R&D-Coach, Projektleiter, technischer Interim-Manager, Hochspannungsexperte, Ansys-Simulationen

Ausgangslage

Mein Kunde produziert in einem medizinischen Gerät durch eine Funkenstrecke Schockwellen. Die Schlüsselparameter der medizinischen Diagnostik variierte aber währenden Betriebs ausserhalb der tolerierbaren Grenzen. Es sollte herausgefunden werden, ob die Ursache in der Zündcharakteristik der Funkenstecke liegt und wenn ja welche Massnahmen zur Verbesserung führen.

Zusätzlich war der Abbrand der Elektroden sehr hoch und limitierte die Lebensdauer des Geräts. Es sollte ein besseres Material für die Elektroden gefunden werden.

Umsetzung

Für eine genaue Analyse des Geräts habe ich meinen Kunden eine simultane Messung der elektrischen Entladungs- und mechanischen Schockwellencharakteristik in einer statisch relevanten Anzahl vorgeschlagen. Er hat für vier unterschiedlichen Geräten bei jeweils hundert Entladungen die Spannungen an allen Elektroden und die Laufzeiten der Schockwellen aufgezeichnet.
Im ersten Schritt habe ich die Daten mit der Software Mathematica gesichtet und Schlüsselparameter wie Zündverzugszeiten, maximale Spannungen, Entladeinduktivität und Widerstand, effektive Entladungsenergie, Laufzeit der Schockwelle, die maximale Schockwellenamplitude und die maximale Amplitudensteigung der Schockwelle berechnet. Dabei wurden die Rohdaten umgeformt und im Zeitraum mit einem LeastSquare-Fit an einem selbst entwickelten theoretischen Modell angepasst.

Zur effizienten Auswertung alle 400 Datensätze habe ich ein Skript in Mathematica geschrieben. Diese lud alle Datensätze automatisch ein hat die oben genannten Schlüsselparameter extrahiert und die Ergebnisse in ein Excel-lesbaren Format abgespeichert. Mit diesen Ergebnissen habe ich Korrelation der unterschiedlichen Schlüsselparameter erstellt, um den Grund der grossen Fluktuation in der medizinischen Diagnostik einzugrenzen.

Obwohl die Zündverzugszeit stark variierte blieben alle Laufzeitmessungen der Schockwelle sehr konstant. Somit konnte das Entladungsverhalten als Grund für die hohe Variationen in der medizinischen Diagnostik ausgeschlossen werden.

Nach den Messungen wurde, auf mein Anraten, die existieren Elektrodenkonfigurationen aller vier Geräte vom Kunden fotografiert. Es stellten sich rgrosse Unterschiede in den Abständen zwischen den Elektroden heraus, die die teils grossen Zündverzugszeiten erklären.

Obwohl die grossen Zündverzugszeiten keinen Einfluss auf die medizinische Diagnostik haben, belasten sie die internen Komponenten und sollten vermieden werden. Ich habe zwei Konzepte erarbeitet, die mit möglichst geringen Modifikationen die Zündverzugszeiten stark reduzieren sollten. Die elektrischen Felder der Konzepte habe ich mit einer 3D-Simulation überprüft.

Der starke Abbrand der bisherigen Elektroden ist durch den Herstellungsprozess bestimmt, was ich nach intensiver Diskussion mit dem Hersteller herausfinden konnte. Für die Auswahl eines geeigneten Elektrodenmaterials muss das Stromlastintegral bekannt sein. Aus den gemessenen Spannungen wurden die Entladekreisparameter (Induktivität, Widerstand, Kapazität und maximale Spannung) mittels eines FIT im Zeitraum bestimmt. Mit diesen Parametern und einem LT-Spice-Modell konnte der Entladestrom und das Stromlastintegral berechnet werden. Somit konnte die voraussichtliche Lebensdauer der Elektroden für verschiedene Materialen angegeben werden.

Mit der Wahl des optimalen Materials und einer optimierten Form der Elektrodenspitze konnte die Lebensdauer der Elektrode um den Faktor 1.8 gesteigert werden. Ausserdem kann mit diesem Material eine reproduzierbare Form der Elektrodenspitze erreicht werden und ein Verarbeitungsschritt gespart werden.

Was ich erreicht habe:

• Schlüsselwerte für die Analyse definiert.
• Mathematica-Skript für die effiziente Analyse der grossen Datenmengen erstellt.
• Nach dem Ausschlussprinzip die Quelle für die hohen Variationen eingeschränkt.
• Zwei Konzepte entwickelt, um die Zündverzugszeiten zu reduzieren.
• Mit Hilfe von LT-Spice-Modellen das Stromlastintegral bestimmt und damit die Lebensdauer der Elektroden für verschiedene Materialen abgeschätzt.
• Durch Materialwechsel und optimierte Elektrodenform eine um 1.8 längere Lebensdauer erreicht.

