Masterarbeiten, Diplomarbeiten

In dieser Masterbeit wurde ein Prototyp für eine Waage auf Basis der magnetischen Levitation entwickelt und konstruiert. Die Funktionsfähigkeit des Prototypen als Waage wurde in Versuchsreihen untersucht und bewiesen. Die Levitationsbaugruppe, welche den Ausgangspunkt der Arbeit darstellt, wurde auf deren Aufbau und Funktionsweise hin analysiert. Auf der Basis der Funktionsweise und der theoretischen Grundlagen erfolgte eine Einschätzung zur analytischen Berechnung der Levitationsbaugruppe. Als Ergebnis wurde ein Modell festgelegt, im dem die Levitationsbaugruppe analog zu einem Federsystem betrachtet wird. In Vorversuchen wurden Versuchsreihen zur Ermittlung der Levitationshöhe in Abhängigkeit zur aufgebrachten Objektmasse durchgeführt. Das Ergebnis ist eine Masse-Weg-Kennlinie, welche den Messbereich der Levitationsbaugruppe bestimmt. Basierend auf der Analyse der Levitatorbaugruppe und den Vorversuchen wurde der Prototyp für die Waage auf Levitationsbasis entwickelt. Dabei wurden zu Beginn die Anforderungen an diesen erarbeitet. Nach einer Betrachtung der zur Verfügung stehenden Werkstoffe wurde Polyoxymethylen (POM) aufgrund dessen mechanischen Eigenschaften als Konstruktionswerkstoff ausgewählt. Der Prototyp besteht aus einer Grundplatte, drei Aufnehmern für die Levitatorbaugruppen und einer Messplattform, auf der Probekörper platziert werden können. Um die Höhe zu bestimmen in der die Messplattform levitiert, wurden Analog Distanzsensoren in den Prototypen eingebaut. Vier Distanzsensoren wurden in den Prototyp integriert. Mit Matlab wurde ein Skript entworfen, welches die Ansteuerung der Distanzsensoren und eine gleichzeitige Verarbeitung der ermittelten Signalspannung zur Ermittlung der Levitationshöhe ermöglicht. Nach Fertigstellung des Versuchsaufbaus wurden Änderungen an der Konstruktion vorgenommen. Der Verbindung von in der Schwebe befindlichen Magneten und der Messplattform wurden durch Hinzufügen einer Kugel-V-Nut Paarung zusätzliche Freiheitsgrade hinzugefügt. Dies führte zu einer deutlichen Verbesserung der Stabilität des Schwebezustandes. Der Zusammenhang zwischen der Masse von Probekörpern und der Schwebehöhe der Messplattform wurde durch Versuchsreihen untersucht. Als Ergebnis wurden Kennlinien ermittelt, die die Weg-Masse-Beziehung des Prototypen wiedergeben. Abgeleitet aus den Kennlinien wurden Gleichungen approximiert, mit denen durch die Schwebehöhe der Messplattform die Masse der zu messenden robekörper bestimmt werden kann. Es weiteres Matlab Skript wurde erstellt, welches eine Messung der Schwebehöhe sowie die Berechnung der Masse des Probekörpers realisiert. Der Prototyp hat einen Messbereich von 0g bis 1300g. Die Auflösung des Prototypen ist dabei abhängig vom gewählten Messbereich der Distanzsensoren. Ein limitierender Faktor für die Bestimmung der Masse ist die Größe der Bit-Auflösung des verwendeten Digitaloszilloskopes zur Auswertung der von den Sensoren gesendeten Signalspannung. In Untersuchungen zur Ecklastabhängigkeit konnte ermittelt werden, dass die Platzierung von Probekörpern außerhalb des Zentrums eine Veränderung der Winkellage der Plattform und eine Verringerung des Messbereiches der Waage zur Folge hat. In der Durchführung von Messreihen zur Bestimmung des Einflusses der Winkellage der Levitatorbaugruppen und des Hystereseeinflusses zeigte sich in beiden Fällen keine signifikante Veränderung des Kennlinienverlaufs. In Langzeitmessungen konnte kein Drift der Messwerte festgestellt werden.

Am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau wurde ein neues interferenzoptisches Verfahren zur absoluten Winkelmessung an einem einfachen Versuchsaufbau untersucht. Es basiert auf einem Kösters-Prisma und nutzt die Neigung von Interferenzstreifen als Signal für die Winkellage einer verspiegelten Oberfläche. Die mit diesem Verfahren erzielten Ergebnisse zeigen, dass es - aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit - für die hochauflösende Messung kleiner Winkel geeignet ist. Diese Masterarbeit beschreibt die Entwicklung eines kompakten interferenzoptischen Winkelsensors zur Weiterentwicklung des zugrundeliegenden Prinzips. Zunächst erfolgt dazu eine Analyse des Interferenzeffektes auf Basis der bestehenden Erkenntnisse. Mit dieser Grundlage wird der Versuchsaufbau gezielt variiert und die bestehende Signalauswertung an neue Anforderungen angepasst. Anhand von Vergleichsmesungen mit einem Autokollimationsfernrohr wird eine vorzuziehende Variante identifiziert und im Anschluss konstruktiv umgesetzt. Am modifizierten Versuchsaufbau wurde eine Auflösung von weniger als 0,001'' (5 nrad) bei einem Messbereich von bis zu 1000'' (5 mrad) erreicht. Unter Einsatz des konstruierten Sensors ist eine Verbesserung dieser Werte zur erwarten.

