Ein Messsystem für die Kyrotechnik – Erfassung tiefer Temperaturen mit einem PXI/SCXI System

Author(s):
C.H. Lefhalm - Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
H. Gemmeke - Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
H. Demattio - Forschungszentrum Karlsruhe GmbH

Industry:
Research, Life Science

Products:
Real-Time, PXI/CompactPCI

The Challenge:
Im Rahmen des Projekt TOSKA am Forschungszentrum Karlsruhe werden supraleitende Komponenten für den in Frankreich im Bau befindlichen Fusionsreaktor ITER entwickelt und getestet.

The Solution:
In diesem Bericht werden zwei Testaufbauten eines Messsystems zur Erfassung tiefer Temperaturen mit Widerstandthermometern auf Basis eines National Instruments PXI Systems beschrieben. Dabei werden die Sensoren je nach Typ mit Strömen aus einem SCXI Modul oder externen umschaltbaren Stromquellen gespeist. Vor der Erfassung werden die Spannungssignale über SCXI Module konditioniert und mit einer DAQ Karte aufgenommen. Die Steuerungssoftware wird mit LabVIEW RT auf dem PXI System implementiert.

Diese Anwenderlösung ist ein Beitrag zum jährlichen VIP-Kongress von National Instruments. Der vollständige Beitrag ist ferner im kongressbegleitenden Tagungsband VIP 2006, S. 2-8, veröffentlicht.

Einleitung

In der TOSKA Anlage am Institut für Technische Physik (ITP) des Forschungszentrums Karlsruhe werden supraleitende Komponenten für den in Cadarache, Frankreich im Bau befindlichen Fusionsreaktor ITER] getestet. Die Supraleitung der dabei verwendeten Materialien setzt erst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ein, so dass eine Kühlung der Testkomponenten mit Flüssigem Helium notwendig ist. Für den Betrieb einer solchen Anlage ist die Messung der Prozesstemperaturen im relevanten Bereich um ca. 3 Kelvin eine Grundvorraussetzung. Darüber hinaus sind genaue Messungen der Temperaturen an einer Vielzahl von Positionen der Testkomponenten eine wesentliche Informationsquelle für die wissenschaftlichen Experimente.

 

Anforderungen

Während für die Prozessleittechnik eine robuste und verlässliche Sensorik auch auf Kosten der Genauigkeit vorgezogen wird, gelten für die wissenschaftlichen Messungen besondere Anforderungen im Bezug auf Temperaturauflösung und Messgenauigkeit. Hier kommen unterschiedliche Arten von Sensoren zum Einsatz.

Sensoren

Zur Messung von tiefen Temperaturen werden speziellen Kryo-Sensoren vom Typ TVO-Resistor (Laboratory of Particle Physics, Moskau) oder vom Typ Cernox (Lake Shore Cryotronics, Westerville/OH) eingesetzt. Bei dem TVO Sensor handelt es sich um ein Al₂O₃ Compound, das mechanisch und elektrisch relativ belastbar ist. Um einen robusten Sensor für Prozessdaten zu erhalten, wird der TVO meist in eine Schutzhülle eingegossen. Der Cernox Sensor besteht aus einem Zirkonium-Nitrit Film, der auf einen Saphirkörper aufgebracht wird. Er bietet eine bessere Sensitivität, ist aber elektrisch sensibel.
Die beiden Widerstandsfühler besitzen einen sehr ausgeprägten negativen Temperaturkoeffizienten. Dabei sind ihre Kennlinien nicht standardisiert und im Allgemeinen nicht linear, d.h. sie variieren von Sensor zu Sensor. Daher wird für jeden Sensor im eigenen Kalibrierlabor ein Kennlinienfeld ermittelt, welches die Berechnung der Temperatur aus dem aktuellen Widerstand gestattet.

Auflösung und Genauigkeit

Beide Sensortypen haben eine Sensitivität von mehreren 100 Ohm pro Kelvin im Bereich von 1 bis 10 Kelvin. Um eine Aussage über die notwenigen Spezifikationen der zu verwendenden Messtechnik zu erhalten, wird zunächst die dimensionslose Sensitivität definiert (Formel 1).

