Modellierung der Zuverlässigkeit bei Entwurf und Verifikation von Mixed-Signal-Schaltungen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2019. - 1 Online-Ressource (190 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018
Die zunehmende Verbreitung von Elektronik im Alltag und die weitere Verringerung der Strukturgrößen stellt neue Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit integrierter Schaltungen. Modellierung zur Unterstützung des Schaltkreis- und Systementwurfs wird seit langer Zeit eingesetzt, bisher hauptsächlich zur Nachbildung des funktionalen Verhaltens einer Schaltung. Die vorliegende Arbeit verfolgt zwei Ziele: - Zu bekannten Modellierungsverfahren für das funktionale Verhalten wird eine Systematik entwickelt und in einen durchgängigen Modellierungsablauf abgebildet. - Die Methodik wird um die Modellierung nichtfunktionaler Eigenschaften erweitert, insbesondere werden Verfahren zur Berücksichtigung der Zuverlässigkeit entwickelt. Für die Zuverlässigkeitsmodellierung werden in erster Linie Degradationseffekte betrachtet, die während des bestimmungsgemäßen Betriebs entstehen und sich auf das elektrische Verhalten integrierter Bauelemente auswirken. Als eine wesentliche Voraussetzung für die entwickelten Verfahren zur Berücksichtigung der elektrischen Degradation wird lineare Schadensakkumulation angenommen. Dies bedeutet, dass die zeitliche Abfolge des anliegenden Stresses keine Rolle spielt, sondern sich die entstehende Schädigung linear akkumuliert. Das Ergebnis der Arbeit ist eine systematische Vorgehensweise zur Modellierung des funktionalen Verhaltens von analogen und Mixed-Signal-Schaltungen. Diese wird ergänzt um neue Verfahren zur Berücksichtigung zuverlässigkeitsrelevanter Eigenschaften der Schaltung. Analogien zur Mechanik erlauben es, in diesem Bereich etablierte Vorgehensweisen zur Beschreibung und Analyse der Zuverlässigkeit zu übernehmen und auf die Degradationseffekte integrierter Halbleiterbauelemente anzuwenden. Entsprechende Lebensdauermodelle zu relevanten Degradationsmechanismen sind dargestellt. Ausgehend von der generellen Struktur solcher Modelle werden allgemeine Maße zur Zuverlässigkeitsbewertung von Bauelementen unter Anwendungsbedingungen abgeleitet. Die Diskussion von Methoden zur Analyse der Zuverlässigkeit ganzer Schaltungen im Entwurf rundet die Darstellung ab. Die entwickelten Verfahren dienen der Unterstützung eines schnellen und fehlerfreien Entwurfs sicherer und zuverlässiger Schaltungen. Anhand der Optimierung einer Schaltung auf der Grundlage ihres Alterungsverhaltens wird dieser Nutzen verdeutlicht.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000642
Optimierung des dynamischen Verhaltens von linearen Hybridschrittmotoren unter besonderer Betrachtung von Schwingungen und Geräuschen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2019. - 1 Online-Ressource (XXI, 171 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018
Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Methoden und Reglern zur Reduzierung von Schwingungen und Geräuschen von linearen Hybridschrittmotoren (LHSM). Die Ursachen der Schwingungen und Geräusche sind Kraftschwankungen, die elektromagnetisch durch das Antriebsprinzip bedingt sind. Der untersuchte Motor ist ein Prototyp, der von der Firma Pasim Direktantriebe GmbH zur Verfügung gestellt worden ist. Dieser ist durch ein Zusatzspulensystem gekennzeichnet, das eine variable magnetische Erregung ermöglicht. Somit kann der Motor mit einer konstanten magnetischen als auch mit einer sich ändernden magnetischen