FEM-Berechnungen werden eingesetzt, um messtechnische Daten von industriellen Temperaturmessstellen zu ermitteln, die unter Einsatzbedingungen experimentell nicht bestimmt werden können. In der vorliegenden Arbeit wird die numerische Temperaturfeldberechnung von ersten Entwürfen neuer multifunktionaler Temperaturfühler betrachtet. Der neue Thermometer enthält einen Platin-Messwiderstand und ein Thermoelement. Die Anschlussdrähte und die anderen Bauteile für den Messeinsatz entsprechen der Bauart des Industrie-Thermometers. Der Vergleich der Ergebnisse, mit denen der messtechnischen Untersuchungen soll dabei helfen Aussage zu treffen die FEM Modelle zu verifizieren und dann die Thermometer zu optimieren. Schwerpunkt liegt hierbei auf der Optimierung der Geometrie in Bezug auf statisch-thermischer Messfehler als Funktion des Wärmeübergangskoeffizienten bzw. der Luftgeschwindigkeit. Die Wärmeableitungsfehler sollten so durch Modellrechnungen abgeschätzt werden. Diese Arbeit umfasst die numerischen Simulationen zur Untersuchung des statisch-thermischen Fehlers zwischen dem Platin-Messwiderstand und dem Thermoelement in einem aufgebaute CAD-Modell des multifunktionalen Temperaturfühlers unter experimentellen Bedingungen an dem Versuchskanal im Fachgebiet Prozessmess- und Sensortechnik der Technischen Universität Ilmenau. Die Luftströmung wurde erst mittels ANSYS FLUENT 19.1 simuliert. Dabei konnte die Ergebnisse aus CFD-Post Processing verwendet um die Wärmeübergangskoeffizienten auf der Thermometeroberfläche rechnen zu können. Die erhaltenen Ergebnisse werden im ANSYS STEADY STATE THERMAL eingestellt um das Temperaturfeld des multifunktionalen Temperaturfühlers zu simulieren. Es konnte festgestellt werden, dass der statisch thermische Messfehler zwischen dem Widerstandsthermometer und dem Thermoelement niedriger als der der experimentellen Untersuchung. Weitere Einflussfaktoren des statisch-thermischen Messfehler müssen auf das Modell untersucht werden.

Mit der schnellen Weiterentwicklung in allen Bereichen der Technologie und mit dem wachsenden Bedarf nach Automatisierung steigt auch die komplexität der elektrischen Systeme und integrierter Schaltungen wie durch das Moore'sche Gesetz beschrieben [1]. Der Bedarf nach fortschrittlichen digitalen signalverarbeitungssystemen (DSP) steigt entsprechend. Insbesondere für Echtzeit-Systeme besteht eine wachsende Nachfrage in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrttechnik sowie der Messtechnik. Diese Masterarbeit beschreibt die Entwicklung und Erprobung eines digitalen Signalverarbeitungssystems, das auf ein bestehendes Entwicklungskit für den Xilinx Zynq 7000 SoC basiert. Das System kombiniert die Vorteile der relativ günstigen Kosten im Vergleich zu anderen DSP-Systeme Prototypen, die Anpassung des DSP-Algorithmus mittels Simulink C-Coder und die Flexibilität während dem Aufbau der Hardwaer des DSP-Systems um metrologische Voraussetzungen zu erzielen. Das beschriebene DSP-System wird als SISO- und MIMO-System getestet.

Berührungsthermometer werden unter anderem in Umgebungen mit hohen thermischen Belastungen (bis über 1000 ˚C) und hohen Strömungsgeschwindigkeiten (bis 100 m/s) eingesetzt. Zur Messung von dynamischen und statischen Kennwerten hat die "Temperaturmesstechnik Geraberg" einen Prüfstand entwickelt, der entsprechende Strömungstemperaturen und -geschwindigkeiten erzeugen kann. Ziel dieser Masterarbeit ist es diesen Prüfstand umfassend messtechnisch zu untersuchen mit Fokus auf der Reproduzierbarkeit von Zeitprozentkennwerten und optimaler Reglerparameter. Hierbei werden in einem ersten Schritt Vorbetrachtungen aus thermodynamischer Sicht durchgeführt. Daran anschließend werden zu erfassende Messgrößen festgelegt und beschrieben wie diese messtechnisch erfasst wurden. Darauf aufbauend wird entschieden in welchem Rahmen die Parameter "Strömungssolltemperatur" und "Lüfterdrehzah"“ (die im Zusammenhang mit der Strömungsgeschwindigkeit steht) variiert werden, um einen geeigneten Versuchsraum abzudecken. Die durchgeführten Messungen umfassen hierbei die zeitliche Entwicklung der Kanalwandtemperaturen, die zeitliche Entwicklung und räumliche Verteilung der Strömungstemperatur und -geschwindigkeit im Bereich der Messöffnung und letztlich die Auswertung von Temperatursprüngen an zwei Probanden. Diese Auswertung ergab, dass die zu erwartenden Zeitprozentkennwerte mit einer Unsicherheit von etwa ± 10 % belegt sind.