Kart mal anders

Seit Evo-4 nun so generell funktionsfähig ist, bemerke ich, dass der Tankinhalt so ca. ungefähr über den Daumen geschätzt vielleicht 20min lang hält. Das ist nicht lange und man kommt bei üblichen Veranstaltungen gerade so damit hin, denn die Stints werden immer so um 15min bis 20min gefahren. Allerdings hab ich Evo-4 bisher noch nie einen Stint durch "voll getreten". So ist's gegen Ende eines Stints dann schon immer etwas kribbelig und wäre äußerst deprimierend, wenn man gerade zum letzten Überholvorgang ansetzt, und dann ein verdächtiges Ruckeln beim Gasgeben bemerkt. Schlimmer ist's, wenn man doch mal längere Stints fahren möchte und gerade an der Boxenausfahrt vorbeigebrettert ist und dann ein bekanntes Ruckens auftritt... Kurz - man muß den Tankinhalt kontrollieren können, um solche Situationen "strategisch" zu vermeiden. Der Tank von Evo-4 ist zwar opak, so dass man den Benzininhalt schon sehen kann - jedoch sitzt er hinter dem Pilotensitz. Ein Benzinstandssensor mit Anzeige im Blickfeld des Piloten muß her.

Meine bisherige Karterfahrung lehrt, dass man als Pilot keine Zeit hat, über analoge Anzeigewerte oder gar Zahlenwerte nachzudenken. Es reicht, wenn man Warninformationen bekommt. Drehzahl zu hoch, Öldruck weg, Temperatur zu hoch, Tank auf Reserve. Genau. Eine Leuchte, wenn der Tank gleich leer ist oder noch eine Runde reicht, ist ausreichend. Wieviel genau im Tank ist, interessiert nicht wirklich.

Ich untersuche also übliche Benzinstandssensoren. Sind üblicherweise alles irgendwelche Hebel mit Schwimmern und einem Potentiometer und/oder Reserveschalter. Um jedoch in der Benzin(-dämpfe)umgebung ungefährlich zu bleiben, sind mechanische offene Schalter zu vermeiden. Ebenso auch hohe Spannungen und Temperaturen. Die Reservegeber in Moppedtanks sind nach meiner Erkenntnis sog. NTCs. Das sind Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten. Sie verkeinern ihren ohm'schen Widerstand mit steigender Temperatur. Die zugehörige elektrische Schaltung ist simpel. Plus, Vorwiderstand, Lampe, NTC, Masse. der NTC hängt im Tank.

- Solange der Benzinstand hoch genug ist, bleibt der NTC kalt. Hoher Widerstand, Lampe bleibt aus.

- ist der Benzinstand so weit abgesunken, dass der NTC außerhalb des Benzins hängt, heizt er sich durch den ständig fließenden elektrischen Strom auf. Dadurch wird sein Widerstand kleiner. Es fließt mehr Strom, er heizt sich weiter auf. So lange, bis sein Widerstand klein genug ist, dass die Lampe leuchten kann. der Vorwiderstand begrenzt den max. Strom der Schaltung, damit der NTC nicht zu heiß wird und/oder durchbrennt.

Meine ersten Versuche mit einem NTC und div. Vorwiderständen sind nicht befriedigend. Der NTC muß generell so 20 Sekunden über dem Benzin sein, damit eine auswertbare Reaktion eintritt. Das ist einfach zu langsam, denn im Kart wird das Benzin mächtig hin- und hergeschüttelt. Je nach Strecke können da sicher 1 bis 3 Liter Benzin nicht mehr unterschieden werden. Das sind knapp 1/3 des Tankinhalts - oder bei EVO-4 1 bis 3 Runden in Most. Sollte mal ein kleiner Schwapp dazukommen und den schon fast gut geheizten NTC sofort wieder abkühlen, wird die Reserveanzeige noch ungenauer. Das ist nicht gut.

Ich überlege: Die Anheizphase ist einfach zu lang. Der NTC schaukelt sich nur langsam aus seiner Kaltphase raus, da der heizende Strom mit der Temperatur auch nur ganz langsam zunimmt. Da ich auch nur 12V (eigentlich maximal 13.5V, wg. Lichtmaschinenregler) habe kann ich auch den Strom nicht weiter erhöhen. Zum Glück gibt's auch PTC's. Bei diesen Bauelementen wird der ohm'sche Widerstand mit steigender Temperatur größer. Das heißt, dass bei kaltem PTC ein großer heizender Strom fließt. Und richtig, meine Versuche bestätigen das. Ein passender PTC mit 20Ohm Vorwiderstand gegen 13.5V signalisiert schon nach 2-4 Sekunden "heiß", also "Reserve". Das ist der B59011 von EPCOS (Conrad.de: 500596-62).

