Entwicklung eines 2D-Lastwechslers zur Untersuchung dynamischer Wägezellen. - Ilmenau. - circa 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die Aufgabe dieser Masterarbeit ist es, eine universelle Einrichtung für die Untersuchung dynamisch messender Wägezellen zu entwickeln, besonders Wägen für Flüssigkeitsgefüllte Behältnis. Die Einrichtung kann gemäß einer vorgegebenen Bahn bewegen, schnell greifen, transportieren und entladen. Eine Einstellung der Beschleunigung ist auch während des Transports möglich, um sicherzustellen, dass Flüssigkeitsschwingungen die Genauigkeit der dynamischen Waage nicht beeinträchtigen. Die geforderte Genauigkeit des Absetzen eines Prüfkörpers auf einer Waagschale beträgt hierbei ±0,5 mm. Obwohl die geforderte Genauigkeit prinzipiell erreicht wurde, besteht an einigen Stellen, wie dem Greifersystem, dem Regelungssystem und den pneumatischen Steuereinrichtungen, noch Verbesserungspotential.
Parameteridentikation und Automatisierung eines hydraulischen Entwicklungsprüfstandes. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Immer höher werdende Ansprüche an Effizienz, Ausfallsicherheit und Realisierungskosten elektrisch angetriebener Nebenaggregate im Automobilbereich führen dazu, dass vermehrt modellbasierte Algorithmen zur Ansteuerung der Aggregate entwickelt werden. Ein Anwendungsgebiet für bedarfsgesteuerte Nebenaggregate ist die druckgeregelte Hydraulikpumpe, womit die notwendigen Drücke unter anderem im automatisierten Schaltgetriebe erzeugt werden. Ein wesentliches Entwicklungsziel ist hierbei, die Sensoren zur Erfassung der Systemdrücke durch den Beobachter zu ersetzen oder zu ergänzen. Um die Entwicklung solcher modellbasierten Ansätze zu ermöglichen, ist in [Grö17] ein hydraulischer Laborprüfstand entwickelt worden. Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich, aufbauend auf den Ergebnissen von [Grö17], mit der Automatisierung des vorhanden Hydraulikprüfstandes. Damit sollen das bestehende Messsystem und die Aktorik echtzeitfähig abgetastet werden. Dafür wurden zunächst neue Konzepte abgeleitet und umgesetzt, die den mechanischen Aufbau bezüglich der Automatisierung des Prüfstandes betrafen. Des Weiteren wurde ein Temperierkonzept für das Prozessmedium entworfen, um zusätzliche Lastemulationen aus dem Automobilbereich nachzubilden. Anschließend erfolgte eine Konzeptentwicklung und die Umsetzung einer Prüfstandsoftware mit grafischer Bedienoberfläche, wodurch die Ansteuerung und Datenauswertung des Prüfstandes ermöglicht wird. Um den Prüfstand für die Entwicklung modellbasierter Algorithmen zu nutzen, soll dieser die Möglichkeit zur Parameteridentifikation bereitstellen. In Vorbereitung auf die Systemidentifikation wurde abschließend eine Inbetriebnahme des Prüfstandes durchgeführt.
