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Pressure Sensor

Beschreibung Pressure Sensor
Beschreibung Pressure Sensor
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Allgemeines

Die hier beschriebene Druckmessung entstand aus dem Projekt Timekeeper, dass auf Anfrage für eine Zeitmessung zu Trainingszwecke für eine Gleichmäßigkeitsprüfung durchgeführt wurde.
Als der Timekeeper beim Auftraggeber im Einsatz war, stellte sich heraus, dass das justieren der Lichtschranken gerade bei Sonnenschein eine mühselige Unterfangen darstellt.

Außerdem hängt die Genauigkeit der Erfassung hierbei auch immer von der Justierung der Lichtschranken ab. Da je nach Höhe und Winkel der Start- und Ziellichtschranke, diese bei verschieden Fahrzeugen unterschiedlich ausgelöst werden können. Diese Fehler bewegen sich zwar meist nur in Millisekunden Bereichen, können aber durchaus die Wertungsergebnisse beeinflussen.

So wurde die Idee geboren, einen alternative Messmethode zu testen. Es sollte eine Druckschlauchmessung aufgebaut werden, die quer über die Fahrbahn gelegt werden kann, umso eine Messmethode zu erhalten, die direkt an den Rädern des Fahrzeugs misst. Also Unabhängig von der Form und Bauart der Karosserie.

Es wurde ein PVC-Schlauch, der an einem Ende geschlossen war, an eine Handelsübliche Druckmessung angeschlossen und der Potentialfreie Ausgangskontakt mit dem entsprechenden Initiator Eingang des Timekeeper Moduls verbunden.

Die ersten Tests lieferten bereits sehr viel versprechend Ergebnisse und bewiesen, dass der grundsätzliche Testaufbau funktionierte.

Nach dem die ersten Erfahrungen mit verschiedene Schlauchmaterialien, Druckaufnehmer und den in der Praxis auftretenden Störeinflüssen gesammelt wurden. War schnell klar, dass eine handelsübliche Druckmessung die Anforderungen an diese Aufgabe nur bedingt erfüllen kann.

Der Nachteil eines solchen Messverfahrens ist eine vergleichsweise ungenaue Messung, da die Kunststoffschläuche ein gewisses Eigenleben haben, das zum Beispiel zu temperaturabhängigen Kriecheffekten und Offsetproblemen führt.

Es musste also eine speziell auf diese Art der Anwendung zuggeschnittene Lösung entwickelt werden.

Spezielle Funktion für die Schlauchdruckmessung

Das Hauptproblem stellt nicht die Messung an sich dar, sondern die Umgebungsbedingungen. Den der Druck im inneren des Schlauches ist natürlich in erster Linie abhängig von der Umgebungstemperatur.

Stellen wir uns folgendes vor, der Messaufbau wird am frühen Morgen installiert und getestet. Die Auslöseschwelle beim Überfahren des Schlauchs wird auf ein optimales Auslöseverhalten für die Art und Länge des Schlauchs programmiert.

Der Tag beginnt mit einem relativ kühlen Vormittag, entwickelt sich aber gegen die Mittagszeit zu einem sehr sonnigen Tag.
Am Nachmittag entstehen am Himmel größere vorbeiziehende Wolkenfelder.

So könnte ein normaler Sommer Tag aussehen … was passiert aber nun mit dem Druck im Sensorschlauch?

In der Früh wurde die Messung kalibriert und optimal eingestellt.
Am Vormittag steigt der Druck im Schlauchsensor jedoch stetig an. Im Extremfall sogar bis über die programmierte Auslöseschwelle.

Am Nachmittag wechselt der Druck im Schlauch im Verhältnis der vorbeiziehenden Wolkenfelder hin und her.
All dies hat Einfluss auf das Auslöseverhalten und die Genauigkeit der Messung und kann sogar zu Fehlauslösungen führen.

Genau für diesen Anwendungsfall wurde eine spezielle Zusatzfunktion in diese Druckmessung integriert.

