CERN kalibriert Tieftemperaturthermometer für den neuen Large Hadron Collider (Großer Hadronenbeschleuniger) mithilfe von LabVIEW und GPIB

Author(s):
Christophe Balle - CERN, Division LHC-ACR

Industry:
Research, Life Science

Products:
LabVIEW, GPIB

The Challenge:
Erfassung und Konditionierung von Kalibrierungsdaten von Tieftemperaturthermometern

The Solution:
Einsatz eines LabVIEW-Programms für die Steuerung von GPIB-Geräten sowie Kommunikation mit einem SPS-System (SPS, speicherprogrammierbare Steuerung), einer Datenbank und einem Softwareprogramm zur Lösung mathematischer Funktionen.

Der Large Hadron Collider (LHC) ist ein neuer Teilchenbeschleuniger für Proton-Proton-Kollisionen mit einem Umfang von ca. 27 km, der am Forschungszentrum CERN gebaut wird. Seine Funktionsweise basiert zu großen Teilen auf supraleitenden Magneten. Die Magnete des LHC erzeugen Magnetfelder in der Größenordnung von 9 Tesla (T), die mit einer Schwerpunktenergie von 7 TeV für Protonen aufrechterhalten werden. Suprafluides Helium kühlt die Magnete auf die für die Supraleitung notwendige Betriebstemperatur von 1,9 K (-271°C) ab.

Ca. 6000 Tieftemperaturthermometer steuern und überwachen die Systemtemperatur während des Betriebs und regeln so die Abkühlung und Aufheizung der LHC-Maschine. Die Thermometer müssen grundlegende Leistungsanforderungen erfüllen wie z. B.

• Hohe Messgenauigkeit bei Betriebstemperatur zur Vermeidung des folgenschweren "Magnetquench" (Übergang eines Magneten in seinen resistiven Zustand)
• Großer Temperaturbereich von 1,6 K bis 300 K
• Langfristige Stabilität
• Strahlungshärte
• Kompatibilität mit industrieller Steuer- und Regelhardware

Der kombinierte Einsatz von Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs) – Sensoren, deren Messwiderstand sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert – und speziellen, unterstützenden Systemkomponenten des CERN, ermöglicht es, diesen zwingenden Systemanforderungen gerecht zu werden. Um die erforderliche Messgenauigkeit zu gewährleisten, ist es notwendig, jedes Thermometer individuell zu kalibrieren.

Kalibrierungsanlage

Die Anlage, die das CERN zur Kalibrierung der Tieftemperaturthermometer einsetzt, besteht aus einem Kryostat (Kühlvorrichtung), das als Kühlflüssigkeit flüssiges Helium verwendet, und einem Experimenteneinschub. Das Flüssig-Helium-Kryostat ist ein Behälter, der zur Aufnahme von Kryogenen (Kühlmittel mit flüssigem Wasserstoff) dient. Bei der Einschubvorrichtung handelt es sich um einen isothermen Kupferblock, auf dem bis zu 60 Thermometer und vier Standardreferenzthermometer angebracht werden können. Der Kupferblock befindet sich in einem luftdicht abgeschlossenen Gehäuse mit Anschlussmöglichkeit für eine Pumpeneinheit, damit Kalibrierungen unter Vakuumbedingungen durchgeführt werden können. Die Widerstandsmessung der Thermometer erfolgt mittels 4-Draht-Technik. Das Strom- und Spannungssignal wird an einen Scanner übertragen, der an eine Stromquelle und an ein digitales Voltmeter angeschlossen ist. Ein Brückeninstrument misst die Temperatur der vier Standardthermometer. GPIB verbindet die Geräte mit einem Apple Macintosh, in dem eine NI-GPIB-Karte eingesteckt ist und auf dem das LabVIEW-Datenerfassungsprogramm, das so genannte ThermoCal, ausgeführt wird.

Software für die Kalibrierung

Das LabVIEW-Programm von NI erfüllt nicht nur die Aufgabe der Datenerfassung und -aufbereitung, sondern steuert auch die Kommunikation mit dem SPS-System, dem Mathematica-Programm sowie einer ORACLE-Datenbank. Die Einstellungsdaten für die Kalibrierung, u. a. Seriennummer des Thermometers, Installationsort auf dem Kupferblock, Scannerkanal, eingesetzte Geräte, werden manuell in eine Datenbank eingeben. LabVIEW liest diese Setup-Daten mithilfe einer in ORACLE generierten Datei und prüft, ob die entsprechenden GPIB-Geräte verfügbar sind.
Sind die Bedingungen stabil genug, um eine Kalibrierung durchzuführen, startet entweder der Mathematica-Operator oder das SPS-System, über die RS-232-Schnittstelle, das LabVIEW-Datenerfassungsprogramm. Da Voltmeter und Scanner sich gegenseitig triggern, verharrt das LabVIEW-Programm solange im Pausemodus, bis es durch eine Dienstanfrage erneut in den Bereitschaftsmodus gesetzt wird, um Daten aus dem Speicher des Voltmeters zu lesen. Die SPS sendet die Kalibrierungsparameter, einschließlich Helium-Pegel, Helium-Druck und elektrischer Heizleistung, an LabVIEW.

Geschichte und Zukunft

Im Jahre 1993 wurde am CERN die Datenerfassungsanwendung ThermoCal in LabVIEW programmiert sowie die Kalibrierungsanlage entwickelt und gebaut. Die Einsatzflexibilität von LabVIEW kombiniert mit der Austauschbarkeit selbst erstellter Gerätetreiber machten Validierungstests und Upgrades überhaupt erst möglich. Die Treiber basieren auf einer identischen Struktur und identischen Messprotokollen und sind mit den gleichen, strikt definierten VI-Knoten ausgestattet. 

Im Laufe der Jahre waren nur einige wenige, gut durchdachte Änderungen im Erscheinungsbild und in der Funktionalität der LabVIEW-Entwicklungsumgebung notwendig, um sowohl Entwickler als auch Anwender den langfristigen Einsatz ihrer Systeme zu sichern. Die dritte Version von ThermoCal unter LabVIEW ermöglicht uns nicht nur Routinekalibrierungen von mehr als 1000 Thermometern pro Jahr, sondern auch die Durchführung verschiedener Tests im Bereich der Temperaturmesstechnik.

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Christophe Balle
CERN, Division LHC-ACR
Tel: +41 22 767 95 89

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