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Elektronische Multifunktionsmodule für kryogene Anwendungen

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Ziel des FuE-Vorhabens war die Entwicklung von multifunktionellen elektronischen Modulen, die es erlauben, eine große Anzahl und Vielfalt an Sensoren für kryogene Anwendungen auszulesen.

Normalerweise werden kryogene Sensoren u.a. 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 Projektes unterschiedliche Multiplexer entwickelt und realisiert, die auch unter kryogenen Bedingungen arbeiten können, siehe Abbildung 1 (links). Die Multiplexer sind für den Betrieb mit einem 10-Draht-Bussystem mit beliebiger Erweiterbarkeit ausgelegt. Die Multiplexer wurden auf minimale Störeinflüsse, maximale Funktion und Kompaktheit entwickelt und optimiert.

Wesentliches Ziel des FuE-Projekts war zudem die Entwicklung einer universellen Messbrücke für beliebige Sensoren, siehe Abbildung 1 (rechts). Im Ergebnis wurden unterschiedliche elektronische Multifunktionsmodule und kalte Multiplexer entwickelt, realisiert und validiert. Diese Module 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, und Gehäusetyp.

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 Eigenentwicklungen 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 u. a. Temperatur, Druck, Füllstand, Spannung, Strom, Widerstand etc.

Mit unserer Entwicklung einer universellen Temperaturmessbrücke können beliebige Temperatursensoren hochgenau auslesen werden, siehe Abbildung 2.

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