Messtechnische Untersuchung eines neuartigen, interferometrischen Winkelsensors. - Ilmenau. - 40 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau wurde ein neuartiger interferenzoptischer, absolut messender Winkelsensor auf Basis von einem Kösters-Prisma entwickelt. Die Neigung und die Streifenbreite der Interferenzstreifen werden als Signal der Winkellage einer Spiegeloberfläche genutzt. Dieses Verfahren kann aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit eine hochauflösende Messung bei kleinen Winkelneigungen realisieren und es kann gleichzeitig im Vergleich zu ähnlichen absoluten Messverfahren, wie dem AKF, eine kompakte Bauform erreicht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein erster Prototyp auf seine messtechnischen Eigenschaften untersucht. Zunächst wurde das automatisierte Messprogramm mittels des in LabVIEW vorhandenen Algorithmus für die Signalauswertung erweitert. Zur Reduzierung der Messabweichung des Winkelsensors erfolgte eine Optimierung des Algorithmus. Anschließend wurden weitere experimentelle Untersuchungen zu bekannten Einflussfaktoren wie der Kamera und dem Spiegelabstand durchgeführt, die die Messgenauigkeit des Winkelsensors beeinflussen können. Abschließend wurden die Ergebnisse der Untersuchungen zusammengefasst.
Entwicklung einer mittels Micropython-Mikrocontroller selbstoptimierenden Peltier-Temperaturregelung. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Ziel dieser Masterarbeit war es, die Temperatur, die durch Peltier-Elemente erzeugt wird, selbstoptimierend zu regeln. Dies erfolgte durch die Entwicklung eines Regelalgorithmus, der in einen Micropython-Mikrocontroller implementiert wurde. Darüber hinaus lag der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Optimierung des Reglers, da diese eine Voraussetzung ist, um den realisierten Aufbau als Tauspiegelhygrometer oder ähnliche Geräte anzuwenden. Zur Optimierung der PID-Koeffizienten (Proportional-Integral-Derivative-Koeffizienten) werden die Sprungantwort des Systems und anschließend die Ziegler-Nichols-Methode als Schritte des PID-Optimierungsverfahrens in Anspruch genommen. Weiterhin wurde unter Verwendung der optimierten Koeffizienten am PID-Regler ein Probeversuch durchgeführt, um die Steinhart-Hart-Koeffizienten und die Kennlinie von NTC-Thermistoren (Negative-Temperature-Coefficient-Thermistoren) zu bestimmen und auszuwerten. Um die Genauigkeit des PID-Reglers selbstständig zu beweisen, wurde zunächst dreimal ein Versuch für drei Temperaturen durchgeführt, was zu einer Abweichung von weniger als 0,01˚C für diese Peltier-Temperaturregelung führte. Aus den Ergebnissen des Probeversuchs geht weiter hervor, dass die Messunsicherheit des kalibrierten NTC-Thermistors kleiner als 0,02˚C ist, was auch die Güte der Regelung beweist, mit deren Hilfe die Kalibrierwerte ermittelt wurden. Somit kann der Regler problemlos in vielen Projekten eingesetzt werden, bei denen vergleichbare Eigenschaften sowie ein optimales Führungsverhalten erforderlich sind. Schlagwörter: Peltier-Temperaturregelung; Micropython-Mikrocontroller; selbstoptimierend; Sprungantwort; Ziegler-Nichols-Methode; PID-Regler; Kalibrierung des NTC-Thermistors
Entwicklung einer kompakten Signalverarbeitungsgruppe zur Interferenzbildauswertung für einen CMOS Bildzeilensensor. - Ilmenau. - 56 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
In dieser Masterarbeit werden die Möglichkeiten der Signalauswertung von Interferenzbildern mithilfe einer gegebenen CMOS-Zeilenkamera untersucht. Das Hauptaugenmerk der Arbeit ist die nötige Programmentwicklung und Interfaceschaltung zu realisieren, um mit einem Pyboard V1.1 Mikrokontroller die Hamamatsu s9227 Zeilenkamera möglichst schnell betätigen zu können und das gemessene Videosignal über eine serielle Schnittstelle zum Rechner für weitere Analyse zu übertragen. Die Erfassung des Videosignals benötigt zeitkritische Funktionen wie zum Beispiel die Taktung, das Startsignal und die AD-Umwandlung, die im Assemblercode geschrieben werden sollen. Die Interfaceschaltung soll entwickelt werden, um diese zeitkritischen Funktionen zuverlässig durchzuführen, und die Signale möglichst rauscharm und mit hoher Auflösung zu erfassen. Das Ziel ist ein kompaktes Modul zu entwickeln, was fähig ist die einzelnen Pixelwerte mit einer Abtastrate von 1MHz zu lesen und in ein Zeilenbild von 512 Pixeln zu speichern. Messtechnische Untersuchungen der Prototypen und das Fertigprodukt sind erforderlich.