Budget: 16'000 CHF

Beschreibung:

Der Kunde im Bereich Umweltingenieurwesen hatte den Auftrag, die Wanderung von Jungfischen durch die Wasserfassung für ein Kraftwerk zu verhindern. Dies soll durch eine elektrische Barriere, bestehend aus mehreren Elektroden mit unterschiedlich hohen Spannungen, geschehen. Sie soll eine annähernd lineare Steigerung des elektrischen Felds in Flussrichtung in der Wasserfassung erzeugen. Fische werden so davon abgehalten, in die Wasserfassung zu schwimmen. Da die Fische gegen den Strom fliehen sollen, dürfen sie nicht in die Galvanonarkose fallen, wie das bei elektrischen Barrieren üblich ist.

Zu klären war, ob die elektrische Barriere an der Wasserfassung realisiert und sicher betrieben werden kann. Im ersten Schritt habe ich ein realistisches Modell der Wasserfassung erstellt. Dabei musste ich zuerst alte Pläne digitalisieren.

Gefordert war eine annähernd gleiche elektrische Feldstärke im Wasser über die gesamte Querschnittfläche der Wasserfassung. Die Elektrodenkonfiguration sowie die Spannungen an den einzelnen Elektroden habe ich daraufhin in mehreren Iterationsschritten optimiert. So konnten die gewünschten Felder erreicht werden. Durch Massnahmen in der Konstruktion ist es gelungen, dass die Fische nicht an die überhöhten Felder direkt an den Elektroden schwimmen können.

Durch die Verwendung des Wechselstrom-Lösers habe ich die elektrischen Widerstände und Kapazitäten an jeder Elektrode berechnet. Diese Werte waren die Basis für ein Netzwerkmodell, das Elektroden und Generator vereinigte. Damit konnte ich für verschiedene Betriebsparameter die notwendige Generatorleistung berechnen.

Alle Anforderungen an die elektrische Barriere an der Wasserfassung habe ich durch das ausgearbeitete Konzept erfüllt.

Im Rahmen dieser Studie sollte auch geprüft werden, ob es bezüglich der Sicherheit Aspekte gibt, die eine Installation der elektrischen Fischbarriere verunmöglichen. Ich habe bei der Untersuchung nichts gefunden, was durch geeignete Massnahmen nicht gelöst werden könnte.

Die Investitionskosten für das vorgeschlagene Konzept habe ich durch Angebote und Preislisten abgeschätzt. Eine mögliche Wartung der elektrischen Barriere und die Höhe der laufenden Kosten habe ich ebenso analysiert.

Die Ergebnisse dieser Studie sind die Entscheidungsgrundlage für die Implementierung der elektrischen Fischbarriere an der Wasserfassung

Was ich erreicht habe:

• Wasserfassung aus alten Plänen digitalisiert
• Konfiguration und Geometrie der Elektroden optimiert
• Spannungen an den Elektroden berechnet und Generator entsprechendausgelegt
• Sicherheitsaspekte analysiert und Massnahmen zur Reduktion der Risikenerarbeitet
• Investitions- und Betriebskosten abgeschätzt
• Wartungsaufwand analysiert

Budget: 30'000 CHF

Beschreibung

Mein Auftrag war, ein medizinisches Gerät mit einer Schockwelle, die von einer schnellen Funkenstrecke ausgelöst wird, zu entwickeln. In dem Gerät sind mehreren Funkenstrecken verbaut, die mit einem zeitlichen Unterschied von ein paar Millisekunden zünden sollen.

Das vorhandene Design der Funkenstrecken und der damit verbundenen Hochspannungseinheit zeigte zwei unerwünschte Effekte, die zukünftig vermieden werden sollten.

Einerseits wurde die positive Spannung, die am Entladekondensator anlag, bei den Triggern der Funkenstrecke auf Erdpotential gezogen. Deshalb lag am negativen Anschluss des Kondensators die doppelte Spannung an. Dies führte zur Zerstörung der angeschlossenen elektronischen Komponenten. Die Analyse mit einer geometrischen elektrostatischen Simulation und einer dynamischen Simulation mit SPICE brachte Klarheit. Das Problem war das unvollständige Zünden der Funkenstrecke. Als einfache Lösung habe ich eine Neupositionierung der Trigger-Elektrode präsentiert, was den positiven Effekt mit Simulation untermauert. Für die Serienproduktion der Geräte habe ich eine robuste Halterung der Elektroden vorgeschlagen.

Der zweite unerwünschte Effekt, das gleichzeitige, aber ungewollte Zünden der benachbarten Funkenstrecken, habe ich auch mit einer SPICE-Simulation untersucht. Der oszillierende Charakter des Entladungsstroms führte zu einer Überbelastung eines zentralen Elements der Hochspannungseinheit. Eine bessere räumliche Trennung und Schirmung der Elektronik für die beiden Funkenstrecke habe ich als Lösung empfohlen.

Zurzeit sind die vorgeschlagenen Modifikationen in der Testphase.

Was ich erreicht habe:

• Statisches und dynamisches Verhalten der Funkenstrecke simuliert
• Verbesserte geometrische Anordnung der Elektroden vorgeschlagen
• Modifikation der Hochspannungselektronik für verlässlichen Betrieb

Budget: 10'000 EUR