Erregung betrieben werden. Diese beiden Betriebsmodi werden in dieser Arbeit als Ausgangssituationen verwendet, um damit mögliche Reduzierungen von Schwingungen und Geräuschen zu erzielen. Für den als Standardmotor zu betrachtenden konstant erregten LHSM werden drei Methoden untersucht. Dazu gehören die Lastwinkel-Optimierung, die Rastkraft-Kompensation sowie die Optimierung der Kommutierung. Unter diesen Methoden lassen sich mit der optimierten Kommutierung die Horizontalschwingungen am besten verringern. Wahrnehmbare Lautstärkeänderungen können damit allerdings nicht erreicht werden. Das Ziel des mit variabler Erregung betriebenen LHSM ist ebenfalls eine Reduzierung von Schwingungen und Geräuschen. Zu diesem Zweck werden die sich mit der variablen Erregerkomponente ändernden Eigenschaften des LHSM ausgenutzt, um ein antriebseffizientes und schwingungsreduzierendes Betriebsverhalten zu erhalten. Dafür ist es erforderlich, den variabel erregten LHSM zu modellieren und die dazugehörigen Parameter zu identifizieren. Schließlich wird eine Ansteuerfunktion für die variable Erregerkomponente auf der Grundlage eines Optimierungsproblems entwickelt. Die Ansteuerfunktion wird im positionsgeregelten Betrieb angewendet und zeigt dabei eine Reduzierung der Schwingungen um ein Vielfaches in allen Raumrichtungen. Das führt dazu, dass die wahrgenommene Lautstärke um annähernd die Hälfte gegenüber einem Motor mit konstanter magnetischer Erregung gesenkt werden kann. Zur weiteren Verbesserung der Betriebseigenschaften werden verschiedene Reglerstrategien entwickelt und getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass sich für diesen Zweck ein optimierter PID-Regler mit modellbasierter Vorsteuerung am besten eignet.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000738
Wasserverunreinigungen in Lithium-Ionen-Batterien. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2019. - 1 Online-Ressource (III, 94 Seiten, Seite V-XXXV)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Lithium-Ionen Batterien (LIB) verwenden organische Elektrolyte, die auch bei hohen Spannungen von über 4 V stabil sind. Das Leitsalz, das für die meisten Elektrolyten genutzt wird, ist LiPF6. Dieses hat eine Reihe an positiven Eigenschaften, wie eine hohe Leitfähigkeit und chemische Stabilität, ist aber hydrolyseempfindlich. Die Hydrolyseprodukte können zu einer verringerten Batterieperformance und Zyklenstabilität sowie - im Falle einer Elektrolytleckage - zu Gesundheitsrisiken führen. Diese Arbeit untersucht deshalb, welche Materialien zu den Wasserverunreinigungen in einer LIB beitragen, wie die Wasserverunreinigungen mit LiPF6 reagieren und was die Effekte dieser Verunreinigungen auf das elektrochemische Verhalten der LIB sind. Das Trocknungsverhalten von Zellkomponenten wurde mittels Karl-Fischer Titration untersucht und zeigt, dass insbesondere das Anodenmaterial Graphit und der Glasfaserseparator eingehend getrocknet werden müssen, um einen Wassereintrag in die LIB zu minimieren. Unter den Kathodenmaterialien weist insbesondere LiFePO4 einen hohen Wassergehalt auf. Andere Zellkomponenten sind weniger hygroskopisch und können einfacher getrocknet werden, was bei der industriellen LIB Herstellung mit einer Kostenreduktion verbunden ist. Die Hydrolyse von LiPF6 wurde durch Ionenchromatographie im organischen Lösungsmittel EC/DEC (1:1 v/v) und in Wasser untersucht. Die Hydrolyseprodukte von LiPF6 in EC/DEC sind HF und HPO2F2. Um die komplexen Reaktionskinetiken zu untersuchen, wurde ein kinetisches Model erstellt, mit dem Vorhersagen