Automatisiertes Tool zur thermischen Charakterisierung beheizter Schläuche

Ausgangssituation

Beheizte Schläuche und Analyseleitungen werden eingesetzt, um entlang flexibler Rohr- und Schlauchsysteme eine kontrollierte Temperatur aufrechtzuerhalten. Die Anwendungen reichen von industriellen Messsystemen bis zu Prozessen, bei denen Materialien wie Schokolade oder Honig während des Transports fließfähig gehalten werden müssen.

Bei kundenspezifisch ausgelegten Heizlösungen musste die Temperaturverteilung entlang des Schlauchs charakterisiert werden, um eine gleichmäßige Erwärmung zu überprüfen. Die Messungen dienten sowohl der Verifikation in der Entwicklung als auch der Qualitätssicherung.

Zuvor erfolgte die Messung manuell. Temperaturwerte wurden an ausgewählten Positionen aufgenommen und anschließend zur Auswertung in Excel eingetragen. Da eine vollständige Messung typischerweise 30 Minuten bis eine Stunde dauerte, erforderte der Prozess viel Aufmerksamkeit und begrenzte die praktisch mögliche Anzahl an Messpunkten.

Ziel war es, die Datenerfassung zu automatisieren und gleichzeitig den etablierten nachgelagerten Auswerteprozess beizubehalten.

Meine Verantwortung

Ich habe die komplette C#-/WPF-Anwendung und den automatisierten Testablauf von Grund auf entwickelt.

Zu meinem Aufgabenbereich gehörten Benutzeroberfläche, Testablaufsteuerung, Integration der Bewegungssteuerung, Kommunikation mit Messgerät und Heizregler, Datenerfassung, Testkonfiguration, Zeitberechnung, manueller Betrieb, Fehler- und Abbruchbehandlung sowie CSV-Erzeugung und Datenspeicherung.

Der mechanische Prüfaufbau existierte bereits in einer früheren Form. Er war ursprünglich von einem Praktikanten aus dem Maschinenbau entwickelt worden und nutzte einen schrittmotorgetriebenen Mechanismus, um einen Temperatursensor entlang des Heizschlauchs aus- und einzufahren.

Vor der Softwareentwicklung wurde das Messkonzept von einem Kollegen mechanisch weiterentwickelt: Die ursprüngliche PT100-Lösung wurde durch ein steiferes Typ-K-Thermoelement ersetzt und eine Aufrolltrommel ergänzt, um die Sensorleitung beim automatischen Einziehen gleichmäßig aufzunehmen.

Mein Schwerpunkt lag darauf, aus diesem mechanischen Messkonzept ein kontrolliertes und automatisiertes Testsystem zu entwickeln.

Testsystem

Der Prüfaufbau verbindet mehrere Komponenten, die durch die PC-Anwendung koordiniert werden:

• Motorisierter Positioniermechanismus zur Bewegung des Thermoelements entlang des Schlauchs
• Typ-K-Thermoelement zur lokalen Temperaturmessung
• Thermoelement-Messgerät, über USB bzw. einen virtuellen COM-Port mit dem PC verbunden
• Heizregler, ebenfalls über eine COM-Schnittstelle mit der Anwendung verbunden
• C#-/WPF-Anwendung zur Koordination von Bewegung, Timing, Messung und Datenerfassung

Die Anwendung sendet Befehle an das Schrittmotorsystem, um das Thermoelement zu positionieren, und liest die Temperatur automatisch über das Datenübertragungsprotokoll des Messgeräts ein.

Durch die Kommunikation mit dem Heizregler kann die Software den Aufheizvorgang überwachen und die räumliche Messung starten, sobald die vorgegebene Temperaturbedingung erreicht ist.

Konfigurierbarer Messablauf

Vor Beginn eines Tests konfiguriert der Ingenieur die Messung entsprechend dem zu untersuchenden Heizschlauch. Zu den Parametern gehören:

• Schlauchlänge
• Anzahl und Abstand der Messpunkte
• Einschwingzeit nach jeder Bewegung
• reine Vorwärtsmessung oder Vorwärts- und Rückwärtsmessung
• Verteilung der Messpositionen

Die Messpunkte müssen nicht gleichmäßig verteilt sein. Bei langen Schläuchen kann im mittleren Bereich ein größerer Abstand gewählt werden, während Anfang und Ende mit engeren Abständen vermessen werden.

