Umsetzung und Validierung von Regelalgorithmen auf einem ARM-Prozessor zum Einsatz in der Wägetechnik. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
In dieser Masterarbeit wird der Entwicklungsprozess von einem stabil arbeitenden Regler für eine EMK-Waage auf dem Mikrocomputer Raspberry Pi 2 beschrieben. In der Arbeit wurden das ADC board "Linear Technology DC979A", und das DAC board "EVAL-AD5791SDZ" von Analog Devices benutzt. Das Programm ist in C-Sprache geschrieben. Auf dem Raspberi Pi 2 läuft ein Betriebssystem Raspbian Lite, dessen Kernel durch einen "real-time kernel" ersetzt wurde. Die Kommunikation zwischen Raspberry Pi, ADC und DAC wird durch das SPI-Protokoll realisiert. Für die Realisierung der Datenübertragung durch dieses Protokoll wird die Bibliothek BCM2835 benutzt. Die maximale Geschwindigkeit der Reglung, die ohne wesentliche zeitliche Zyklusinstabilität zu erreichen war, beträgt 4 kHz. Es wurden Vergleichtests des auf Raspberry Pi basierten Reglers, eines dSPACE-Systems und eines analogen Reglers durchgeführt. In diesen Tests zeigt der auf Raspberry Pi basierte Regler bessere Ergebnisse als das dSPACE-System, aber schlechtere als der analoge Regler. Der Regler erfordert eine Reihe von Verbesserungen, die in dieser Arbeit beschrieben sind.
Aufbau und Parametrierung eines Imaging-Spektrometers für die optische Auslesung von plasmonischen Hybridnanostrukturen für die Bioanalytik. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Gegenstand dieser Arbeit war der Aufbau eines Imaging-Spektrometers für das parallele optische Auslesen von plasmonischen Nanostrukturen. Ein Liquid Crystal Tunable Filter kam dabei als zentrales Element zum Einsatz. Weiterhin besteht das aufgebaute Abbildungssystem aus Lichtquelle, Kollimationssystem, Objektiv, Tubuslinse und CCD-Kamera. Zur Ansteuerung und Triggerung von Filter und Kamera wurde ein Programm geschrieben. 100nm große sphärische Goldnanopartikel wurden spektral vermessen und die akquirierten hyperspektralen Bilder verarbeitet. Die resultierenden Spektren wurden mit Daten aus Messungen derselben Nanopartikel mit einem kommerziell verfügbaren Gitter-basierten Spektrometer verglichen. Mit Hilfe eines Spotters wurden Arrays aus Goldnanopartikeln auf einen Chip aufgebracht und teilweise mit optischem Lack bedeckt. Die Änderung des Brechungsindexes durch den optischen Lack konnte detektiert werden.
Untersuchungen der Druckbelastbarkeit von Thermometerprozessanschlüssen in Abhängigkeit von der Einsatztemperatur. - 115 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Bei der Herstellung industrieller Produkte ist die Überwachung der Prozesstemperatur von großer Bedeutung. Typische Anwendungsfelder von Thermometern finden sich in chemischen Anlagen, Raffinerien, Kraftwerken sowie in der Lebensmittelproduktion. Thermometer für den industriellen Einsatz bestehen aus einem Anschlusskopf, einem Messeinsatz, einem Schutzrohr und einem Prozessanschluss. In dieser Masterarbeit werden speziell Prozessanschlüsse zum Einschrauben mit einem zylindrischen Gewinde betrachtet. Das Schutzrohr und der Prozessanschluss werden im Betrieb hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt. Dies führt zu hohen Materialbeanspruchungen an diesen beiden Bauteilen. Bisher kann der Festigkeitsnachweis für Thermometereinsätze nach DIN 43772 nur für die Schutzrohre, jedoch nicht für den Bereich des Gewindes, erfolgen. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der maximalen Druckbelastbarkeit von einschraubbaren Prozessanschlüssen in Abhängigkeit von Material und Einsatztemperatur. Dazu erfolgt die Erarbeitung eines theoretischen Berechnungsmodells. Die anhand der Berechnungsvorschrift ermittelten Werte werden anschließend durch praktische Versuche überprüft. Die Versuche wurden exemplarisch für zwei Gewindegrößen durchgeführt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass im Berechnungsmodell ein hoher Sicherheitsfaktor vorhanden ist. Die Arbeit gibt Vorschläge zur Verbesserung des Dichtsystems. Allgemein hat sich herausgestellt, dass schmale, hoch beanspruchte Dichtungen bessere Ergebnisse erzielen als breite, niedrig beanspruchte Dichtungen.
