Humboldt-Universität zu Berlin,
Institut für Informatik
Lehr- und Forschungsgebiet
Signalverarbeitung und Mustererkennung
TEGRA -
Erfassungsgerät für Temperatur- und Gravitationsdaten
| 
|
Kurzbeschreibung
Mit dem Temperatur- und Gravitationsmeßgerät TEGRA steht ein
hochgenaues Meßgerät speziell für
Kristallzüchtungsaufgaben zur Verfügung, wobei durch die
gleichzeitige Messung der Temperatur und Gravitation eine genaue
Interpretation thermophysikalischer Eigenschaften von
Kristallzüchtungsproben möglich wird.
Das Gerät entstand mit Fördermitteln der DARA und wurde
erstmals 1995/96 in der europäischen Mission EUROMIR ´95 auf
der russischen Raumstation MIR erfolgreich eingesetzt. Es wurde auf der
Hannover-Messe 1996 auf dem Stand des Forschungsmarktes Berlin
präsentiert.
For more information see:
High Resolution Temperature Measurement Technique for Materials Sciences Experiments in Space
Günther,
Kell, Morgenstern, Winkler in Proceedings to 45th Congress of the
International Astronautical Federation, Jerusalem, Israel, October 1994
Elektronische Meßtechnik für die Kristallzüchtung
Für
die Kontrolle und Auswertung von materialwissenschaftlichen
Experimenten ist das zentrale Problem die ortsbezogene, hochgenaue
Temperaturmessung
in Kristallzüchtungsanlagen. Derartige Experimente werden
teilweise im Weltraum durchgeführt, weil dort
Beschleunigungskräfte fast völlig fehlen.
Vor allem bei der bemannten Raumfahrt können jedoch durch
Erschütterungen störende Restbeschleunigungen auftreten, die
während des Erstarrungsvorganges
in den Materialproben zu lokalen Kristallbaufehlern führen. Die
meßtechnische Erfassung dieser sogenannten Mikrogravitation ist
bei vielen Experimenten
von besonderem Interesse. Das programmierbare, vollautomatisch
arbeitende elektronische Meßgerät TEGRA (Temperatur- und
Gravitationsmeßmodul) vereint
nun erstmals die Hardware für die Messung beider
Meßgrößen. Unter Einhaltung des hohen technischen
Standards der Weltraumtechnik können Temperaturen
bis 1250 °C mit einer Auflösung von 0,005 K in elektrisch
stark gestörter Umgebung gemessen werden. Die gleichzeitige
Gravitationsmessung erfolgt mit
einer Auflösung von 1/40000 der Erdbeschleunigung. Durch die
konstruktive Gestaltung des Meßgerätes TEGRA als Einbaumodul
war die Integration in eine
bestehende Kristallzüchtungsanlage TITUS in der Weltraumstation
MIR möglich (siehe Bild unten; TEGRA ganz rechts im Bild). Die
Verwendung von vier Standardschnittstellen RS 232 ermöglicht
jedoch auch den Betrieb an anderen
rechnergesteuerten Züchtungsanordnungen.
Die Sensoren
Als Sensoren für den Temperaturbereich bis
1250 °C mit den hohen Genauigkeitsanforderungen werden
ausschließlich Mantelthermoelemente vom Typ NiCr/Ni und Pt/PtRh
verwendet. Es können bis zu 10 Thermoelemente gleichzeitig
eingesetzt werden.
Die Module von TEGRA
Im Titelbild ist TEGRA als komplettes
Einbaugerät für die Züchtungsanlage TITUS dargestellt.
Es ist aus den folgenden Komponenten aufgebaut:
- Das Temperaturmodul bereitet die von den
Meßsonden gelieferten analogen Signale soweit auf, daß sie
mit einem Prozessorsystem verarbeitbar sind. Eingangsseitig ist der
Anschluß von zwei Gruppen mit maximal je fünf
Thermoelementen (NiCr/Ni bzw. Pt/PtRh) vorgesehen.
- Das Gravitationsmodul überwacht simultan
drei Meßeingänge, die mit Beschleunigungssensoren für
die drei Raumachsen beschaltet sind, und liefert die Daten an eine RS
232 - Schnittstelle.
- Das Digitalmodul realisiert die Abarbeitung
des Temperaturmeßregimes und übergibt eine frei
programmierbare Auswahl von Meßdaten an eine RS 232 -
Schnittstelle.
- Das Stromversorgungsmodul stellt die
Energieversorgung der Meßeinrichtung TEGRA aus einer
unstabilisierten 27 V - Quelle sicher. Es ist für die Versorgung
der analogen Baugruppen besonders störsicher ausgeführt.
