Sensorkonstruktion

Temperatursensor

Amir Braun, 31.05.2024 - Temperatursensor - Konzept 1

Definition

Das vorhandene Konzept des neuen Temperatursensors basiert auf eines NTC Thermistors der Firma VISHAY (NTCLE317E4103SBA) [118] der über ein PFA Rohr und eine bereits entworfene Messinghülse in ein T-Stück der Firma AVS Römer eingeklebt werden soll. Die folgende Abbildung stellt schematisch den grundlegenden Aufbau des Sensor-Konzepts dar.

Realisierbarkeit

Das vorhandene Temperatursensor-Konzept muss auf Realisierbarkeit vor allem in Bezug auf die Reaktionszeit des Konzepts, sowie die Integration der Einzeilteile zu untersuchen und zu testen. Dem entsprechend wirft das vorhandene Temperatursensor-Konzept primär drei relevante Problemstellungen auf.

Kleben von PFA Schläuchen

PFA Schläuche bestehen aus aus dem fluoriertem Kunststoff Perfluoralkoxy und weisen daher ungünstige Klebeeigenschaften auf. Daher erfordert die Verklebung eine Benetzung mit einem Aktivator (Primer).

Integration der Einzelteile

Um ein verlässliches standardisiertes Integrieren der Einzelteile zu garantieren ist ein eindeutig definierter und dokumentierter Fertigungsprozess erforderlich. Dazu werden Fertigungshilfen benötigt, welche ebenfalls zu entwickeln und zu erproben sind. Hierbei ist besonders die Endstellung (vor allem des NTC‘s) und ein korrektes Einführen und Kleben der Einzelteile zu beachten.

Reaktionszeit des Konzepts

Die Reaktionszeit des gesamten Temperatursensor gilt es durch Prototypen zu ermitteln und sollte möglichst wenig von der Reaktionszeit des NTC Thermistors abweichen.

Erweiterungsmöglichkeiten des Temperatursensor-Konzepts

Die Reaktionszeit des NTC Thermistors beträgt 0,3 Sekunden [118] und soll im Temperatursensor möglichst erhalten bleiben. Allerdings ist der NTC nicht geeignet für kontinuierlichen Kontakt mit Flüssigkeiten und benötigt daher den Schutz der umschließenden Messinghülse. Die Wärmeübertragung und folglich auch Reaktionszeit ist dadurch verzögert. Eine Möglichkeit eine schnellere Wärmeübertragung zu ermöglichen ist das Einbetten des NTC‘s in geeignetem Epoxydharz. Der NTC könnte so ohne Messinghülse in direkterem Kontakt mit dem Wasser stehen.

Finales Konzept 1

Das finale Konzept des neuen Temperatursensors sieht wie folgt aus.

Die Messinghülse (orange) ragt möglichst tief in die Mitte des AVS Römer T-Stücks (türkis) hinein. Das PFA Rohr (grün) lässt sich 10 mm tief in das AVS Römer T-Stück einstecken und endet auf der anderen Seite auf Selber Höhe wie die Messinghülse. Dadurch ist eine eindeutig richtige Positionierung zueinander leicht zu erreichen. Der NTC Thermistor (blau) ist bis zum Anschlag in der Messinghülse eingeführt.

Ein Ast des AVS Römer T-Stücks ist jeweils 20mm lang. Die Messinghülse von 30mm Länge muss demnach 10mm nach außen abstehen um die korrekte Position im AVS Römer T-Stück zu erreichen. Um eine dichte Steckverbindung zwischen dem PFA Rohr und dem AVS Römer T-Stück zu garantieren muss dieser 10mm eingesteckt werden. Da die Messinghülse 10mm aus dem AVS Römer T-Stück herausragt bietet es sich an, dass das PFA Rohr ebenfalls um die selbe Länge herausragt. Dadurch lässt sich zum einen eine korrekte Positionierung von Messinhgülse zum PFA Rohr leicht verifizieren und zum anderen ist eine 20mm Länge gegeben um eine ausreichend stabile Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen. Ebenfalls ist dadurch die Möglichkeit zu einem an- und abstecken per Hand gegeben.