Entwicklung eines indirekten Messverfahrens zur Untersuchung des statisch-thermischen Messfehlers von Oberflächen-Thermoelementen. - 198 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Zur Ermittlung der Oberflächentemperaturen von Materialproben mittels Oberflächenthermoelementen wurde bei der Porsche AG ein Prüfstand entwickelt. Mit diesem soll sich zukünftig der statisch thermische Messfehler von Oberflächenthermoelementen in Verbindung mit den verschiedenen Anbindungsmöglichkeiten bestimmen lassen. Dazu wird eine Referenztemperatur benötigt. Eine Möglichkeit diese Referenztemperatur zu ermitteln ist eine Wärmestrommessung, die auf dem fourier'schen Wärmeleitungsgesetz basiert. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Einführung des Wärmestromverfahrens am vorhandenen Prüfstand. Dazu wird zunächst eine theoretische Recherche bezüglich der Umsetzbarkeit des Verfahrens durchgeführt. Im Anschluss erfolgt die Erarbeitung eines neuen Konzepts für den Probenträger inklusive der Proben und der Befestigung des Probenträgers. Die zur Fertigung und Montage notwendigen 3D Modelle, Baugruppen und Einzelteilzeichnungen werden durch ein CAD Programm erstellt. Den Abschluss dieser Arbeit bilden systematisch, messtechnische Untersuchungen, bei denen die Genauigkeit der Neuentwicklungen und des Wärmestromverfahrens festge-stellt werden sollen. Dazu werden Vergleiche mit einem Referenzverfahren durchgeführt, ausgewertet und dokumentiert.
Entwicklung eines Experimentalaufbaus zur Darstellung strahlungsphysikalischer Effekte in der Temperaturmessung. - 143 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die Temperaturmessung mit Strahlungsthermometern und Infrarotkameras zeichnet sich durch eine berührungslose Messung, beispielweise in technischen Prozessen bei rotierenden Teilen, bei Hochspannungsanlagen oder in der Energietechnik zur Aufdeckung von Wärmeverlusten an Gebäuden, aus. Die dazu notwendigen Kenntnisse über strahlungsphysikalische Vorgänge, wie Emission, Transmission und Reflexion, um z. B. Messabweichungen möglichst klein zu halten, werden in dieser Arbeit vermittelt. Zur Veranschaulichung der strahlungsphysikalischen Vorgänge wird ein Experimentalaufbau für Lehrveranstaltungen oder Publikumstage, wie die Lange Nacht der Technik in Ilmenau, entwickelt, konstruiert und erstellt. Der Experimentalaufbau orientiert sich an der Gebäudethermographie mit dem Ziel, praxisnahe Gegebenheiten, wie beispielsweise den Unterschied einer Hauswand mit und ohne Dämmung hinsichtlich der Oberflächentemperatur oder die Sichtbarmachung von verdeckten Strukturen, darzustellen. Zudem wird der Einfluss des Emissionsgrades auf die Strahlungstemperaturmessung in Abhängigkeit des Materials anschaulich erklärt und beschrieben. Dazu werden geeignete Materialien ausgewählt, für welche die zu erwartenden Temperaturen berechnet und simuliert werden. In diesem Zusammenhang erfolgt auch eine Unsicherheitsberechnung. Des Weiteren wird der Experimentalaufbau temperiert und dafür eine Temperaturregelung entworfen, sowie auf die Rahmenbedingungen ausgelegt. Zuletzt werden praktische Temperaturmessungen am Experimentalaufbau mit Strahlungs- und Berührungsthermometern durchgeführt und diese mit den theoretisch berechneten Temperaturen verglichen.
