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Entwicklung eines miniaturisierten Druckreglers für Gase

Auswahl der Komponenten

Um den miniaturisierten Massenfluss- und Druckregler als ein kompaktes und integriertes System mit eigener Elektronik realisieren zu können, wurden mehrere modulare Prototypen entwickelt, konstruiert und aufgebaut und anschließend ausführlich charakterisiert und vermessen.

Beim Aufbau der Prototypen wurde noch nicht die größtmögliche Miniaturisierung angestrebt; dafür erlaubt das modulare System, einzelne Komponenten auszutauschen und somit schnell verschiedene Kombinationen von Ventilen und Sensoren zu testen. Im Verlauf des Projekts hat sich dieser Ansatz als ein sehr praktikabler und sinnvoller erwiesen.

Die Messdaten wurden verwendet um die optimalen Regelparameter der Systeme zu ermitteln. In den Prototypen wurde die Regelung mit Hilfe von Mikrocontrollern durchgeführt, da diese flexibel programmiert werden können und für die meisten Anwendungen einen guten Kompromiss zwischen Miniaturisierung und Entwicklungsaufwand darstellen Im Rahmen der weiteren Miniaturisierung werden die mit Hilfe der Mikrocontroller optimierten Regelsysteme auch in einem anwenderspezifischen Schaltkreis (ASIC) implementiert.

Für das System wurde folgendes Lastenheft festgelegt:

Tab.1
Lastenheft
Druckbereich: 0-5 bar
Durchflussbereich: 0-1 l/min
Leistungsaufnahme: 50 mW
Zeitkonstante: 20 ms
Herstellungspreis: < 300 Euro
Größe: 30x20x10 mm3

Um diese Anforderungen erfüllen zu können, sind sehr energiearme, schnell reagierende und kleine Bauteile notwendig. Zur Auswahl wurde eine umfangreiche Recherche nach den benötigten Komponenten: Ventil und Drucksensor durchgeführt.

Die Recherche ergab, dass derzeit nur zwei Mikroventile in der Lage sind, die notwendigen Spezifikationen weitestgehend zu erfüllen. Es handelt sich hierbei um:

  1. Fa Hoerbiger: Ventil Megamic, 3/2-Wegeventil; elektrostatisch, Druckbereich 0-8bar, Durchfluss. 1 l/min; Anschlussleistung =10 mW
  2. Fa Staiger: Ventil Spider, 2/2-Wege Magnetventil, Typ MA204-720, Druckbereich 0-8bar, Durchfluss: 3l/min, Anschlussleistung: P= 1W

(Abb. 1) zeigt die beiden ausgewählten Mikroventile.

Abb.1
Staiger Ventil
Abb.2
Hoebriger Ventil

Das MegaMic Ventil zeichnet sich dabei durch geringe Anschlussleistungen und kleine Baugröße aus. Der zur Verfügung stehende Durchfluss reicht allerdings für einige Anwendungen auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik nicht aus. Das Spider Ventil liefert den benötigten Durchfluss, benötigt aber mehr elektrische Energie und ist größer. Für die Realisierung wurde das Spider-Ventil ausgewählt.

Bei den Drucksensoren ist die Auswahl in diesem Bereich wesentlich größer. Benötigt wird ein Differenzdrucksensor im Bereich 0-5 bar. Ausgewählt wurden ein Sensor der Fa. AktivSensor, der als Die verarbeitet wird.

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