Een alternatief om het CO2 volume te meten

[Albertus]

Met belangstelling volg ik de berichten over automatisering van (delen van) ons brouwproces. Met name Tcontrol van Henielma vind ik heel mooi. Alleen dat gedoe met die balg om de CO2 te meten lijkt mij storingsgevoelig.

Eerst heb ik wat anders geprobeerd. Een voeler uit een of andere wasmachine die rond de 4 cm waterdruk kon meten met een hysteresis van ± 2 cm. De CO2 liet ik in een vat lopen waar de voeler mee verbonden was, de voeler stuurde een slangenpomp aan die wat CO2 wegpompte zodra de druk boven de 6 cm waterdruk kwam. De tijd die de slangenpomp draaide was een indicatie voor de hoeveelheid CO2. Een en ander werkte heel goed maar de opbrengst van de slangenpomp (10 liter per uur) zou wel eens voor problemen kunnen zorgen.

Een solid state oplossing zou het mooiste zijn.
Door een waterslot wordt de CO2 in kleine porties afgelaten, dat geeft een beetje stroming die je moet kunnen meten door een venturi aan te brengen vóór het waterslot, in de industrie wordt deze manier van meten gebruikt:



In de modelbouw wordt voor het meten van de snelheid van vliegtuigjes met behulp van een pilotbuis gebruik gemaakt van de MPXV7002DP, een heel kleine, nauwkeurige, verschildruksensor. Voor dit experiment heb ik er een besteld en samen met een diplay aan een Arduino gehangen.
De venturi bestaat uit wat rommel die ik had liggen en waaraan ik twee 3 mm koperbuisjes voor de sensor heb gesoldeerd, binnenin zit een afdichting van koperfolie gesoldeerd met een gaatje van 1,5 mm. Wanneer ik deze methode ga gebruiken moet er een nette uitvoering in kunststof komen.

Na wat experimenteren met de software blijkt een en ander te werken. Elke 10 ms doe ik een meting van het drukverschil. De druksensor is lineair, er moet nog blijken hoe dat met de venturi zit.
Tot nu toe zijn de resultaten bemoedigend.
Wanneer ik dit ga gebruiken kan ik het resultaat op een SD kaart opslaan, doorsturen naar een PC of via het netwerk naar de NAS. Of wat je maar met je data wilt doen.

Aardige bijkomstigheid is dat de klassieke wijze van "meten" door te kijken naar het waterslot mogelijk blijft. In geval van storing een uitkomst.

De opstelling:



De sensor:



Het display.
Linksboven het meetinterval (hier 10 ms), rechtsboven de meting (0..1048).
Tweede en derde regel de volumemeting.
Op de onderste regel het interval tussen twee bellen in het waterslot, dit werkt niet altijd goed omdat de bellen soms in kleine "treintjes" komen.




Wanneer het experiment slaagt  maak er een "nette" versie van dan kom ik hier op terug.

Bert

[William]

Een hele leuke uitvoering van een flowmeting Bert die veel parallellen vertoont met hoe het in de procesindustrie wordt gedaan.

Ik ben vooral benieuwd hoe deze met bellentreinen omgaat, of het water in het waterslot voldoende demping geeft en of variatie van de omgevingstemperatuur effect heeft op de druk meting.

Dit projectje volg ik met interesse!

[seed7]

Mooi.

Is het meten van de verschildruk vat/omgeving niet voldoende, of levert dit een hogere nauwkeurigheid op?

Ingo

[hans_nwk]

Ik denk dat je wellicht moet werken met een klep die je op een bepaalde overdruk openstuurt en dan meet hoe lang je een bepaalde flow meet (en het waterslot weg laten).

Anders moet je systeem (incl verschildrukmeter) razendsnel zijn om met een bellentrein de wisselende flows te meten.

Ook een restrictie opnemen zodat de druk relatief langzaam wordt afgelaten zodat je de tijd hebt om te meten.

Iets om rekening mee te houden is dat met een meetflens zoals je hier gebruikt (volgens de tekening gebruik je een meetflens en geen venturi) de onderste 30% procent van je meetbereik erg onnauwkeurig is. Dat je de wortel moet nemen van je drukverschil wist je waarschijnlijk al om je meting lineair te maken.

