Strömungswächter zur Lüfterüberwachung
von Wolfgang Triebig
Fragestellung
Nehmen wir einmal an, man hat aus einem schönen alten Holzschrank einen DIY-Serverschrank gebaut. Für die Kühlung wurde an der Rückwand ein Lüfter eingebaut. Bei Ausfall des Lüfters besteht die Gefahr, dass sich im Schrank eine zu hohe Temperatur bildet, die zum Ausfall der Rechner führen könnte. Die Überwachung der Betriebsspannung des Lüfters wird einen defekten Lüfter nicht erkennen, die Überwachung der Stromaufnahme liefert auch kein Ergebnis darüber ob tatsächlich ein Luftstrom vorhanden ist. Daher ist es notwendig, den Luftstrom selbst zu messen. Fällt der Lüfter aus, soll über das IoT-Board ein Alarm ausgelöst werden.
Grundprinzip
Gehen wir zunächst von einer konstanten Lufttemperatur aus. Ein NTC wird durch einen kleinen Heizwiderstand aufgeheizt. Der durch den Lüfter verursachte Luftstrom führt einen Teil der Wärme des Heizwiderstandes ab und der NTC nimmt einen bestimmten Widerstandswert an. Fällt die Lüftung aus, entfällt die Wärmeabfuhr, so dass die Temperatur am NTC steigt. Die daraus folgende Widerstandsänderung wird elektronisch erkannt und löst eine Signalisierung aus.
Soweit die Theorie. In der Praxis wird allerdings die Lufttemperatur in einem mehr oder weniger großen Umfang schwanken. Die daraus resultierende Änderung des Widerstandswertes des NTC darf weder die Warnschwelle hochsetzen, noch zu einer unberechtigten Alarmauslösung führen. Die Temperaturschwankung muss daher durch einen zweiten NTC kompensiert werden. Dieser muss so angeordnet werden, dass er einerseits der gleichen Lufttemperatur ausgesetzt ist, andererseits darf er durch den Heizwiderstand nicht erwärmt werden.
Aufbau des Sensors und Funktionsbeschreibung
In den beiden Adventskalendern befinden sich genügend Teile, um einen Strömungssensor nach dem beschriebenen Prinzip aufzubauen. T1, T2, R5, R6 und die LED bilden einen sehr einfachen Differenzverstärker. Die Basis der beiden Transistoren bilden die Eingänge. Ist die Spannung an der Basis von T1 größer gegenüber der Spannung an der Basis von T2 wird die LED dunkel sein. Ist die Spannung an der Basis von T2 geringer gegenüber der Spannung an der Basis von T2 wird die LED leuchten. Der Festwiderstand R7 und der NTC R8 bilden einen Spannungsteiler zur Messung der Lufttemperatur. Der Trimmpoti R3 mit dem NTC R4 bilden den Spannungsteiler zur Messung der Temperatur in der Nähe der beiden Heizwiderstände R1 und R2. Beim Aufbau ist darauf zu achten, dass sich R3 dicht an den Widerständen R1 und R2 befindet, ohne diese direkt zu berühren.
Zum Test wird noch ein kleiner Lüfter, zum Beispiel aus einem alten PC benötigt. Dieser wird so aufgestellt, dass der Luftstrom beide NTC erreicht. Nach dem Einschalten der Betriebsspannung wird sich nach etwa 10 – 20 Sekunden ein stabiler Temperaturzustand eingestellt haben. Der Poti R3 kann nun so eingestellt werden, dass die LED gerade aus ist. Nimmt man den Lüfter weg, wird die LED nach kurzer Zeit leuchten.
Über Poti R3 werden die Spannungsverhältnisse am Differenzverstärker so eingestellt, dass die LED dunkel bleibt. Nach Wegfall des Luftstromes wird der NTC R4 durch die Widerstände R1 und R2 erwärmt und sein Widerstandswert sinkt. Dadurch sinkt die Spannung an der Basis von T1, wodurch der Kollektorstrom (IC) von T1 ebenfalls sinkt. Der niedrigere IC hat einen niedrigeren Strom und damit auch eine niedrigere Spannung an R6 zur Folge. Damit steigt die Basis-Emitter-Spannung (UBE) von T2, da die Spannung an R8 unverändert ist. Durch die höhere UBE steigt der Kollektorstrom in T2, die LED leuchtet. Schwankungen der Lufttemperatur bewirken eine annähernd gleiche Spannungsänderung an der Basis von T1 und T2, so dass sich er Zustand der LED nicht ändert.
Anschluss an das IoT-Board
Softwareseitig bietet sich der Tag 21 an. Neben der Alarmierung über Twitter wird auch lokal ein akustischer Alarm ausgelöst. Auch die Eingangsschaltung mit Fototransistor und Widerstand 10 kΩ kann so übernommen werden. Dazu werden die LED und der Fototransistor in die beiden Enden eines ca. 10 mm langen Stück Trinkhalm gesteckt. Das Ganze noch so abgeschattet, dass der Fototransistor durch Fremdlicht nicht beeinflusst wird. Da ich das NanoESP-Board nicht habe, konnte ich diesen Teil nicht vollständig testen. In meinem Versuch ist die Spannung am Fototransistor zwischen 0,75 Volt und 4,75 Volt gewechselt. Dies sollte für eine sichere Zustandserkennung ausreichen, wenn nicht ist der Warnschwelle von 500 in der Software anzupassen.
Im praktischen Einsatz beachten
Soll die Schaltung nicht nur experimentell funktionieren, sondern im praktischen Einsatz sicher laufen, müssen einige wenige Dinge beachtet werden. Wie beschrieben erfolgt das Erkennen eines Luftstromes durch die unterschiedliche Erwärmung eines NTC durch einen Heizwiderstand. Diese Erwärmung muss konstant gehalten werden. Daher muss der Aufbau mechanisch so stabil sein, das der Abstand zwischen NTC und Heizwiderstand konstant bleibt. Auch die Spannung am Heizwiderstand muss konstant sein, da die Heizleistung mit dem Quadrat der Spannung steigt bzw. fällt. Im Testaufbau habe ich zwei verschiedene NTC verbaut, da diese so in den Adventkalendern beigelegt wurden. Bei einem Aufbau sollten die beiden NTC vom gleichen Wert und möglichst aus der gleichen Charge sein, um ein gleiches Temperaturverhalten zu erreichen.