Projektarbeit Amir Braun, Ze Lee, Leonhard Schöner

Aus Technische Beeinflussbarkeit der Geschmacksache Kaffee
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Entwicklung von Sensoren und Aktoren Sommersemester 2024

Aufgabenanalyse

Änderungsumfang am Pumpenprüfstand

Die Pumpe soll durch eine neue Außenzahnrad Pumpe der Firma AVS Römer ausgetauscht werden, um einen beständigeren Betrieb zu ermöglichen . Sie wird mit einer Versorgungsspannung von 24V versorgt und vom Steuersignal (0 bis 5 V) angesteuert, welches von einer weiteren MCU erzeugt wird. Die MATLAB GUI ist so anzupassen , dass der An / Aus Button des 24 V Netzteils entfällt . Stattdessen wird ein Drehzahl sollwert Slider mit Umrechnung auf digitalen Stellwert integriert Der DAC gibt u. U. bei Stellwert 4095 (2^12, 12 Bit DAC) mehr als 5 V aus. Hier muss der Spannungsendwert ermittelt werden, über den dann eingestellt wird.

Weitere Anpassung der MATLAB GUI für den Aufbau der Kommunikation mit den MCUs ist durchzuführen. Hier muss die Systematik aus der Betriebssoftware der Kaffeemaschine übernommen bzw. optimiert werden. Diese MATLAB GUI dient lediglich der Prüfstandbedienung. Spezifische Anpassungen wegen durchzuführenden Messaufgaben werden daran nicht durchgeführt. Ebenso wird eine Korrektur der Pläne erforderlich.

Temperatursensor Mechanik

Die aktuell verwendeten Temperatursensoren sind nicht mehr lieferbar, weshalb neue, möglichst schnell reagierende 10kOhm Sensoren auf Basis eines AVS Römer T Stücks entwickelt werden sollen. Ein potenzielles Konzept ist bereits vorhanden und soll auf die Realisierbarkeit untersucht und fertig ausgearbeitet werden. Dazu zählen ein klar definierter Entwurf und serienfähiger Fertigungsplan des fertigen Temperatursensors, sowie die zur Fertigung notwendigen Hilfen, falls solche anfallen sollten. Sollte das vorhandene Konzept nicht realisierbar sein, ist ein eine neue Lösung zu e rarbeiten. Darüber hinaus soll der neu entwickelte Temperatursensor in den Pumpenprüfst and eingebaut und anhand eines Prüfungskonzepts erprobt werden. Hierfür ist es notwendig sich mit weiteren Aufgaben auseinanderzusetzen: den Einbau des Temperatursensors in den Pumpenprüfstand, die korrekte Messdatenerfassung und Auswertung des Sensor Signals und einem Prüfverfahren des Sensors auf Funktionalität. Das Ziel der Erprobung beinhaltet die Ermittlung der Spannungs Temperatur Kennlinie, der Reaktionszeit, der Dichtigkeit des Systems und der Dauerbetriebsfestigkeit des fertigen Sensors Ebenso gilt es einen Festigkeitsnachweis zu führen.

Drucksensor Mechanik

Für den Drucksensor ist der Sensortyp bereits definiert (keramischer Drucksensor, B+B Sensor). Jedoch liegt bislang kein Anschluss zwischen dem Sensor und der Messstrecke vor. Für die Integration in den Pumpenprüfstand gilt es ein druckdichtes Gehäuse mit Rohranschluss zu konstruieren und vorzugsweise mit dem FDM 3D Druckverfahren zu fertigen. Es sollte Drücken bis zu 16 bar standhalten (Prüfdruck 24 bar, Auslegungsdruck 48 bar). Ein Festigkeitsnachweis ist zu führen.

Für die Streuung der elektrischen Kennwerte liegt eine abgleichbare Anpassungsschaltung vor. Diese Anpassung soll entweder im Gehäuse mit eingebracht werden oder sensornah in die elektrische Leitung integriert werden. Bei der Entwicklung ist es notwendig sich mit dem erforderlichen elektronischen Abgleich des Sensors auseinanderzusetzen. Die Abgleichprozedur ist zu ermitteln.