Diese überwacht ständig den Druck im Sensorschlauch, steigt bzw. fällt der Druck (Delta P) über- oder unter einen programmierbaren Schwellwert und bleibt für eine definierbare Zeit (t) außerhalb der definierten Grenze, wird eine (AC) automatische Nullpunkt Kalibration des Relativdruckwertes durchgeführt.

Aufgabenstellung:

Es sollte eine Druckmessung mit einem weiten Eingangsspannungsbereich von 8 – 27V entwickelt werden.
Damit ein Betrieb mit einem Bleiakku (12V KFZ-Batterie), einem externen Netzteil oder eine direkte Versorgung aus dem Timekeeper Modul möglich ist. Dieser wird üblicherweise mit 24V gespeist.

Die Konfiguration der Modulparameter sollte direkt am Pressure Sensor Modul möglich sein. Für die Anzeige sollte ein kleines OLED-Display für die Anzeige der Messwerte und der Menüfunktionen vorhanden sein. Die Bedienung erfolgt dabei über einen Drehwahlschalter bzw. alternativ über einen Taster, der die Navigation und Auswahl der Menü Punkte erlaubt.

Das Modul sollte über drei konfigurierbare, potentialfreie Ausgangskontakte verfügen. Welche das Über- und Unterschreiten einer einstellbaren Druckschwelle, sowie einen Sensorfehler ausgeben können. Für jedes dieser drei Relais kann die Ruhelage NO (normally open) oder NC (normally closed) separat festgelegt werden.

Optional zur Werte- und Fehleranzeige am Sensor Modul, sollten diese Informationen auch über die Blynk App und ein Web Interface zugänglich sein.

Über die integrierte Micro USB-Schnittstelle sollen nach Aktivierung dieser Funktion im Menu, die Messwerte sowie die Statusmeldungen im Textformat ausgegeben werden. Damit diese für eine externe Weiterverarbeitung genutzt werden können.

Bei der Entwicklung der Messung sollte Wert daraufgelegt werden, dass diese sehr vielseitig, auch für beliebige andere Druckmessaufgabe eingesetzt werden kann.
Es sollen zwei verschiedene Messarten möglich sein, Messung des Absoluten Drucks sowie die Messung des Relativen Drucks.

Die Messung des Relativen Drucks sollte auch manuell Kalibriert werden können.

Für den Einsatz in Verbindung mit einer Druckschlauchmessung, muss eine spezielle Funktion implementiert werden, die bei Bedarf einen automatischen Differenzdruckabgleich durchführen kann. Dieser soll immer dann durchgeführt werden, wenn der Druck einen definierbaren Schwellwert (P) für eine definierbare Zeit (t) über- bzw. unterschreitet.

Das Pressure Sensor Modul sollte ein Teilbares System werden, das aus einem wechselbaren Drucksensor, dem eigentlichen Auswertemodul und einem schnell wechselbaren Schlauchsystem besteht.

Auf diese Weis ist es leicht möglich das Sensorsystem je nach Anforderung kundenspezifisch anzupassen.

In einem weiterer Entwicklungsschritt, soll die Firmware um eine eigenständige Zeitnahme Funktionalität erweitert werden.
Die Zeitmessung beginnt mit dem ersten Überfahren des Schlauchsensors und endet mit dem zweiten Überfahren.
Damit die Zeitmessung nicht sofort nach dem Überfahren mir den Hinterreifen wieder beendet wird, soll eine Verzögerungszeit zwischen der Start- und Endzeiterfassung eingegeben werden können, um dies zu verhindern.

Der Drucksensor:

Der verwendete Drucksensor ist ein analog arbeitender Sensor vom Typ: NP-TP-0016.
Er besitzt ein robustes Edelstahlgehäuse in dem sich ein präziser Druckkeramiksensor befindet. Die Vorverarbeitung des Messwerts übernimmt ein integrierter Mikrocontroller.
Der Sensor besitzt eine lange Lebensdauer bei einer geringen Langzeitdrift.

Die Verbindung zur Auswerteelektronik wird über eine dreipolige wasserdichte PACK-Steckverbindung hergestellt.
Die Versorgungsspannung des Sensors beträgt 5V ± 0,25V
Der Messbereich beträgt 0 – 15 psi / 0 – 1 bar
Der Analogausgang arbeitet in einem Spannungsbereich von 0,5V – 4,5V linear zum Skalendruck. Der Zerstörungsdruck liegt beim 3-fachen Skalendruck.