http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/856455040hartm.txt
Hochauflösende Kantenortsbestimmung von Mikrostrukturen mit optischen Sensoren. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2015
Eine exakte Kantendetektion bei der Messung mit optischen Oberflächensensoren ist nicht möglich. Die Lage der Kanten wird durch Beugungseffekte überlagert, wodurch die gemessene optische Kante nicht mit der realen Kante übereinstimmt. Zur Verbesserung der Lagedetektion von Kanten mit optischen Sensoren müssen die Beugungseffekte und das optische System modelliert werden. Durch einen Vergleich zwischen simulierten und gemessenen Daten kann die Kantendetektion verbessert werden. Dazu wird die vorhandene Simulation weiterentwickelt und im Hinblick auf eine automatische inverse Bildsimulation optimiert. Durchgeführte Parameterstudien erhöhen das Verständnis des Einflusses der Beugungserscheinungen auf die Messungen. Zur Untersuchung des Parameters der Stufenhöhe werden spezielle Messproben hergestellt, die über eine Gradientenschicht die Realisierung von Strukturen mit kontinuierlich ansteigender Stufenhöhe ermöglichen. Dazu wird eine galvanische Abscheidung in einer Hull-Zelle genutzt.
http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/846562596krosc.txt
Experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung der Orthogonalitätsabweichung einer Raumspiegelecke des NPMM-Demonstrators mit verschiedenen Messmethoden. - 91 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Die zunehmende Bedeutung der Mikro- und Nanotechnologie fördert die Nachfrage nach Messgeräten, die Messungen mit atomarer Auflösung an Messobjekten mit großem Messvolumen ermöglichen. Am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik (IPMS) der TU Ilmenau konnten im Bereich Nanopostionier- und Nanomessmaschinen (NPMM) bedeutende Forschungsergebnisse erzielt werden, aus denen u. a. der NPMMDemonstrator hervorgegangen ist. Die Orthogonalität des Koordinatensystems dieses NPMM-Demonstrators wird durch die Winkel zwischen den Spiegeln (XY-, XZ- und YZSpiegel) einer Raumspiegelecke bestimmt. Im Rahmen dieser Masterarbeit wird die Orthogonalität dieser Raumspiegelecke mit Hilfe mehrerer, am IPMS entwickelter, Verfahren gemessen. Als Bestandteile der Messaufbauten werden u.a. ein hochpräzises fotoelektrisches Autokollimationsfernrohr (Elcomat 3000), rechtwinklige Prismen, Strahlteiler, Pentaprismen und ein Pentaprismenstrahlteiler genutzt. Zur Minimierung der systematischen Fehler ist es erforderlich, ein Verfahren zur Kalibrierung von Pentaprismen in horizontaler und vertikaler Ausrichtung mittels eines Fizeau-Interferometers umzusetzen. Die Messergebnisse werden analysiert und zusätzlich MATLAB-Skripte entwickelt, um u. a. den Topographieeinfluss zu ermitteln und zu korrigieren. Des Weiteren werden Fehlerquellen der verwendeten Messverfahren aufgezeigt und deren Einfluss analysiert. Stichworte: NPMM-Demonstrator, Spiegelecke, Orthogonalität, Pentaprisma
Konstruktion und Untersuchung eines Drucksensors zur hochpräzisen Druckmessung mittels fotoelastischen Effekt. - 61 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
In dieser Arbeit wird die Nutzung des fotoelastischen Effektes an kleinen Laserkristallen zu Druckmessung thematisiert. Die dazu nötige Umwandlung des physikalischen Druckes in eine Kraft wird zu Beginn untersucht und darauf folgend zwei Lösungsansätze aufgezeigt. Die Umwandlung kann einerseits durch eine direkte Krafteinwirkung auf den Kristall realisiert werden, wobei diese Variante nur für relativ geringe Drücke geeignet ist. Anderseits bietet die Umsetzung durch ein zweistufiges Hebelsystem die Möglichkeit deutlich größere Drücke nutzen zu können. Die durch das Hebelsystem erzeugte Übersetzung ermöglicht die Messung von sehr hohen Drücken von bis zu p=200 bar. Beide Systeme sind für die Nutzung des Linos Mikrobank-Systems geeignet und können somit direkt in Kombination mit diversen vorhandenen optischen Bauteilen genutzt werden. Neben einigen grundlegenden Betrachtungen zu den verwendeten Nd:YAG-Laserkristallen wird insbesondere auf die Lagerung dieser und die Möglichkeiten der Krafteinleitung auf die Kristalle eingegangen. Durch eine theoretische Betrachtung werden die möglichen verkraftbaren Kräfte abgeschätzt und auf deren Basis wird eine konstruktive Lösung dargestellt. Da für die Umwandlung eines Druckes in eine Kraft eine Membran von Nöten ist, diese aber, im Gegensatz zu anderen Bauteilen des Aufbaus, nicht selber gefertigt werden kann, wurden mehrere Hersteller angefragt. Die Firma Beck GmbH Druckmesselemente hat eine kleine Membran im Angebot und einige Musterexemplare zur Verfügung gestellt, welche als Ausgangspunkt für die konstruktive Umsetzung dienen.