über weniger hydrolyseempfindliche Elektrolyten möglich sind. Insbesondere zeigt sich, dass der Dissoziationsgrad eine große Rolle in der Hydrolyse von LiPF6 im spezifischen Lösungsmittel spielt, und ein höherer Dissoziationsgrad zu einer höheren Toleranz gegenüber Wasserverunreinigungen führt. Wasserverunreinigungen haben negative Effekte auf die Zyklenstabilität und führen zu einem erhöhten Ladungsübergangswiderstand, was auf eine veränderte SEI-Formierung und Zusammensetzung hindeutet. Die Erklärung wird auch durch die Erkenntnis gestützt, dass die coulombsche Effizienz im ersten Zyklus bei wasserkontaminierten Zellen niedriger ist. Diese Ergebnisse verdeutlichen, wie wichtig eine Limitierung und Kontrolle der Wasserkontamination in LIB für deren Langlebigkeit, Performance und Sicherheit ist.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000089
Untersuchung von Umlenkelementen zur Anwendung in der interferometrischen Längenmesstechnik. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2019. - 1 Online-Ressource (176 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 33)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018
Aufgrund ihrer hohen Auflösung in Kombination mit einem großen Messbereich nehmen Interferometer eine Spitzenrolle in der Präzisionslängenmesstechnik ein. Sie müssen stets so angeordnet werden, dass der Messstrahl das Messobjekt auf geradem, unabgeschattetem Weg erreicht. Durch eine Umlenkung und Faltung des Interferometermessstrahls lassen sich Flexibilität des Aufbaus und Zugänglichkeit des Messobjektes verbessern. Diese Arbeit untersucht den Einsatz von Strahlumlenkelementen in interferometrischen Messanordnungen sowie die dadurch entstehenden Messfehler und Möglichkeiten ihrer Kompensation und Korrektur. Zunächst wird das grundlegende Messprinzip von interferometrischen Längenmessungen vorgestellt sowie auf mögliche Fehlerquellen insbesondere im Hinblick auf Strahlumlenkung hingewiesen. Es wird untersucht, wie sich die Änderung von geometrischen und Polarisationseigenschaften des Messstrahls durch ein Umlenkelement auf die interferometrische Messung auswirken. In dieser Arbeit werden verschiedene Modelle vorgestellt, mit denen die Lichtausbreitung und Polarisation sowie das geometrische Übertragungsverhalten von Umlenkelementen untersucht werden können. An Beispielen werden Einflussfaktoren herausgestellt, die auf die Polarisation des Lichtes wirken. Darüber hinaus wird deren Nutzung zur Kompensation von unerwünschten Polarisationsänderungen diskutiert. Eine Übersicht teilt reflektierende und refraktive Umlenkelemente auf Basis von Gemeinsamkeiten in Geometrie und Übertragungsverhalten in Kategorien ein. Der Fokus liegt dabei auf Invarianzachsen für Translation und Rotation der Elemente. Diese erlauben eine Bewegung der Umlenkelemente, ohne dass die untersuchte Funktionsgröße beeinflusst wird. Auf die Existenz und Lage dieser Achsen wird für jede Gruppe von Umlenkelementen hingewiesen. Zusätzlich erfolgt der Nachweis im Experiment, der das qualitative Übertragungsverhalten ausgewählter Umlenkelemente bestätigt. Schließlich werden die Erkenntnisse dieser Arbeit in Gestaltungsrichtlinien zusammengefasst, die den Anwender bei der Auslegung von Umlenkelementen für interferometrische Längenmesssysteme unterstützen.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000555