Da der Sensorwert über ein Analogsignal im Bereich von 0,5V – 4,5V übertragen wird, ist es leicht möglich, beim einem Über- bzw. Unterschreiten dieser Werte, eine Drahtbruch bzw. Kurzschluss Auswertung vorzunehmen.

Farbcode der Sensoranschlussdrähte:

  • Analogausgang 0,5-4,5V                   Grün
  • +5V (VDD)                                                 Schwarz
  • Masse (GND)                                            Rot
Datenblatt Drucksensor NP-TP-0016
Datenblatt Drucksensor NP-TP-0016
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Anschlussbelegung Hardware

Anschlussbelegung V1.00

REL. MIN      Potentialfreier Kontakt für eine min. Druck
REL. MAX    Potentialfreier Kontakt für eine max. Druck
REL. ERR      Potentialfreier Kontakt für eine Sensorstörung
SENS.             Sensor analog Eingang max. 0-5V
GND               Ground (Minus)
+5V                 Spannungsversorgung 5V Sensor
+3,3V             Spannungsversorgung 3,3V Sensor
+8-27V-       Spannungsversorgung Pressure Sensor Modul

Versionsverlauf:

Intended:

  • Integration Zeitmessmethode durch Druckauslösung
  • Ergebnisliste im Webserver.
  • Ergebnistabelle im Webserver als CSV exportieren.
  • Anzeige der Ergebnisse in der Blynk App.
PressureSensor V101
PressureSensor V101
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Released:

  • 15.12.2020: Version 1.00
    – Druckmessung relativ / absolut
    – Autocalibration
    – Sensorfehlererkennung Relaisausgang NC/NO
    – Seriale Ausgabe der Werte über USB,
    – Min/Max Wert Relaisausgänge NC/NO
    – Webbrowser Darstellung
    – Blynk Applikation
PressureSensor V1.00
PressureSensor V1.00
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Version: 1.00
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Platinen ätzen mit der Direkt-Toner-Methode

Diese Artikel richtet sich an alle, die bei der Platinenherstellung auf das wie ich finde aufwendige Belichten und Entwickeln des Platinenmaterials verzichten möchte. Alles was man statt dessen benötigt ist ein Laser Drucker und ein modifiziertes Laminiergerät.

Einen sehr gute Beschreibung mit allen Details zu diesem Thema habe ich auf der Seite von thomaspfeifer.net gefunden. Hier ein paar Auszüge daraus ….

Ein dankeschön an Thomas Pfeifer!

Die im folgendenden beschrieben Tonertransfermethode verzichtet daher einfach auf den Belichtungs und Entwicklungsschritt. Anstatt des Photolacks wird Laserdrucker-Toner als Ätz-Resist benutzt.
Das Layout wird dazu auf geeignetes Papier gedruckt und auf die Leiterplatte aufgebügelt. Anschließend wird das Papier wieder abgelöst – der Toner verbleibt auf dem Kupfer. Darauf folgt der Ätzvorgang.

Material:

  • Laserdrucker (bei mir ein HP Laserjet 1010)
  • Bügeleisen
  • Aceton (gibt’s im Baumarkt)
  • Epoxyd Platine mit Kupferbeschichtung, ohne Fotolack (z.B. Reichelt EPCU 160X100)
  • Ätzmittel (z.B. Natriumpersulfat)

1. Layout ausdrucken

Das Layout wird mit dem Laserdrucker auf eine Seite Reichelt-Kalaog gedruckt. Falls es Probleme mit Papierstaus gibt, kann man die Katalogseite am oberen Rand einfach mit Pritt-Stift auf ein Din-A4-Blatt kleben (gut trocknen lassen !).
Die Leiterbahnen auf der fertigen Platine sind gegenüber dem Ausdruck spiegelverkehrt. Das Layout muss also ggf. gespiegelt werden (d.h. Schrift nicht lesbar).
Zum Erstellen der Layouts verwende ich übrigens Eagle von Cadsoft.

