Idee fuer Geblaese

    Als neues "Projekt" moechte ich etwas mit modernen technischen Moeglichkeiten herumspielen und schauen, ob dabei was brauchbares rauskommt, auch wenn ich eigentlich eher traditionellen Bauweisen zugeneigt bin.


    Ich verfolge parallel mehrere Ideen, z.B. habe ich testweise auch schon ein paar Pfeifen mit 3D-Druckern gedruckt, aber momentan moechte ich eine Art "selbstregulierende" Windversorgung ausprobieren:

    Ich habe mir einen Drucksensor passend zum Winddruck einer Orgel gekauft und moechte damit und mit einer elektrischen Schaltung und/oder einem Mikrocontroller das Geblaese steuern. Mein aktueller Ansatz ist, dass das Geblaese aus zwei Pumpen (Kolben, Membranpumpen oder Baelgen) besteht, die einzeln ueber Elektromagnete oder Motoren bewegt werden koennen. Meine Hoffnung ist, dadurch sowohl auf einen Ausgleichsbalg als auch ein uebliches elektrisches Geblaese verzichten zu koennen.

    Interessant! Ja, wenn die Regelung schnell genug ist, funktioniert das. Ansonsten, wenn die Regelung zu langsam ist, muss man einen Puffer einbauen (kleiner Balg mit Feder vorgespannt), ähnlich eines Kondensators in einer elektr. Schaltung, der die Stromspitzen quasi "wegsaugt".


    In einer alten Ausgabe von "Die Hausorgel" hat schon mal jemand was mit Motoren gebaut um trad. Keilbälge zu steuern.


    Und hier bei mir in der Gegend gibt es auch eine historische Orgel mit Kastenbälgen (Eichstetten am Kaiserstuhl) wo man die alten Kastenbälge erhalten hat und statt des Gebläses gibt es eine automatische Bedienung der alten Bälge mittels Motoren :-) Damit hat man das alte Verhalten und den historischen Klang mit den Winddruck-Fluktuationen ohne dass jemand schuften muss.

    Hier mal ein kurzer Zwischenstand: Ich habe einige Versuche durchgefuehrt und Teil-Prototypen gebaut, auch mit Hilfe eines 3D-Druckers.

    Momentan bin ich dabei, das ganze zu einem funktionierenden Ganzen zusammenzufuehren.


    Hier die grobe angestrebte Funktionsweise fuer den Prototypen, Details folgen ggf. noch:

    - Es gibt 2 Baelge, die von je zwei (fertig gekauften) Elektromagneten auf- bzw. zugezogen werden koennen. Die Baelge sind sehr klein (48mm x 48mm bei 14mm Aufgang), damit die Elektromagneten bei erlaubter Dauerleistung sicher den notwendigen Druck aufbauen koennen.

    - Es gibt die zwei notwendigen ueblichen Rueckschlagventile pro Balg.

    - Am Luftauslass gibt es einen Drucksensor.

    - Die Auslenkung der Magnete kann mittels zweier Lichtschranken pro Balg ueberwacht werden, deren Positionen mit Schrauben sehr fein justiert werden koennen. Das werde ich ggf. noch durch Schiebepotentiometer ersetzen, bei dem ich nicht nur zwei fixe Punkte ueberwachen kann.

    - Das ganze wird von einem programmierbaren Mikrocontroller ueberwacht und gesteuert. Der grobe Programmablauf wird sein, dass immer ein Balg die primaere Leistung bringt. Kommt dieser Balg dem Ende seiner moeglichen Kontraktion nahe, dann wird versucht mit moeglichst wenig Druckabweichung auf den anderen Balg zu wechseln. Ist das abgeschlossen, wird der erste Balg sehr schnell wieder aufgezogen (aus diesem Grund ist das Einlassventil sehr gross dimensioniert, um wenig Unterdruck zu erzeugen).


    Folgende Gedanken kamen mir dabei noch:

    - Doppelbaelge (also Luftproduktion bei jeder Bewegungsrichtung) sind sicherlich effizienter, ich wollte es aber fuer den Anfang einfach halten.

    - Eventuell koennte es sinnvoll sein, statt Rueckschlagventile mit Magneten schaltbare Ventile zu verwenden.

    - Die Baelge koennten eventuell wesentlich zuverlaessigere Membranbaelge werden.

    - Statt zweier Elektromagnete pro Balg koennte man ggf. einen benutzen, wenn der bewegliche Teil ein Permanentmagnet ist.


    Hier der Aufbau schematisch fuer einen Balg, Photos vom Aufbau folgen spaeter:

    Bislang habe ich zwar nur einen Balg, kann aber schon erkennen, dass die Druckregulierung ueber den PI-Regler sehr gut funktioniert.

    Ich habe mit dem 3D-Drucker eine kleine Probepfeife und ein kleines Ventil gedruckt. Wenn ich das Ventil oeffne spricht die Pfeife gut an und man hoert keinerlei Druckabfall (natuerlich nur bis der Balg wieder aufgezogen werden muss, da gibts dann natuerlich eine kurze Unterbrechung des Tons).