Ik vind dit heel mooie projecten! Ik weet zeker dat als ik er aan begin dat het half afgemaakt blijft liggen maar ik vind het mooi om te volgen hoe mensen met meer doorzettingsvermogen het voor elkaar krijgen!

Groet,
Hans

[hans_nwk]

Mooi.

Is het meten van de verschildruk vat/omgeving niet voldoende, of levert dit een hogere nauwkeurigheid op?

Ingo

Ik denk dat dat ook kan maar dan ben je afhankelijk van de kopruimte in je vat als de geproduceerde hoeveelheid CO2 wil weten. Als je dat ingeeft als parameter voor de fermentatie en je registreert drukverschillen voor en na een bel kun je hoeveelheid ontsnapt gas berekenen.

[RobinB]

Ziet er weer indrukwekkend uit!

[Zooms]

Heel erg gaaf! Wil hier zeker meer van weten / meer van horen / meer van zien!

Ronald

[Anton]

Een prachtig experiment, ik ben erg benieuwd naar de resultaten.

[Pim]

Heel mooi experiment wat ik aandachtig ga volgen 

[Henielma]

Een drukschakelaar met slangenpomp is ook eens in mij opgekomen maar de capaciteit van een slangenpomp is te laag en de prijs (te) hoog.

Die venturi is interessant. Punt van aandacht is wel de levensduur van de silicium druksensor. Er komt tijdens de vergisting niet alleen CO2 vrij maar ook agressieve gassen die de sensor kunnen beschadigen.

Wanneer uit je sensorinterface een digitale puls van 3V3 of 5V komt zou Tcontrol-IO deze kunnen tellen en kan Tcontrol de koolzuurproductie weergeven.

Ben benieuwd of je tot een mooie oplossing kan komen om de koolzuurproductie te volgen.

[hansHalberstadt]

Mooie oplossing met zo'n venturi. Dit soort druksensors kunnen zeer kleine drukverschillen meten.  Punt van aandacht is denk ik wel dat je je af moet vragen wat de nauwkeurigheid van de meting bepaalt. Dat is denk ik het volume per blubje van het waterslot. Daar zit nogal wat tolerantie op omdat het volume sterk afhankelijk zal zijn van de koolzuurproductie en de hoeveelheid water in het waterslot. (of integreer je elke 10ms de gemeten flow?)

Eigenlijk wil je een echte flow meting doen bij een constante stroming. Ik zou dan eerder een heel dun buisje nemen, bv een injectienaald en daar alle koolzuur doorheen laten lopen. De drukval over de injectienaald zal dan waarschijnlijk evenredig zijn met de flow (vergelijk met spanningsval over elektrische weerstand evenredig met de stroom) en goed meetbaar dus kun je gebruiken om de flow te meten. Druk is evenredig met de lengte van het buisje en neemt af met de diameter van het buisje (als je laminaire of turbulente stroming hebt, een van de 2 weet niet meer welke). Zo kun je zeker een optimum vinden denk ik en hoef je geen snelle metingen te doen omdat de flow constant blijft. 

HansH   

[hans_nwk]

Eigenlijk wil je een echte flow meting doen bij een constante stroming. Ik zou dan eerder een heel dun buisje nemen, bv een injectienaald en daar alle koolzuur doorheen laten lopen.

Qua meting zou dit heel mooi werken maar hoe dimensioneer je het zo dat je het goede bereik hebt (en genoeg doorlaat) bij een stevige hoofdvergisting en het napruttelen bij het nagisten?

Mijn methode zou zijn:
Zorg ervoor dat de bubbels groot worden en minder frequent door bv veel kopruimte (of een apart buffervat) en een wat hogere druk opbouw.
Eerst dacht ik dat de drukopbouw het handigst zou zijn met een klep maar met een blow-off slang die vrij diep in het water zit kun je dit ook doen (en is wat meer failsafe).

Als je dan de inhoud van je lege ruimte bepaald voor de vergisting en begin- en einddruk voor een bel kun je met de verschildruk en het volume (en evt temperatuur) het aantal liters  CO2 (en met temperatuur erbij zelfs het aantal mollen) berekenen.

