Labortechnik

Temperatur-Messsonde im Rotor einer Zentrifuge

Temperatur-Messsonde im Rotor einer Zentrifuge

In einer Kooperation des Ingenieurbüros Guttke, der inotec Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft mbH und der HTWK Leipzig, Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, wurde ein neuartiges Temperaturmessgerät auf NTC-Basis entwickelt, welches bei Drehzahlen bis 15 000 min–1 im geschlossenen Rotor einer Zentrifuge Temperaturen misst. Für das Zentrifugieren von Proben, wie z.B. Blut, muss die vorgegebene Probentemperatur exakt eingehalten werden. Bisher war kein Messgerät am Markt erhältlich, welches die Möglichkeit bot, während der Rotation die Probentemperatur zu messen.

Das Problem
Die größte Herausforderung dieses Projekts besteht in der Beschleunigung, die Werte von 210 000 m/s2 annehmen kann. Alle Bestandteile des Sensors müssen daher der 21-tausendfache Fallbeschleunigung widerstehen. Essentiell ist zudem die Minimierung der Masse des Sensors, um die Wuchtgüte nicht zu stark zu beeinflussen. Je Gramm Sensormasse wird in der Zentrifuge eine Radialkraft von 210 Newton erzeugt, die die Mechanik von Zentrifuge und Sensor belasten.

Trotz kleiner Masse und der damit eingeschränkten Batteriekapazität, soll der Sensor ein Jahr verwendbar sein. Für die Signalverarbeitung kam eine Telemetrielösung oder ein sensorinterner Messwertspeicher in Frage. Eine Funkverbindung zur Übertragung der Messdaten aus dem rotierenden, hermetisch geschirmten Rotor heraus aufzubauen, wurde nach ersten Recherchen verworfen.

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Die Lösung
Basis des neuen Temperatursensors ist ein Messgerät für die medizinische Diagnostik, das bei inotec FEGmbH entwickelt wurde. Es arbeitet batteriebetrieben und kann über mehrere Monate die Körperkerntemperatur von Menschen sehr genau messen. Der Datenspeicher nimmt mehrere tausend Messwerte auf. Der Messbereich dieses Sensors wurde auf –10...+70 °C erweitert und ein spezielles wasserfestes Gehäuse entwickelt, welches eine kleine thermische Zeitkonstante sowie eine hohe mechanische Stabilität bei geringer Masse aufweist.

Durch Messungen im Temperaturprüfschrank an der HTWK Leipzig konnte nachgewiesen werden, dass die 70 % Einschwingzeit des Sensors in der flüssigen Probe kleiner als 10 s ist. Die Probentemperatur kann nach Kalibrierung des Sensors mit einer Unsicherheit von 0,2 K (Ein-Sigma-Grenze) gemessen werden. Das Messintervall ist frei zwischen 5 s und 10 min einstellbar. Je nach gewähltem Messintervall reicht der Messwertspeicher für die Aufzeichnung mehrerer Stunden bis hin zu mehreren Monaten. Eine Echtzeituhr ordnet jedem Messwert einen Zeitstempel (die exakte Uhrzeit) zu. Nach der Messung kann man die gespeicherten Temperaturmesswerte kontaktlos an einen PC übertragen und anschließend auswerten.

Die mittlere Stromaufnahme des Temperatursensors im Messbetrieb ist <2 µA. Damit kann ein ganzes Jahr mit der Sonde gemessen werden, ohne den Standby-Modus (Stromsparmodus) zu aktivieren. Im Standby-Modus kann die Sonde bis zu zehn Jahre gelagert werden.

Ausblick
Optimierungspotenzial für die Zukunft liegt in einer Spannungsversorgung, die sehr klein, leicht, mechanisch robust und wieder aufladbar ist. Damit wäre die Lebensdauer des Sensors nicht mehr begrenzt. Diese Spannungsversorgung sollte eine Messzeit von mehr als einer Stunde und mindestens einen Auslesevorgang mit dem PC ohne Nachladen ermöglichen. Noch sind keine geeigneten Bauelemente für diese Anwendung verfügbar. Die erforderlichen Kondensatoren mit einer Kapazität von etwa 4 mF sind derzeit noch zu groß. Akkus in geeigneter Bauform weisen eine zu kleine Strombelastbarkeit auf und sind mechanisch nicht robust genug. Das Fernziel besteht in einem Telemetriesystem, welches eine Übertragung der Messwerte während der Rotation gewährleistet.
Sebastian Guttke, Ben Andrack (inotec FEGmbH Leipzig), Andreas Hebestreit (HTWK Leipzig). Kontakt: sguttke@yahoo.de

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