Ziel der Entwicklung

Logo: Multifunktionsmodul mit Temperaturcontroller, Druckmessung und Heizersteuerung © ILK Dresden
Multifunktionsmodul mit Temperaturcontroller, Druckmessung und Heizersteuerung © ILK Dresden

Aus Gesprächen mit einer Vielzahl von Wissenschaftlern weltweit zeigte sich die Notwendigkeit eine kompakte und modulare Elektronik zu entwickeln die in der Lage ist, beliebige Sensoren auszulesen. Diese Elektronik sollte insbesondere für kryogene Anwendungen optimiert werden, um störende Wärmeeinträge ins System zu minimieren.

Vorteile und Lösungen

Normalerweise werden kryogene Sensoren unter anderem in Kryostaten platziert und alle Kabel müssen über Durchführungen ausgekoppelt werden, was zu erhöhten Wärmeeintrag führt. Um dies zu vermeiden, haben wir im Rahmen des FuE-Projektes unterschiedliche Multiplexer entwickelt und realisiert, die auch unter kryogenen Bedingungen arbeiten können, siehe Abbildung 1. Die Multiplexer sind für den Betrieb mit einem 10-Draht-Bussystem mit beliebiger Erweiterbarkeit ausgelegt. Die Multiplexer wurden entsprechend der Anforderung auf minimale Störeinflüsse, maximale Funktion und Kompaktheit optimiert.
Wesentliches Ziel des FuE-Antrags war zudem die Entwicklung einer universellen Messbrücke für beliebige Sensoren. Im Ergebnis wurden unterschiedliche elektronische Multifunktionsmodule und kalte Multiplexer entwickelt, realisiert und validiert. Die Multifunktionsmodule zeichnen sich dadurch aus, dass mittels universellem Leiterplattendesign beliebige Sensoren angeschlossen werden können. Die Auswahl der Baugruppen erfolgte modular, weshalb je nach Anforderung spezielle Bauelemente ausgewählt und getestet wurden. Zu den Optionen zählen: Unterschiedliche Referenzen (Widerstand, Spannung), Verstärkungsfaktoren, aktive Schirmung, Batteriebetrieb, Displays (TFT, LCD), Schnittstellen (RS485, USB), Speichermöglichkeiten (SD Karte), galvanische Trennung, Schnittstelle zu Multiplexern, Gehäusetyp.
Die verschiedenen Schaltungen und Konfigurationen wurden bezüglich Funktionalität umfangreich getestet. Aufgebaut und getestet wurde beispielsweise ein spezielles Multifunktionsmodul (siehe Abbildung 2) mit Temperaturcontroller für bis zu 16 Temperaturmesskanälen, der Anschluss-möglichkeit für einen digitalen Drucksensor und der Möglichkeit für digitale und analoge Heizersteuerung. Bei der Entwicklung wurde besonderes Augenmerk auf elektromagnetische Verträglichkeit und Störempfindlichkeit bei Schaltvorgängen wie beispielsweise bei der Heizeransteuerung gelegt. Die Genauigkeit wird mittels Referenzwiderständen und –spannungen bestimmt. Zudem wurde großer Wert auf das Zeitansprechverhalten der Messmimik gelegt, um eine schnelle und stabile Messung zu gewährleisten.
Im Rahmen des FuE-Projektes wurde eine Software programmiert, die als universelle Plattform für beliebige Konfigurationen von Modulen zur Verfügung steht. Die Module können Eigen-entwicklungen oder kommerziell erhältliche Produkte sein. Jede Steuerung unterstützt eine frei festlegbare Anzahl von Sensoren, Aktoren, Regler und binäre Ein- und Ausgänge. Jeder Sensor, Aktor und Regler kann jede gängige physikalische Größe repräsentieren. Dazu gehören unter anderem Temperatur, Druck, Füllstand, Spannung, Strom und Widerstand.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Entwicklungen des FuE-Projektes besitzen ein Alleinstellungsmerkmal und können in beliebigen Anlagen und für verschiedenste Zwecke eingesetzt werden, nicht nur für kryogenen Anwendungen.
Folgende Marktfelder für die Verwertung des Projektes können angegeben werden: Industrieanlagen, beispielsweise in Heliumverflüssigern; Kryostate für Strombegrenzer; Transformatoren und Energiespeicher; Anwendungen in Geologie, Medizin, Energietechnik; Großforschungsanlagen wie Teilchenbeschleuniger.