Waarschijnlijk hoeft de meting dan ook niet al te snel te werken en heb je over een groot bereik een vergelijkbare nauwkeurigheid.
Groet,
Hans

[hansHalberstadt]

Qua meting zou dit heel mooi werken maar hoe dimensioneer je het zo dat je het goede bereik hebt (en genoeg doorlaat) bij een stevige hoofdvergisting en het napruttelen bij het nagisten?

De gebruikte sensor heeft een full scale waarde van 2 kpascal=20mbar=20cm waterkolom en een nauwkeurigheid van 2.5% van full scale=0.5 cm waterkolom. De druk van een waterslot is ca 2cm waterkolom en het drukverschil over de venture is daar maar een klein deel van, dus niet nauwkeurig genoeg vrees ik.

Je zou dus het meetbuisje=injectienaald of iets dergelijks zo kunnen dimensioneren dat bij de maximale flow er bijvoorbeeld 5 cm waterkolom ontstaat als drukverschuil over het buisje, maar dan nog heb je al snel een nauwkeurigheidsprobleem bij lage gistingssnelheid.

Ik vrees dus dat deze method niet gaat werken met deze sensor. Blijft over gepulseerd meten, dus over korter tijd veel flow genereren en daarna een tijdje geen flow, zoals bij een waterslot. Dus toch weer klepjes etc als het waterslot niet nauwkeurig genoeg is. evt kun je nog de gemeten sensor waarde autiozero-en op momenten dat je weet dat er geen flow is.

HansH

[hans_nwk]

De gebruikte sensor heeft een full scale waarde van 2 kpascal=20mbar=20cm waterkolom en een nauwkeurigheid van 2.5% van full scale=0.5 cm waterkolom. De druk van een waterslot is ca 2cm waterkolom en het drukverschil over de venture is daar maar een klein deel van, dus niet nauwkeurig genoeg vrees ik.

Bij een stevige vergisting en hoge flow door een dun buisje kan de druk over je restrictie (het is geen venturi zoals het getekend is maar een meetflens) hoger zijn dan die over het waterslot.
Bij nagisting  natuurlijk niet.

Het waterslot is een van de stromingsweerstanden in serie en de druk over het waterslot is niet de totaaldruk (als er flow is) maar moet je optellen bij de druk over de leiding en je meetflens.

Allemaal geneuzel achter de komma, het belangrijkste uit jouw post blijft: Het gaat zo niet werken.
Groet,
Hans

[William]

Bert, verras ons met een werkend prototype

[hansHalberstadt]

Bij een stevige vergisting en hoge flow door een dun buisje kan de druk over je restrictie (het is geen venturi zoals het getekend is maar een meetflens) hoger zijn dan die over het waterslot.
Bij nagisting  natuurlijk niet.

het belangrijkste uit jouw post blijft: Het gaat zo niet werken.

Zonder nulpuntscalibratie kan het inderdaad niet werken volgens mij.
Het kan wel werken denk ik, mits je iets slims doet om de nulpuntsfout van de sensor constant te blijven corrigeren, bv door bij een waterslot als hij niet blupt het dan gemeten signal gelijk te maken aan 0. kan makkelijk door er in de Arduino of pc verwerking een offset bij op te tellen die ervoor zorgt dat het uitgangssignaal 0 wordt als er geen blub is.

Voor de oplossing met buisje en continue stroom CO2 moet je het buisje zo kiezen dat bij een stevige vergisting een acceptable drukverschil over het meetbuisje ontstaat. Hoe hoger de druk is die je accepteert, hoe minder nulpuntsproblemen je hebt als de zaak bijna is uitgegist, maar bij hogere druk heb je meer kans dat het gistingsvat gaat lekken bij de deksel omdat het bol gaat staan. Hoe je met het buisje dan de nulpuntsfout moet corrigeren is nog een uitdaging.misschien buisje+waterslot in serie. Waterslot zorgt voor pulserend gedrag zodat je kunt calibreren, meetbuisje zorgt dat je tijdens een blup een nauwkeurige meting kunt doen.

Parallel misschien ook nog een waterslot/u buis als 'oversdruk beveiliging'. als de gisting erg hevig is kan de druk dan nooit hoger worden dan wat het waterslot toestaat voordat het gaat bluppen.

HansH
 

[hans_nwk]

Ik zou denk ik toch voor een drukverschil voor en na een bel gaan en de bellen groot maken met een klep of een waterslot m.b.v. 20 cm waterkolom (blow-off constructie).