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die erfolgreiche Umsetzung und vielfältige Nutzbarkeit der am IPMS der TU Ilmenau entwickelten Nanopositionier- und Nanomessmaschinen mit atomarer Auflösung und makroskopischem Arbeitsbereich (erste Generation: 25 x 25 x 5 mm^3, zweite Generation: 200 x 200 x 25 mm^3) motiviert die Entwicklung einer Variante mit einem nochmals erweiterten Arbeitsvolumen von bis zu 1000 x 1000 x 400 mm^3. Um die Erhöhung der bewegten Masse zu vermeiden und die Dynamik der Maschine zu bewahren, erfordert dies eine Umkehrung des kinematischen Prinzips mit einem beweglichen Messtaster und nach innen zeigenden Referenzspiegeln im Maschinenrahmen für die Definition des Maschinenkoordinatensystems. Zur Kalibrierung müssen die für die interferometrische Positionsbestimmung vorgesehenen drei Referenzspiegel (XY-, XZ- und YZ-Spiegel) bezüglich Ebenheit und rechtwinkliger Anordnung hochgenau vermessen werden. Im Rahmen dieser Masterarbeit werden verschiedene Methoden zur präzisen Messung der Abweichung der Spiege-lorthogonalität entwickelt und untersucht. Es werden Messungen mit einem visuellen und einem elektronischen Autokollimator, einem Fizeau-Interferometer sowie Pentaprismen, Doppelspiegeln und einem Keilprisma durchgeführt. Die erreichbare Genauigkeit der einzelnen Verfahren wird untersucht und verglichen. Es wird ein kamera- und softwaregestütztes Messverfahren mit einem visuellen Autokollimator für die winkelsekundengenaue Messung von ebenen Spiegelecken entwickelt.
Kalibrierstrahler für Wärmebildkameras. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Wärmebildkameras sind in der Lage eine räumlich aufgelöste berührungslose Strahlungstemperaturmessung sehr schnell ausführen. Aufgrund des unterschiedlichen Ansprechverhaltens auf eintreffende Strahlung sowie des Dunkelsignals sämtlicher Bildpunkte ist eine Kalibrierung mit erhöhtem Aufwand verbunden. Die Herausforderung besteht in der einheitlichen Kalibrierung der großen Pixelanzahl. Dazu kann eine homogene Heizfläche mit einer bekannten Strahldichte zur einheitlichen Bestrahlung verwendet werden. Diese Flächenstrahler genannten Geräte ermöglichen eine schnelle Kalibrierung, weisen allerdings auf ihrer Strahleroberfläche eine inhomogene Verteilung der Strahldichte auf. Daraus ergibt sich das Ziel der vorliegenden Arbeit ein alternatives Konzept für einen Flächenstrahler zur Kalibrierung von Thermografiekameras zu erarbeiten und zu realisieren. In der Umsetzung soll zum Ausgleich von Temperaturinhomogenität Wärme hochauflösend eingebracht werden, welche zur Verbesserung der Isothermie der Strahlerfläche beiträgt. Dazu werden unterschiedliche Konzepte zur Realisierung der Temperierung entwickelt und verglichen. Mithilfe von FEM-Simulationen können geeignete Teillösungen zur theoretischen Vorbetrachtung dieser Konzepte bewertet werden. Diese Erkenntnisse führen zur Auswahl eines Konzepts, das nachfolgend kon-struktiv umgesetzt wird. Mit der finalen Konzeption und Entwicklung des Aufbaus werden funktionsgerechte Materialien und Kaufteile ausgewählt. Diese werden anschließend zur Fertigung eines Prototyps genutzt, der für erste Validierungsmessungen mit einem geeigneten Messsystem in Betrieb genommen wird. Anhand der Versuchsergebnisse kann gezeigt werden, dass sich die vom Aufbau erstellten FEM-Simulationen für weitere Abschätzungen eignen. Zudem veranschaulichen die Ergebnisse, mit welchem zeitlichen Aufheizverhalten bei dem Prototyp zu rechnen ist. Parallel kann die durch den Projektor eingebrachte Heizleistung abgeschätzt werden. Aus diesen ersten Untersuchungen können Methoden zur Bewertung der Inhomogenität entwickelt werden. Weiterhin erfolgen erste Versuche hinsichtlich eines Ausgleichs der Inhomogenität mithilfe des Projektors. Dabei kann eine Reduzierung der Inhomogenität erzielt werden.
