Entwicklung einer wasser- und staubdichten Präzisionskraftdurchführung. - Ilmenau. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024
Für den Einsatz von Präzisionsmessgeräten in rauen Umgebungen ist es häufig erforderlich, dass das eigentliche Messsystem in einem Gehäuse untergebracht wird, das sowohl staub- als auch wasserdicht ist. Diese Kapselung des Messsystems hat jedoch ihrerseits durch die Steifigkeit Auswirkungen auf die erreichbare Messunsicherheit, so dass bei der Realisierung ein Kompromiss gefunden werden muss. Die Arbeit hat zum Ziel, eine Kapselung für ein Kraftmesssystem zu entwickeln, um eine möglichst genaue Übertragung der zu messenden Kräfte auf das gekapselte Messsystem zu erreichen. Dabei sind wirtschaftliche und technische Randbedingungen zu berücksichtigen und die Lösung auszuwählen und zu bewerten. Um einen besseren Schutz des Systems zu erreichen, wird vorgeschlagen, die bestehende Lösung durch eine Doppelmembranstruktur zu ersetzen. Es wurden vier Typen innerer Membranen mit unterschiedlichen Formen entwickelt, um die Barrierewirkung gegen eindringende Substanzen zu erhöhen. Das Modell der Paketstruktur wurde mit Hilfe der 3D-Modellierung vereinfacht und in die ANSYS Workbench importiert, um eine Finite-Elemente-Analyse durchzuführen. Mit Hilfe einer parametrischen Analyse wurde eine systematische Untersuchung der Auswirkungen von Doppelmembransystemen durchgeführt. Die Schlussfolgerungen aus der abschließenden Finite-Elemente-Analyse führten zu der Erkenntnis, dass nach dem Einbau des Doppelmembransystems, um die EMK-Waage abzudichten, eine DMS-Korrektur erforderlich ist. Damit soll sichergestellt werden, dass die Genauigkeit des Messsystems nicht beeinträchtigt wird.
System zur Justage der Interferometerstrahlen in einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2024
Nanopositionier- und Nanomessmaschinen sind in der Lage, Strukturen mit Nanometerauflö-sung in drei Raumachsen zu vermessen. Dabei werden interferometrische Längenmesssystem eingesetzt, um hochpräzise Positionieraufgaben zu realisieren. Die gewünschte Probe wird mit einem Antastsystem, das mit verschiedenen Sensoren ausgestattet sein kann, vermessen. Zur Reduzierung von Messfehlern ist die Einhaltung des Abbe’schen Komparatorprinzips unverzichtbar. Das bedeutet für die Nanopositionier- und Messmaschinen, dass sich die drei Interferometerstrahlen zur Längenmessung und der Antastpunkt auf der Probe in einem Punkt, dem Abbepunkt, schneiden müssen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist eine präzise Justage der Interferometerstrahlen unabdingbar. Um justieren zu können, müssen die tatsächlichen Strahlpositionen relativ zum Abbepunkt bekannt sein. Das Ziel dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung einer Detektorbaugruppe auf Basis eines CMOS-Sensors für die Lokalisierung sämtlicher Interferometerstrahlen der betrachteten Nanopositionier- und Messmaschine. Der Detektor soll in einen automatisierten Messprozess integriert werden. Dadurch wird ein manuelles Eingreifen des Bedieners in den Messprozess vermieden und es wird die Grundlage für die spätere Justage gelegt. Die Arbeit wurde an der Nanopositionier- und Messmaschine 200 (NPMM-200) des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau durchgeführt. Die Entwicklung des Messprozesses beinhaltet auch die Analyse von Fehlereinflüssen, sowie die Untersuchung verschiedener Auswertealgorithmen für die generierten Bilddaten. Auf Grundlage der DIN 11146-1 wird die Berechnung des Schwerpunktes des Intensitätsprofils aus den Bilddaten umgesetzt und analysiert. Die betrachteten Aspekte fließen in die Erstellung eines fehlerarmen Messkonzeptes ein. Darauf aufbauend wird ein Messprogramm implementiert, das Positionieraufgaben, Bildauswertung, Ansteuerung von beweglichen Teilen des Detektors und eine Fehlerkorrektur durchführt. Die Funktion des Programms wird anschließend demonstriert und die Strahlpositionen der Interfe-rometer bestimmt. Mit den Ergebnissen der Untersuchungen wird ein Unsicherheitsbudget nach GUM für den Messprozess aufgestellt. Der erarbeitete Messprozess bildet eine wichtige Basis für die anschließende Justage der Interferometer und ermöglicht damit die Minimierung des Abbe-Fehlers 1. Ordnung.