Untersuchungen zum Schadensmechanismus Torsionsschwingbruch durch Kontaktermüdung an Schraubendruckfedern. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2019. - 1 Online-Ressource (xvii, 184 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 34)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Wirkzusammenhänge des Schadensmechanismus "Torsionsschwingbruch durch Kontaktermüdung" zu untersuchen und Möglichkeiten zur Quantifizierung des Schadensmechanismus aufzuzeigen. Zu diesem Zweck werden Federvarianten mit unterschiedlichen Anlageverhalten gefertigt, charakterisiert und geprüft. Mit den bisher etablierten Methoden kann das Anlageverhalten nicht lokal und zugleich bei einer definierten Federkraft bewertet werden, was für die Fertigung von Versuchsfedern mit gezielt variierenden Anlageverhalten erforderlich ist. Vor diesem Hintergrund wird die Lichtspaltmethode entwickelt. Die Lichtspaltmethode eignet sich im Gegensatz zu numerischen Verfahren auch zur fertigungsnahen Beurteilung des Anlageverhaltens. Zusätzlich ermöglicht die Lichtspaltmethode einen höherwertigen FE-Abgleich im Endwindungsbereich, als ein Abgleich über die Federrate oder mittels druckempfindlichen Papiers. Aufgrund der Schwingfestigkeitsergebnisse wird eine Untergliederung des Schadensmechanismus hinsichtlich HCF-Kontaktermüdung mit Bruchausgang im Oberflächennahen Bereich und VHCF-Kontaktermüdung mit Bruchausgang unterhalb der Oberfläche vorgenommen. Begleitender Untersuchungen an Federn und Drähten zeigen, dass begünstigende Ursachen für Endwindungsbrüche mit der Ausprägung HCF-Kontaktermüdung sich auf eine fertigungs- bzw. verschleißbedingte Primärschädigung zurückführen lassen. Endwindungsbrüche im Bereich erhöhter Schwingspielzahlen mit einem Bruchausgang unterhalb der Oberfläche weisen auf eine Primärschädigung durch Kontaktermüdungsrissbildung hin. Auf Grundlage der Schwingfestigkeitsversuche an Schraubendruckfedern und numerischen Berechnungen wird eine Vorgehensweise zur Auslegung der Endwindungsgeometrie bei erhöhter Schwingspielzahl erarbeitet. Die Grobauslegung der Endwindungsgeometrie erfolgt über die Analyse des Kontaktwinkels in Abhängigkeit der Torsionsbeanspruchung. Die örtliche Bewertung erfolgt auf Basis der Finiten Elemente Methode und geeigneter Schadensparameter. Die numerische Nachrechnung der Schwingversuche zeigt, dass die lokale Kontaktdruckschwingweite als auch der Schadensparameter nach Dang Van geeignete Kenngrößen zur Beschreibung der VHCF-Kontaktermüdung darstellen. Durch diese Arbeit lassen sich Endwindungsbrüche durch Kontaktermüdung im VHCF-Bereich lokal bewerten.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000564
Numerical studies of turbulent Rayleigh-Bénard magnetoconvection in rectangular enclosures. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2019. - 1 Online-Ressource (vi, 113 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Turbulente Magnetokonvektion in Flüssigmetallen wird in geschlossenen rechteckigen Zellen für starke äußere Magnetfelder durch direkte numerische Simulationen untersucht, welche die quasistatische Näherung anwenden. Das Hauptziel ist es, zu verstehen wie der turbulenten Wärme und Impulstransport beeinflusst wird und wie die Konvektionsstrukturen durch die Magnetfelder umorganisiert werden. In dieser Arbeit werden zwei Systeme untersucht, bei denen die turbulente RB-Konvektion in einem horizontalen Magnetfeld bzw. einem vertikalen Magnetfeld erfolgt. Für das System mit einem horizontalen Magnetfeld wird RB-Konvektion bei einer Rayleigh-Zahl von 1e6 in einer Zelle mit quadratischer Grundfläche und einer langen rechteckigen Zelle untersucht. Unterschiedliche Konvektionsregimes werden identifiziert, welche vom Aspektverhältnis und der Stärke des