Fertigungsversuche im Labor

Fügung der Einzelteile

Das Fügen der Einzelteile des Temperatursensors (NTC Thermistor, Messinghülse, PFA Rohr und AVS Römer T-Stück) wurde in Tests per Hand untersucht und lieferte Ergebnisse. Der NTC Thermisor lässt sich bedenkenlos in die Messinghülse einführen. Das PFA Rohr (mit 6 mm Außen- und 4 mm Innendurchmesser) lässt sich ebenfalls wie gewohnt in das AVS Römer T-Stück einstecken. Lediglich das Einführen der Messinghülse in das PFA Rohr erscheint schwer durch die enge Passung der beiden Durchmesser. Daher gilt es, im Bezug auf einen serienfähigen Fertigungsprozess, ein Verfahren zu entwickeln, welches ein Fügen dieser Bauteile verlässlich ermöglicht.

Einführen und Kleben des NTC Thermistors in der Messinghülse

Der NTC Thermistor muss bis zum Anschlag in die Messinghülse eingeführt und sicher verklebt werden können. Im Versuch einen NTC Thermistor mit X60 Schnellklebstoff in eine Messinhgülse einzukleben stellte sich heraus, dass die Kabel des NTC Thermistors steif genug sind um ein Einführen per Hand zu ermöglichen und das X60 Schnellklebstoff zum Einkleben geeignet ist.

Fügen von PFA Rohr und Messinghülse durch Aufschrumpfen

Ein Fügen der Messinghülse in das PFA Rohr ist aufgrund des Übermaßes beider Teile händisch nicht möglich und erfordert ein Aufweiten des Innendurchmessers durch äußere Hitzeeinwirkung.

[Link 4]

Bei einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,3 * 10-4 [Link 3] und einer Erwärmung von 20 °C auf 290 °C beläuft sich die lineare Ausdehnung des 4 mm Innendurchmessers auf 0,14 mm und ermöglicht ein leichteres einführen der Messinghülse in das PFA Rohr. In einem Versuch mit einer Heizpistole bei 2000 W / 600 °C wurde die eben beschriebene Fertigungsmethode provisorisch getestet. Zunächst wurde das PFA Rohr für etwa 3-4 Minuten rundum auf eine schätzungsweise ausreichende Temperatur erhitzt. Dabei wurde der Innendruchmessers des PFA Rohrs mit der Spitze einer Zange ein wenig geweitet um unsaubere Rückstände vom Zuschneiden zu beseitigen. Anschließend wurde die Messinghülse per Hand eingeführt. Zu beobachten war, dass die Messinghülse im aufgehitzten Bereich gleitend eingeführt werden konnte und ruckartig zum Halt kam im ungewärmten Bereich. Ebenso ließ sich die Messinghülse nicht mehr per Hand aus dem PFA Rohr ziehen. Vereint ließen sich Messinghülse und PFA Rohr auch in das AVS Römer T-Stück einstecken und wieder heraus nehmen. Das Aufheizen für eine leichte Fügung von Messinghülse und PFA Rohr ist somit geeignet und bedarf womöglich keiner weiteren Verklebung. Weiterhin ist die Dichtheit durch einen beobachteten Durchfluss am Prüfstand, sowie die Verlässlichkeit der Passverbindung durch ein Ein- und Abstecken im AVS Römer T-Stück zu ermitteln.

Prototyp

Per Hand wurde ein Prototyp des Temperatursensors gebaut, der im Labor auf seine Reaktionszeit sowie Dichtheit untersucht werden soll. Zunächst wurde ein PFA Rohr auf 20 mm zugeschnitten und mit einer Heizpistole wie zuvor bei 2000 W / 600 °C rundum auf eine schätzungsweise ausreichende Temperatur erhitzt. Anschließend wurde der Innendurchmesser an einem Ende mit einer Zange geweitet und die Messinghülse mit einer Zange, gegen Anschlag der Arbeitsoberfläche entsprechend eingeführt. Zuletzt wurden die Komponenten in ein AVS Römer T-Stück eingesteckt. Weiterhin muss der NTC Thermistor eingeklebt werden.