Entwicklung einer interferometrisch gereglten Einachs-Positioniereinheit. - Ilmenau. - 51 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024
In der vorliegenden Masterarbeit wird die Entwicklung einer 1-achsigen Positioniervorrichtung beschrieben, die speziell für präzise Bewegungen in der Mikropositionierung konzipiert ist. Ziel ist es, eine Wegverschiebung von mindestens 20 mm zu erreichen, während die Schrittweite auf weniger als 10 Nanometer genau eingestellt werden kann. Das System soll nicht nur kompakt in seinen Außenabmessungen sein, sondern auch eine Tragfähigkeit von bis zu 1 Kilogramm aufweisen. Zudem ist es erforderlich, dass die Positioniervorrichtung in der Lage ist, eine Kraft von mindestens 1 Newton in der Bewegungsrichtung zu erzeugen. Für die Umsetzung dieses Ziels wird ein innovatives Antriebskonzept entworfen, das aus einer Kombination von Piezo- und Spindelantrieben besteht. Dieses Antriebssystem soll spielfrei arbeiten, um höchste Präzision und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Der Gesamtansatz zielt darauf ab, eine robuste und effiziente Lösung zu schaffen, die in verschiedenen technischen Anwendungen eingesetzt werden kann.
Entwicklung einer browserbasierten Schnittstelle für Mikrocontroller in Echtzeit-Messsystemen zur Konfiguration sowie Erfassung, Aufbereitung und Visualisierung relevanter Prozessdaten. - Ilmenau. - 101 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024
Diese Abschlussarbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Webschnittstelle zur Datenaufnahme und -visualisierung mit einem domänenspezifischen Messgerät. Ziel ist dabei, die Eignung der Webplattform für solche Anwendungsarten zu ermitteln. Das verwendete Messsystem ist die TraceBox der MOTEON GmbH mit einem AURIX TC397 Mikrocontroller. Sie wird über Ethernet gesteuert und ermöglicht die echtzeitfähige Erfassung von Prozessgrößen einer über SPI angeschlossenen Motorsteuerung. Die im Rahmen dieser Arbeit spezifizierte und realisierte Webanwendung WebLens wird von diesem Messgerät gehostet und kann mit einem aktuellen Browser unter Windows genutzt werden. Hauptbestandteil der Anwendung ist das Oszilloskop zum Aufnehmen, Verarbeiten und Visualisieren der SPI-Daten. Es ermöglicht die Spezifikation der Vorverarbeitung empfangener Daten in Form eines Datenflussgraphen mit programmierbaren, mathematischen Transformationen. Die transformierten Signale können in einen Ringspeicher aufgenommen, in Diagrammen gruppiert und dort untersucht werden. Die Single Page Application ist maßgeblich in Rust mit dem Leptos Webframework programmiert und wird mittels WebAssembly für den Browser kompiliert. Anwendung und TraceBox kommunizieren dabei über das WebSocket Protokoll. Auf einem Notebook mit Intel i5-1245U und 16 GB RAM kann WebLens mindestens 48 Signale mit einer 20 kHz Samplerate und einer 10 Hz Diagramm-Aktualisierungsrate 180 s lang verlustfrei aufnehmen. Trotz dieses Erfolges zeigt sich hinsichtlich der Forschungsfrage, dass die Webplattform noch nicht über alle üblichen Systemschnittstellen verfügt. Deswegen können nicht alle Arten von Anwendungen damit realisiert werden.
Simulationsgestütze Bestimmung der Wärmeverluste in einem Guarded-Hot-Plate (GHP) : Aufbau und messtechnische Validerung. - Ilmenau. - 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024
Diese Arbeit beschreibt die Kalibrierung eines Wärmestromsensors durch den Einsatz einer Guarded-hot-Plat-Gerät. Das Gerät ist in der Lage, die Wärmestromverluste in axialer und radialer Richtung genau zu quantifizieren. Um die Verluste zu bestimmen, soll die Struktur zunächst mit einem FEM-Modell nachgebildet werden. Mit diesem Modell soll eine thermisch-statische Simulation durchgeführt werden, mit der die Wärmestromverluste theoretisch bestimmt werden können. Darüber hinaus soll das Modell an weiteren Betriebspunkten validiert werden. Ein Betriebspunkt stellt dabei eine geeignete Variation der Parameter dar, die zu einem anderen Wärmestromverlust führt.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Zur Kalibrierung eines Kraftmess- oder Wägesystems nach dem Prinzip der Kibble-Waage ist die Einführung eines zusätzlichen Bewegungsmodus in ein System nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation erforderlich. Zur Bestimmung der Aktorkonstante des Messsystems werden die Geschwindigkeit der Spulenbewegung und die daraus resultierende induzierte Spannung gemessen. Nichtlinearitäten und kleine parasitäre Effekte können bei der Kalibrierung und Messung nicht mehr vernachlässigt werden, wenn geringe Messunsicherheiten angestrebt werden. Dies betrifft Phänomene sowohl bei der Anregung des Systems als auch bei der Erfassung der Messdaten. Diese Phänomene werden z.B. durch nichtlineare Verformungen der Führungsmechanik, durch die realen Eigenschaften der Analog-Digital-Wandlung und durch parasitäre elektrische und elektromagnetische Effekte verursacht. In dieser Arbeit werden eine systematische Erfassung der resultierenden Nichtlinearitäten am Beispiel der am Institut PMS entwickelten Planck-Waage PB2 und die Zuordnung bzw. Modellierung einiger ursächlicher Effekte bestimmt. Daraus werden Maßnahmen zur rechnerischen Korrektion der Effekte oder zu einer möglichen Umgestaltung des Systems abgeleitet . Die durchgeführten Korrektionen werden weiterhin bezüglich ihres Messunsicherheitsbeitrages bewertet.
