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PEM IV (SS 1996) Drucken E-Mail

Elektromechanische Konstruktionen

PEM IV - Filterpositionierung für die Prozeßphotometrie

Mitarbeiter:
Betreuer:

    Dipl. Ing. Elmar Hoppach
    Raum 48/122
    Tel.: 06151/163496
    e-mail: Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann.

Hinweis: Die Adressen, Telefonnummern und Emailadressen stimmen nicht mehr. Dieser alte Stand soll aber zu Dokumentationszwecken weiter so geführt werden.


Arbeitsgebiet: Filterpositionierung für die Prozeßphotometrie

Allgemeines:

Zur Konzentrationsbestimmung von Gasen oder Flüssigkeiten in Prozeßströmen werden häufig sogenannte Prozeßphotometer eingesetzt. Diese Photometer arbeiten z.B. nach dem Verfahren der Gasfilterkorrelation oder des Wellenlängenvergleichs. Ein solches Photometer besteht aus einer Strahlungsquelle, einer Selektivierungseinheit, einer Meßküvette und einem Strahlungsempfänger. In der Selektivierungseinheit sind die zu positionierenden Filter enthalten.

Aufgabenstellung:

Im Rahmen der Neuentwicklung eines Prozeßphotometers ist das mechanische und elektronische Lösungskonzept des Filterrad-Antriebes für die Selektivierungseinheit zu erstellen. Das gefundene Konzept soll anhand eines Prototyps verifiziert und erprobt werden. Der Prototyp soll mechanisch und elektonisch optimal an die vorgegebenen Anforderungen angepaßt sein. Die wesentliche Funktion des Filterradantriebes besteht in dem schrittweisen Einschwenken des jeweiligen Filters in den optischen Strahlengang. Wesentlich ist hierbei eine möglichst kurze Transferzeit zwischen den einzelnen Positionen. Neben den mechanischen Randdaten ist ein bestimmter Rahmen für die Herstellungskosten zu berücksichtigen.

Pflichtenheft:

Das Pflichtenheft gliedert sich in die folgenden Forderungen (F) und Wünsche (W).

    F Abmessung der Lichtquelle: 44,9±0,2 x 85±0,2 x 86±0,2 mm (B x H x T)
    F Maximaler Platz zwischen Lampe und Linse: 32 mm
    F Strahlenkegel nach Zeichnung
    W Spalt für Chopperrad vorsehen
    F Gesamte Einheit umfaßt 2 Filterradeinheiten: ein Gas- und ein Interferenzfilterrad
    W Durchmesser der Filterräder so klein wie möglich
    F Filterfassungen am Filterrad für Interferenzfilter bzw. Gasfilter
    W Dicke Gasfilter max. 20 mm und max. 5 g Gewicht
    F Dicke Gasfilter max. 10 mm und max. 5 g Gewicht
    F Dicke Interferenzfilter max. 5 mm und max. 1 g Gewicht
    F Interferenzfilter so klein wie möglich
    F Gasfilterstutzen max. 1,5 mm lang
    F Filterrad leicht demontierbar
    W Einheit so kompakt wie möglich
    F Positioniergenauigkeit: ±1°
    F 6 Öffnungen pro Filterrad für Filter
    F Verweilzeit pro Öffnung ca. 0,5 sec
    F Transferzeit zur benachbarten Öffnung ca. 0,2 sec
    F Thermostatentemperatur 60° Celsius
    F Spannungsversorgung 24 V DC und 230 V AC
    F Positionsrückmeldung
    F PC-Schnittstelle
    F Lebensdauer der Einheit > 25000 h im Dauerbetrieb
    F Gesamtpreis der Einheit < 300 DM
      Stückzahl 300 pa. über 5 Jahre

Grey-Box:

Aus der Aufgabenstellung und dem Pflichtenheft ist die folgende Grey-Box entstanden.

Greybox
Bild 1: Greybox

Einbau der Filter:

Um die minimalen Abmessungen für die Filter und die daraus u.a. resultierende Filterradgröße zu ermitteln, wurde der folgende (vorgegebene) Strahlengang verwendet:

Strahlenkegel
Bild 2: Strahlenkegel mit eingebauten Filtern

Dabei wurden die Interferenzfilter so weit wie möglich an die Lichtquelle positioniert, da deren Preis quadratisch mit dem Radius steigt. Die Filter müssen nur in der Größe des Lichtkegels gefertigt werden und mit einem entsprechenden Rahmen auf die vorgegebene Größe des Filterrades gebraucht werden. Es wird auch deutlich, daß die gewünschte max. Dicke der Gasfilter bei der geplanten Filterraddicke von 1,5 mm nicht ganz erreicht wird. Aus der Zeichnung kann durch einen einfachen Strahlensatz der Interferenzfilterdurchmesser von 10,9 mm und der Gasfilterdurchmesser von 18,7 mm berechnet werden. Dazu muß noch die Toleranz der Positionierung ergänzt werden, die durch das Pflichtenheft nach oben mit ±1% begrenzt ist. Es ergibt sich also für das Filterrad eine lichte Weite von 21,2 mm.

Aufbau des Filterrades:

Das Filterrad ist fertig konstruiert und gezeichnet (s.u.). Leider kann die CNC-Fertigung bzw. Dateneingabe nicht durch unsere Werkstatt erfolgen, da diese zur Zeit mit einem anderen Projekt völlig ausgelastet ist. Wir werden also versuchen, die Dateneingabe selbst durchzuführen. Zu Testzwecken werden wir ein einfaches Rad mit dem gleichen Massenträgheitsmoment wie das vollständig bestückte Filterrad herstellen.

Filterrad
Bild 3: Filterrad

Mein derzeitiges Tätigkeitsfeld:

Derzeit beschäftige ich mich mit der Programmierung der Micro-Controllers SAB80c166. Da bisher noch kein Motor endgültig ausgewählt und bestellt wurde, wird zu Testzwecken der im Institut der EMK entwickelte SR (Switched Reluctance) Motor verwendet. Für den 80c166 und den SR-Motor existierte bereits ein lauffähiges Programm, welches den Motor aber nur konstant in eine Richtung (links) drehen läßt. Durch die Implementierung eines entstrechenden Bestromungalgorithmus kann der Motor nun auch rechts drehen. Um den Motor zwischen zwei Positionen verfahren zu lassen muß ein 3-stufiger Kaskadenreger eingebaut werden. Dieser Überwacht die Position des Rotors und stellt entsprechend der Winkeldifferenz eine Sollgeschwindigkeit ein. In Abhänigkeit von der Istgeschwindigkeit gibt der Geschwindigkeitsregler dem Momentenregler ein Moment bzw. Strom vor. Die Momentenregelung geschieht mittels Puls-Weiten-Modulaton (PWM) und Messung des Stroms über einen Shunt-Winderstand mit anschliessender A/D-Wandelung durch den Microcontroller. Folgende Abbildung soll dieses Prinzip nochmals verdeutlichen:

Blockdiagramm Kaskadenregler
Bild 4: Kaskadenregler

Zeitplan:

Zeitplan
Bild 5: Zeitplan


Verweise:

FAQ über den Micro-Contoller SAB80c166
STMicroelectronics (u.a. Dokumentation zum SAB80c166)

Zuletzt aktualisiert am Donnerstag, den 20. Dezember 2007 um 10:13 Uhr