Bräuchte mal physikalisch-technische Hilfe

[M_I_B]

Moin Kinnaz,

wie an anderer Stelle bereits beschrieben, bin ich nebenbei am Projekt "Wasserbett Belegterkennung & Co". bei. Heute hatte ich mal die Zeit, den RPi nebst AD's an die im Bett verbauten Sensoren anzuschließen. 1Wire ist alle schick, aber leider habe ich wohl einen von vier toten Drucksensoren 

Wie dem auch sei.. Auf meiner Seite funktionieren die Sensoren zumindest. Allerdings habe ich wohl irgendwo einen Denkfehler drin, denn ich kann keinen Unterschied feststellen, ob ich im Bett liege oder nicht. Daher mal meine Anfrage bezgl. Brainstorming...

Verwendet habe ich Brückensensoren, die ursprünglich aus Dialysegeräten stammen (siehe Anlage). Die haben eine recht große Sensorfläche und sind auch recht präzise, da MedTech... Die Sensorfläche eines jeden Sensors hat einen Durchmesser von 18mm. Auf jeder Betthälfte sind zwei Stück derart verbaut, das sie plan mit der Fläche abschließen und bei etwa 1/3 und 2/3 des Wasserkerns angebracht sind (jede Bettseite ein Wasserkern mit ca. 600l).

Nun bin ich davon ausgegangen, das die Sensoren problemlos den Druckunterschied erkennen können, ob nun der Wasserkern alleine oder aber mit Person drauf auf die Sensoren drückt. Aber da habe ich mich übel verschätzt...


Mache ich da irgendwo einen Denkfehler?!?

[pink99panther]

Hallo M_I_B

Wenn Du eine Wanne von 2m X 1m hättest und Du 100 kg wiegen würdest,
würde der Wasserspiegel um ca. 5 cm steigen, wenn Du Dich in die Wanne legst.
Das würde einen Druckunterschied von 0,005 bar bedeuten.
Haben Deine Sensoren eine dazu passende Empfindlichkeit?

LG
p99p

[M_I_B]

... Onkel Archimedes 

Um Deine Frage zu beantworten: Ja, das lösen die Sensoren problemlos auf. Auf dem Versuchstisch kann ich die einfach aus etwa 50cm anpusten und die reagieren...
Zudem ist hier das Archimedes- Prinzip nur bedingt anwendbar. In der Wanne kann das Wasser nach oben ohne Hinderung steigen. Im Wasserkern hingegen nur minimal, da das verdrängte Volumen durch den Kernmantel daran gehindert wird. Als Beleg dafür mag gelten, das die Kerne etwa 25cm hoch sind, ich aber auch im Sitzen nicht mit dem Hintern auf den Grund komme.

Mag sein, das die Sache dennoch irgendwie damit zusammen hängt; sind die Flächen zu klein, um durch Kernmantel und Schutzwanne (dicke Folie) eine entsprechende Druckänderung zu registrieren?

Ich arbeite aktuell an einem Differential-AD mit einer Auflösung von 18bit, einer Verstärkung von 2, multipliziert mit 100.000 ohne Nachkommastelle. Die Verstärkung kann ich leider nicht weiter anheben, weil die Differenz durch die bereits durch den Kern bestehenden Vorspannung den AD in den Overflow schiebt.

Ich war auch schon am Überlegen ob es nicht schlauer ist, jedem Sensor einen Instrumentenverstärker mit Offsetkompensation (AD8237 z.B.) zu spendieren, so das ich zum einen den Offset wegbekomme, zum anderen die Ausgangsspannung bei einem leeren Bett auf 0 bringen kann, um dadurch einen hohen Dynamikbereich zu erhalten; ich hatte gehofft, das komplett softwaretechnisch zu erschlagen...

[Pf@nne]

Moin,

die Sensoren sitzen in der Seitenwand Flächenbündig, das erscheint mir problematisch.
Der Druck der auf den Sensor ausgeübt wird hängt maßgeblich von der Steifigkeit deiner Wasserbetthülle ab.
Wäre diese steif wie ein Stahlblech würde der Druck auf den Sensor 0Pa betragen.
Je nach Ausbeulung (je weicher die Hülle desto stärker die Ausbeulung) wird ein sehr geringer Druck auf den Sensor ausgeübt.

Welchen Druckbereich kann denn der Sensor abbilden?
Kann er ein Gewicht von 10g unterscheiden?

Gruß
Pf@nne

[CoolTux]

Ja, das lösen die Sensoren problemlos auf. Auf dem Versuchstisch kann ich die einfach aus etwa 50cm anpusten und die reagieren...