Magnetfelds abhängen. Das bemerkenswerteste Konvektionsregime, das in der Box mit quadratischer Grundfläche beobachtet wird, ist die Umkehrung der Strömung - ein Reorganisationsprozess der rollenartigen Struktur, die durch ein gemäßigtes Magnetfeld eingeschränkt wird. Das Regime zeigt eine interessante Ähnlichkeit mit der großskaligen Intermittenz in einer Kanalströmung mit einem moderaten Magnetfeld in Spannweitenrichtung. Das interessanteste Konvektionsregime in der langen rechteckigen Zelle ist die verdrillte Walzenstruktur, die aus zwei Walzen mit halber Behälterlänge mit unterschiedlichen Ausrichtungen während der Übergangsperiode besteht. Für das System mit einem vertikalen Magnetfeld wird hauptsächlich RB-Konvektion bei einer Rayleigh-Zahl von 1e6 in einer geschlossenen kubischen Zelle und bei einer hohen Rayleigh-Zahl von 1e7 in einer Zelle mit quadratischer Grundfläche beschrieben. Durch eine Fourier-Analyse werden Konvektionsstrukturen mit abnehmender charakteristischer horizontaler Wellenlänge gefunden während Ha zunimmt. Der turbulente Wärmetransport verteilt sich zunehmend auf Strömungsstrukturen, die an den Seitenwänden anliegen. Ähnlich wie bei rotierender RB-Konvektion bestehen die Seitenwandmoden für Ha oberhalb der Chandrasekhar-Grenze fort. Es erfolgt, eine detaillierte Analyse der komplexen Zweischicht-Struktur dieser Seitenwandmoden, ihrer Ausdehnung in das Zellinnere und der daraus resultierenden Zusammensetzung der Seitenwandgrenzschicht, deren Skalierung mit der Shercliff-Schichtdicke erfolgen kann.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000011
Lorentz force velocimetry in liquid metal two-phase flow applications. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2019. - 1 Online-Ressource (100 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Zweiphasenströmungen elektrischer leitfähiger Flüssigkeiten treten in einer Reihe von metallurgischen Prozessen auf. Zum Beispiel werden beim Stranggießen von Stahl Argonblasen in die Schmelze eingelassen, um ein Zusetzen des Tauchrohrs durch das Anlagern von Oxiden zu verhindern, die Schmelze in der Kokille zu mischen und zu homogenisieren sowie Verunreinigungen an die Badoberfläche zu transportieren, wo diese dann gezielt abgezogen werden können. Für eine lückenlose Prozess- und Qualitätskontrolle ist es unabdingbar, solche zweiphasigen Strömungstransportvorgänge messtechnisch zu erfassen. Unter den verschiedenen Strömungsmessverfahren für Flüssigmetalle ist die neu entwickelte Lorentzkraft-Anemometrie (LKA) ein vielversprechender Variante. Sie beruht auf der Messung der strömungsinduzierten Kraft, die sogenannte Lorentzkraft, die auf ein extern in der Nähe der Strömung angeordnetes Permanentmagnetsystem wirkt. Diese Lorentzkraft ist nach den Gesetzmäßigkeiten der Magnetofluiddynamik direkt proportional zur Geschwindigkeit bzw. zur Durchflussmenge der Schmelzenströmung und der elektrischen Leitfähigkeit der Schmelze. Der wesentliche Vorteil der LKA ist ihr berührungsfreier und nicht intrusiver Charakter, der es auch bei industriellen Anwendungen im Hochtemperaturbereich erlaubt, Messungen zur lokalen Geschwindigkeitsverteilung bzw. Bestimmung des globalen Durchflusses in heißen und chemisch aggressiven Substanzen durchzuführen. Die Funktionalität der LKA wurde bereits in einer Reihe von Laborexperimenten mit der bei Raumtemperatur schmelzflüssigen Modelllegierung GaInSn sowie in Feldtests im Aluminium- und Stahlbereich nachgewiesen. Die vorliegende Arbeit setzt sich zum Ziel, dieses Messverfahren auf Flüssigmetall-Zwei-Phasenströmungen