Beatfrequenz an He-Ne Lasern. - Ilmenau. - 35 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Beatfrequenz von He-Ne Laser bezieht sich die Frequenzdifferenz zwischen zwei benachbarte Moden. Wegen der Wärmausdehnung des Resonators ist die Resonatorlänge des He-Ne Laser einstellbar. In diese Arbeit wird ein Python-Programm für Temperaturmessung und Beatfrequenzmessung entwickelt. In den Messungen werden Oszilloskop, Frequenzzähler und Thermistor genutzt. Durch Suche nach dem Maximum oder Minimum der Beatfrequenz innerhalb eines Modendurchlaufs wird die Resonatorlänge für Arbeitspunkt des Lasers festgestellt. Die Messungen sind für 2 polarisiert Laser und 2 unpolarisiert Laser. Zum Schluss werden die Messergebnisse zusammengefasst.
Developing of a device for measuring the areal distribution of the forces in the contact zone of foot and underground for the use in leg protheses. - Ilmenau. - 110 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die vorgestellte Arbeit zeigt den Prozess der Konstruktion eines preiswerten, kostengünstigen Dreiachs-Kraftsensors. Weiterhin wird eine Integration der Sensoren in ein Array, zur Messung der Verteilung von Kräften auf der Fußsohle besprochen. Der Schwerpunkt soll dabei auf einer einfachen und günstigen Herstellung, sowie der Verwendung handelsüblicher Materialien liegen, da der Sensor in ein kostengünstiges Prothesenkonzept integriert werden soll. Ausgehend von den Erkenntnissen der Biomechanik und einigen grundlegenden Annahmen für die Nutzung des Sensors, werden verschiedene Anforderungen abgeleitet. Im Folgenden wird der Stand der Technik anhand einiger aktueller Forschungsarbeiten und Sensorprinzipien vorgestellt. Daraufhin werden geeignete Konzepte gesammelt, die zur Entwicklung des Sensors eingesetzt werden können. Anschließend werden die Konzepte anhand einer Vergleichstabelle verglichen, um das bestgeeignetste Konzept zu finden. Eine sehr überzeugende Variante, bei der Barometerchips in Silikon eingegossen werden, wird mit einem einfachen Prototyp getestet, um herauszufinden, ob es sich um einen guten Kandidaten für die weitere Entwicklung handelt, oder nicht. Die Versuche zeigen, dass der Prototyp in der Lage ist, Kräfte zu messen, jedoch zeigt sich eine große Anfälligkeit für Temperaturschwankungen. Das Konzept wird deshalb nicht weiter verfolgt. Die Konzepte werden neu bewertet und anschließend ein Neues ausgewählt. Daraufhin wird der Entwurfsprozess beschrieben. Das Funktionsprinzip und die Auslegung der Abmessungen werden erläutert. Anschließend wird eine Schaltung zum Arbeiten mit einer kapazitiven Messung, sowie eine Schaltung für eine resitive Messung entwickelt und ein Layout für eine Platine zur kapazitiven Kraftmessung vorgeschlagen. Zum Nachweis der Funktionalität wird das kapazitive System als Prototyp aufgebaut. Um das Messverhalten zu testen und seine Wiederholbarkeit nachzuweisen, wird ein Prüfstand entworfen. Zur Durchführung einer Referenzmessung werden handelsübliche Wägezellen verwendet. Der Ausgang des Sensors wird mit der Referenzmessung verglichen. Mit verschiedenen Prüfverfahren werden die Kurven bestimmt, die die Messwerte der Normal- und Querkraft zuordnen. Während des Tests werden verschiedene Leistungsaspekte wie Kriechverhalten oder Hysterese untersucht. Auch die Wiederholbarkeit wird mehrmals unter verschiedenen