Warum denn ausgerechnet Papier aus dem Katalog eines Elektronik-Versenders ?
Nun, nicht jedes Papier ist so wirklich zum aufbügeln geeignet.
Normales Schreibmaschinenpapier geht zum Beispiel gar nicht. Es ist nicht glatt genug, „saugt“ den Toner in sich auf und wellt sich auch bei Erwärmung und Feuchtigkeit.
Am besten geeignet sind veredelte, glatte Papiere die sich leicht gummiartig anfühlen. Einige schwören auf die Seiten aus dem Spiegel, Overheadfolie, Faxpapier oder dem Trägerpapier von Aufklebern. Mit dem Reichelt-Katalog habe ich persönlich jedoch die besten Erfahrungen gemacht.

Ausgedrucktes Layout

Bild 1: Ausgedrucktes Layout

2. Zurechtschneiden und ausrichten

Die Kupferseite der Platine wird mit Aceton von Staub, Fett und evtl. Fotolack befreit. Das ist wichtig, sonst hält darauf der Toner nicht.
Das Layout wird ausgeschnitten und mit der bedruckten Seite auf die Platine gelegt. Hierbei sollte man höllisch aufpassen das man keine Fingerabdrücke hinterlässt.
Falls nötig kann man das Papier mit einen kleinen Stück Tesafilm am Rand fixieren.

Das Layout wird mit der bedruckten Seite auf die Kupferfläche gelegt

Bild 2: Das Layout wird mit der bedruckten Seite auf die Kupferfläche gelegt

3. Aufbügeln

Auf die Platine mit dem Layout wird ein Leinentuch gelegt (ich verwende dafür einen alten Einkaufsbeutel).
Anschließend wird das bedruckte Papier mit einem handelsüblichen Bügeleisen mit kreisenden Bewegungen und leichtem Druck aufgebügelt. Es empfiehlt sich dabei die Platine mehrmals etwas abkühlen zu lassen und dann die Platine um 90° zu drehen, um ein gleichmäßiges Ergebnis zu bekommen.

Wichtig ist dabei die richtige Temperatur. Ist sie zu hoch, wird der Toner zu flüssig und die Leiterbahnen verlaufen. Ist sie zu niedrig, hält der Toner nicht auf dem Kupfer.
Bei mir hat sich eine Einstellung zwischen „Wolle“ und „Seide“ bewährt.

Das Layout wird mit leichtem Druck auf die Platine aufgebügelt

Bild 3: Das Layout wird mit leichtem Druck auf die Platine aufgebügelt

4. Papier ablösen

Die Platine wird nach dem abkühlen in einen Teller mit kaltem Wasser und einem Tropfen Spülmittel gelegt.
Das Papier kann man nach ein paar Minuten im Wasser mit dem Finger vorsichtig abrubbeln.
Stellt man jetzt fest, dass sich die Leiterbahnen ablösen (Temperatur zu klein) oder das diese verlaufen sind (Temperatur zu groß) entfernt man den Toner mit Aceton und versucht es noch einmal – GOTO 1

Bei späteren Versuchen stellte sich heraus das anstatt der Seifenlösung auch Badreiniger sehr gut geeignet ist. Dieser löst die Papierfasern teilweise auf. Dadurch kann man das Papier leichter entfernen und hat bei kleinen Zwischenräumen keine Probleme mehr mit hängen gebliebenen Papierfasern.

Nach ein paar Minuten einweichen lässt sich das Papier leicht abrubbeln

Bild 4: Nach ein paar Minuten einweichen lässt sich das Papier leicht abrubbeln

5. Einbrennen/Verdichten (optional)

Hat man das Papier grob abgelöst, kann man den Toner optional noch einmal „einbrennen“. Dazu spannt man das Bügeleisen kopfüber in einen Schraubstock, stellt dieses auf Maximum und legt die trockene (!) Platine für ein paar Minuten darauf.
Der Toner wird dabei noch einmal flüssig. Dadurch werden kleinste Löcher geschlossen und der Toner verbindet sich optimal mit dem Kupfer.
Nach dieser Behandlung ist der Toner so fest auf der Platinenoberfläche das man ihn mit dem Fingernagel schon fast nicht mehr abgekratzt bekommt.