Sie beschreibt die Stärke der Widerstandsänderung bei einer gegebenen Temperatur T und zugehörigem Widerstand R des Sensors und ist ein Maß für die Empfindlichkeit. Mit ihr wird die Temperaturauflösung ermittelt (Formel 2), wobei Delta U die Auflösung des verwendeten Voltmeters, U der Spannungsabfall am Sensor und T die Temperatur ist. Der Spannungsabfall U am Sensor ergibt sich dabei aus dem Produkt von Speisestrom I und Widerstand R des Sensors.
Damit lassen sich für beide Sensortypen Tabellen für die Temperaturauflösung in Abhängigkeit von Speisestrom und Messtemperatur erstellen, wobei zunächst eine Auflösung des Voltmeters von 10myV angenommen wird:

Sensortyp: TVO

T [K]	R [Ohm]	Speisestrom I [myA]	Spannung U [mV]	Sd	Delta T [K]
4	3000	10	30	0,6	0,002
100	1200	10	12	0,2	0,1
300	1000	10	10	0,2	1,5

* my beschreibt das griechische Symbol für Permeabilität (Magnetismus)


Sensortyp: Cernox

T [K]	R [Ohm]	Speisestrom [myA]	Spannung U [mV]	Sd	Delta T [K]
4	3000	10	30	1	0,002
100	100	20	2	1	0,5
300	50	50	2,5	1	1,2

* my beschreibt das griechische Symbol für Permeabilität (Magnetismus)


Grundsätzlich erkennt man, dass die Temperaturauflösung mit zunehmender Messtemperatur schlechter wird, da der messbare Spannungsabfall am Sensor mit sinkendem Widerstand abnimmt. Dies gilt vor allem für den Cernox Sensor; hier muss der Speisestrom nachgeführt werden, um eine ähnliche Auflösung wie beim TVO Sensor zu erreichen. Eine beliebige Erhöhung des Speisestroms ist dabei nicht möglich, da der Stromfluss den Sensor erwärmt, was zu Messfehlern führt. Neben einer Präzisionsstromquelle wird also eine hoch auflösende Spannungsmessung benötigt, um die gewünschte Temperaturauflösung zu erreichen.

 

Aufbau der Testsysteme

Um die Anforderungen zu Prüfen, wurden zwei unterschiedliche Testsysteme aufgebaut. Die Abbildung zeigt diese Systeme unter Verwendung von PXI und SCXI Komponenten im Fall A und einem PXI mit DMM und Switch im Fall B.

Bei beiden Systemen kommt für die Bereitstellung des Speisestroms der TVO Sensoren ein modifiziertes NI SCXI 1581 Modul mit 20myA Ausgangsstrom zum Einsatz. Die Cernox Sensoren werden von einer steuerbaren Keithley 6221 Current Source gespeist. Die Sensorsignale werden im Testaufbau A über ein NI SCXI 1102 Modul erfasst und durch das SCXI Chassis an eine NI P XI 6052E DAQ Karte weitergeleitet. Im Testaufbau B übernimmt diese Aufgabe ein NI PXI 4071 FlexDMM, welches die Sensorsignale über einen NI PXI 2503 Switch zugeführt bekommt. Für Messungen im Normaltemperaturbereich werden Pt100 Sensoren mit einem Standard NI SCXI 1581 Modul (100myA) gespeist, deren Signale zur Erfassung zusammen mit Thermoelementen auf ein NI SCXI 1102 Modul geführt werden.
Die Datenverarbeitung erfolgt in Realtime auf dem PXI 8186 RT Controller, gesteuert durch eine Hostanwendung auf einem LabVIEW Computer im Netzwerk. Ein Teil der berechneten Temperaturen wird über eine DF PROFI II Profibus-Baugruppe der Firma Comsoft einer S7 SPS zur Verfügung gestellt.

 

Testaufbau A: PXI/SCXI

Um die erreichbare Temperaturauflösung des Testaufbaus A für die TVO und Cernox Sensoren zu bestimmen, wurde zunächst der Accuray Calculator auf der Webseite von National Instruments der verwendet. Alle Angaben beziehen sich auf Erfassungshardware, die innerhalb des letzten Jahres kalibriert wurde. Ein Mittelwert über 100 Erfassungen wurde dabei zu Grunde gelegt. Für die Kombination aus PXI 6052E DAQ und SCXI 1102 Modul ergibt sich beispielhaft für die Messung eines TVO Signals von 60mV:

Signal	DAQ Genauigkeit	SCXI Genauigkeit	System Genauigkeit
+/- 0,06 V	+/- 0,0326 mV	+/- 0,0390 mV	+/- 0,0508 mV

