Innovative Lehre Systemintegration industrieller Messtechnik

Ausbildungs-Basisprüfstand der Systemintegration.
Ausbildungs-Basisprüfstand in der Systemintegration.

Mit einer innovativen Lehrveranstaltung verwischt die TU Darmstadt die Grenzen zwischen Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik.

Messtechnik im Studiengang Maschinenbau

Ingenieure sind zukünftig deutlich stärker mit der Entwicklung fortgeschrittener industrieller Systeme in kürzerer Zeit unter beschränkten Ressourcen konfrontiert. Das fordert umfassendes praktisches Verständnis komplexer Messsysteme und realer Sensorik.

Mit der zunehmend mechatronischen Natur moderner Anwendungen, ist Trennung von Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik nicht mehr möglich. Zur praktischen Arbeit wird ein fächerübergreifender Ansatz notwendig, der an den Schnittstellen der verschiedenen Ingenieursdisziplinen ansetzt. Derzeit findet dies in der Ingenieurswissenschaftlichen Ausbildung nicht statt: Die praktische Erfahrung ist auf grundlegende Konzepte und einfache Sensorik beschränkt. Hier fehlt eine Erweiterung auf die moderne, in Forschung und Industrie eingesetzte, Messtechnik.

Das für den Umgang und die industrielle Integration fortschrittlicher Messtechnologie notwendige Wissen sollte in praxisnahen Projekten vermittelt werden. Daher wurde unter Förderung des Bundeslands Hessen in den letzten Jahren eine Vorlesung mit starkem Praxisbezug aufgebaut. Sie bereitet mit Erfahrungen am Stand der Technik im realen Produktentwicklungsprozess auf die Herausforderungen der Industrie und Forschung vor.

Das anwendungsorientierte Wissen wird im Wechsel von Präsentationen und Projekten aufgebaut. Sensorikgrundlagen werden in wenigen Folien erläutert und anschließend in Praxisprojekten ausgearbeitet.

Diese bestehen prinzipiell aus dem Schaltungsaufbau und der Sensorintegration auf Basis des NI-myRIO mit LabView-Datenevaluierung. Die Lehrveranstaltung vermittelt Konzepte der Informatik (z. B. LabView-Programmierung, Contract-Based-Design, Zustandsgesteuerte Maschinen), der Elektrotechnik (z. B. einfaches Schaltungsdesign, Operationsverstärker, digitale Kommunikation per I2C oder SPI), des Maschinenbaus (Prozessintegration der Sensorik, einfache Prozessregelung) sowie betriebswirtschaftliche Denkweisen bei der Produktentwicklung (Kosten/Nutzen der Bauteile, Softwarekosten, Arbeitszeiten, Ressourcenplanung).

In einer hieran anschließenden zweiwöchigen Projektphase entwickeln die Studierenden eine Kaffeemaschine (Design, Software, Hardware, Prototyp, Kostenplanung). Der gegebene Basisprüfstand (Kaffeemaschine) soll Steuer- und Messdatenelektronik, Software und schließlich ein Benutzerinterface erhalten. Die Koordination der Prüfstandszeiten regeln die Studierenden selbstverantwortlich.

Industrielle Anwendung

Die fächerübergreifende Ausbildung der Studierenden ist in der industriellen Forschung nützlich. Ein Beispiel ist das hochaktuelle Forschungsprojekt zum Thema Abgasdiagnostik moderner Verbrennungsmotoren.

Die SCR-Technologie (Selektive Katalytische Reduktion) ist ein gängiges Abgas-Nachbehandlungs-System in modernen Kraftfahrzeugen, zur Reduktion von Stickoxiden zu Wasser und Stickstoff: Ammoniak (NH3) wird als Reaktionspartner der Stickoxide mittels Zugabe einer Harnstoff-Wasser-Lösung in das Abgas eingedüst. In der Auslegungsphase wird die Ammoniak-Konzentrationsverteilung häufig mit extraktiven Verfahren erfasst. Zur robusten Systemintegration wird zeitlich hochauflösende (< kHz) in-situ Diagnostik der prozessrelevanten Abgasspezies notwendig.

Hierfür wurde ein Spektrometer entwickelt das die NH3-Konzentrationen im Abgas bei Temperaturen von bis zu 500 °C misst. Das Licht eines Diodenlaser wird koplanar in der Messebene simultan auf vier optische Kanäle geführt und ebenfalls fasergekoppelt detektiert. Das Spektrometer wurde an einem Abgasprüfstand getestet der die SCR-Umgebung mit handelsüblichen AdBlue im heißen Luftstrom simuliert.

Das Spektrometer basiert auf einem DFB-Diodenlaser, dessen Lasertreiber die Signale eines Funktionsgenerators in Betriebsstrom-Modulation übersetzt. Der Diodenstrom moduliert Intensität und Wellenlänge des Laserlichts, das mit einem  faseroptischen Splitter auf vier Kanäle verteilt wird. Nach dem freien Durchgang durch das Abgasrohr trifft der Laserstrahl eine ungekühlte Photodiode in wenigen Zentimetern Entfernung zum heißen Abgasrohr. Der Photostrom wird pro Kanal von je einem Transimpedanzverstärker in durch die A/D-Wandlerkarte erfasste Spannung überführt. Zusätzlich bestimmen Typ-K-Thermoelemente die Messebenentemperatur.

Ein PC steuert die Komponenten (Lasertreiber, Funktionsgenerator, Verstärker, DAQ) zentral. Die Herausforderung liegt in der Zusammenführung der Steuerung in einer Software (In-house LabVIEW-basiert) bei simultaner Hochgeschwindigkeit-Datenerfassung mit 4MS/s auf je 4 Kanälen. Die Gerätesynchronisation und unkomprimierte Datenverarbeitung fordert vertieftes Verständnis von Laserspektroskopie, Elektronik, Hardware, Prozessschnittstellen und Prozesssteuerung. Zur präzisen quantitativen Auswertung der Ammoniak-Konzentration muss bereits in Auslegung, Aufbau und Betrieb auf ein störungsfreies Zusammenspiel aller Komponenten und den Schutz gegen äußere Einflüsse (hohe Temperaturen, Störsignale, mechanische Belastungen) geachtet werden.

Aktuell wird die Kanalzahl zur Implementierung in Schwerlastsystemen (LKW, Baumaschinen, Landwirtschaft) auf 16 erhöht. Hierfür werden neue Verstärkerkonzepte (hochintegriert, rauscharm, kostengünstig) sowie FPGA-unterstützte Datenerfassung der Messgrößen entwickelt. Dies beschleunigt die Datenverarbeitung (kHz) und erhöht die Robustheit.

Zur kurzfristigen Entwicklung (wenige Monate) solcher Technologien für industrielle Anwendungen (Vorentwicklung – TRL 7 bis 8) benötigen die Ingenieure fundiertes fächerübergreifendes Wissen aus Elektrotechnik, Informatik und Maschinenbau, welches sich durch erhebliche Praxiserfahrung direkt anwenden lässt.