Untersuchung an Sensorquarzen für hochpräzise Messungen in der Thermometrie und Kraftmesstechnik. - 143 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
In der vorliegenden Masterarbeit wird ein piezoelektrischer Quarzresonator auf seine Möglichkeiten und Grenzen als hochauflösendes Thermometer untersucht. Von besonderem Interesse sind dessen erreichbare Auflösung und Messunsicherheit, auftretende Eigenerwärmungseffekte, sein dynamisches Verhalten, die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse, Kurz- und Langzeitstabilität sowie mögliche Hystereseeffekte. Ein Einblick in die Grundlagen der Quarzmesstechnik bildet die Basis für spätere Versuchsreihen. In Zuge dessen werden die physikalischen Eigenschaften piezoresonanter Quarzkristalle geschildert und das Verhalten von Schwingquarzen erklärt. Anschließend erfolgt die Konzeption, der Aufbau und die Inbetriebnahme eines Messaufbaus, der automatisiert Referenzmessungen an potentiell geeigneten Sensorquarzen ermöglicht. Im Rahmen zahlreicher Versuchsreihen werden die Beiträge der Messunsicherheiten identifiziert, bewertet und mithilfe eines Messunsicherheitsbudgets quantifiziert. Ein Ausblick auf zukünftigeWeiterentwicklungen und mögliche Lösungen zu aufgetretenen Schwierigkeiten bilden den Abschluss der Masterarbeit.
Konzeption und Installation einer Anlage zur Prüfung und Untersuchung von Temperaturfühlern in Heißgasumgebung. - 72 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Die Regelung und Überwachung technischer Verbrennungsprozesse erfordert die Verwendung von hoch-dynamischen und äußerst zuverlässigen Temperaturfühlern bei Einsatztemperaturen von ca. 1000˚C und Gasgeschwindigkeiten von über 100 m/s. Dabei sind Temperatursprünge mit Änderungsgeschwindigkeiten von bis zu 1000 K/s und örtliche Gradienten von ca. 500 K/mm anzutreffen. Zum Zwecke der (Weiter)-Entwicklung solcher Sensoren ist es notwendig, entsprechende Prototypen unter annähernd realen Bedingungen hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens und ihrer Zuverlässigkeit zu untersuchen. Im Rahmen dieser Master-Arbeit wurde eine Versuchsanlage konzipiert und realisiert, welche die genannten Bedingungen realisieren kann und somit die Lücke zwischen theoretischer Entwicklung und Anwendung in der Praxis schließt. - Um die oben genannten Bedingungen darstellen zu können, kommt ein Messaufbau mit vorgelagertem Brennersystem und einer sich anschließenden Prüfstrecke zum Einsatz. Die sehr hohen Temperaturen von über 1000˚C machen eine Kanalkonstruktion aus Inconel601 sowie eine erhebliche thermische Dämmung der Rohrkonstruktion notwendig. Die für die Belastungs- und Dynamiktests notwendigen Temperatursprünge werden mittels einer in das System integrierten Sprungvorrichtung realisiert. Hierzu werden zwei gegenüberliegend installierte Probanden mit Hilfe einer pneumatisch angetrieben Lineareinheit wechselnd in die Prüfstrecke eingeschossen. Der Versuchsablauf kann dabei manuell über eine Bedienungseinheit oder vollautomatisch von einem Laptop aus angesteuert werden. - Erste Testmessungen konnten nachweisen, dass die Kenndaten bezüglich der geforderten Bedingungen sowie die Charakteristika der installierten Sprungvorrichtung erfüllt wurden. Demzufolge ist die Anlage für die Durchführung von Belastungstests bereits hinreichend ausgestattet. Für Forschungszwecke oder exakte Untersuchungen zur Dynamik von Thermometer-Prototypen ist es naheliegend zunächst eine intensivierte Untersuchung hinsichtlich der Konstanz und Reproduzierbarkeit der generierten Bedingungen anzustrengen.