Zum Thema Benzin: Nein, Benzin brennt oder explodiert nicht, wenn man 14V Spannung da reinhängt. Und nein, der Benzindampf im Tank explodiert auch nicht, wenn der PTC heiß wird. Das ist eine gängige Technik in fast allen heutigen Motorrädern oder PKWs. Google, Wikipedia oder klassische Physikbücher erklären das gut.

In meinem Kart ist das Benzin sogar über die Einspritzanlage an Masse angeschlossen und kann sich also nichteinmal "irgendwie" aufladen.

Mit dieser Schaltung kann ich allerdings keine LED ausreichend gut zum Leuchten bringen. Der PTC muß sich gut aufheizen und die LED fängt aber nur diffus an zu glimmen, bis sie gut leuchtet. das ist nicht für einen Piloten wahrnehmbar. Die Reserveleuchte muß deutlich digital anzeigen. Ich entschließe mich, dies mit einem µC zu realisieren. Mit dem kann ich über den eingebauten analog/digital-Wandler die Meßwerte vom PTC an die Schaltschwelle gut anpassen. Ich baue mir also auf dem Steckbrett die PTC-Meßschaltung und verbinde das dann mit meinem STK500-Evaluierungsboard, auf dem ein ATTINY13 sitzt.

Dazu braucht's noch eine Simulation des Benzinstands im Tank. Wg. der Dämpfe nehm ich erstmal eine Schale mit kaltem Wasser, bis ich denke, die Feinjustierung machen zu müssen. Benzin kühlt anders, wie Wasser. Schneller - da es schneller verdunstet.

Die Schaltung muß jetzt getuned werden, denn die Reserve-LED soll möglichst schnell anzeigen. Wünschenswert ist auch, dass sie signalisiert, wenn die Messung nicht funktioniert, z.B. wenn der PTC kaputt ist oder die Verbindung unterbrochen ist. So weiß der Pilot dann, dass er sich nicht mehr auf die Anzeige verlassen kann. Um dies alles zu realisieren, wird die Schaltung etwas umfangreicher. Hinzu kommt eine Abhängigkeit von der Versorgungsspannung und der Produktionsstreuung des PTC.

Ich programmiere diesmal nicht in C mit dem AVR-Studio, sondern mit BASCOM. Diese Entwicklungsumgebung ist an BASIC angelehnt, bringt aber eine leistungsfähigen AVR-Compiler mit und kann mein Eval-Board auch direkt ansteuern. Und ist für nichtkommerziellen Einsatz auch kostenlos. Man muß ja auch mal was neues probieren :-)

BASCOM liefert div. high-Level-Kommandos, um die internen Funktionen des ATTINY13 recht simpel anzusteuern. Das spart mir das doch manchmal etwas krypische Tippern in C. Sicher wird das Kompilat länger sein, als ein C-Kompilat, aber letzlich paßt mein Programm doch locker in den 1k-Flash des ATTINY13.

Der Auswertealgorithmus für die Schaltschwellen soll ja auf Geschwindigkeit getrimmt werden. Was ich auch trickreiches ausprobiere, letztlich ist ein simples gewichtetes Legen der Schaltschwelle zwischen die Werte für "kalt" und "warm" das zuverlässigste.

Wichtig ist allerdings, dass die Werte für "kalt" und "warm" gut gelegt werden - und hier spielt schon die Produktionstreuung der zwei gekauften PTC (gleichen Typs) eine deutliche Rolle. Also baue ich eine Lernfähigkeit ein. Mit einem Beinchen des TINY13 kann ich nach 5 Sekunden annähernd eingeschwungenen Werte für

anzeigen, indem ich für "voll" den Eingang an 12V halte und für "leer" an 0V. Die SW schreibt dann diese Werte dauerhaft ins µC-eigene EEPROM. Und tatsächlich, mit den angelernten Werten kann ich die Bordspannungsschwankungen so abfedern, dass der recht sensible Schaltschwellen-Algorithmus eindeutig arbeitet.