    Allerdings werde ich den zweiten Balg garnicht erst bauen, weil absehbar ist, dass mit einigermassen kleinen Elektromagneten niemals der Luftdurchsatz erreicht werden kann den ich haben will (aktuell moechte ich am Ende einen Prototypen, der 500cm^3/s bei 50mm WS liefert -- in etwa das was das Bormann-Floetenwerk braucht).

    Dafuer braeuchte ich 15 Balgbetaetigungen pro Sekunde. Wenn ich testweise die Luft ungehindert entweichen lasse, schafft der Magnet in etwa 7 Betaetigungen pro Sekunde. Das kann ggf. noch optimiert werden und man koennte ggf. zusaetzlich Doppelbaelge verwenden und so die 500cm^3 erreichen, aber das ganze scheint mir nicht zielfuehrend zu sein.


    Stattdessen ist mein Ansatz jetzt folgender: Ich benutze das was ich jetzt habe nur zur Druckregulierung, also als einen Puffer wie ihn schon Jens angeregt hat. Allerdings werde ich statt einer Feder (oder einem Gewicht) wieder den Elektromagneten verwenden. Ich hatte bislang bei absolut jedem meiner Projekte Probleme, den Druck ueber eine Feder konstant zu halten. Mein Versuch hat mir aber jetzt gezeigt, dass das mit dem Magneten erstaunlich gut funktioniert, also verwende ich es weiter.


    Als eigentliches Geblaese werde ich jetzt einen buerstenlosen Gleichstrommotor verwenden (gut steuerbar und effektiv), der 4 kleine Baelge antreibt. Ich bin gerade dabei, das zu entwerfen. Die Regelung ist wie folgt geplant:

    - Der Pufferbalg mit dem Elektromagneten macht das gleiche wie mein bisheriger Aufbau, nur ohne die Option, den Balg wieder aufzuziehen (PI-Regler mit dem Drucksensor am Eingang und der Magnetleistung am Ausgang).

    - der Motor bekommt auch eine (davon komplett unabhaengige) PI- oder PID-Steuerung, die sich aber nicht am Druck, sondern am Fuellstand des Pufferbalgs orientiert.


    Folgende Fragen bleiben erstmal noch offen:

    - Rueckschlagventile oder elektrisch steuerbare Ventile? Ggf. koennte man die Ventile auch ueber die Motorachse ansteuern.

    - Mini-Baelge wie ich sie jetzt schon verwende oder Membran-Baelge?

    - ggf. noch ein zustaetzliches Abblasventil, damit der Motor immer mit einer Mindestdrehzahl laufen kann?

    Da ich auf eine Bestellung mit Bauteilen fuer die Steuerung des Motors warten musste, habe ich ein bisschen mit magnetgesteuerten Ventilen und einer MIDI-Ansteuerung rumexperimentiert.

    Ich habe jetzt testweise einen Aufbau, bei dem ich mit einer MIDI-Klaviatur, die ueber WLAN mit dem Aufbau verbunden ist, ein Ventil ansteuern kann.


    Die Verbindung ist wie folgt:

    - MIDI-Klaviatur ueber USB an Android-Handy angeschlossen

    - kostenlose MIDI-App auf dem Handy, die das MIDI ueber RTP-MIDI ueber WLAN weiterleitet

    - ESP32-Mikrocontroller mit WLAN, der die RTP-MIDI-Signale empfaengt und an einem Pin das Signal fuer einen Ton ausgibt

    - MOSFET-Treiber, der einen kleinen Elektromagneten ansteuert

    - Der Elektromagnet zieht ein mit einem 3D-Drucker gedrucktes Ventil auf. Das funktioniert noch nicht perfekt und muss noch optimiert werden. Im Prinzip sind es zwei Scheiben aus TPU (flexibler aber sehr stabiler Kunststoff), die mit Gummi beklebt sind, die das Ventil darstellen und eine Membran ebenfalls aus TPU, die sowohl als Rueckstellfeder als auch als luftdichte Isolierung nach aussen dient, damit der Magnet sich nicht in der "Windlade" befinden muss. Ich denke auch ueber fertig gekaufte Magnetventile nach, aber die sind in den richtigen Groessen schwer zu finden.


    Bilder folgen noch, hier mal ein Bild vom aktuellen experimentiellen Aufbau mit Versuchen bzgl. Motor, Membranpumpe, Windregulierung und der beschriebenen Ventilsteuerung:


    Mal wieder ein Update zu dem Geblaese:


    Die Steuerung des BLDC-Motors funktioniert jetzt.

    Momentan experimentiere ich mit Membranpumpen. Ich habe eine Membran mit 10cm Durchmesser aus TPU (flexibel) in einer Halterung aus PLA (hart) gedruckt und dicht verschraubt. Die Membran kann sich mit ca. 6mm Hoehendifferenz gut bewegen.