Das Temperaturmeßprinzip
Die hohen Anforderungen bezüglich Meßgenauigkeit und
Störsicherheit erfordern eine besondere Gestaltung der
Erfassungsbaugruppen.
Der Grundgedanke besteht darin, im Ruhezustand sämtliche
Thermoelemente mit jeweils einem Kondensator zu verbinden, so daß
die Kondensatoren mit den zugehörigen Thermospannungen geladen
werden.
Dadurch wird eine hohe Impedanz zwischen allen Themopaaren und dem
Verstärkereingang und damit eine hohe Störsicherheit
erreicht.
Bei Verlassen des Ruhezustandes wird zunächst ein Kondensator vom
Thermoelement abgetrennt und anschließend mit dem Eingang des
Vorverstärkers verbunden.
Dadurch werden die von den Thermoelementen eingebrachten
Gleichtaktstörungen vom Eingang des Vorverstärkers weitgehend
ferngehalten.
Die Güte dieser Stördämpfung wird im wesentlichen von
den Schaltereigenschaften bestimmt und erreicht bei TEGRA bis zu 120 dB.
Die hohe Gesamtauflösung von 18 bit innerhalb von 10 ms wird
erreicht durch einen 16-Bit-A/D-Umsetzer nach dem Verfahren der
sukzessiven Approximation in Verbindung mit einem speziellen Verfahren
der Mehrfachmessung, wobei eine Überlagerung des Eingangssignales
mit einer exakt determinierten Rampenfunktion vorgenommen wird.
Der differentielle Linearitätsfehler bei der A/D-Umsetzung wird
dabei bis unter die Nachweisgrenze reduziert.
Das Meßprinzip für Mikrogravitationswerte
Kern des
eingesetzten Beschleunigungssensors QFLEX QA 1400 ist eine dünne
bewegliche Metallplatte, die zusammen mit zwei weiteren Platten einen
Differenzkondensator bildet. Von einer Regelelektronik wird diese
Platte genau in der Mittellage gehalten, die Regelspannung ist ein
Maß für die auftretende Beschleunigung.
Da bei Experimenten auf der Erde der vorhandene statische
Gravitationsanteil nicht ermittelt werden muß, wurde eine analoge
Schaltung zur Kompensation des statischen Anteils eingesetzt. Es ist
damit möglich, gleiche Untersuchungen auf der Erde wie in der
Schwerelosigkeit bis zu Gravitationsänderungen von 50 mg bei einer
Bandbreite von 0,1 Hz bis 200 Hz durchzuführen.
Die Schnittstellen
Zur Meßwerterfassung und Darstellung
stehen insgesamt vier galvanisch getrennte serielle Schnittstellen zur
Verfügung:
- Monitorschnittstellen:
Über zwei RS 232 -
Schnittstellen werden ständig aktuelle Temperatur- und
Gravitationswerte im ASCII-Format ausgegeben.
- Datenschnittstellen:
Über zwei
weitere RS 232 - Schnittstellen werden progammgesteuert Temperatur- und
Gravitationswerte im ASCII-Format ausgegeben. Das Meßprogramm
wird als Klartext in vorgegebener Syntax formuliert und im ASCII-Format
übertragen. Durch eine Echtzeitsteuerung wird gewährleistet,
daß auch bei kurzzeitigen Störungen oder
Spannungsunterbrechungen das Meßprogramm und die
Datenübertragung fortgesetzt werden.
Technische Daten
Abmessungen (B x H x T) 126 mm x 150 mm x 230 mm
Gewicht 3,3 kg
Temperatursensoren 10 Mantelthermoelemente
Meßtemperaturbereich 0 bis 1250 °C (Pt/PtRh)
Temperaturauflösung ± 0,0025 K
Beschleunigungssensoren 3 x QFLEX QA 1400
Beschleunigungsmeßbereich ± 0,050 g
Beschleunigungsauflösung 25 µg
Datenschnittstellen
Temperatur RS 232, 9600 bd,N,8,1
Gravitation RS 232, 38400 bd,N,8,1
Monitorschnittstellen RS 232, 9600 bd,N,8,1
Versorgungsspannung 27 V ± 5 V
Stromaufnahme 0,36 A
Kontakt
Leiterin: Prof. Dr. Beate Meffert
Arbeitsgruppe: Manfred Günther, Lothar Heese, Gerald Kell, Rolf Kleine,
Christian Lauritsen, Thomas Morgenstern, F. Winkler
Humboldt-Universität zu Berlin, Institut für Informatik
(in Zusammenarbeit mit dem DLR Köln und der DARA Bonn)
Hinweise: WWW-Admin
Erstellt am 30-04-96, zuletzt geändert am 26-11-15