Messtechnische Untersuchung und numerische Berechnung des stationären Temperaturverhaltens von Abgas-Thermoelementen. - 90 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Die präzise Messung der Prozesstemperaturen spielt an Prüfständen zur Entwicklung von Abgasturboladern eine große Rolle. Im Rahmen der Masterarbeit, die in Kooperation mit einem Hersteller von Turboladern entstand, sollten bestimmte aufgetretene messtechnische Effekte sowohl durch gezielte experimentelle Untersuchungen als auch numerische Berechnungen erklärt und verbessert werden. Um den Einfluss von Kennlinienfehlern der verwendeten Thermoelemente Typ K auszuschließen, wurden diese sowohl vor dem Einsatz im Prüfstand als auch danach sowie nach mehreren Alterungszyklen kalibriert und die Kennlinie bestimmt. Im Vergleich dazu wurde auch die Kennlinie von Thermoelementen Typ N ermittelt. Im Ergebnis der Kalibrierungen zeigten die Thermoelemente Typ N die stabilere Kennlinie, eine Erklärung der messtechnischen Effekte auf Grundlage von Kennlinienfehlern konnte jedoch ausgeschlossen werden. Für die Durchführung der numerischen Berechnungen ist die Kenntnis der auftretenden Randbedingungen in der Rohrleitung (Strömungs- und Temperaturprofil, Kopplung des Thermometers an die Einbaustelle) von großer Bedeutung. Dazu wurden in Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Fahrzeugtechnik zunächst Strömungssimulationen durchgeführt. Die mit diesen Randbedingungen durchgeführten stationären Temperaturfeldberechnungen lieferten zunächst auch keine Erklärung für die messtechnischen Effekte. Deshalb wurde das Temperaturfeld im Prüfkanal mit einem Mehrfach-Thermoelement gemessen, es zeigte sich, dass größere Gradienten im Prüfkanal auftreten. Damit wurde bestätigt, dass nicht wie anfangs vermutet der statisch-thermische Messfehler Ursache für die aufgetretenen Effekte war, sondern wirklich die nicht ideale turbulente Strömung im Kanal. Mit den dadurch angepassten Randbedingungen wurde das numerische Modell so überarbeitet, dass die Experimente erklärt werden konnten und Vorschläge für die Verbesserung der Anordnung der Thermoelemente im Prüfkanal abgeleitet werden können.
Untersuchungen unterschiedlicher Konzepte zur elektromagnetischen Krafterzeugung mit kombinierter Positionserfassung. - 89 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
In der vorliegenden Masterarbeit werden verschiedene Prinzipien zur elektromagnetischen Krafterzeugung untersucht sowie deren Eignung für die Verwendung in der Kraftmesstechnik überprüft. Dazu wird zunächst eine Formel zur Berechnung der Kraftdichte im magnetischen Feld angegeben, aus der sich die Möglichkeiten zur elektromagnetischen Krafterzeugung ergeben. Die daraus resultierenden Gleichungen werden zur Berechnung verschiedener elektromagnetischer Aktoren angewendet. Für messtechnische Untersuchungen der Aktoren wird ein Messaufbau konstruiert. Die Messergebnisse werden mit den analytischen Berechnungen und numerisch bestimmten Werten verglichen. Des Weiteren werden die Grundlagen der Energieübertragung über induktiv gekoppelte Spulen dargelegt, um eine drahtlose Energieübertragung zur Versorgung der zuvor analysierten Antriebe zu realisieren. Dazu wird die Anwendbarkeit eines Systems nach dem QI-Standard untersucht, mit dem eine drahtlose Energieversorgung der Aktorspulen in Waagen mit elektromagnetischer Kraftkompensation möglich ist. Außerdem wird die Anwendbarkeit von in die Aktoren integrierter Sensorik in EMK-Waagen untersucht, um eine Genauigkeitssteigerung der Positionsmessung zu erreichen. Hierzu werden zunächst die Grundlagen dargestellt, woraus sich die analytischen Berechnungen ergeben, die mit den numerisch ermittelten Werten und den Messergebnissen verglichen werden.
