Entwicklungen zum Kühlerprotoypen für das PANDA-Kalorimeter

Transkript

1 Entwicklungen zum Kühlerprotoypen für das PANDA-Kalorimeter Benjamin Kübart Institut für Experimentalphysik 1

2 MOTIVATION Kühlung des EMC Betreiben bei Unterdruck Problem: Gelöstes Gas / Luft Druckmessungen Kühlflüssigkeit: Methanol-Wasser Problem: Siededruck 2 MOTIVATION

3 MOTIVATION Ziele Betrieb bei Unterdruck ermöglichen Druck- und Differenzdruckmessungen Turbulente Strömung hervorgerufen durch Gas vermeiden 3 MOTIVATION

4 INHALT Kühlsystem Drucksensoren Entwicklung des RaspberryPi I/O-Boards Kalibration Messungen 4 INHALTSVERZEICHNIS

5 KÜHLSYSTEM 5 MENSCHLICH WELTOFFEN LEISTUNGSSTARK

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8 IDEE Vakuumpumpe im Dauerbetrieb Magnetventil wird im Druckfenster geschaltet 3 Drucksensoren: An Reservoir/Vakuumpumpe Vor Primärkreispumpe Hinter Primärkreispumpe Bild: Vakuumpumpe KNF Laboport 8 KÜHLSYSTEM

9 IDEE Input/Output Schaltung Input: Drucksensoren Output: Relais Relais schaltet Magnetventil Bild: Magnetventil Buschjost B-12 9 KÜHLSYSTEM

10 KÜHLFLÜSSIGKEIT Geplant: Methanol Wasser Gemisch Aktuell: Wasser System nicht vollständig mit Flüssigkeit gefüllt Bei Unterdruck wird Luft durch System gezogen Siedetemperatur sinkt mit abfallendem Druck Dampfdruckkurve Wasser Sollte nicht eintreten Bild: Dampfdruckkurve Wasser, Quelle: energie-lexikon.info 10 KÜHLSYSTEM

11 DRUCKSENSOREN 11 MENSCHLICH WELTOFFEN LEISTUNGSSTARK

12 DRUCKSENSOREN Gems Sensors & Controls 3100B0009V01B000RS Supply: 8 30 V DC Output: 4 20 ma linear Range: -1 bis 9 bar Bilder: Angeschlossener Drucksensor (l) und Sensorschaltbild (r), Quelle: Gems Sensors & Controls 3100 Series Datasheet 12 DRUCKSENSOREN

13 ANBRINGUNG KF ~¼ Gewinde Zusätzliche Abdichtung mit: Loctite Dirko Dichtmasse Bild: Angeschlossener Drucksensor 13 DRUCKSENSOREN

14 RASPBERRY PI I/O BOARD 14 MENSCHLICH WELTOFFEN LEISTUNGSSTARK

15 RASPBERRY PI 2B Einplatinencomputer 40 Pins: 26 GPIOs (General Purpose Input/Output) Low: 0V High: 3.3V Verursacht unter Volllast im 24-Stunden- Dauerbetrieb etwa 11 Stromkosten im Jahr Maße: 85mm x 56mm Bild: Raspberry Pi 2B, Quelle: 15 RASPBERRY PI I/O BOARD

16 GPIOs Quelle: 16 RASPBERRY PI I/O BOARD

17 EINBINDUNG RaspberryPi wird bereits verwendet Flussmessung Kühlersteuerung Pumpensteuerung Einbindung in CSS Bild: Schaltkasten des Pumpsystems mit Raspberry Pi 2B 17 RASPBERRY PI I/O BOARD

18 ENTWURF Planung des I/O Boards mit Eagle Verwendete Bauelemente Optokoppler (HCPL0601) Relais Kondensatoren, Widerstände, Dioden 18 RASPBERRY PI I/O BOARD

