Der Meisterkühler-Kühlerprüfstand

1. Intro
2. Einleitung
3. Elektronik
4. Das Netzteil
5. Grundgerüst und Gehäuse
6. Wasserkreislauf
7. Die Halterungsmodule
8. Software und Auswertungen
9. Ablauf der Messungen
10. Eigenbaukühler
11. Schlusswort und Fazit
12. Danksagung und Sponsoren

Auswertung

Grundlegendes zur Auswertung

Bei Tests mit dem einem sog. physikalischen Prüfstand kommt es besonders darauf an, dass die ermittelten Werte am Ende richtig ausgewertet und so dargestellt werden, dass jeder etwas damit anfangen kann.

Verglichen mit simplen Tests auf realer Hardware ist der Aufwand hierfür ungemein höher, da nicht nur Schnappschüsse fragwürdiger Sensorwerte aufgenommen werden sondern während des gesamten Messzeitraums die Werte aller Sensoren aufgezeichnet werden und anschließend nach sinnvoll festgelegten Kriterien gefiltert und verrechnet werden müssen. Allein schon wegen dieser aufwändigen Auswertung, die auf hunderten von Einzelmesswerten basiert, lassen sich wesentlich besser abgesicherte Ergebnisse erzielen als mit Tests auf Hardware. Dies zeigt zum Beispiel auch die Tatsache, dass unsere Messergebnisse mit Standardabweichungen aus einer hinreichend großen Grundgesamtheit dargestellt werden können.
Hinzu kommt natürlich noch die wesentlich bessere Absolutgenauigkeit der kalibrierten und validierten Sensoren im MK-Kühlerprüfstand.
Da unser Hauptaugenmerk darauf liegt heraus zu finden welche Kühltechnik die bessere ist, können wir so eine Übersicht bieten die nicht abhängig von Faktoren wie der verwendeten CPU und unbekannten Sensorkennlinien ist.

Aus der kontinuierlichen Aufzeichnung der verschiedenen Messwerte und Differenzen lassen sich direkt und indirekt auch allerhand Information über einen Wasserkühler gewinnen, die Tests auf Hardwarebasis nicht ansatzweise liefern können.

Messwerte

Folgende Vorgaben und Randbedingungen werden bei jedem Kühlertest konstant gehalten:

• Anpresskraft in Newton (300 Newton)
• Heizleistung in Watt (150 Watt)
• Testdauer bei Maximaldurchfluss (120 Minuten)
• Testdauer bei 150 L/h Durchfluss (60 Minuten)
• Testdauer bei 60 L/h Durchfluss (60 Minuten)
• Wärmeleitmedium (Silikon Öl)
• Anpresskraft (295 Newton bzw. ~30 Kilogramm)
• Messfrequenz (0,1 Hertz)

Über die WPS-Software werden bei jedem Kühlertest folgende Kanäle kontinuierlich aufgezeichnet:

• Luft Temperatur [Grad Celsius]
• Wasser Temperatur [Grad Celsius]
• DIE-Sim Temperatur [Grad Celsius]
• Lüfterdrehzahlen @7 Volt [Umdrehungen/min]
• Heizleistung des FET [Watt]
• Volumenstrom in [Liter/Stunde]

Der gemeinhin wichtigste Messwert der bei einem Wasserkühler von Interesse sein sollte, ist die Temperaturdifferenz zwischen Wasser und dem zu kühlenden Objekt. Auf dem MK-Kühlerprüfstand ist das zu kühlende Objekt der DIE-Simulator mit dem Heiz-FET. Aus der Differenz zwischen der im DIE-Sim gemessenen Temperatur und der gemessen Wassertemperatur ergibt sich damit das “dT DIE-Sim/Wasser”.
Ebenfalls interessant ist die Differenz zwischen Wasser und Luft-Temperatur, da diese die Trägheit des Systems graphisch veranschaulichen kann.

Aus den Temperaturkanälen werden daher in Echtzeit folgende Differenztemperaturen errechnet und ebenfalls aufgezeichnet:

• dT DIE-Sim/Wasser [Grad Kelvin]
• dT Wasser/Luft [Grad Kelvin]

Differenztemperaturen werden im Übrigen grundsätzlich in Kelvin, Absoluttemperaturen in Celsius angegeben. Der Grund dafür liegt im Bezugspunkt der beiden Skalen. Die Kelvinskala bezieht sich auf den absoluten Nullpunkt (0°K entspricht -273,15°C). Die Celsiusskala bezieht sich auf den Schmelzpunkt von Wasser (0°C entspricht 273,15 °K).
Die Celsiusskala ist daher für die Bildung von Differenzen ungeeignet. Beide Skalen haben jedoch gleiche Intervalle und sind daher direkt miteinander verrechenbar.

