodzić czujnika przez przegrzanie, to po zalaniu kleju w otwór czujnika, szybko przepuściłem zimną wodę przez turbinę. Po ostygnięciu i wysuszeniu wszystkiego, zacząłem pierwsze testy. Jak na razie z poziomu mieszkania.

Teraz program. Nie rozwiąże tego czysto sprzętowo. Na porcie B mam już wykorzystane przerwania do kontroli sterowania klapy by-passu. Jest ona dla mnie ważniejsza niż pomiar, dlatego nie będę tego zmieniał. Liczniki z systemem zdarzeń w XMega są już zajęte innymi funkcjami. PWMy do wentylatorów i podświetlenia LCD. Kontrola obrotów itp.

Nie pozostaje nic innego jak zrealizowanie tego czysto programowo.

Po pierwsze eliminacja drgania styków. Co prawda, przełączanie jest na złączu tranzystora, ale dlaczego nie chuchać na zimne.

Drugim krokiem to liczniki i wyświetlanie wartości na panelu.

Trzeci to kalibracja i sprawdzenie przepływów,

Czwarty to automatyczna korekta nastaw wentylatorów, aby same wyrównywały przepływy na kanałach zbiorczych.

Krok pierwszy :  klasyczne opóźnienie w przyjęciu sygnału za wiarygodny. Czujnik ma wewnętrzne podciągniecie do plusa. Napięcie na wyjściu to 3,3 V w chwili kiedy nie ma przyłożonego pola. Kiedy magnes jest w okolicy obszaru pomiarowego, wyjście jest zwierane do masy.

Mikrokontroler sprawdza czy napięcie na wejściu nie zmienia się ze stanu wysokiego (3,3V) na niskie (0V).

Kiedy taka zmiana zostanie wykryta (zbocze opadające), mikrokontroler nie reaguje jeszcze. Program realizuje się jeszcze przez 5 pełnych cykli, aby następnie ponownie sprawdzić stan wejścia. Jeżeli nadal utrzymuje się stan niski, to zostaje dodana 1 do licznika częstotliwości. Następnie funkcja jest blokowana do czasu pojawienia się  stanu wysokiego na wejściu.

Licznik jest odczytywany i zerowany co sekundę w przerwaniu zegara RTC.

Ciekawostką jest to, że przepływomierze są już wyskalowane w m/s. Mierząc częstotliwość impulsów dostajemy przepływ w metrach na sekundę bez kropki. Przykładowo. Pojawia się 23 impulsy na sekundę, oznacza to przepływ 2.3 m/s. 10 impulsów to 1.0 m/s. Z drugiej strony, nawet gdyby trzeba było coś przeliczać, aby dostać wynik, nie robiłbym tego.

Dla mnie ważniejsze jest zrównanie przepływów, a nie mierzenie ich co do wartości.

      Kiedy wykonam drugi, połączę je w szereg i zobaczę czy pokażą to samo.

    Po zainstalowaniu dopiszę procedurę automatycznej regulacji prędkości wentylatorów. Będzie to prawdziwe automatyczne sterowanie z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego. Układ taki będzie mógł sam reagować na zmiany w centrali i mieszkaniu. Przykładowo zapychanie się jednego z filtrów, będzie kompensowane przez zmianę obrotów, tak aby utrzymać określony przepływ.

Sterownik powinien sam równoważyć instalację. Jeżeli któryś z anemostatów będzie przymknięty, centrala dostosuje się do tego i dobierze prawidłowe nastawy.

Będę mógł zmienić sterowanie na panelu z regulacją wentylatorów. Teraz mam dwie oddzielne nastawy. Wentylator nawiewu i wywiewu. Przeprogramuję to tak, że będzie tylko jedna regulacja prędkości, a drugą nastawa to będzie różnica między nawiewem, a wywiewem. Przykładowo +5% więcej nawiewu od wywiewu.

 

 

Chyba najważniejsze zalety to :

 – łatwość w bilansowaniu układu

 – szybkie wykrywanie zamarzania wymiennika w okresie zimowym. Zmniejszający się przepływ na wywiewie, będzie sygnalizował oblodzenie.

 

Zobaczymy jak wyjdzie.

Pozdrawiam

GrzegorzM