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2023
Mit dem Ziel Thermoelemente im Hochtemperaturbereich unter verschiedenen Mediumbedingungen zu kalibrieren, wurden in der vorliegenden Diplomarbeit die Eigenschaften eines neu entwickelten Hochtemperaturkalibrierofens untersucht. Mit diesem ist es möglich, Kalibrierungen bis zu einer Temperatur von 1500 ˚C unter Vakuum bzw. Schutzgas (hier: Argon) durchzuführen. Außerdem ermöglicht der Kalibrierofen Messungen mit und ohne Ausgleichsblock. Dieser wurde speziell für nicht genormten Molybdän/ Rhenium-Thermoelemente konzipiert, die eine Temperaturmessung bis 2600 ˚C zulassen. Dabei galt es, herauszufinden, welcher Betriebsmodus sich am besten für eine Kalibrierung eignet und für jedes Szenario ein eigenes Messunsicherheitsbudget aufzustellen. Darüber hinaus wurden insbesondere das axiale, radiale und zeitliche Temperaturprofil mit Typ S Thermoelementen unter den verschiedenen Bedingungen experimentell ermittelt und daraus die Gesamtmessunsicherheit errechnet. Gemessen wurde das Ganze jeweils bei 600 ˚C, 900 ˚C, 1200 ˚C und 1500 ˚C. Dabei existierten vier verschiedene Szenarien: Szenario 1: Messung unter Vakuumatmosphäre mit Ausgleichsblock Szenario 2: Messung unter Vakuumatmosphäre ohne Ausgleichsblock Szenario 3: Messung unter Argonatmosphäre mit Ausgleichsblock Szenario 4: Messung unter Argonatmosphäre ohne Ausgleichsblock Die Ergebnisse der Messungen haben gezeigt, dass es insbesondere bei 600 ˚C sehr große Temperaturschwankungen zwischen den sechs möglichen Steckplätzen gibt. Diese Schwankungen sind vor allem bei den Messungen mit Ausgleichsblock aufgetreten. Ferner ist die Einschwingzeit ohne Ausgleichsblock, unabhängig ob im Vakuum oder Argon, bis zu sechs Mal schneller als mit Ausgleichsblock. Das hat den Vorteil einer deutlich geringeren Abkühlzeit. Außerdem zeigten die Messergebnisse, dass die Gesamtmessunsicherheit mit zunehmender Temperatur geringer ausfällt. Es bleibt festzuhalten, dass sich das Messregime in Vakuum ohne Ausgleichsblock am besten zur Kalibrierung eignet.
Synthese eines selbstvalidierenden Tieftemperatursensors auf Siliziumbasis für den kryogenen Temperaturbereich. - Ilmenau. - 185 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die Darstellung kryogener Temperaturen mithilfe bezahlbarer und zuverlässiger Temperatursensoren gewinnt immer mehr an Bedeutung. So auch der Einsatz von Halbleiterbauelementen im kryogenen Bereich. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein redundantes Sensorkonzept auf der Basis von Widerständen zum Zwecke der Temperaturmessung vorgestellt. Dieses Konzept beinhaltet die Kopplung eines bordotierten Halbleiterwiderstandes aus Silizium, hergestellt durch die CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH, mit einem Metallwiderstand der Fa. UST Umweltsensorik GmbH zum Zwecke der Temperaturmessung im Bereich von 8 K bis 300 K. Einzeluntersuchungen der Sensorelemente haben gezeigt, dass sich die Widerstands-Temperatur-Kennlinien von hochdotierten Halbleiterwiderständen nicht nur für Thermometriezwecke eignen, sondern auch ein Widerstandsmaximum im Bereich von 60 K aufweisen. Über Variation der Prozessparameter wie bspw. die Dotierung ist die Verschiebung des Maximums entlang der Temperaturachse zu kleineren Temperaturen möglich. Als Ergebnis der messtechnischen Untersuchungen wird geschlussfolgert, dass die Halbleiterwiderstände im Bereich von 8 K bis 200 K und die Metallwiderstände zwischen 15 K und 300 K für Thermometriezwecke geeignet sind. Bei der Untersuchung eines Funktionsmusters, welches einen Prototypen des kombinierten Sensors darstellt, konnten am Temperaturpunkt von 15,1 K Unsicherheiten im Bereich von ca. ± 0,35 K für k=1 erreicht werden. Um die sich fortpflanzenden Widerstandsunsicherheit so klein wie möglich zu halten, wurde die Strombestimmung mithilfe eines kalibrierten Präzisionswiderstandes durchgeführt. Die Zweideutigkeit der R(T)-Kennlinie der Halbleiterwiderstände wird im Rahmen einer entwickelten Messelektronik durch die Eineindeutigkeit der Kennlinie der Metallwiderstände ausgeglichen.