Aufbau und Erprobung eines Demonstrators zur Validierung der Modellierung thermischer Systeme. - 52 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau eines Demonstrators zur Validierung von den Simulationsergebnissen eines thermischen Modells. Dieses Modell ist eine starke Vereinfachung der Realität. In diesem existiert ein eindimensionaler, homogener Stab, beliebiger Länger und Durchmesser, der an jeder Stelle perfekt thermisch isoliert ist. Das bedeutet, dass kein Wärmeaustausch mit der Umgebung durch Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlung möglich ist. Lediglich der Wärmeaustausch längst des Stabes ist möglich. Außerdem ist an der Stirnseite des Stabes ein idealer Wärmeeintrag möglich, so dass beliebige Temperaturen in beliebig kurzer Zeit vorgegeben werden können. Auch das ist eine starke Vereinfachung der Realität, da hierzu sehr hohe Leistungen nötig wären, wie durch Anwendung des Fourierschen Gesetz erkennbar wird. Weiterhin wird der Stab in sieben Elementen diskretisiert. Jedes der Elemente besitzt eine bestimmte Temperatur und jeweils zwei Kopplungen zu den benachbarten Teilen durch Wärmeleitung. Das Modell hat den Zweck zu untersuchen, wie sich die Temperatur an der Stirnseite zeitlich ändern muss, damit zu einem bestimmten Zeitpunkt in dem gesamten Stab ein vorgegebenes Temperaturprofil vorhanden ist. Der aufgebaute Demonstrator soll das Modell in der Praxis darstellen. Dazu wurde das thermische System in der Praxis aufgebaut. Weiterhin wurde eine Möglichkeit geschaffen, die Temperatur an der Stabstirnseite durch einen Leistungseintrag vorzugeben sowie alle nötigen Temperaturen der Stabelemente zu messen. Der berechnete Leistungseintrag, der zum Erreichen eines Temperaturprofils über den gesamten Stab nötig ist, wurde durch den Demonstrator unter verschiedenen Bedingungen realisiert. Die gemessenen Werte wurden mit den theoretisch ermittelten Werten verglichen. Diese Arbeit hat zum Ziel, das beschriebene Modell bestmöglich in die Realität zu übertragen und es anhand der tatsächlich gemessenen Werte zu überprüfen. Die Simulation des thermischen Modells durch FEM, die Konstruktion des Demonstrators sowie die Messung an diesem, sind somit ebenfalls Teil dieser Masterarbeit und werden ausführlich im Kapitel Grundlagen beschrieben. Der Aufbau und die Ansteuerung des thermischen Systems wurden mit Hilfe des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik an der Technischen Universität Ilmenau realisiert.
Konzeption und Aufbau einer Prüfanlage für Plattform- und Achslastwaagen im Modellmaßstab. - 57 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Diese Abschlussarbeit behandelt die Konzeption und praktische Umsetzung einer Anlage zur Demonstration der Plattform- und Achslastwägung im Modellmaßstab. Zu diesem Zweck wird ein Grundaufbau konstruiert, gefertigt und montiert. Für die Messung der Gewichtskraft werden Dehnmessstreifen-Wägezellen (DMS-Wägezellen) der Firma Sartorius Weighing Technology GmbH (Sartorius) verbaut und durch eine National Instruments (NI) ENET-9237 Box ausgewertet. Als selbstangetriebene Fahrzeuge werden Modellautos der Marke Carrera® verwendet, sie werden digital über einen Mikrocontroller gesteuert. Die Position der Autos wird dabei von Lichtschranken ermittelt, welche aus einer Infrarot-Led (IR-LED) im Fahrzeug und in die Fahrbahn eingelassenen Fototransistoren bestehen. Die Auswertung der Signale dieser Sensoren wird ebenfalls durch den Mikrocontroller durchgeführt. Damit der Mikrocontroller seine Aufgaben erfüllen kann, wurde ein kontinuierlich ablaufendes Programm erzeugt. Sowohl die NI Box als auch der Mikrocontroller kommunizieren mit einem Computer. Für die Auswertung der Schnittstellen wurde eine graphische Nutzeroberfläche programmiert, welche die Steuerung der Fahrzeuge und die Auswertung, Darstellung und Speicherung der von den Wägezellen eingelesenen Messdaten ermöglicht. Abschließend wurden Qualität und Konsistenz der Messergebnisse durch Testmessungen an beiden verbauten Waagen, bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten, überprüft. Hierbei wurden die Unsicherheiten der Messergebnisse von Wägewert und Geschwindigkeit ermittelt.