Belastungen gemessen, um zuverlässige Schätzungen der Genauigkeit der Messung vorzunehmen. Weiterhin wird ein resistiver Kraftsensor, der anstelle der kapazitiven Sensorelemente verwendet werden könnte, hinsichtlich seiner Kurve und Leistung getestet, um einen Vergleich der Vor- und Nachteile der Konstruktion des zukünftigen Sensors mit resistiven oder kapazitiven Sensorelementen zu erhalten. Mit beiden Konzepten kann eine gute Wiederholgenauigkeit mit nur wenigen Prozent Unsicherheit erreicht werden. Weiterhin werden Möglichkeiten zur Verbesserung der zukünftigen Version des Sensors auf Grundlage der gesammelten Erfahrungen beschrieben. Schließlich wird ein möglicher Weg zur Integration mehrerer Sensoren in eine Sensoranordnung vorgeschlagen. Das Design, sowie die mögliche Elektrik zur Erfassung der Daten werden diskutiert. Damit wird eine solide Grundlage für die Weiterentwicklung einer Sensoranordnung zur Messung der Kraftverteilung geschaffen.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die vorliegende Abschlussarbeit befasst sich mit der Untersuchung des dynamischen Temperaturverhaltens von Berührungsthermometern. Dieses wird mit Hilfe von numerischen Berechnungen für verschiedene Einsatzbedingungen abgeschätzt. Experimentelle Untersuchungen des Fachgebietes Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau, welche im Auftrag der Porsche AG durchgeführt wurden, dienen als Grundlage für den Vergleich des ermittelten Verhaltens aus den Finiten Elemente Simulationen. Der Wärmeübergang ergibt sich aus den Strömungsgeschwindigkeiten der Fluide Luft und Wasser und wird in den Simulationen nachgebildet. Dieser wird maßgeblich durch erzwungene Konvektion bestimmt. Für die numerischen Berechnungen werden ein Mantelthermoelement (MTE) mit Schutzrohr sowie ein Widerstandsthermometer betrachtet. Die Konstruktionsmodelle für die Simulationen werden für das MTE nach Norm und für das Widerstandsthermometer nach einer Röntgen-Analyse der konstruktiven Eigenschaften aufgebaut. Die ermittelten geometrischen Abmessungen dienen zusammen mit den Strömungsgeschwindigkeiten der Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten. Das MTE weist zwischen Mantelrohr und Schutzrohr einen konzentrischen Ringspalt auf. Die Strömung innerhalb des Ringspalts wird mit Strömungsfeldberechnungen (CFD) abgeschätzt. Es erfolgt eine Sensitivitätsanalyse der Berechnungsvorschriften für die Wärmeübergangskoeffizienten bei dem MTE sowie der konstruktiven Eigenschaften des Widerstandsthermometers. Die Ergebnisse werden im Vergleich zu den vorliegenden Messungen bewertet und entsprechende Abweichungen interpretiert. Die betrachteten numerischen Berechnungen liefern Näherungslösung mit denen es möglich ist, Aussagen über die dynamischen Kennwerte bei konstruktiven Änderungen bzw. bei modifizierter Werkstoffauswahl zu treffen. Aus den Versuchen und den numerischen Berechnungen werden abschließend die Zeitprozentkennwerte bestimmt. Diese sind ein Maß für die Dynamik des Temperaturausgleichs eines Temperaturfühlers. Anhand dieser werden mathematische Funktionen für das Widerstandsthermometer ermittelt, die das Verhalten der Zeitprozentkennwerte für praxisrelevante Wärmeübergangskoeffizienten angeben. Dies bietet die Möglichkeit Abschätzungen über die Zeitprozentkennwerte in verschiedenen Fluiden zu treffen.