anzuwenden und damit den Einsatzbereich der LKA auf industriell relevante Problemstellungen zu erweitern. Hierzu werden eine Reihe von Modellexperimenten mit der Testschmelze GaInSn durchgeführt, in denen sich elektrisch nicht leitfähige Gasblasen oder Festkörperpartikel bewegen. Das Ziel der Untersuchungen ist die Beantwortung der Frage, ob aus den gemessenen Kraftsignalen reproduzierbare Aussagen über Blasen- bzw. Partikelgröße sowie deren Geschwindigkeit und Position treffen lassen. Die Schwierigkeit bei dieser Aufgabe besteht darin, dass die elektrisch nicht leitfähigen Blasen oder Partikel nicht direkt mittels LKA detektierbar sind, sondern nur ihre dynamischen Wechselwirkungen mit der Schmelze. In allen Experimenten erfolgt die Kraftmessung durch einen interferometrisch-optischen Kraftsensor (IOFS), der an einen kleinen würfelförmigen Permanentmagnet auf NdFeB-Basis gekoppelt ist. Die Kraftsignale für Partikel und Blasen werden erfasst und ausgewertet. Im Detail werden die Abhängigkeit des Maximalwertes der Lorentzkraft vom Partikeldurchmesser, von der Magnetfeldstärke, vom Abstand zwischen Partikel und Wand sowie der Partikelgeschwindigkeit analysiert. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die erfolgreiche Anwendung der LKA zur Partikel- oder Blasenerkennung in Flüssigmetallströmungen. Die experimentellen Untersuchungen werden zudem durch entsprechende numerischen Simulationen flankiert. Es zeigen sich gute bis sehr gute Übereinstimmungen zwischen den experimentellen Beobachtungen und den theoretischen Voraussagen. In zwei weiteren Testexperimenten, in denen die Dynamik von aufsteigenden Blasen in einer Hochtemperaturschmelze und unter dem Einfluss eines starken Hintergrundmagnetfelds (bis 1 T) mittels LKA analysiert werden, bestätigen die Leistungsfähigkeit der Messmethode nicht nur unter Laborbedingungen, sondern auch unter rauen industrienahen Produktionsbedingungen.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000035
Traceable multicomponent force and torque measurement. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2019. - 1 Online-Ressource (xv, 124 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Ein Gerät, das für die Messung von Kraft- und Drehmomentvektoren eingesetzt wird und ein Kalibriersystem integriert, wird in dieser Arbeit beschrieben. Die Kräfte und Drehmomente werden auf die Messung von Position, Winkel, elektrischer Spannung, elektrischem Widerstand und Zeit zurückgeführt. Hinsichtlich fundamentaler Naturkonstanten können die Kräfte und Drehmomente auf die Planck Konstante h, die Lichtgeschwindigkeit c und die Frequenz des Hyperfeinübergangs von Caesium [Delta]v_Cs zurückgeführt werden. Das Messprinzip basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation und die Kalibrierung auf dem Kibble-Waagen Prinzip. Mehrere Schwierigkeiten und Einschränkungen von traditionellen Kalibrierverfahren für Mehrkomponenten-Kraft- und Drehmomentaufnehmer werden mit diesem System überwunden und neue Möglichkeiten werden vorgeschlagen, wie z.B. die automatische Inprozess-Kalibrierung. Mithilfe einer sorgfältigen Unsicherheitsanalyse wird die erreichbare Unsicherheit für die Kraft- und Drehmomentmessung ausgewertet und die Einschränkungen identifiziert, die durch die verschiedenen Komponenten des Systems verursacht werden. Ein Prototyp wird vorgestellt, der die Kraft- und Drehmomentmessung im Bereich vom 2.2 N und 0.11 N m mit einer relativen Standardmessunsicherheit von 44 ppm bzw. 460 ppm ermöglicht. Weiterhin wurde das System durch die Messung einer bekannten Kraft überprüft, die von einem kalibrierten Testgewicht erzeugt wird. Experimentelle Ergebnisse wurden durch die Anwendung von Mehrkomponentenaufnehmern in der Lorentzkraft-Anemometrie, Mikrobearbeitung und für die Identifikation von Kraft- und Drehmomentmesssystemen erzielt. Auf Verbesserungsmöglichkeiten für die weitere Reduzierung der Unsicherheit bei der Kraft- und Drehmomentmessung mit dem Gerät wird eingegangen.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000043