Würde sagen, JA

[M_I_B]

... die Sensoren sitzen nicht in der Seitenwand, sondern unterhalb der Kerne. Bei einem Wasserbett ist ja i.d.R. eine Unterkonstruktion nebst Gewichtverteiler (meist Wabenkonstruktion) vorhanden. Hier besteht die ganze Konstruktion aus MDF Platten (Eigenbau). Die "Liegefläche" besteht also aus einer planen Fläche/Platte MDF. Darin sind auf beiden Seiten jeweils zwei Sensoren eingelassen dergestalt, das jeweils mittig Wasserkern links und rechts die Sensoren sich bei etwa 1/3 und 2/3 der Länge des Kerns befinden. Ich kann dazu auch gerne noch mal eine Handzeichnung machen, damit wir nicht aneinander vorbei reden.

Was die Empfindlichkeit der Sensoren betrifft: Ja, 10g können die auflösen ... Ich habe dafür zwar kein Datenblatt bekommen können, aber bei Versuchen auf dem Tisch war das problemlos möglich

[M_I_B]

... ohhh ... Brainstorming hilft ...
Ich habe jetzt mal grob das Verhältnis der Flächen zueinander ausgerechnet.
Die beiden Sensoren pro Seite haben zusammen eine Fläche von 509mm², der Kern eine Bodenfläche von etwa 1710000mm². Das entspricht einem Verhältnis von etwa 1:3360.
Wenn ich das richtig sehe und ich meine 90kg da drauf schmeiße, dann würden an jedem Sensor nur noch 13,4g ankommen, (Archimedes mal ganz ausser acht gelassen). Jetzt liegt über jedem Sensor noch die Folie der Schutzwanne, der Stoffmantel des Kernes und die Hülle des Kernes selber... Das dürfte in diesem Gramm- Bereich rein aus dem Bauch heraus jegliche Varianz zunichte machen...

... habe ich das korrekt dargestellt?

[Pf@nne]

Ja, hast du!

ich komme überschlägig (s=10m/s²) mit 100kg auf ein Delta von 13g.
Das gilt aber ja nur, wenn der Sensor quasi im Wasser wäre.
Über dem Sensor ist ja aber noch die Außenhaut des des Wasserkernes.
Wäre diese aus 10mm Stahlblech würde der Sensor immer 0 Anzeigen,
wäre die Außenhülle ein Kondom, dann kämen vermutlich die 13g zum Tragen......

[M_I_B]

... ach schei*** 
Ich arbeite bekanntlich ja oft einfach nach Gefühl und Bauch, was in 95% aller Fälle auch hinhaut, aber hier habe ich wohl mal vollkommen geloost 

Ich werde jetzt an die Sensoren noch mal mit einer Spannungsrefferenz dran gehen und einzeln mal mit einem hoch auflösendem Voltmeter checken, ob sich überhaut was tun. Je nach Ergebnis werde ich dann die Sache entweder begraben (bis mir eine neue Idee kommt), oder aber mit dem Instrumentenverstärker versuchen, die Nummer zu retten...

Die nächsten Tage aber muss ich erst mal einige Fichten pflücken (ernst gemeint... Isch habe Bagger das *grin*), damit ich das Astwerk beim Osterfeuer entsorgen kann. Sobald ich weitermache, kann ich gerne berichten...

Ich danke Euch erst mal für die Unterstützung!

[Wzut]

aber hier habe ich wohl mal vollkommen geloost 

nicht unbedingt Mein erster Gedanke war auch "die Fläche ist zu klein" . Aber jetzt wird es bitter, um die Nutzfläche zu vergrößern must du wohl oder übel  wieder das Wasser ablassen ( ich weiß wovon ich rede, habe meine ca. 800 L bis jetzt drei Mal entsorgt ).
Wenn das Wasser dann raus ist würde ich versuchen den Druck nicht in der Fläche unterhalb der Schutzfolie zu messen sondern irgendwo an deiner Wabenstruktur. Der Vorteil wäre das du dann schon mal ganz ohne Wasser mit verschiedenen Belastungen testen kannst.
Statt Drucksensoren könnte man wie vor 30 Jahren schon vermutlich auch ein paar Dehnmeßstreifen auf der großen Bodenplatte anbringen.

