Messeinrichtung für sog. Thermoakustik-Motor
In der Beschreibung des sogenannten Thermoakustik-Motors hatte ich schon erläutert, warum thermoakustische Effekte zur Erklärung der Funktionsweise des Motors unzutreffend sind. Um der Funktionsweise beizukommen, hatte ich beschlossen, ein Druck-Kolbenweg-Diagramm für den Motor aufzunehmen. Man kennt das von Dampfmaschinen. Dort hat man mittels eines Indikator-Diagramms, was ja ebenfalls ein Druck-Kolbenweg-Diagramm ist, die Leistung der Dampfmaschine (die indizierte Leistung) bestimmt.
Als Basis der Messeinrichtung sollte ein Arduino Mikrocontroller mit einem passenden Drucksensor benutzt werden. Die weitere Auswertung sollte auf einem PC gemacht werden.
Vorab musste abgeklärt werden, ob die Daten der beteiligten Hardware-Komponenten, insbesondere die Reaktionszeiten des Drucksensors, die Auswertezeit des analog-digital-Wandlers im Arduino usw., den Anforderungen genügen würden. Nachdem diese Frage positiv beantwortet war, konnte es an die Planung und den Bau der Messeinrichtung gehen.
Auf den folgenden Fotos sieht man das Ergebnis:
Ich habe den von mir gebauten Motor, wie auf den Fotos zu sehen, durch die Messeinrichtungen erweitert. Der Drucksensor ist an der Messing-Verbindungsmuffe zwischen Reagenzglas und Glaszylinder angeschlossen. Da der Druck im Motor zu jedem Zeitpunkt überall gleich ist (siehe Beschreibung des Motors), ist der Anschlusspunkt ohne Bedeutung. Der Druck im Motor wird auf dem Weg zum unteren Totpunkt kleiner als der Atmosphärendruck. Der Differenzdrucksensor misst jedoch nur Drücke, die größer als der Druck im Referenzdruckanschluss sind. Daher habe ich mittels einer Injektionsspritze durch Herausziehen des Kolbens einen leichten Unterdruck im Referenzdruckanschluss des Drucksensors erzeugt, so dass der zu messende Druck stets größer als der Referenzdruck ist.
Die Schwungscheibe erhielt zwei geschlitzte kreisförmige Scheiben, die jeweils eine Gabellichtschranke auslösen. Eine dieser Scheiben hat nur einen Schlitz. Sie dient dazu, die Druckmessungen mit dem oberen Totpunkt des Motors zu synchronisieren. Die Scheibe mit 36 Schlitzen definiert die Punkte (alle 10 Grad), an denen während einer Kurbelwellenumdrehung der Druck gemessen wird.
Die Messwerte des Drucksensors und der Gabellichtschranken werden in einem Arduino nano ausgewertet. Im Arduino werden die Druckwerte über 10 Kurbelwellenumdrehungen gemittelt. Zusätzlich wird die mittlere Drehzahl während der 10 Kurbelwellenumdrehungen bestimmt. Ein Messvorgang kann durch Betätigung eines an den Arduino angeschlossenen Tasters ausgelöst werden.
Die gemittelten Druckwerte, zusammen mit den jeweiligen aus dem Kurbelwellenwinkel berechneten Kolbenwegen, sowie die mittlere Drehzahl werden über die USB-Schnittstelle des Arduino an ein Terminalprogramm auf dem PC geschickt, dort angezeigt und zusätzlich in eine Datei geschrieben.
Soweit zum Aufbau der Messeinrichtungen und zu der Programmierung des Arduino.