20.11.2013

Exakte Temperaturerfassung

Die Gantner Instruments GmbH hat den größten Auftrag ihrer Firmengeschichte vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald für die exakte Temperaturmessung in der weltweit größten Fusionsanlage ihrer Bauart, dem Kernfusionsreaktor Wendelstein 7-x, erhalten.

Für dieses Projekt hat Gantner Instruments auf Basis neuer, bisher im Markt noch nicht verfügbarer Technologien, gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut drei Messmodule entwickelt, die Dehnungen in einem hohen Magnetfeld und Temperaturen zwischen Raumtemperatur und minus 270 °C erfassen.

1. Messmodul e.bloxx A5-1CR für die Erfassung von Tieftemperaturen

Für die Erfassung von Tieftemperaturen ab 3 Kelvin werden spezielle Kryosensoren vom Typ Cernox bzw. TVO eingesetzt. Diese Sensoren haben individuelle Kennlinien, die bei 3 Kelvin einen Widerstandswert von ca. 3.000 bis 8.000 Ohm besitzen und der bei Raumtemperatur bis auf ca. 30 bis 100 Ohm abfällt. Das Einlesen individueller Kennlinien ist serienmäßig bei allen Modulen möglich.

Aufgrund der hohen Anzahl von Messstellen im Kryo-Bereich wirkt der Eintrag von Leistung in jeden Sensor gegen eine Supraleitfähigkeit. Deshalb muss dieser Eintrag massiv reduziert werden.

Bei einer serienmäßigen Speisung des Sensors mit einer Stromquelle von 1 mA wäre bei 3 K die Leistungsaufnahme am Sensor 8 mW und die Messspannung bei Raumtemperatur 80 mV. Durch einen reduzierten und getakteten Speisestrom von 5 µA effektiv kann die Leistung am Sensor um den Faktor 40.000 auf 0,2 µW reduziert werden.

Eine Herausforderung ist dabei allerdings eine stabile, störsichere und genaue Messung der Messspannung von nur noch 0,4 mV bei Raumtemperatur. Die Präzision des Messmoduls muss in einem Bereich von 40 mV eine Spannung von <2 µV genau darstellen können. Eine Reihe von Tests am IPP und anderen Instituten in realer Umgebung haben die Eignung des Messmoduls e.bloxx A5-1CR für diese Anwendung bestätigt.

2. Messmodul A101IPP

Für die Dehnungsmessung an den Spulenkörpern werden spezielle Tieftemperatur-DMS in Halbbrückenschaltung verwendet. Da sich die DMS in einem starken Magnetfeld von bis zu 6 Tesla befinden, kam im ersten Ansatz die Trägerfrequenztechnik zum Einsatz. Dabei zeigte sich durch den Mikrofonie-Effekt allerdings ein Vibrieren in den Messleitungen (Wechselstrom im Magnetfeld). Außerdem gilt auch hier, den Leistungsverbrauch an den Halbbrücken zu minimieren.

Die Lösung war eine getaktete Brückenspeisespannung, die durch spezielle Filter ein sanftes Ein- und Ausschalten und damit ein kleines dU/dt gewährleistet. Die Testreihen waren fast erfolgreich, als sich herausstellte, dass durch die speziellen Legierungen an den Stromdurchführungen im Plasmagefäß, Thermospannungen an den Kontaktstellen auftraten, die an die Signalspannungen der DMS heranreichten.

Ziel war dann die Kompensation dieser Thermospannungen, um eine reine Dehnungsmessung zu gewährleisten. Der bereits festgelegte Messzyklus wird um eine weitere Messung der Thermospannung während der Pause der DMS-Messung bei abgeschalteter Speisespannung ergänzt.

3. Messmodul A107IPP

Für weitere ca. 1.000 Pt100 Messstellen kommt das modifizierte Modul Q.bloxx A107IPP zum Einsatz.

Bei einer Anzahl von über 2.000 Messstellen spielt der benötigte Raum ebenfalls eine Rolle. Bei einer Breite von 25 mm bietet das Hutschienenmodul Q.bloxx A101IPP zwei und das Modul Q.bloxx A107IPP vier Messkanäle.

Die Module sind in Gruppen über eine schnelle serielle RS485 Verbindung an mehrere Test.Controller Q.gate angeschlossen. Dort werden alle Daten synchron erfasst, mit einem Zeitsignal versehen und über ein gemeinsames Messnetz an einen Server geschickt.

Derzeit werden die Messsysteme montiert, der Testbetrieb des zukunftsweisenden Fusionsreaktors soll 2014 starten.

Quelle: Gantner Instruments Test & Measurement GmbH