Messtechnische Untersuchungen der Kennlinienstabilität von Platin-Thermoelementen infolge unterschiedlicher Vorbehandlungsverfahren. - Ilmenau. - 126 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Innerhalb der anfänglichen Betriebszeit von Edelmetall-Thermoelementen der Typen S und R ist eine Drift der erzeugten Thermospannung, ausgelöst durch Veränderungen der mechanischen und thermoelektrischen Eigenschaften des Platin- und Platin/Rhodium-Thermomaterials, zu verzeichnen. Die anfängliche Drift der Sensoren stabilisiert sich in Abhängigkeit von der Einsatztemperatur erst nach mehreren Betriebsstunden. Daraus resultiert eine zu berücksichtigende Abweichung eines unbehandelten Sensors von einer vorangegangenen Kalibrierung. Um die Drift der erzeugten Thermospannung und die dabei ausgeprägte Inhomogenität der Thermoelemente zu verringern, werden thermische Vorbehandlungsprozesse angewendet. Der Schwerpunkt der Untersuchungen dieser Arbeit lag dabei auf der thermischen Vorbehandlung der Thermodrähte durch das sogenannte elektrische Glühen. Um die Stabilität der Thermoelemente durch das elektrische Glühen optimal einzustellen, wurden die veränderten thermoelektrischen Eigenschaften zu Beginn und über eine definierte Alterung hinweg untersucht. Dabei erfolgte die Variation der thermischen Vorbehandlung anhand der Betriebsparameter Drahttemperatur und Glühzeit. Zu Beginn der Untersuchungen wurde die vorhandene Anlage zur Vorbehandlung der Thermodrähte an die Versuche angepasst und die Temperatur des Drahtes während des Glühens mit Hilfe einer analytischen Rechnung und einer Strahlungstemperaturmessung erfasst. Anschließend erfolgte die Messung der Inhomogenität von Thermoelementen (im Ein-Gradienten- und Zwei-Gradienten-Verfahren). Dazu wurden zwei Messeinrichtungen zur Erfassung von Inhomogenitäten konzipiert, aufgebaut und vergleichend gegenübergestellt. Die Vermessung der Inhomogenität ermöglichte, in Kombination mit geeigneten Kalibrierungen und Alterungen der Sensoren, die Beschreibung der thermoelektrischen Eigenschaften des Thermomaterials. Anhand dieser wurden die Auswirkungen verschiedener Glühparameter auf die Genauigkeit und Inhomogenität der Thermoelemente untersucht. Dazu wurde eine Vielzahl von Sensoren einer repräsentativen Typ S Thermodrahtcharge, vorbehandelt im Temperaturbereich von 400 ˚C bis 1200 ˚C für 10 min bis 120 min, mit dem Anlieferungszustand verglichen. Durch die thermische Vorbehandlung konnte so eine deutliche Verbesserung der Homogenität und Kennlinienstabilität der untersuchten Thermoelemente Typ S erzielt werden.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die Kalibrierung von Temperatursensoren basiert auf der derzeit gültigen Internationalen Temperaturskala aus dem Jahr 1990. Die Darstellung der Skala beruht auf sogenannten Fixpunkten, beginnend bei 0,65 K, denen ein Temperaturwert zugeordnet ist. Als Fixpunkte dienen reinste Materialien, die sich im thermodynamischen Gleichgewicht (Siede-, Schmelz-, Erstarrungs- oder Tripelpunkt) befinden. Um diese Temperaturfixpunkte zu realisieren bedient man sich der technischen Lösung der offenen oder geschlossenen Fixpunktzellen. Diese ermöglichen eine thermisch homogene und messtechnisch reproduzierbare Realisierung des entsprechenden, zeitlich begrenzten Vorgangs der Phasenumwandlung. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Aufbaues, der das Prinzip einer offenen Fixpunktzelle demonstriert. Dazu werden zuerst die theoretischen Grundlagen dargelegt, sowie die Entwicklung des Experimentalaufbaus erläutert. Das Ergebnis stellt einen Aufbau dar, der optisch und messtechnisch mit dem Material RT44HC einen Phasenwechsel fest-flüssig zeigt. In einer abschließenden Messreihe wird für das verwendete Phasenwechselmaterial eine Fixpunkttemperatur von # = 43,433 ˚C ermittelt. Es zeigt sich, dass die für eine Fixpunktkalibrierung notwendigen Temperaturverläufe mit dem gewählten Material zumindest für die Erstarrung erreicht werden können und die optischen Eigenschaften ideal sind. In zukünftigen Forschungsarbeiten kann der realisierte Aufbau dazu dienen an anderen Materialien die Phasenumwandlung zu demonstrieren oder die Schmelztemperatur zu bestimmen.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Ziel der Arbeit war eine automatische Extraktion der Profilparameter aus den Messsignalen durch modellbasierte Verfahren. Die Grundlagen der optischen Messverfahren wurden in Kapitel 3 umfassend vorgestellt. Durch automatische inverse Bildsimulation kann die Messprobe sehr genau bestimmt werden. In dieser Arbeit wurden die Messungen mit einem Fokussensor durchgeführt. Das reale Messsignal besteht aus Millionen Messpunkten und die realen Messdaten sind für die Simulation nicht alle relevant. Ein Programm zur Extraktion der wichtigen Messdaten und Reduzierung der Messpunkte ohne Verfälschung der Messgeometrie wurde entwickelt. Um die Beugungseffekte besser zu verstehen und bei der Simulation gut zu behandeln, wurde das theoretische Modell vorgestellt. Das Simulationsprogramm wurde mit zwei Suchalgorithmen entwickelt, durch die die iterative Anpassung realisiert wird. Die vorhandenen Solver-Routinen, die Beugungseffekte berechnen, wurden bei der Simulation verwendet. Schließlich wurden einige Tests durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die Funktion implementiert wurde aber noch zu verbessern ist.