[M_I_B]

... ohhh, Wasser ablassen ist immer doof. Das sind vollberuhigte Kerne. Also müssen die Vaccumiert werden, bevor man die rausnehmen kann. Da ist man immer einen Tag unterwegs... Und das gibt echt Mecker von der Holden, wenn die auf dem Sofa schlafen muss 

Dehnmessstreifen unter die Platte wird nichts bringen. Zum einen ist die Bodenplatte ein Stück (2m x 2,2m) und mit 22mm ein echter Brocken, zum anderen ist da eine Wabenstruktur drunter zwecks Gewichtsverteilung. Die jeweils freitragende Fläche ist nicht größer als 30cm x 30cm. Das scheidet also als Option aus...
Was mir gerade als Notlösung in den Sinn kommt: Evtl mit der Oberfräse auf jeder Seite eine Kreisfläche von sagen wir mal 50cm Durchmesser senken, dort plan eine Aluplatte rein und darunter Dehnmessstreifen oder eine Wägezelle; wäre eine große Sensorfläche... Letztendlich kommt es mir ja nicht auf das tatsächliche Gewicht an (obwohl... mit Realgewicht könnte ich meine Holde mal etwas pricken  ), sondern nur darauf zu erkennen, ob wer in der Kiste und auf welcher Seite liegt.

Edit sagt: bei einer Ronde mit 50cm Durchmesser würde ich mit meinen 90kg eine Gewichtsänderung von ca. 3,3kg auf die Ronde bewirken. Bei der Fläche dürften sich dann auch die Folien & Co. nicht so deutlich auswirken... Behalte ich als Option mal im Hinterkopf... Nu geh ich Fichten pflücken ...

[Prof. Dr. Peter Henning]

Na, dann will ich als Physiker auch mal meinen Senf dazugeben.

Als erstes frage ich mich, wieso das unbedingt unter dem Wasserkern gemessen werden muss - der hat eine ziemlich große Auflagefläche. Ich gehe mal davon aus, dass es sich bei der "selbstgebauten MDF-Unterkonstruktion in Wabenstruktur" um senkrecht gestellte MDF-Streifen handelt. Die haben zusammen eine wesentlich geringere Auflagefläche, somit sind Gewichtserhöhungen darin leichter festzustellen, wenn man die Kraftwirkung zwischen Unterkonstruktion und Boden misst.

Mein Vorschlag also: Sensoren in die Unterkonstruktion einbauen. Klingt theoretisch einfach, praktisch ist das möglicherweise Bockmist weil das Ding schon seit jahren festgefügt steht. Man könnte trotzdem Folgendes versuchen: Auf jeder Seite des Bettes einen Messtreifen unterschieben - so etwa wie den hier, allerdings mit sehr viel größerem Messbereich (müsste es geben, derzeit keine Zeit zur genauen Suche): https://www.conrad.de/de/p/interlink-drucksensor-1-st-fsr408-0-2-n-bis-20-n-l-x-b-x-h-622-3-x-15-2-x-0-41-mm-503372.html

LG

pah

[Wuppi68]

als nicht Physiker aber selber Wasserbettler

Wenn ich mich ins Bett begebe, wird ja auch immer die "gesamte" Blase verändert ... kann man da nicht am Rand irgendeinen bewegunsaktiven Messstreifen aufbringen, der z.B. seinen Widerstand bei Bewegung ändert?
Oder
Oben und Unten auf der Blase "Kondensatorfolien aufbrgingen und dort dann die Kapazitätsänderung messen?

[CoolTux]

als nicht Physiker aber selber Wasserbettler

Wenn ich mich ins Bett begebe, wird ja auch immer die "gesamte" Blase verändert ... kann man da nicht am Rand irgendeinen bewegunsaktiven Messstreifen aufbringen, der z.B. seinen Widerstand bei Bewegung ändert?
Oder
Oben und Unten auf der Blase "Kondensatorfolien aufbrgingen und dort dann die Kapazitätsänderung messen?

Bist Du des Wahnsinns. Sobald Kinderplanung im Spiel ist brennt der Kondensator durch 

[M_I_B]

 

Kinderplanung ist bei uns durch... Die Eine Zicke reicht auch für Drei (wobei... es wären eigentlich Drei gewesen; zwei haben wir verloren...). Also von daher keine Gefahr Training ist aber wohl auch eine Gefahr, woi?!°

Also Peters Idee ist auch ziemlich interessant, allerdings mechanisch ganz schön aufwändig. Da müsste jede Halbseite unabhängig voneinander auf 4 oder 6 Messpunkten/Wägezellen aufliegen, ohne das sich irgend welche seitlichen Bewegungen ergeben können. Das dürfte eine mechanische Herausforderung werden, wenn das ganze Konstrukt dann auch nicht quitschen soll ;o)
Kondensatorfolien halte ich für nicht praktikabel, da auf Grund des Wassers und der "Blasenfolie" das Dielektrikum fast keinerlei kapazitive Änderung bewirken würde...
Die "Randmessung" ist mindestens eine Überlegung wert... Muss ich in der aktuellen Baumpflück- Zwangspause (Dorf... Mittagsruhe *grummel*) mal drüber nachdenken...