Auswertestrategie

Wie in einer echten Wakü ist es auch auf dem MK-Kühlerprüfstand wichtig, dass Messergebnisse im sog. stationären Zustand erzeugt werden. Mit Tests auf echten CPUs ist das ja bekanntermaßen nur sehr eingeschränkt möglich.
Unter einem stationären Zustand versteht man den Zeitraum des Tests nach dem sich die Temperaturen auf nahezu konstante Werte eingependelt haben. Der instationäre Bereich davor entspricht der Aufheizphase und darf nicht zur Ermittlung von Messwerten herangezogen werden. Dennoch ist das Aufheizverhalten eine interessante Information, die z.B. Aufschluss darüber geben kann, ob ein Wasserkühler in der Lage ist, das Wasser besonders effektiv (d. h. schnell) aufzuheizen bzw. wie hoch seine eigene Wärmekapazität ist.
Um zum Einen unverfälschte Messwerte aus dem stationären Bereich eines Messschriebs und zum Anderen auch die Informationen über das Aufheizverhalten darstellen zu können haben wir uns für eine kombinierte Darstellung aus Messkurven und Messwerten entschieden.

Die Rohdaten werden über mehrere Kriterien gefiltert und über einen einfachen Algorithmus bestimmt welche Messwerte im stationären Bereich liegen.
Gefiltert wird zunächst nach Abweichungen des Volumenstroms um mehr als 5% des Gesamtmittelwerts bzw. des Sollwerts bei den Messungen mit reduziertem Durchfluss. Sollten höhere oder niedrigere Werte dabei sein, so werden alle weiteren Daten dieses Messzeitpunkts verworfen. Diese Prozedur wird für jedes Prüfzeitintervalls durchgeführt, so dass nur die Daten die innerhalb der definierten Grenzen liegen verwendet werden.
Anschließend wird für jeden Temperaturkanal der stationäre Bereich ermittelt indem nur Werte weiter verwertet werden, bei denen der lokale Steigungsquotient weniger als 5% Abweichung vom Maximalwert des gesamten Messzeitraums hat. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Mittelwerte der Messungen ausschließlich im stationären Bereich generiert werden.
Aus den so gefilterten und eingrenzten Daten wird anschließend der jeweilige Mittelwert für jeden Messkanal errechnet. Die Statistik liefert zusätzlich die zugehörige Standardabweichung.

Die Testergebnisse werden nach der Auswertung immer in einem *.pdf-Dokument folgenden Zuschnitts abgespeichert und in den Einzeltests unserer Rubrik Kühlercharts zur Verfügung gestellt:

 

 

Das Ergebnisprotokoll des MK-Kühlerprüfstands lesen

Oben links sind die Angaben zum Prüfling (Name, Hersteller) sowie ein Foto des Kandidaten sowie das Datum der Messung zu finden.
Darunter befinden sich die Messschriebe der Temperaturdifferenzen (Grad Kelvin über die Zeit in Minuten). Auf der rechten Seite sind die Messschriebe der Absoluttemperaturen von Luft, Wasser und DIE-Sim bzw. Heiz-FET zu finden (Grad Celsius über die Zeit in Minuten).

Im unteren Abschnitt fällt zunächst unten rechts das Messergebnis in rot auf. Dies ist der Mittelwert der Temperaturdifferenz vom DIE-Sim zum Wasser im stationären Zustand und stellt den wichtigsten Vergleichswert zu anderen geprüften Wasserkühlern dar.

Links neben dem Testergebnis findet man die detaillierte Auflistung der Mittelwerte aus dem stationären Bereich der Messung inklusive ihrer jeweiligen Standardabweichung. Auch das Hauptergebnis von rechts ist hier noch einmal mit Standardabweichung aufgeführt.
Die Mittelwerte stammen immer aus dem Messdurchlauf mit Maximaldurchfluss. Nur in Vergleichsdiagrammen der Kühlercharts wird auch auf die Messungen mit gedrosseltem Durchfluss zurück gegriffen.

Ganz links sind die Angaben über Vorgabewerte und feste Einstellungen zu finden. Diese beinhalten neben den Konstanten (Anpresskraft, Wärmeleitmedium etc.) auch die Mittelwerte der aktiv geregelten Parameter Heizleistung und Lüfterdrehzahl.

Überprüfung der Heizleistung des MK-Kühlerprüfstands

Da eine konstante eingeleitete Heizleistung ungemein wichtig ist, um reproduzierbare Tests durchzuführen wurde dieser von der WPS-Platine geregelte Parameter vor Inbetriebnahme des Prüfstands ausführlich von uns geprüft und wird von Zeit zu Zeit kontrolliert.

Die Regelung und die Messung der Heizleitung erfolgt über die WPS-Steuerplatine. Um Sicherheit bezüglich der Genauigkeit der Messergebnisse zu haben, wurden die elektrischen Anschlusswerte des auf konstant 150W geregelten Heiz-FET von uns nachgemessen.

Strommessung mittels Stromzange:

Ergebnis: ~ 14,07 Ampere

Spannungsmessung mittels Multimeter:

Ergebnis: ~10,8 Volt

Da Halbleiterbauelemente 100% der aufgenommenen elektrischen Leistung in Wärme umwandeln, beträgt die Heizleitung demnach in der Tat ~152 Watt und liegt damit sehr genau am Vorgabewert. Man sollte hier auch die Messgenauigkeit der handelsüblichen Messgeräte in im Hinterkopf behalten – das Ergebnis ist dennoch sehr überzeugend.

Hier noch die Ansicht aus der WPS Software: 149,80 Watt

 

 

 

 

 

 

 

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