Die Anzeige-LED könnte ja auch eine leistungsstarke Leuchte sein - oder für andere Anwender der Schaltung auch ggf. eine Penzinpumpe, die den reserveTank bedient. Was auch immer... Der Signalschalter ist ein Mosfet. Nimmt auch kaum mehr Platz ein, wie ein leistungsstarker Transistor, wird aber nicht warm und ist gegen Spannungsspitzen (Relais) geschützt.

Jetzt probiere ich die Schaltung mit einem Glas mit Benzin aus. Die Reaktionsgeschwindigkeit liegt so bei gefühlter 1 Sekunde. Das ist in etwa so, wie die Schwappgeschwindigkeit des Benzins im Karttank. Sieht gut aus :-)

- Bauraum 32x 46mm, 12mm hoch
- Versorgung: 10V-14V, 10W
- auf PTC kalibrierbar, EEPROMgesichert
- Reservewarnanzeigereaktionsgeschwindigkeit (geiles Wort) um 1 Sekunde
- Warnanzeige bei Sensorausfall
- Anzeigeschalter für Verbraucher bis 30A, spannungsgeschützt
- firmware-update-fähig.

Zusammengelötet ist sie schnell. Schließlich hab ich inzwischen einen kleinenn Fundus an Bauelementen und das Löten selbst geht auch recht fix. Die Programmierung des ATTINY auf der Leiterkarte geht diesmal mit dem handlichen ISP MKII USB. Dann wird die LP mit temporär angelöteten Drähtchen in Betrieb genommen und im erprobten Rythmus werden die Grenzwerte für "Tank leer" und "Tank voll" angelernt. Anschließend werden passende Löcher ins Hauptschaltergehäuse gebohrt und die LP eingeschraubt. Die Versorgungsspannung, sowie Masse und die Signal-LED werden im Gehäuse gewonnen. Lediglich die Leitung zum Benzinsensor wird an einen der zwei noch freien Steckplätze im 8pol. Stecker geführt.

So. Fertig. Das Gehäuse wird zusammengebaut. Am 8pol. Stecker wird Bordspannung und Masse druch ein Netzteil eingebracht und am Sensorpin sowie am Haupspannungspin wird der PTC angeschlossen, der dann als Benzinsensor im Karttank hängen wird. Schon der erste Funktionstest gelingt und so hab ich ein Filmchen von Test gemacht :-)

Der Tankgeber selbst soll ja von oben in den Tank geführt werden, damit ich keine Schwachstelle im Tank habe, aus dem potentiell Benzin austritt. Der PTC ist empfindlich und muß gegen Stöße geschützt werden. Da ich die genaue Tiefe des PTC im Tank noch nicht kenne (er soll ja nicht zu spät oder viel zu früh detektieren) muß eine Einstellmöglichkeit vorhanden sein. Also löte ich den PTC an einen sehr stabilen Kupferdraht (ich hab hier ein Stück Maschendrahtzaun, viel biegefester, als Elektroleitung). Der PTC sitzt nicht am Ende der Sonde, ist so mechanisch geschützt, falls ich mal den Tankboden treffe beim Eistellen der Höhe. Das Ende der Sonde wird mit einem Stück Schrumpfschlauch stumpf gemacht, um den Tankboden nicht zu zerkratzen. Mit einem Alunippel, bekannt aus der Pneumatik, habe ich einen einschraubbaren Halter im Tank, durch den ich die Sonde längs in der Höhe anpassen kann. Stecker dran, fertig.

Der Einbau in den Tank ist relativ einfach, aber die Bordelektrik muß angepaßt werden. Aufwickeln der Kabelbaumumwicklung (Isolierband) Kabel integrieren und dann wieder zuwickeln nimmt doch schon etwas Zeit. Aber, es soll ja auch vernünftig und sauber gemacht werden.

Hier ist der Geber im Tank eingebaut.

Ich hab's zwar so gemacht, aber es ist doch etwas unhandlich. Wenn das Kart einfach nur steht, zeigt der Geber schon "Tank leer" an, obwohl der Tank halb voll ist. Das liegt an der hohen Sensibilität des Erkennungsalgorithmus. Wenn man das Kart leicht anschuckelt, geht die Warnleuchte ja korrekt aus. Im Prinzip ist das vertretbar, denn im Fahrerlager sehe ich ja, ob noch ausreichend Benzin im Tank ist, bevor ich einsteige. Während der Fahrt soll ich über den Benzinstand gewarnt werden. Und da muß der Algorithmus sehr sensibel sein. Nunja... zum Erproben solcher Dinge muß man eben Kartfahren :-)