Die Genauigkeit der Stromquelle ist mit +/- 0,05% angegeben, was zu einer Unsicherheit von +/- 0,03 mV im Spannungssignal führt. Nach dem Fehlerfortpflanzungsgesetzt ergibt sich insgesamt eine Genauigkeit der Messkette bei 4K von 60,0+/- 0,059 mV. Mit Gleichung (2) folgt eine Temperaturauflösung von 0,0065K. Für die anderen Werte gilt nach obiger Tabelle:

Sensortyp: TVO, Testaufbau A: PXI/SCXI

T [K]	R [Ohm]	I [myA]	U [mV]	Auflösung [mV]	Delta T [K]
4	3000	20	60	+/- 0,0590	0,0065
100	1200	20	24	+/- 0,0375	0,781
300	1000	20	20	+/- 0,0359	2,694

* my beschreibt das griechische Symbol für Permeabilität (Magnetismus)

Für den Cernox Sensor kommt die Keithley Stromquelle zum Einsatz, deren Genauigkeit ebenfalls mit +/- 0,05% angegeben ist. Hier errechnet sich für die Messkette:


Sensortyp: Cernox, Testaufbau A: PXI/SCXI

T [K]	R [Ohm]	I [myA]	U [mV]	Auflösung [mV]	Delta T [K]
4	3000	10	30	+/- 0,0384	0,0051
100	100	20	2	+/- 0,0303	1,516
300	50	50	2,5	+/- 0,0304	3,651

* my beschreibt das griechische Symbol für Permeabilität (Magnetismus)

Somit wird in diesem Testaufbau die Forderung der Temperaturauflösung bis zu dreifach überschritten, was in erster Linie auf die mangelnde Genauigkeit der Spannungsmessung zurückzuführen ist.

 

Testaufbau B: PXI/DMM/Switch

In Anlehnung an die kürzlich erschienene Application Note „Performing High-Accuracy Temperature Measurements Using a NI Digital Multimeter and Switch” von National Instruments, wurde der Testaufbau B mit einem NI PXI 4071 FlexDMM und Switch untersucht. Aus der Spezifikation für die DC Spannungsmessung entnimmt man für den Messbereich von 100mV eine Unsicherheit von 20ppm des Messwerts zuzüglich 8ppm des Messbereichs. Hinzu kommt eine Unsicherheit von +/-2myV durch thermische EMF Effekte im Switch. Nach gleichem Berechnungsschema wie oben erhält man für die Messketten der Sensoren:

Sensortyp: TVO, Testaufbau B: PXI/DMM/Switch

T [K]	R [Ohm]	I [myA]	U [mV]	Auflösung [mV]	Delta T [K]
4	3000	20	60	+/- 0,0301	0,0033
100	1200	20	24	+/- 0,0122	0,2548
300	1000	20	20	+/- 0,0103	0,7701

* my beschreibt das griechische Symbol für Permeabilität (Magnetismus)


Sensortyp: Cernox, Testaufbau B: PXI/DMM/Switch

T [K]	R [Ohm]	I [myA]	U [mV]	Auflösung [mV]	Delta T [K]
4	3000	10	30	+/- 0,0152	0,0020
100	100	20	2	+/- 0,0024	0,1194
300	50	50	2,5	+/- 0,0025	0,3008

* my beschreibt das griechische Symbol für Permeabilität (Magnetismus)

Man erkennt eine bessere Temperaturauflösung gegenüber der im Testaufbau A, die die Forderungen klar erfüllt und sogar deutlich übertrifft. Hierfür ist die hohe Genauigkeit des Flex DMM verantwortlich, die jedoch nur mit einer vergleichsweise langsamen Erfassungsrate erreichbar ist. Da sich Temperaturen jedoch relativ langsam ändern ist das für diese Anwendung keine wesentliche Einschränkung.

 

Zusammenfassung

Für die Messung tiefer Temperaturen mit Widerstandssensoren des Typs TVO und Cernox ist die Genauigkeit der Spannungsmessung entscheidend, um die geforderte Temperaturauflösung zu erreichen. Der Aufbau A unter Verwendung von SCXI Modulen 1102 in Kombination mit einer PXI 6052E DAQ hat diese Forderungen nicht erfüllt, da die erreichte Auflösung nicht ausreicht. Mit dem PXI 4071 FlexDMM und einem Switch im Testaufbau B konnten die Anforderungen hingegen problemlos erreicht und sogar übertroffen werden. Für die Messungen von Pt100 und Thermoelementen ist die erreichbare Genauigkeit auf PXI/SCXI Basis ausreichend. Für die Anlage TOSKA wird der Aufbau B auf bis zu 200 Sensoren ausgebaut.

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