Bachelorarbeit FH Dortmund

Entwicklung und Aufbau einer analog geregelten Referenztemperaturquelle zur Charakterisierung von Temperatursensoren

Development and realization of an analog controlled reference temperature source for characterization of temperature sensors

Im Folgenden führe ich nur einige Stellen aus meiner Bachelorarbeit aus, um einen kleinen Eindruck zu geben.
Einige Texte und Beschreibungen sind daher nur angerissen.

In meiner Bachelorarbeit habe ich ein analog geregeltes System in Form einer Referenztemperaturquelle, zur Charakterisierung von Temperatursensoren entwickelt. Dabei galt es, einen praxistauglichen und robusten Aufbau zu konstruieren. Dieser Aufbau soll es den Studenten in zukünftigen Praktika an der FH Dortmund ermöglichen, selbst entwickelte Temperaturmesssysteme zu charakterisieren oder das temperaturabhängige Verhalten von temperaturabhängigen Bauelementen, wie temperaturabhängige Widerstände oder Sensoren, untersuchen zu können. Um die Referenztemperaturquelle zu entwickeln, habe ich in der Software Autocad Fusion360 Konstruktionszeichnungen für den gesamten mechanischen Aufbau erstellt, um die benötigten Teile fertigen zu können. Zudem wurden Schaltpläne, eine selbst entwickelte Platine sowie ein Referenzthermometer mit einem Analogausgang und einer Genauigkeit von 0,1 Grad Celsius benötigt.

Der Referenzsensor und das ein passendes Einbauthermometer gehören zu den wichtigen Schlüsselkomponenten am Anfang der Entwicklung. Auf diesen Parametern beruht die gesamte Entwicklung und Auslegung der Reglerplatine. Die vom Einbauthermometer gemessene und verarbeitete Temperatur muss mindestens der Genauigkeitsklasse der Messabweichung aus der Aufgabenstellung von 0,1 °C entsprechen, da dieser Wert als Referenzgröße der Regelung dient. Die Temperatur soll im Bereich von +30 °C bis +130 °C in möglichst stufenlosen Schritten einstellbar sein. Als Referenztemperatursensor habe ich einen standard Temperatursensorf PT100 ausgewählt.

Regeleinheit mit abgesetztem Heizblock

Um die Reglerplatine möglichst wenig durch äußere Temperaturquellen zu beeinflussen, wird ein externer Aufbau in Form eines Tischgestells konstruiert. Das spätere Tischgestell soll den Heizblock, den Referenzsensor und die Aufnahme für die DUTs beinhalten.

Konstruktion des Heizblocks

Um eine möglichst homogene Oberflächentemperaturverteilung auf der Oberseite des beheizten Blockes zu erreichen, ist es naheliegend den Aluminiumblock direkt von innen zu Beheizen. Daher besteht der Heizblock aus drei wesentlichen Komponenten.
Aluminiumblock (I), Heizelemente (HP1, HP2) und einem Referenzsensor.

Die Ideengebung der innenliegenden Heizung war die Extruderheizung eines 3D Druckers.

Konstruktion des Tischgestells

Der Heizblock soll im zusammengebauten Zustand, ca 2 mm aus dem Gestell herausragen damit die Klemmvorrichtung und die DUTs nicht thermisch mit dem Gestell selbst verbunden werden kann. Um Gestell und Heizblock thermisch möglichst gut zu entkoppeln ist der Ausschnitt jeweis 2 mm um den Block herum größer. Der Heizblock wird durch Abstandsbolzen auf ein Blech geschraubt, welches ebenfalls mit Abstandsbolzen von der Oberseite des Gestells abgesetzt. Dies soll eine weitere thermische Entkopplung gewährleisten.

Da der spätere Aufbau bis zu 130 °C erreichen kann, muss zusätzlich ein Berührungsschutz vorgesehen werden. Die vier 4 mm Bananenbuchsen auf der Oberseite des Gestells, dienen als Halterung für z.B. einen Berührungsschutz in Form einer Pertinax- oder Acrylglasplatte. Diese wird mit eingelassenen Büschelsteckern über die beheizte Fläche gesteckt und ermöglicht es so, den Anwender des Aufbaus vor eventuellen Verbrennungen zu schützen. Die Seitenteile, die als zusätzlichen Berührungsschutz dienen, konnten nicht in einem Stück gekantet werden. Dazu müssen im Nachgang zwei auf 90° gebogene Blechwinkel an den Seiten befestigt werden. Zur Befestigung werden die Seitenbleche mit den schon vorhandenen 30 mm Abstandshaltern zwischen Bodenblech und Oberseite genutzt.