Konzeption und Aufbau eines Präzisionshygrostaten nach dem Adsorptionsverfahren. - 66 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Bei der Herstellung von Klimasensoren müssen diese abschließend kalibriert werden, um die Verlässlichkeit der späteren Messwerte zu prüfen und gegebenenfalls Kennlinienfehler zu korrigieren. Dafür müssen Gerätschaften vorhanden sein, die in der Lage sind ein vorgebenes Klima bezüglich Temperatur, Druck und Luftfeuchte einzustellen. Für die Feuchte werden dazu in der Regel Klimaschränke eingesetzt, die die Luft mittels Verdampfer befeuchten. Für höhere Genauigkeitsanforderungen werden diese durch Zwei-Druck-Feuchte-Generatoren ersetzt. Diese stellen zwar auch das nationale Normal für die Gasfeuchte dar [PTB12], sind jedoch relativ teuer und groß gegenüber ihrem Nutzvolumen. Daher soll in dieser Arbeit ein Hygrostat aufgebaut werden, welcher die Luftfeuchtigkeit mit Hilfe der Sorption von Wasser an Silica-Gel konditioniert. Mittels eines Peltierelementes wird die Temperatur des Silica-Gels verändert und so das Gleichgewicht zwischen sorbiertem Wasser und der Luftfeuchte verschoben. Diese Vorgänge finden in einer von der Umgebung abgeschlossenen Kammer statt, um Störungen durch die Umgebungsluftfeuchte zu minimieren. Zur Konzeption des Hygrostaten wurde der Einfluss verschiedener Parameter auf die erreichbare Luftfeuchte berechnet und diese Ergebnisse durch experimentelle Untersuchungen überprüft. Dafür wurden entsprechende Schaltungen aufgebaut, um die Messwerte der digitalen Sensoren abzufragen oder damit der Strom des Peltierelementes umgepolt werden kann. Somit war es möglich das Peltierelement sowohl zum Heizen, als auch zum Kühlen einzusetzen. Mit diesem Aufbau war es möglich die Taupunkttemperatur der Kammerluft in einem Bereich von -20 ˚C bis 25 ˚C einzustellen. Durch den Einsatz von unstetigen Reglern war es zudem möglich die Taupunkttemperatur in fast dem gesamten Bereich auf ±100mK um den Sollwert zu stabilisieren.
Untersuchungen zur Optimierung des Prüfprozesses der Volumenabgabe an Kraftstoffzapfsäulen. - 112 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2012
Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen zur Optimierung der eingesetzten Messtechnik zur Bestimmung von abgegebenen Kraftstoffmengen an Tankstellen. Es wurde eine theoretisch optimale, volumetrische Prüfvorrichtung ermittelt und vorhandene Prüfvorrichtungen in Teilaspekten, wie beispielsweise der nötigen Rüstzeit, mit der optimalen verglichen. Dabei wurden, anhand gegebener Bedingungen, parametrisierte Modelle von zwei repräsentativen Prüfvorrichtungsvarianten aufgestellt, die einen objektiven Vergleich der nötigen Rüstzeiten erlauben. Die Prüfvorrichtung mit mehreren Zwischentanks hat sich als vorteilhafter herausgestellt. Um die nötigen Prozesse und Abläufe einer Eichung mit den beiden repräsentativen Prüfvorrichtungsvarianten besser darzustellen, wurden Prozessablaufpläne erstellt, die den gesamten Messvorgang wiedergeben. Anwendungsorientierte Untersuchungen hinsichtlich Schaumbildung und Abtropfverhalten wurden durchgeführt. Dabei wurde eine Möglichkeit zur Abschätzung der nötigen Rüstzeit bei Schaumbildung gefunden. Auch aufgrund der zusätzlichen Beimischung regenerativer Biokraftstoffe wurde vorgeschlagen, die Vorgehensweise zur Bestimmung der Messunsicherheit für Diesel anzupassen. Alternativ kann die Abtropfzeit bei Diesel erhöht werden. Begründete Zusammenhänge legen die Vermutung nahe, dass die Abtropfzeit bei Diesel zu gering ist und angepasst werden muss. Weitere Messungen können diese Vermutung beweisen. Diese beiden Alternativen berücksichtigen die besonderen Eigenschaften des Diesels besser und ermöglichen eine Anpassung an die geänderten Gegebenheiten der Kraftstoffgemische. Bei der Untersuchung alternativer Messprinzipien zur Volumenermittlung wurde die Durchflussmesstechnik jedoch bedingt ausgeschlossen. Die Verwendung des gravimetrischen Messprinzips kann empfohlen werden, falls ein geeigneteres Dichtemessgerät benutzt werden kann. Die Kombination eines separaten Dichtemessgerätes und der GraVol ist ein Ansatz zur Verwendung eines alternativen Messprinzips. Ein weiteres alternatives Messprinzip ist die Verwendung einer automatisierten, volumetrischen Prüfvorrichtung. Diese Prüfvorrichtung wurde in Grundzügen beschrieben und mögliche Einflüsse erfasst, jedoch ohne eine diese zu quantifizieren. Alle beschriebenen alternativen Messprinzipien haben die Gemeinsamkeit, dass sie durch die Automatisierung den Gesamtprozess einer Eichung hinsichtlich seines Auf-wandes optimieren, die Manipulationssicherheit erhöhen und eine größere Flexibilität aufweisen. Weiterhin werden kaum oder nicht beherrschbare Probleme wie Schaumbildung und Abtropfverhalten teilweise oder ganz umgangen. Um die Eignung der alternativen Prüfvorrichtungen zu belegen sind Praxistests mit vorhandenen oder noch zu entwickelnden Prototypen durchzuführen.