Der Drucksensor wird in den Pumpenprüfstand eingebaut und erprobt. Die Messdaten des Sensorsignals werden erfasst und ausgewertet. Es w erden die Spannungs Druckkennlinie sowie wenn möglich, die Reaktionszeit ermittelt. Bei der Erprobung sind zudem die Betriebsfestigkeit des fertigen Sensors und die betriebssichere Dichtheit des Systems zu überprüfen.

Dosierventil

Da das AVS-Römer Dosierventil nicht mehr geliefert werden kann, wird die bereits in [56] durchgeführte Grundlagenuntersuchung fortgesetzt. Ein vielversprechender Ansatz ist ein modifizierter Kugelhahn in Verbindung mit einem Schrittmotor. Aus diesen Komponenten ist ein Dosierventil zu entwickeln.

Zu klären ist, ob die arretierten Endlagen des Kugelhahns erreicht werden müssen, oder ob ein Schließen/Öffnen bis zu diesen Punkten ausreichend ist. Hierfür wird es am Pumpenprüfstand erprobt werden. Für die Ansteuerung des Schrittmotors kann ggf. die vorhandene Für die Ansteuerung des Pumpenprüfstands verwendet werden, alternativ wird eine unabhängige Schrittmotorsteuerung verwendet, was allerdings den Einsatz einer weiteren MCU bedeuten würde.

Die Initialisierung des Schrittmotors muss entwickelt und es muss ermittelt werden wieviele Schritte je Grad Verstellwinkel benötigt werden.

Es bedarf einer Gehäusekonstruktion vorzugsweise in 3D FLM Druck welche den Kraftschluss zwischen Kugelhahn und Schrittmotor sicherstellt, diese muss Dauerfest einem Drehmoment von 1 Nm standhalten. Es ist ein Festigkeitsnachweis zu führen und der benötigte Bauraum Bauraum in der Kaffeemaschineder Kaffeemaschine muss berücksichtigt werden.

Prüfprozesse

Prüfprozess Temperatursensor

Zur Bestimmung der Temperaturkennlinie wird analog zum Kalibrierprozess des Messsystems des Mess-Systems vorgegangen. Die Dichtheit des Systems wird durch Druckbeaufschlagung nachgewiesen, während die Reaktionszeit durch abrupten Temperaturwechsel bestimmt wird. Die Temperatur-Sensorik des Pumpenprüfstand gilt als Referenz, wobei die Temperaturwerte zur Ermittlung der Spannungswerteswerte des neu entwickeltenTemperatursensors herangezogen Temperatursensors herangezogen werden.

Prüfprozess Drucksensor

Für den Nullpunktabgleich und den Verstärkungsabgleich des Drucksensors wird eine Prüfprozedur benötigt. Die Systemdichtheit wird durch Druckbeaufschlagung sichergestellt, hierbei gilt die Druck-Sensorik des Sensorik des Pumpenprüfstands als Referenz. Für die jeweiligen Druckmesswerte des Pumpenprüfstands werden die Spannungswerte der entwickelten und abgeglichenen Drucksensoren ermittelt.

Für die Messungen mit dem Temperatur- und Drucksensor wird ein eigenständiges Mess-System benötigt.

Prüfprozess Dosierventil

Die Prüfungen des Dosierventils könnten potenziell mit der Elektronik und Software des Pumpenprüfstands durchgeführt werden. Das neu entwickelte Dosierventil ersetzt das vorhandene Ventil am Pumpenprüfstand und wird eingesetzt, um einen Leitungswiderstand am Druckmessstrang zu erzeugen. Die Wirkung des Dosierventils wird über das Flowmeter und den Referenzdrucksensor ermittelt.

Hard- und Software für die Prüfprozesseund Software für die Prüfprozesse

Für einen Teil der Prüfprozesse wird eine eigenständige Messtechnik in Form von Hard- und und Software benötigt. Die Software wird in MATLAB® erstellt.

Zielvereinbarung

Es wird die Entwicklung eines Temperatursensors, eines Drucksensors und eines Dosierventils vereinbart.

Die entwickelten Sensoren und Aktoren werden am Pumpenprüfstand erprobt. Die erforderlichen Messprozesse dazu werden definiert, dokumentiert und durchgeführt.

Der Pumpenprüfstand wird auf die AVS-Römer-Außenzahnradpumpe umgebaut und die vorhandene MATLAB®-GUI dazu angepasst.

Besprechungsprotokolle

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