Messung von Oberflächentemperaturen unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen. - Ilmenau. - 210 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die vorliegende Master-Thesis entstand in Kooperation mit der Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG und befasst sich mit der Oberflächentemperaturmessung an Fahrzeugreifen. Der Reifen nimmt in der Fahrzeugentwicklung als sicherheitsrelevantes Bauteil eine wichtige Stellung ein. Eine prozesssichere Messung der Oberflächentemperatur des Reifen im Testbetrieb ist deshalb von besonderem Interesse. Die Messung der Oberflächentemperatur erfolgte rückwirkungsfrei mit Hilfe von Strahlungsthermometern. Gleichzeitig unterliegt die Strahlungstemperaturmessung vielen Einflussgrößen. Zu diesen zählen unter anderem der Emissionsgrad des Messobjekts sowie die Umgebungstemperatur /-strahlung. Um die verschiedenen Einflussfaktoren unter bekannten Randbedingungen untersuchen zu können, wurde ein vorhandener Prüfstand der Porsche AG genutzt. An diesem wurden die grundlegenden Wärmetransportvorgänge (Wärmeleitung, Konvektion und Strahlungsaustausch) modelliert. Für die Prüfstandsmessungen wurden Reifenproben mit Thermoelementen (TE) bestückt und auf einen geeigneten Probenträger aufgebracht. Aus den gemessenen TE-Temperaturen und den zugehörigen Positionen der Thermoelemente in den Proben erfolgte die rechnerische Extrapolation der Oberflächentemperatur. Die Ergebnisse der Prüfstandsmessungen lieferten wichtige Zusammenhänge für die Messung der Oberflächentemperatur mittels Strahlungsthermometern. Verschiedene Betriebszustände, welche dem Zustand im Fahrversuch entsprechen, konnten erfolgreich nachgebildet werden. Durch den Vergleich von extrapolierter und gemessener Oberflächentemperatur ist die Beeinflussung durch störende Strahlungsquellen, im Rahmen der ermittelten Unsicherheit, nachgewiesen worden. Des Weiteren wurden die Abhängigkeiten vom Emissionsgrad und der Umgebungstemperatur näher charakterisiert. Ausgehend von den Prüfstandsuntersuchungen erfolgte die Implementierung der Messtechnik in ein Versuchsfahrzeug der Porsche AG. Der Versuchsaufbau ermöglichte es, die Reifentemperatur an der Oberfläche unter realen Bedingungen zu messen. Im Vordergrund stand dabei die Bewertung der Reifentemperatur in Abhängigkeit der Fahrzustände und dem kritischen Fall des maximalen Wärmeeintrags. Die im Fahrversuch gewonnenen Messdaten zeigten plausible Ergebnisse und bilden die Basis für weitere Untersuchungen.
Zerstörungsfreie Fertigungskontrolle komplexer Aluminiumfrästeile. - Ilmenau. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Der Einsatz von elektromagnetischen Waagen in der dynamischen Wägetechnik vereint die Forderung nach hohen Auflösungen bei guter Reproduzierbarkeit mit der nach möglichst geringen Messzeiten. Hierzu ist es notwendig, dass die Eigenschaften der Komponenten optimiert sind. Zur Beurteilung dieser Eigenschaften wird in Unternehmen die Fertigungskontrolle eingesetzt. Während des Herstellungsprozesses und der Verarbeitung können sich innerhalb des Wägesystems Restspannungen bilden. Diese Restspannungen haben zur Folge, dass sich die Empfindlichkeit der Waage reduziert und sich die Produktlebenszeit verringert. Innerhalb dieser Arbeit wird eine Methode zur zerstörungsfreien Fertigungskontrolle des Wägesystems vorgestellt. Dies kann somit vor der Montage durchgeführt werden und ermöglicht somit die Vermeidung der Montage von Schlechtteilen. Die Fertigungskontrolle gliedert sich in drei Schritte: Aufbau des Prüfstands, Erfassung der Signale sowie Signalverarbeitung und -auswertung. Ein geeigneter Aufbau des Prüfstandes wird unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren wie die Position der Anregung, die Klemmlage des Messobjekts, die Größe der Prüfkraft, die Position des Empfängers und die Temperaturänderung ermittelt. Als Verfahren wird ein akustisches Messverfahren ausgewählt. Die Methode wurde an mehreren Bauteilen getestet.