Die Platine wird auf das heiße Bügeleisen gelegt

Bild 5: Die Platine wird auf das heiße Bügeleisen gelegt

6. Ätzen

Jetzt wird die Platine in das Ätzbad gelegt. Geätzt wird bei mir mit Natriumpersulfat (ca. 100g auf 0,5 Liter) da es nicht so herum saut wie Eisen-III-Chlorid und man sehen kann wie weit die Platine ist. Mit Salzsäure und Wasserstoffperoxyd geht es schneller – da mache ich seit den schwarzen Brandflecken im Tisch allerdings einen großen Bogen drum 😉
Als „Ätzmaschine“ nehme ich, ganz unkonventionell, einen alten Putzeimer der über einem Wasserbad auf 40-50°C erwärmt wird.

Ätzen mit NaPS im Putzeimer

Bild 6: Ätzen mit NaPS im Putzeimer

7. Fertig

Nach dem Ätzen muss die Platine nur noch von dem Toner befreit werden. Das geht wieder hervorragend mit einem Aceton-getränkten Lappen.
Danach kann die Platine gebohrt und wenn man möchte verzinnt werden.

Geätzte Platine mit Toner

Bild 7: Geätzte Platine mit Toner

Fertige Platine

Bild 8: Fertige Platine

Video Tutorial

Das Tonertransfer-Verfahren als Video-how-to (einseitig, Laminator, mit verzinnen). Das Video läuft in 4-facher Zeitraffer und ist im Original ca. 20min lang.

Video 1: Platinen Herstellung in 20min. (4x Zeitraffer)

Taugt die Methode denn was ?

Ich habe damit problemlos mehrere Euro-Platinen, teilweise mit TQFP-SMD-Bauteilen, geätzt.
Mit unterbrochenen Leiterbahnen gab’s noch nie Probleme.
Zum Test habe ich mal 3 mil (0,0762mm) Leiterbahnen (!) geätzt. Das würde ausreichen um zwischen den Beinchen eines LQPF-SMD-Bauteils noch eine Leiterbahn durchzuführen…

3mil Leiterbahn

Noch etwas besser und einfacher als mit dem Bügeleisen, geht es mit einem modifizierten Laminiergerät.
Damit lassen sich auch problemlos zweiseitige Platinen herstellen.

Übrigens: Die Platinen der verschiedenen Projekte auf dieser Website sind nahezu alle mit dem hier beschriebenen Arbeitsablauf selbst hergestellt worden.

Update:

Optimales Papier, optimale Temperatur

Das optimale Papier und die optimale Temperatur beim aufbügeln scheint sehr stark von dem Druckertyp bzw. dem verwendeten Toner abzuhängen. Es lohnt sich also, einfach mal verschiedene Papiersorten durch zu probieren. Hier eine kleine Tabelle mit bekannten Drucker-Papier Kombinationen:

Drucker Toner Temperatur Papier Bemerkung
Brother HL-1430 Original ? RS-Katalog
Brother HL-2030 Original Bügeleisen 100% Reichelt- u. Pollin-K. Probleme mit Masseflächen
Brother HL-2030 Original Bügeleisen 100% GEO (weißer Hintergrund)
Brother HL-5050 Original Bügeleisen 100% KS-Katalog Druckdichte: sehr dunkel
Brother HL-5150 Original Bügeleisen 100% ? Druckdichte: sehr dunkel
Canon LBP2900 Original Laminator 125-130°C Reichelt-Katalog „gut bis sehr gut“
HP Laserjet 3P Original 220°C Reichelt-Katalog Probleme mit Masseflächen
HP Laserjet 1010 Refill (noname) 190°C Reichelt-Katalog 1a Ergebnisse
HP Laserjet 1022 Original Reichelt-Katalog funktioniert bestens
HP Laserjet 1022 Original Bügeleisen, Wolle-Seide Fotopapier: „Laser High Glossy (PU)“ Gut einweichen, Masseflächen sauber
HP Laserjet P2015 Original Laminator ca 190° Reichelt-Katalog
HP Laserjet 3380 Original Bügeleisen 90% Deckblatt iX, c’t etc.
HP Laserjet 4050 Refill Bügeleisen 100% Reicheltkatalog Mit sehr starkem Druck ca 90 Sek.
HP Laserjet 5P Original Laminiergerät 3-5mal bei 125° Reicheltkatalog
HP Laserjet 6P Canon EP-A Bügeleisen 100% Reicheltkatalog Leiterbahnen >0.25mm kein Problem, keine Löcher
Konika-Monilta MC2550 Original Bügeleisen 100% Transferfolie (welche?) Toner haftet manchmal nicht
Lexmark Optra E112 Original ? Avery Zweckform Trägerpapier
Lexmark Optra E340 Original Bügeleisen 100% Conrad Katalog Seite 4-5min. mit langsam kreisenden Bewegungen bei ca. 4-5kg Druck. Masseflächen und Linien perfekt.
Lexmark Optra S 1255 Original Laminator, 170°C, 2-8x Reichelt „Super Ergebnis“
Nashuatec DSm615 Original Bügeleisen, Leinen Werder-Magazin (ähnlich ct-Deckblatt aber dünner)
Samsung CLP-300N Original Bügeleisen 90% Deckblatt IX, c’t etc.
Samsung CLP-300 Original Bügeleisen 100%, ca 1min. Reicheltkatalog
Samsung CLP-510N Original Bügeleisen 90% Focus Seite, ca. 3min 10mil sind kein Problem
Samsung CLP-600N Original Bügeleisen 90% Zweckform Color Laser Premium Photo Papier (2698)
Samsung ML2010 Original Bügeleisen Wolle (130°C) Hornbach Katalog Badewannen-Acryl Lässt sich an einem Stück abziehen
Samsung ML4600 Original Bügeleisen (Leinen/Baumwolle) Reicheltkatalog >0.7mm kein Problem
Samsung SCX-4500 Original Laminator (unmodifiziert) Reichelt-Katalog

Ich würde mich auf Rückmeldungen freuen, um die Tabelle zu erweitern.
Danke an Christian, Kay, Dominik, Michael, Nicola, Ralf, Alex, Andreas, Ahment, Daniel, Felix, Max, Niklas, Simon, Milan, Jürgen, Steffen, Rainer, R.G., Kai, Dennis, Matthias, Markus E. und Mäxx.

Typische Fehlerursachen

  • Zu heiß und zu kurz gebügelt (Toner haftet dann nicht). Da es eine Weile dauert bis sich die Wärme durch das Papier verteilt hat, kann man ruhig länger drauf halten (1-3 min.).
  • Kupferfläche nicht sauber (Fingerabdrücke!). Es wurde berichtet, dass die Küchentücher eines Herstellers in Verbindung mit Aceton einen Schmierfilm hinterlassen.
  • Die Platine mit Topfreiniger oder grobem Schleifpapier anzurauhen ist keine gute Idee. Die dadurch entstehenden Riefen führen zu Rissen in den Leiterbahnen. Besser: Platine reinigen und kurz anätzen.
  • Einweichen zu kurz. Das Papier sollte schon gut durchgeweicht sein.

Bestückungsaufdruck

Mit der Tonermethode lässt sich auch problemlos ein Bestückungsaufdruck realisieren (Danke an Philipp für den Hinweis), wie das folgende Bild zeigt. Wenn man den Toner anschließend, wie unter „5. Einbrennen“ beschrieben, noch einmal erwärmt, wird der Druck sogar recht kratzfest.

Bestückungsaufdruck auf einer ungebohrten Platine

Bild 10: Bestückungsaufdruck auf einer ungebohrten Platine

Ätzen von Metallblechen

Prinzipiell sollte es mit der beschriebenen Methode auch mögliche sein, dünne Metallbleche zu ätzen. Auf ähnliche Weise werden z.B. feinste Blechteile aus Messing oder Kupfer für den Modellbau hergestellt. Denkbar wäre auch die Herstellung von Lötpasten-Masken, wie sie beim Reflow-Löten von SMD-Bauteilen benötigt werden.