Untersuchung von Einflussfaktoren auf die berührungslose Messung der Temperatur von Fahrbahnoberflächen. - Ilmenau. - 127 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die Strahlungstemperaturmessung ermöglicht es, die Oberflächentemperatur von Fahrbahnen zu bestimmen und dadurch Erkenntnisse über den Glättezustand bei winterlichen Witterungsbedingungen zu erhalten. Dabei benötigt das berührungslos arbeitende Messinstrument keinen physischen Kontakt zur Fahrbahn und beeinflusst ihr thermisches System deshalb nicht. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen zu einem Prüfstand, mit dem es möglich ist, die berührungslose Oberflächentemperaturmessung auf Fahrbahnen zu erproben. Es können winterliche Umweltbedingungen nachgestellt und verschiedene Umweltmessgrößen an Proben und in deren Umfeld erfasst werden. Zur Beschreibung des thermischen Systemverhaltens der Fahrbahnproben wurden vier Modelle entwickelt und deren Prognosegenauigkeit für spezifische Systemzustände im Prüfstand miteinander verglichen. Es konnten insbesondere ein nach dem Prinzip des thermischen Ersatzschaltbildes entwickeltes Modell und ein künstliches neuronales Netz als geeignet identifiziert werden. Weiterhin wurde der Emissionsgrad des Fahrbahnmaterials zunächst anhand einer eingehenden Literaturrecherche abgeschätzt und anschließend für zwei unterschiedliche Fahrbahnproben mit zwei Vergleichsmessverfahren bestimmt. Die Messungen bestätigten den zuvor abgeschätzten Wert des Emissionsgrades. Darüber hinaus wurde das thermische Systemverhalten während instationärer Versuchsabläufe untersucht. Es zeigte sich, dass die mit dem Prüfstand simulierten Umweltbedingungen den zeitlichen Verlauf an einem Referenztag mit winterlichem Wetter, aufgenommen auf einem realen Testfeld, mit Einschränkungen nachbilden konnten. Abgeleitet von den gewonnenen Erkenntnissen wird die Bedeutung wichtiger Einflussgrößen auf die Genauigkeit der berührungslosen Fahrbahntemperaturmessung erläutert und es werden Vorschläge für den Einsatz des Verfahrens im Straßenmessbetrieb unterbreitet.
Entwicklung von Sensoren und Aktoren zur aktiven Stabilisierung des Brechungsindex der Luft für Hochpräzisionsanwendungen. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Nanomess- und Positioniertechnik hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einer weltweiten Schlüsseltechnologie in der Herstellung von Mikro- und Nanostrukturen entwickelt. Die Industrie ist daher auf immer genauere und leistungsfähigere Maschinen angewiesen. Das Fachgebiet Prozessmess- und Sensortechnik der Technischen Universität Ilmenau arbeitet und forscht schon seit über 20 Jahren sehr erfolgreich an solchen Maschinen. Einer der größten Erfolge aus diesen Forschungen ist die Nanomess- und Nanopositioniermaschine NPMM-200 der Technischen Universität Ilmenau. Die Positionsbestimmung erfolgt bei dieser Maschine mit Laserinterferometern. Ziel dieser Arbeit ist die Stabilisierung der Luftbrechzahl, da diese ein entscheidenden Einfluss auf die Messsysteme und somit auch auf das Mess- und Positionierverhalten hat. Die Bestimmung der Luftbrechzahl erfolgt durch die Erfassung der Umweltparameter in der Messkammer der Maschine und anschließend eine Manipulation und entsprechende Stabilisierung mit Hilfe des Kammerdrucks. Eine technische Lösung ist sowohl hardware- als auch softwareseitig zu entwickeln und das System umfassend zu validieren. Die Zielsetzung für eine langfristige relative Abweichung der Brechzahl ist der Bereich von ±10^−11 in der Messkammer.