    Das funktioniert soweit, allerdings schalten meine Flatter-Rueckschlagventile ohne Feder nicht schnell genug, weil mit einem Pumpvorgang nur sehr wenig Luft transportiert wird.

    Deswegen habe ich einen Versuch mit Rueckschlagventilen mit Federn gemacht, der allerdings recht erfolglos war -- vermutlich war die Feder zu kraeftig. Daran koennte ich ggf. weiter optimieren, aber zunaechst versuche ich es mit einem ganz anderen Ansatz:

    Ich habe mir mit Elektromagneten schaltbare Ventile gemacht statt der Rueckschlagventile. Das Ziel ist es, diese Ventile abhaengig von der Rotorausrichtung und damit der Membranauslenkung zu schalten. Dank des BLDC-Motors weiss ich sowieso die genaue Position. Das ganz laeuft also so aehnlich wie im Auto, wo die Motorachse gleichzeitig die Ventile schaltet.

    Falls das klappt koennte ich auch darueber nachdenken, die Ventile ueber eine Mechanik statt mit Magneten zu schalten.

    Es funktioniert.

    Also ich habe jetzt eine Membranpumpe an einem BLDC-Motor (im Bild: 1).

    Deren Ausgang geht in eine Kammer mit zwei Ventilen, die wechselseitig von Elektromagneten geschaltet werden koennen (im Bild: 2). Die Schaltungen sind so mit dem Motor synchronisiert, dass beim Balgaufgang der Ausgang gesperrt ist um beim Zusammendruecken des Balgs der Eingang.

    Am Ausgang hab ich mit einem kleinen Balg (im Bild: 3) die Luftbewegung angeschaut (der darf im Betrieb nicht ganz luftdicht angeschlossen werden, weil er sonst sofort voll ist und der Motor mit viel Leistung versucht, den Balg zum Platzen zu bringen).


    Im naechsten Schritt werde ich das ganze mit dem schon vorhandenen Bauteil verbinden, das den Druck reguliert (im Bild: 4). Das ist im Prinzip ein Balg, der mit Elektromagneten ausgelenkt werden kann. Eine PI-Steuerung versucht, den Druck im Balg (gemessen mit einem Drucksensor) konstant zu halten und ich hab in einem frueheren Experiment schon gesehen, dass das klappt.

    Damit das im Zusammenspiel mit der Pumpe funktioniert, muss die Foerderleistung der Pumpe ueber den Fuellstand des Balgs kontrolliert werden. Dafuer brauche ich einen Sensor fuer die Balgauslenkung. Momentan habe ich nur 2 Lichtschranken (im Bild das Teil rechts neben dem oberen Elektromagneten), die feststellen, ob der Balg ganz oben oder ganz unten ist.

    Derzeit entwerfe ich eine Erweiterung, die aehnlich der Abtastung der Kugel in alten Maeusen funktioniert. Also vereinfacht beschrieben: Eine Stange mit Loechern drin, die einen Lichtstrahl bei Bewegung periodisch unterbrechen. Aus dem Signal des Detektors des Lichtstrahls kann die Position abgeleitet werden.


    Ich habe jetzt alles zusammengeschaltet und neben den Hall-Sensoren im BLDC-Motor noch einen weiteren einfachen Sensor mit ein paar Lichtschranken zur Ermittlung der Rotationsposition der Motor-/Pumpachse hinzugefuegt.


    Die Ergebnisse sind erstmal schlecht. Meine aktuelle Steuerung (PI, testweise auch PID) funktioniert zwar sehr gut, wenn ich Luft aus dem Ausgleichsbalg ablasse, aber schlecht, wenn es darum geht, die schnellen Druckstoesse durch die Pumpe auszugleichen.


    Ich denke, ich muss die physikalischen Vorgaenge genauer verstehen. Die Fragestellung sollte ggf. sein: Wenn ich einen Balg mit einer konstanten Kraft belaste und Luft zufuehre, wann aendert sich der Druck? In einer vereinfachten Idealvorstellung aendert er sich ueberhaupt nicht, aber es gibt doch einige Sachen die das bewirken koennen (der Balg ist kein perfekter Kolben, Kompressibilitaet der Luft, Massentraegheit.....), die ich mir genauer anschauen sollte.


    Parallel zur theoretischen Betrachtung probiere ich experimentiell weiter rum: Aktuell schaue ich mir mit einem kleinen Balg als "Testpumpe" an, wie der Druckverlauf beim Pumpen genau ausschaut und probiere Ausgleichsmechanismen aus. Mein Aufbau hat sowieso sowohl einen Magneten zum Zusammendruecken des Balgs, als auch einen, der ihn aufziehen kann. Vielleicht kann ich diesen zweiten Magneten nutzen, um die Stoesse auszugleichen. Nehme ich ihn einfach in die PI-Steuerung mit auf, hilft das zumindest etwas. Jetzt werde ich versuchen, das ganze in zwei Phasen zu unterteilen: Den Pumpvorgang, bei dem eine PI-Steuerung nur den Magneten zum Aufziehen kontrolliert und anschliessend die bereits funktionierende Steuerung.