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20 GPIOs & GND

21 INPUT

22 OUTPUT

23 Top Layer 23 RASPBERRY PI I/O BOARD

24 Bottom Layer 24 RASPBERRY PI I/O BOARD

25 25 RASPBERRY PI I/O BOARD

26 KALIBRATION 26 MENSCHLICH WELTOFFEN LEISTUNGSSTARK

27 SIGNAL Output von Drucksensor als Strom (4 20 ma) Raspberry Pi benötigt Spannung als Input Signal muss digital sein Zunächst: 4 20 ma über einen 100Ω Widerstand mit 12V Betriebsspannung Neuer Output: 400 mv 2V Bild: Drucksensor Current Output Mode, Quelle: Gems Sensors & Controls 3100 Series Datasheet 27 KALIBRATION

28 SIGNAL Digitalisierung des Signals: Verwendung von 52PI-RPI-AD/DA (Raspberry Pi AD/DA Expansion Module) PCF8591T ADC mit 8-bit Auflösung Spannungsbereich 0 bis 3.3V 4 analoge Inputs I²C-Bus Bild: AD/DA Expansion Module, Quelle: Raspberry Pi AD/DA Expansion Module User Manual 28 KALIBRATION

29 SIGNAL 8-bit Auflösung = 256 Schritte à ~ 0.013V im Bereich von 0 bis 3.3 V Output 400 mv bei 0 bar und 2 V bei 10 bar Verstärkung erforderlich Nicht invertierender Operationsverstärker: U a = U e 1 + R 2 R 1 Da 3.3 V die Obergrenze ist, sollte der Verstärkungsfaktor so gewählt werden, dass die Spannung für 1 atm möglichst nah daran liegt. 1 + R 2 R 1 = 1 + 4,7kΩ 1kΩ = 5,7 29 MENSCHLICH WELTOFFEN LEISTUNGSSTARK

30 OpAmp

31 VERSTÄRKUNG Mit Verstärkungsfaktor 5,7 Spannungsbereich 2,28 V 11,4 V 1 bar 3,192 V 500 mbar 2,736 V Bild: Raspberry Pi mit I/O Board, OpAmp Board und AD/DA Board Turbulenzen durch Gas treten spätestens bei 0,5 bar Druck auf. Messbereich sollte nicht viel größer sein. Von 1 bar auf 500 mbar: 0,456 V Differenz ~35 Schritte à 14,286 mbar Abdeckung der Bits KALIBRATION

32 KALIBRATIONSGLEICHUNGEN y bit = bits bits bar p(bar) p bar = bar bit y bit 2,5 bar 32 KALIBRATION

33 GENAUIGKEIT Kalibrationsproblem: Atmosphärendruck schwankt Softwareseitiges Nullen bei Druckausgleich mit Umgebung ~14 mbar Genauigkeit reichen für die Schaltung des Magnetventils Zusätzliche Fehlerquelle: Fehler der Widerstände Bild: Raspberry Pi mit I/O Board, OpAmp Board und AD/DA Board 33 KALIBRATION

34 AUSBLICK Einbindung in Schaltkasten und Software Erweiterung um einen weiteren Sensor der außen angebracht wird, den Atmosphärendruck nimmt und softwareseitig nullen kann Wenn der Luftdruck um weniger als 14 mbar schwankt wäre dieser Sensor nur eine weitere Fehlerquelle 34 KALIBRATION: AUSBLICK

35 MESSUNGEN 35 MENSCHLICH WELTOFFEN LEISTUNGSSTARK

36 ERSATZ ZUR FLUSSMESSUNG Grobe Messungen des Flusses mit Wärmebildkamera Messungen nur an Swagelok Verbindungen (Edelstahl) und Schläuchen möglich Aluminium ungeeignet für Messungen 36 MESSUNGEN

37 DRUCKMESSUNGEN (Differenz-)Druckmessungen mit Sensor vor und hinter Primärpumpe Zusammenhang mit Veränderung des Flusses Bestimmung der Drucks bei dem turbulente Strömungen auftreten Messung der Zeit für den Druckabfall im System Bestimmung des optimalen Druckfensters zum Schalten des Magnetventils 37 MESSUNGEN: AUSBLICK

38 VIELEN DANK 38 MENSCHLICH WELTOFFEN LEISTUNGSSTARK