Novel chromatic confocal differential interference contrast. - Ilmenau. - circa 150 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Differentialinterferenzkontrast (DIK) is eine bereits ausführlich untersuchte Phasenkontrasttechnik, die hohen Kontrast auch von nahezu transparenten Objekten, sogenannten schwachen Objekten, erzeugen kann. Dazu treffen zwei lateral minimal versetzte Strahlen auf ein Objekt. Danach werden diese Strahlen zur Interferenz gebracht. Abhängig von diesem Versatz, der sog. Scherung, kann innerhalb des von \textsc{Abbe} gefundenen Beugungslimits der Kontrast lateraler Strukturen senkrecht zur Scherrichtung zu höheren Raumfrequenzen gewichtet werden. DIK hat im Bereich der Biomedizin bereits als qualitatives Bildgebungsverfahren kommerzielle Reife erreicht. Die Weiterentwicklung zu einer quantitativen Oberflächenrekonstruktion, wie sie die fertigende Industrie benötigt, bleibt jedoch eine Herausforderung. Existierende Anläufe nutzen Phasenschiebung, was mehrere Aufnahmen erfordert wodurch Positionierungenauigkeiten die Messung stören können. Die davon rekonstruierte lokale Phasendifferenz ist zudem durch die Phasenambiguität begrenzt auf $2\pi$. Entfaltungsalgorithmen sind notwendig, um diese Limitierung aufzuheben. Die Phasendifferenz kann über die laterale Scherung in eine lokale Steigung der Probe übersetzt werden. Für die vollständige Rekonstruktion eines Profils muss diese Steigung integriert werden. Diese Integration von Messpunkt zu Messpunkt birgt das Problem der Anhäufung aller Unsicherheiten auf dem Weg zum letzten Messpunkt. Verschiedene Algorithmen zur Minimierung dieses Problems wurden bereits entwickelt. Diese Arbeit schlägt einen alternativen Ansatz basierend auf der Kombination aus DIK und dem Prinzip des chromatischen Konfokalmikroskops vor. Die Idee ist, die notwendigen Informationen für die Rekonstruktion der lokalen Steigung im spektralen Interferenzmuster des DIK zu finden. Die darauffolgende Integration soll durch das dem Ansatz unterliegende chromatisch konfokale Signal unterstützt werden. Nach bestem Wissen des Authors ist dieses Prinzip aktuell neuartig. Ein Prototyp wurde zur Verifizierung des vorgeschlagenen Prinzips für den Einsatz auf der verfügbaren Nanopositioniermaschine entwickelt. Besonders ist der Scher- und Phasenschiebmechanismus aus doppelbrechenden Prismen. Erste Ergebnisse zeigen, dass der im vorgeschlagenen Prinzip verwendete Entfaltungsansatz eine Herausforderung bleibt. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um optimierte Parameter für bessere Rekonstruktionsergebnisse zu finden.
Modellbildung der z-Plattform der NPMM-200. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Nanomesstechnik wird in vielen Bereichen der modernen Industrie eingesetzt. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Messtechnik muss die Messgenauigkeit von Präzisionsbauteilen den Nanometerbereich erreichen. Viele Forschungsinstitute entwickeln hochpräzise Nano-Messmaschinen, die in der Lage sind, einen weiten Bereich zu messen. Die Nanopositionier- und Nanomessmaschine 200 (NPMM-200) ist eine 3D-Nano-Positionierungs- und Messmaschine, die vom Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der Technischen Universität Ilmenau entwickelt wurde. Um den NPMM-200 besser steuern und einstellen zu können, muss das Verhalten der Reibung zwischen dem Linearlager und der Führung bekannt sein. Die z-Plattform wird während der Bewegung um die x- und y-Achse ausgelenkt, wodurch sich die Reibung zwischen Lager und Führung ändert. Um die Reibung genauer vorhersagen und ausgleichen zu können, wird in dieser Masterarbeit das Multi-State-Dahl-Modell (MSD-Modell) als Basismodell verwendet und um den Winkel der Ablenkung erweitert. Das erweiterte Modell wird von Partikelschwarmoptimierung (PSO) und Global Search identifiziert. Schließlich werden die Ergebnisse der Identifizierung validiert und verglichen, um das Modell zu bestimmen, das die Reibung und den Winkel besser beschreiben kann.