Als je de inhoud van je gaskap weet kun je met de gaswet de hoeveelheid wel bepalen. Je verwaarloost dan wel de CO2 productie tijdens een bel en misschien komt er door de drukverlaging ook nog wel wat CO2 uit oplossing die je dan ook niet meeneemt.

 
Misschien toch ook niet ideaal.

Of je moet een buffervat gebruiken tussen gistvat en waterslot (of achter het waterslot, is hygienischer):
1: Klep voor de buffer open, erachter dicht, wachten tot grenswaarde verschildruk met atmosfeer bereikt is.
2: Klep voor de buffer dicht, erachter open en wachten tot verschildruk nul is (of heel klein i.v.m. meetfout).
3: terug naar 1 en CO2 flow uitrekenen.

Wordt wel weer ingewikkelder met twee kleppen.

Ik schreef eerst dat de druk over de restrictie hoger kon zijn dan die over het waterslot, dat klopt niet omdat dat de druk bepaalt wanneer er uberhaupt flow komt.

Een backup ontgassing lijkt inderdaad nodig met een dun pijpje.

Ik denk dat je met de flow meting een leuke activiteitsindicatie kunt krijgen maar heel moeilijk een nauwkeurige meting.

grt
Hans

[bierhenkie]

Bert, verras ons met een werkend prototype

Het Beste Idee van (brouwend) Nederland 

[Albertus]

Leuk dat zo veel leden van het forum meedenken. 

Vandaag had ik geen tijd om er naar te kijken maar de opstelling zoals die nu is geeft na aanpassing van de software al een aardige indicatie, zeg maar een foutmarge van 20 %.
Mijn doel is een opstelling zonder kleppen e.d. dus geen bewegende delen (behalve het waterslot dat werkt als een soort klep  ).
Zonder waterslot werkt e.e.a. ook, daardoor kan ik voor elke uitgelezen waarde nagaan wat de afwijking is.
Ik meet (met waterslot) elke 10 ms en bereken dan hoeveelheid die bij elke meting hoort, corrigeer deze, en tel ze dan op.
Ik zal nog nagaan wat zonder waterslot de minimum flow is die nog gemeten wordt.
Geef me nog wat tijd om te rommelen.

Bert

[Zooms]

Albertus,

Ik denk dat je heel goed bezig bent. Je gaat uit van een bestaand principe (pitotbuis) en legt in mijn ogen terecht de link naar wat daar (vliegtuigindustrie, niet alleen modelbouw!) kan werken zou bij ons ook kunnen werken. Het aantal metingen dat je doet (100 per seconde als ik het goed heb) zou meer dan voldoende moeten zijn om ook met de hier gevreesde bellentrein om te kunnen gaan. Neem lekker de tijd en deel je bevindingen af en toe (en trek je niet teveel aan van kan niet en werkt niet....).

Succes!

Ronald

[Nozem]

Alleen is het geen pitot-buis. Als het is uitgevoerd zoals te zien is in de schets meet je de drukval over een orifice plaat (orifice flow meter)

Leuk initiatief Bert! Was je al langer bezig met digitale elektronica of is dit je eerste project?
Indien je last hebt van de dynamische flow t.g.v. het waterslot, is het dan niet mogelijk om het waterslot te vervangen door een filter van <1 um?

Hoewel deze projecten natuurlijk erg leuk zijn om uit voeren ben ik wel benieuwd naar het uiteindelijke doel. Wil je uiteindelijk de temperatuur langzaam laten oplopen bij afnemende flow? Of is het meten op zich een doel?

[Albertus]

Toen ik op de HBS zat (ja,ja,dat is lang geleden  ) was electronica al een hobby van me, toen nog met buizen en veel dumpmateriaal. Later heb ik voor de Commodore64 interfaces gemaakt om te meten. Van tijd tot tijd ligt de hobby plat maar de uitdaging van de Arduino kon ik niet laten liggen. Je koopt nu een single chip computer voor de prijs van één transistor in de jaren '50.

Vandaag heb ik het meetinterval teruggebracht tot 2 ms, wat een aanzienlijke verbetering gaf.
Overigens werkt de opstelling bij lage opbrengst niet zonder waterslot, het is kennelijk nodig de bellen te samplen.
Het doel is de vergisting vast te leggen, niet om er direct iets mee te sturen. Maar ja je weet nooit. Eerst maar eens een SD kaart inbouwen.