Untersuchungen zu geeigneten Sensoriken für selbstvalidierende Thermometer. - 137 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Im Bereich der Temperaturmessung ist, insbesondere für Anwendungen in der Prozessindustrie, der Ansatz einer Selbstvalidierungsfunktion für Thermometer von großem Interesse. Selbstvalidierung bedeutet hier, dass während des Betriebes erkannt werden kann, ob sich die Kennlinie des Temperatursensors verändert hat und somit eine Rekalibrierung notwendig ist (In-situ-Validierung). Die Firma Endress+Hauser Wetzer GmbH & Co. KG in Nesselwang betreibt auf diesem Gebiet Entwicklungsprojekte, in deren Rahmen diese Arbeit entstanden ist. Inhalt der Arbeit sind Untersuchungen zu alterungsbedingter Drift verschiedener Sensoren unter Laborbedingungen. Ziel war hierbei die Empfehlung einer oder mehrerer sinnvoller Paarungen von Sensorelementen, um eine Kennliniendrift eines der Sensorelemente während des Betriebes zuverlässig erkennen zu können. Es wurden Pt100-Sensoren und Ni100-Sensoren, jeweils in verschiedenen Konfigurationen, zu Thermometern aufgebaut und getrennt im Temperaturbereich bis 500 ˚C schrittweise mittels unterschiedlicher Verfahrensweisen gealtert. Durch diese Differenzierung war eine Unterscheidung der Kennliniendrift sowohl hinsichtlich der Verfahren, als auch der jeweiligen Konfiguration möglich. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Konfiguration, als auch die Verfahrensweise zur Alterung einen Einfluss auf die Drift der Kennlinien haben. Weiterhin zeigt sich, dass die Temperaturkoeffizienten der Kennlinien kaum von der Drift betroffen sind. Eine Empfehlung von sinnvollen Paarungen ist auf Grund der gewonnenen Daten nicht möglich, allerdings zeigen die Ergebnisse Ansatzpunkte für weitere Untersuchungen.
Analyse der Temperaturabhängigkeit des dynamischen und mechanisch-thermischen Verhaltens kleiner Temperaturfühler. - 81 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2011
Das Ziel der Diplomarbeit bestand darin, mit Hilfe numerischer Berechnungen für ein spezielles Thermoelement die Abhängigkeit des dynamischen sowie des mechanisch-thermischen Verhaltens von der Temperaturabhängigkeit der Materialdaten und verschiedenen Randbedingungen zu untersuchen. Dieses Thermoelement soll für den Einsatz in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen optimiert werden. - Die Ergebnisse der numerischen Berechnungen sollen an Versuchseinrichtungen experimentell verifiziert werden. In der vorliegenden Arbeit fanden diese experimentellen Untersuchungen mit Hilfe der Aufnahme von Sprungantworten des Thermoelements in einen Wasserthermostaten statt. Die numerischen und experimentellen Ergebnisse für diesen Anwendungsfall zeigten eine gute Übereinstimmung. - Für verschiedene, theoretisch angenommene Wärmeübergangskoeffizienten eines Fahrzeug - Abgaskanals wurden die Einflüsse von temperaturabhängigen Materialdaten und der Sprungrichtung (Erwärmung und Abkühlung) auf das dynamische Verhalten des Thermoelementfühlers bestimmt. Die Ergebnisse sind in Diagrammen dargestellt und ausgewertet. Es wurde gezeigt, dass sich die Sprungantworten bei der Erwärmung und Abkühlung unterscheiden. - Zum Schluss wurde die Auswirkung der Temperaturgradienten auf das mechanisch-thermische Verhalten des Thermoelementfühlers ermittelt.