Aus der konfigurierten Messsequenz berechnet die Software vor dem Start eine voraussichtliche Testdauer. Da ein vollständiger Test typischerweise 30 bis 60 Minuten dauert, muss der Mitarbeiter währenddessen nicht mehr dauerhaft am Prüfplatz bleiben.

Automatisierte Messung

Nachdem der Heizschlauch montiert und die Testparameter eingegeben wurden, startet der Mitarbeiter die Messung. Die Anwendung wartet zunächst auf die erforderliche Temperaturbedingung und führt anschließend die konfigurierte Sequenz automatisch aus:

Thermoelement bewegen → Messposition anfahren → Einschwingzeit abwarten → Temperatur erfassen → Messwert speichern → nächste Position anfahren

Dieser Ablauf wird wiederholt, bis alle konfigurierten Positionen vermessen wurden.

Die Position des Thermoelements wird aus dem kalibrierten Zusammenhang zwischen Schrittmotorbewegung und linearer Sensorbewegung bestimmt. Eine korrekte mechanische Kalibrierung und Nullpunktbestimmung waren deshalb wichtige Bestandteile der Inbetriebnahme, damit die berechnete Position über die gesamte Schlauchlänge mit der tatsächlichen Sensorposition übereinstimmt.

Nach Abschluss der Messsequenz informiert die Anwendung den Mitarbeiter.

Zusätzlich steht ein manueller Modus zur Verfügung. Dabei kann das Thermoelement über die Tastatur bewegt und ein einzelner Temperaturwert per Tastendruck aufgezeichnet werden.

Datenerfassung & bestehender Auswerteprozess

Ziel der neuen Software war es, die Messung zu automatisieren, nicht einen bereits etablierten Auswerteprozess unnötig zu ersetzen.

Nach Abschluss eines Tests exportiert die Anwendung die erfassten Positions- und Temperaturdaten als CSV-Datei in einer Struktur, die gezielt mit den bestehenden Excel-Makros kompatibel ist.

Der etablierte Excel-Prozess konnte dadurch unverändert für die anschließende Verarbeitung und Auswertung weiterverwendet werden.

Fehler- & Not-Aus-Behandlung

Bei einem Kommunikationsverlust mit den benötigten Geräten wird eine laufende Messung gestoppt.

Zusätzlich kann der Mitarbeiter den Versuch jederzeit unmittelbar abbrechen:

• über einen softwareseitigen Not-Stopp mit der Leertaste
• über einen externen Not-Aus-Taster, der in den Prüfaufbau integriert wurde

Eine unterbrochene Messung läuft nach einem Kommunikationsverlust nicht selbstständig weiter.

Ergebnis

Das automatisierte System hat die zuvor verwendete manuelle Datenerfassung vollständig ersetzt.

Statt den Sensor von Hand zu positionieren, nach jeder Bewegung zu warten, die Temperatur abzulesen und den Wert in Excel einzutragen, kann der Ingenieur Schlauch und Messsequenz konfigurieren, den Versuch starten, die geschätzte Dauer sehen und während der automatischen Erfassung des Temperaturprofils andere Aufgaben erledigen.

Durch die Automatisierung wurde es außerdem praktikabel, mehr Messpunkte zu verwenden, ohne den Arbeitsaufwand entsprechend zu erhöhen. Dadurch stehen mehr räumliche Messdaten für die Bewertung kundenspezifischer Heizlösungen zur Verfügung.

Das System wird sowohl von der Produktion als auch von der Entwicklung für kundenspezifische Nicht-Serien-Heizlösungen eingesetzt. Es ist seit seiner Einführung vor rund vier Jahren durchgehend in Betrieb und wird bis heute verwendet. Nach praktischer Einschätzung wurden damit in diesem Zeitraum mindestens 300 Messungen durchgeführt.

Für mich steht dieses Projekt besonders für interdisziplinäre Entwicklung: Die Software musste mit einem bestehenden mechanischen System, Bewegungssteuerung, Temperaturmesstechnik, Heizregler-Kommunikation und etablierten Arbeitsabläufen verschiedener Abteilungen zuverlässig zusammenspielen.

Technologien

C# WPF Testautomatisierung Serielle Kommunikation USB COM-Ports Schrittmotorsteuerung Typ-K-Thermoelement Temperaturmesstechnik Datenerfassung CSV Excel-Integration