Bert

[William]

Overigens werkt de opstelling bij lage opbrengst niet zonder waterslot, het is kennelijk nodig de bellen te samplen.

Indien je last hebt van de dynamische flow t.g.v. het waterslot, is het dan niet mogelijk om het waterslot te vervangen door een filter van <1 um?

Een 0,2 um sterielfilter als waterslot zou wel eens voldoende tegendruk kunnen geven. Je hebt filter met verschillende poriën voor verschillende drukken.

Een alternatief voor een waterslot is een "olieslot". Je zit dan in ieder geval niet met verdamping van water en daardoor variatie in drukverschil. Het olieslot heb ik wel eens gebruikt voor de lichtsluisbellenteller om de bellentreinen beter op te vangen.

[Nozem]

De drukval over een orifice is vrij simpel en nauwkeurig te berekenen. Als je weet wat voor minimum flow je wilt kunnen meten is de doorlaat eenvoudig te berekenen. Ik denk dat je doorlaat van 1.5 mm vrij groot is voor deze toepassing. Misschien kan je dubbelzijdige prinplaat nemen en daar een gaatje van 0.5 mm inboren. Op deze plaat kan je dan weer makkelijk aan elke zijde een buisje solderen.
Mocht je geen printboortjes hebben die zo klein zijn dan kan ik wel iets voor je maken.
Uiteraard is de maximale flow door zo'n klein gaatje ook beperkt, als de kritische drukverhouding bereikt wordt houdt het op en gaat er niet meer door heen. Dus misschien zal je twee orifice metingen moeten hebben, 1 voor lage flow en de andere voor hoge flow.

Voor een nauwkeurige meting is het beter om afscheid te nemen van je waterslot. Deze zorgt voor een dynamische flow en mogelijk ontstaan zelfs druk pulsaties door resonanties in je meetkanalen. Om drukpulsaties te beperken/voorkomen is het belangrijk om je meetkanalen zo kort mogelijk te houden.

[Albertus]

De drukval over een orifice is vrij simpel en nauwkeurig te berekenen. Als je weet wat voor minimum flow je wilt kunnen meten is de doorlaat eenvoudig te berekenen. Ik denk dat je doorlaat van 1.5 mm vrij groot is voor deze toepassing. Misschien kan je dubbelzijdige prinplaat nemen en daar een gaatje van 0.5 mm inboren. Op deze plaat kan je dan weer makkelijk aan elke zijde een buisje solderen.
Mocht je geen printboortjes hebben die zo klein zijn dan kan ik wel iets voor je maken.
Uiteraard is de maximale flow door zo'n klein gaatje ook beperkt, als de kritische drukverhouding bereikt wordt houdt het op en gaat er niet meer door heen. Dus misschien zal je twee orifice metingen moeten hebben, 1 voor lage flow en de andere voor hoge flow.

Voor een nauwkeurige meting is het beter om afscheid te nemen van je waterslot. Deze zorgt voor een dynamische flow en mogelijk ontstaan zelfs druk pulsaties door resonanties in je meetkanalen. Om druk pulsaties te beperken/voorkomen is het belangrijk om je meetkanalen zo kort mogelijk te houden.

Boortje is geen probleem. Die printplaats zal ik in gedachten houden, leuke oplossing.
Er ontstaan zeker druk pulsaties want af en toe is de meting "negatief" (er stroomt lucht de andere kant op). Dat is niet zo'n probleem omdat dat wordt meegenomen in de meting.
Een kleiner gaatje zal het onderste bereik verbeteren en wellicht het waterslot overbodig maken. Ik hen helaas al gemerkt dat dat zelfs 1,5 mm bij een forse toevoer al tot problemen leidt (oplopende druk).

De afwijking van de lineairiteit (bij grotere flow wordt te veel gemeten) blijkt evenredig met de flow te zijn. Dat was softwarematig makkelijk op te lossen. De opstelling geeft nu bij vier "opbrengsten" (een blubje in de 3 seconden, een per seconde, bijna constante bubbels en een razend waterslot) de juiste waarde.

Bert

[edit] Ik wist niet dat zo'n ding een orifice heet. Hier op googlen levert weer heel veel moois op.[\edit]