Aus der Fertigung dieses Prototypen sind folgende Ergebnisse abzuleiten:

Die Fertigung und generelle Handhabung der Bauteile erfordert Zangen. Das erhitzte PFA Rohr kühlt sehr schnell wieder ab und erfordert ein zügiges Arbeiten oder mehrfaches Erhitzen. Das Erhitzen zum Fügen von PFA Rohr und Messinghülse ist aufgrund der nötigen individuellen Sorgfalt für einen Temperatursensor nicht für die Serienfertigung geeignet. Das Einkleben des NTC Thermistors sollte zuletzt geschehen um die Handhabung zu erleichtern und eine Gefährtung des NTC Thermistors auszuschließen. Das Einstecken in das AVS Römer T-Stück erfordert Präzision. Ein Eindrücken der Lösevorrichtung erleichter diesen Prozess. Das Abstecken aus dem AVS Römer T-Stück erfordert eine Zange. Der Außendurchmesser des PFA Rohrs weitet sich beim Einführen der Messinghülse. Fertigungshilfen sollten eine Fügungs der Bauteile auf kürzestem Weg ermöglichen. Der Temperatursensor ragt zu weit aus dem AVS Römer T-Stück hinaus um dem begrenzten Bauraum in der Kaffeemaschine gerecht zu werden.

Folgende Änderungen stehen an um dieses Temperatursensorkonzept zu verbessern:

Anpassen der Messinghülsen: Fügen ohne Hitzeeinwirkung und Minimierung des notwendigen Bauraums Untersuchen einer Klebeverbindung zwischen PFA Rohr und Messinghülse statt einer Passverbindung

Tauglichkeit

Als Maß zur Verifizierung der Tauglichkeit des Konzepts dient die Reaktionszeit des Sensors. Dazu wurden Reaktionszeitmessungen durchgeführt und ausgewertet. Die entsprechende Messschaltung wurde auf einem Steckbrett aufgebaut, die Spannungen wurden über die Messkarte des Pumpenprüfstands erfasst und mit Hilfe von MATLAB® ausgewertet. Zunächst wurde der Sensorprototyp in kaltes Wasser eingetaucht. Dann wurde die Messung in MATLAB® gestartet und der Sensorprototyp einer schlagartigen Temperaturänderung ausgesetzt indem er in heißes Wasser eingetaucht wurde. Die Messzeit betrug 45 Sekunden. Anschließend wurde der Versuch in die entgegengesetzte, also von heißem zu kaltem Wasser, durchgeführt. Bei der Versuchsauswertung in MATLAB® wurden die Messdaten geplottet und geglättet. Aus der Messkurve wurde nun die Zeitkonstante der Sprungantwort abgelesen. Diese t65-Zeit entspricht dem Zeitwert, bei dem der Sensor 65 % des Endwertes erreicht hat.

Die Auswertung des Versuches lieferten eine durchschnittliche Zeitkonstante von 2,38 s bei Wechsel von heißem zu kalten Wasser und 4,26 s beim Wechsel von kaltem zu heißem Wasser. Vorausgehende Temperatursensoren besitzen Reaktionszeiten von 1,47 s (Patricia Viebke) und 0,46 s [122]. Demnach ist die Reaktionszeit dieses Konzepts für den Temperatursensor zu langsam und erfordert zunächst keine weitere Untersuchung. Darüber hinaus ist in einem Fertigungsprozess das Aufheizen mit einer Heizpistole nicht prozesssicher darstellbar und aus Gründen der Sicherheit nicht durchführbar.

Amir Braun, 31.05.2024 - Temperatursensor - Konzept 2

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Armin Rohnen, 06.05.2024

Da einige Sensoren und Aktoren, die bisher von AVS-Römer bezogen wurden, nicht mehr lieferbar sind wurde entschieden, dass für den Temperatursensor, den (die) Drucksensoren und das Dosierventil eine eigene Entwicklung gestartet bzw. vorhandenen Entwicklungen fortgeführt werden.