Optimierungen am Lastwechsler des 1 kg Prototypkomparators CCL 1007. - 122 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Zur Bewegungsübertragung und Positionierung eines gelagerten Drehtellers existieren verschiedene Antriebsprinzipien. Ziel dieser Arbeit ist es, ein alternatives Antriebskonzept zum bestehenden Wolframdrahtantrieb auszuwählen, zu dimensionieren, aufzubauen, in Betrieb zu nehmen und mit den gewonnenen Ergebnissen aus den Untersuchungen einen funktionierenden Positionsregler zu programmieren. Dieser soll den Drehteller auf 1 [my]m genau positionieren, ohne die Gewichte auf diesem zu bewegen. Zunächst wurden verschiedene, für den Lastwechsler des 1 kg Prototypkomparators CCL 1007 in Frage kommende, hochvakuumtaugliche Antriebskonzepte analysiert und ein umsetzbares System für Untersuchungen realisiert. Dabei wurden an dem Prototypkomparator konstruktive Veränderungen vorgenommen, um den alternativen Antrieb in Betrieb zu nehmen. Im nächsten Schritt wurden mit den eingesetzten Messgeräten und den verschiedenen Beladungszuständen des Drehtellers die Betriebsparameter des Antriebes bestimmt. Dabei wurden auch Untersuchungen durchgeführt, welche die Stabilität und Genauigkeit mit einem zukünftigen Regler überprüften und Einflüsse des Antriebes auf den Drehteller zeigten. Anschließend wurden verschiedene Arten von Positionsreglern betrachtet, von denen einer, unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus den Voruntersuchungen, in Hinblick auf die Positioniergenauigkeit und Positionierzeit programmiert und getestet wurde. Am Ende der Arbeit wurden weitere potenzielle Maßnahmen zur Verbesserung des Reglers und des Antriebes dokumentiert, welche im Rahmen dieser Master-Arbeit nicht mehr durchgeführt werden konnten.
Konzeption und Demonstration eines Mechanikkonzeptes einer alternativen Fahrerbremswunsch-Erfassung. - 95 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
In Folge der voranschreitenden Entwicklung von immer sparsameren und sichereren Fahrzeugen steigen auch die Anforderungen an zukünftige Bremssysteme. Für die Umsetzung "intelligenter" und leistungsfähiger Fahrzeugbremsen ist der Übergang auf trockene, elektromechanisch betätigte Bremssysteme unausweichlich. Die Grundlage hierfür bildet die sensorgestützte Erfassung des Fahrerbremswunsches, welche in aktuellen Bremsanlagen noch nicht auf die hydraulische Absicherung verzichten kann. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist es, ein neues Sensorkonzept herauszuarbeiten, welches die Möglichkeit bietet, den Bremswunsch ohne den Hydraulikkreislauf zu plausibilisieren. Hieraus ergibt sich die Forderung, dass sich das zu entwickelnde Konzept auf die Integration in die rein mechanischen Komponenten des Bremspedals beschränken muss. Ausgehend von der Ausarbeitung technologischer, wirtschaftlicher sowie sicherheitsrelevanter Anforderungen wurden zu dieser Problemstellung verschiedene Möglichkeiten zur Platzierung von entsprechenden Sensorelementen aufgezeigt und miteinander verglichen. Gleiches gilt für die Auswahl der optimalen Technologie. Für die praktische Untersuchung und zur Aufnahme erster Messergebnisse wurde, ausgehend von dem entwickelten Sensorkonzept, ein Demonstratorprüfstand aufgebaut. Die zur Anbindung bzw. Integration der Sensoren erforderlichen Bauteile wurden mit Hilfe von CAD-Software für die Prototypenfertigung ausgelegt und gestaltet. Zusätzlich zum Aufbau und der Erprobung des Demonstrators konnte auch ein erstes Konzept für eine seriennahe Lösung ausgearbeitet werden. In diesem Zusammenhang ergab sich die Entwicklung eines speziell auf den Anwendungsfall abgestimmten Sensorbausteins. Den Abschluss dieser Arbeit bildet die überschlagmäßige Aufstellung der für eine Großserienumsetzung zu erwartenden Herstellungskosten.