High resolution force measurement system for Lorentz force velocimetry. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2019. - 1 Online-Ressource (XII, 93 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Die Lorentzkraft-Anemometrie wurde als neuartige Methode für die berührungslosen Geschwindigkeitsmessungen leitfähiger Strömungen entwickelt. Die induzierte Lorentzkraft ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Mit einem Kraftmesssystem kann die Reaktionskraft der induzierten Lorentzkraft, die auf das integrierte Magnetsystem wirkt, gemessen werden. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Die Eigenschaften der Geschwindigkeitsmessung hängen von den Eigenschaften des Kraftmesssystems ab. Bei Fluiden mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie z.B. Elektrolyten, liegt die erzeugte Lorentzkraft im Bereich von Mikronewton und darunter. Das Kraftmesssystem unterstützt eine Masse eines Magnetsystems von ca. 1 kg. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit ein Kraftmesssystem zu entwickeln, welches auf der einen Seite eine verbesserte Kraftauflösung in horizontaler Richtung für niedrigleitende Elektrolyte aufweist und auf der anderen Seite die Tragfähigkeit der Eigenlast von über 1 kg zur Unterstützung des integrierten Magnetsystems gewährleistet. In vorherigen Arbeiten wurde die Wägezelle nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK-Wägzelle) in aufgehängter Konfiguration mit dem 1 kg Magnetsystem zur Messung der Lorentzkraft verwendet. Basierend auf verschiedenen Experimenten in dieser vorgestellten Arbeit wird festgestellt, dass aufgrund des mechanischen Aufbaus sowohl Neigungsempfindlichkeit als auch Steifigkeit der EMK-Wägezelle stark von der genutzten Konfiguration und dem Gewicht der unterstützten Eigenlast abhängig sind. Um die durch diese Abhängigkeiten verursachten Einflüsse zu minimieren, wird ein Torsionskraftmesssystem basierend auf dem Prinzip der Torsionswaage entwickelt. Diese ist theoretisch neigungsunempfindlich und behält bei unterschiedlichen Eigenlasten eine konstante Steifigkeit bei. Die Auslenkungsmessungen werden verwendet, um die Ausgangsspannung des Torsionskraftmesssystems sowohl in Positionswerten als auch in Kraftwerten zu kalibrieren. Ein Closed-Loop-Betriebsmodus wird mithilfe eines PID-Reglers aufgebaut, mit dem die Grenzfrequenz von 0,002 Hz auf 0,1 Hz verbessert wird. Ein spezialangefertigter kapazitiver Aktor wird entwickelt, um eine rückführbare elektrostatische Kraft zu erzeugen, die anstelle der elektromagnetischen Kraft verwendet werden kann. Um die elektrostatische Kraft zu kalibrieren, werden drei Methoden genutzt: (a) durch Messung des Kapazitätsgradienten; (b) durch Vergleich mit einer elektromagnetischen Kraft und (c) durch Messung des induzierten Stroms in einem Velocity-Modus. Bei der Datenauswertung wird eine numerische Verarbeitung mit Newton-Polynominterpolation durchgeführt, um die thermischen und seismischen Störungen und Driften während der Messungen zu schätzen und zu korrigieren. Im Vergleich zu vorherigen Arbeiten, wo die Kraftauflösung auf 20 nN und die Eigenlast auf 3 kg begrenzt waren, ist das Torsionskraftmesssystem in der Lage, Kräfte bis zu 2 nN aufzulösen und eine Eigenlast bis zu 10 kg zu tragen. Schließlich wird die sogenannte Halb-Trocken-Kalibrierung am Torsionskraftmesssystem durchgeführt. Die Messempfindlichkeit wird für unterschiedliche Leitfähigkeiten ermittelt. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen, zeigt das Torsionskraftmesssystem das Potential, um Messungen mit weiter geringerer Leitfähigkeit bis hinunter zu 0.0064 S/m durchzuführen.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000068
Investigations and methods to improve signal quality in high speed, self-actuated and self-sensing cantilever-based scanning probe microscopy. - Ilmenau, 2019. - vii, 173 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Der Erfolg von Rasterkraftmikroskopie (AFM) als Analysewerkzeug für Oberflächentopographien und Materialeigenschaften basiert auf der Fähigkeit durch das Abtasten der Probenoberflächen mit einer sehr scharfen Sensorspitze Nanometer- und atomaren Auflösung zu erreichen. Auf Grund des gestiegenen Interesses durch Life Science und industrielle Anwendungen treten die Limitierungen in den Scan Geschwindigkeiten in den Fokus der Untersuchungen. In dieser Arbeit wird der Ansatz verfolgt, die zu untersuchende Scanfläche durch die Anwendung von parallelen Cantilever Arrays zu vergrößern und damit die effektive Scangeschwindigkeit zu erhöhen. Durch die hoch komplexen Cantileverstrukturen mit integrierten Sensoren und Aktuatoren treten eine Vielzahl zusätzlicher Effekte und Anforderungen auf, welche in dieser Arbeit näher untersucht werden. Wesentliche Zielstellungen sind dabei die Verbesserung der Signalqualität, eine skalierbare Elektronik zur Ansteuerung und Auswertung, sowie verbesserte laterale Scanalgorithmen zur optimalen Ansteuerung hinsichtlich hoher Scangeschwindigkeiten. Auf Basis von Simulationen werden zunächst elektrisches, thermisches und mechanisches Übersprechen auf selbstaktuierten Cantilevern mit integrierten Sensoren durch Simulationen untersucht und experimentell verifiziert. Es wird dargestellt, dass durch verschiedene Abschirmungsmethoden das kapazitiv verursachte Übersprechen um eine Dekade verringert und das mechanische Übersprechen durch Änderungen der mechanischen Anordnung nahezu vollständig unterdrückt werden kann. Um das simulierte Verhalten für die Entwicklung des erweiterten Systems zu nutzen, wird ein abstraktes Simulationsmodell zusätzlich zum Bottom-Up Ansatz vorgestellt. Durch die Erweiterung dieses Modell um die Rückkoppelschleife und die Kraftinteraktion der Cantileverspitze mit der Oberfläche ergibt sich eine effektive Simulation für das Verhalten des Gesamtsystems, welche als Basis für die Entwicklung einer FPGA basierten Regelung dient. Die Notwendigkeit in Cantilever Anordnungen jeden Cantilever individuell anzusteuern, erfordert die Entwicklung eines flexiblen, voll parallelen und skalierbaren elektronischen Kontroll- und Regelsystems. Ausgehend von der abstrakten Gesamtsimulation werden die Arbeitsschritte der Partitionierung, Implementierung bzw. Umsetzung sowie die gesamtheitliche Verifikation dargelegt. Abschließend werden neuartig Algorithmen vorgestellt, welche höhere laterale Scangeschwindigkeiten als das üblicherweise verwendeten Raster ermöglichen. Damit wird gezeigt, dass trotz der mechanischen Limitierung durch die Eigenresonanz der Scanner, Verfahrbereiche größer als die laterale Array Periode schnell abgetastet werden können.