Messtechnische Untersuchungen an einer Kalibriereinrichtung für Oberflächen-Tast-Temperaturfühler. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Im Rahmen dieser Masterarbeit werden messtechnische Untersuchungen an einer Kalibriereinrichtung für Oberflächen-Tast-Temperaturfühler ausgeführt. Dynamischen und statischen Untersuchungen mit: - unterschiedlichen Temperaturfühlern; - unterschiedlichen Prüfkörpern werden durchgeführt. Untersuchungen verschiedener Einflussgroßen auf die Messunsicherheit werden gemacht. Ein Messunsicherheits-Budget wird für Prüfkörper und Prüflinge erstellt.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Viele der physikalischen Eigenschaften von Materialien sind temperaturabhängig. Dies kann es erforderlich machen, die Temperatur in einem Prozess zu überwachen, um thermische Schädigungen, Bauteilversagen oder Prozessinstabilitäten zu vermeiden. Bei Temperaturmessungen müssen jedoch die thermischen Ausgleichsvorgänge abgewartet werden, bis die korrekte Temperatur angezeigt wird. Dieses dynamische Verhalten von Thermometern spiegelt sich in dynamischen Kennwerten wider. Die Forderung nach einer Echtzeitmessung steht jedoch im Widerspruch zu dem dynamischen Verhalten von Thermometern. Viele Messstellen bringen Anforderungen wie hohe chemische Resistenz und physikalische Stabilität mit sich. Zudem ist in manchen industriellen Bereichen ein Tausch des Thermometers bei laufendem Betrieb erforderlich. Ohne zum Beispiel den Kraftwerksbetrieb einstellen zu müssen, ist dies jedoch nur durch die Verwendung von Schutzrohren möglich. Deshalb wurde in dieser Arbeit eine mögliche modulare Modellbildung des Schutzrohr-Thermometer-Systems thematisiert. Dazu wurden je zwei Widerstandsthermometer unterschiedlicher Konfiguration mit je zwei Edelstahlschutzrohren der Durchmesser 9 mm und 11 mm hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens untersucht. Vorbereitend dazu wurden zunächst die Sprungantworten der Thermometer ohne Schutzrohre aufgenommen und Referenzwerte für die dynamischen Kennwerte erstellt. Darauf aufbauend fand mit Hilfe von MATLAB eine erste Modellbildung der Thermometer auf Grundlage der experimentell aufgenommenen Messdaten statt. Nachfolgend wurden die Widerstandsthermometer nochmals mit Schutzrohren im Luftkanal sowie Wasserbad bei festgelegten Strömungsgeschwindigkeiten vermessen. Anschließend erfolgten verschiedene Modellierungsansätze der verwendeten Schutzrohr-Thermometer-Kombinationen. Dabei überzeugte eine Modellansatz aus theoretischer und experimenteller Systemidentifikation.
Optimierung des Wägesystems eines automatischen Massekomparators für hochgenaue Massevergleiche im Bereich 100 g bis 1 kg unter Vakuumbedingungen. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung eines Massekomparators für hochgenaue Massevergleiche. Der Massekomparator gehört zu den Wägeeinrichtungen mit höchster Genauigkeit. Sie kommen meist in Laboratorien zum Einsatz, um Referenzmassen abzuleiten. Das Ziel der Arbeit ist es, das vorhandene Wägesystem eines Massekomparators zu erweitern und zu optimieren. Die Substitution und Justierung sollen durch Neukonstruktion und Automatisierung schneller und einfacher erfolgen. Eine wichtige Anforderung ist, dass der Massevergleich einen Messbereich von 100 Gramm bis 1 Kilogramm abdecken soll. Weiterhin soll das ganze Wägesystem in der Baugröße so klein wie möglich gestaltet werden. Hauptanforderungen bei der Auswahl des Werkstoffs sind sowohl Korrosionsbeständigkeit als auch die Vakuumtauglichkeit. Neben diesen beiden Anforderungen gilt es ebenfalls zu beachten, dass ein Werkstoff gewählt wird, der bei den geforderten Eigenschaften noch kostengünstig ist. Zur Orientierung wird der konstruktive Entwicklungsprozess angewendet, bei dem die Anforderungen an jedes Bauteil untersucht werden. Nach dem Aufstellen verschiedener Aufbau- und Funktionsprinzipien, gilt es diese zu evaluieren und anschließend miteinander zu vergleichen. Am Ende werden die ausgewählten Prinzipe konstruiert und im Ergebnis als technische Zeichnung dokumentiert.