Bachelor theses

Schon viele wissenschaftliche Arbeiten haben sich mit dem Thema der scheinbaren Masseänderung von Gewichtsstücken bei unterschiedlichen Temperaturen auseinander gesetzt. In allen Veröffentlichungen wurde das jeweilige Gewichtsstück um mehrere Kelvin erwärmt. Bei hochgenauen Massebestimmungen sind Temperaturgradienten von mehreren Kelvin jedoch nicht zu erwarten. Daher sollen Untersuchungen mit Temperaturunterschieden zwischen den Gewichtsstücken durchgeführt werden, welche durchaus im Messaufbau vorhanden sein können. Eine dieser Publikationen ist die von Michael Gläser mit dem Thema "Response of Apparent Mass to Thermal Gradients". Die in dem Artikel beschriebenen Experimente werden an der TU-lmenau mit Hilfe eines Massekomparators und mit 1kg Silizium-Kugeln und 1kg Stahl-Zylindern wiederholt durchgeführt. Der Unterschied zu allen bisher veröffentlichten Arbeiten ist der, dass die Gewichtsstücke auf Temperaturunterschiede von weniger als 1 Kelvin erwärmt werden. Durch eine geeignete Methode ist es möglich die Temperaturverläufe zu überwachen. Somit kann die scheinbare Masseänderung dieser Gewichte bei verschiedenen Luftdrücken in der Messkammer, im Bereich zwischen Normaldruck und Hochvakuum, untersucht werden. Ebenfalls wird der vorhandene Messaufbau zur Temperaturbestimmung optimiert, damit in später fortführenden Experimenten Messreihen zwischen zylindrischen und sphärischen Gewichtsstücken möglich sind. Dies geschieht vor dem Hintergrund der Neudefinition des Kilogramms. Über die Jahre wurde festgestellt, dass die Kilogramm-Prototypen in ihrer Masse immer weiter voneinander abweichen. Deshalb ist die Wissenschaft intensiv bemüht, eine neue Definition für das Kilogramm zu entwickeln, die auf eine Fundamentalkonstante zurück zu führen ist. Eine Variante ist es, dies über eine Silicium-Kugel zu realisieren. Sie besteht darin, es über die Avogadro-Konstante zu erforschen. Denn diese Konstante gibt an, wie viel Atome im Mol eines Stoffes vorhanden sind.

Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist die Optimierung der Zeitmessung bei der Analog/Digitalwandler-Schaltung einer Waage, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation arbeitet, unter Zuhilfenahme eines Universal Counters. Dabei soll insbesondere die Funktionsweise der Schaltung, die auf Basis des Zweirampenverfahrens besteht, analysiert und beschrieben werden. Bestandteil dieser Arbeit sind deshalb eine kurze Einleitung mit theoretischen Grundlagen über die A/D-Wandlung durch Rampenverfahren, der Aufbau der Elektronik sowie ihre Funktionsweise, die Ansteuerung der Messgeräte durch die Programmierumgebung MATLAB und die Aufnahme von Messwerten, gefolgt von ihrer Auswertung bzw. Interpretation. Das Augenmerk soll dabei auf die Optimierung der Zeitmessung innerhalb des Zweirampenverfahrens mit Hilfe des Universal Counters gelegt werden. - Die Elektronik der Wandlerschaltung besteht dabei hauptsächlich aus einem Integrator, einem Komparator und einem Mikrocontroller. Die Integration des Messstromes und Referenzstromes wird dabei vom Integrator übernommen und vom Mikrocontroller gesteuert. Der Komparator registriert die Null-Durchgänge und der Mikrocontroller besitzt schaltende und auswertende Funktion. Er generiert ein PWM-Signal, in dessen Duty Cycle die Information über die Zeitmessung und somit auch über die Masse des aufgelegten Körpers hinterlegt ist. Diesen Duty Cycle gilt es mit Hilfe des Counters zu messen, da dort das Optimierungspotenzial vermutet wird. Die Untersuchungen in dieser Arbeit ergeben jedoch, dass das PWM-Signal, welches die Information trägt, mit den Unsicherheiten des Mikrocontrollers behaftet ist. Somit ist es mit vorhandenen Mitteln nicht möglich, den Duty Cycle noch genauer zu messen, da in die Messungen diese Unsicherheit mit eingeht. Eine Optimierung der A/D-Wandlung konnte durch den reinen Einsatz des Universal Counters nicht erzielt werden.

Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen von Wärmebehandlungen auf Aluminiumwerkstoffe zu untersuchen. Dabei wurde sich besonders auf die Eignung dieser Werkstoffzustände für den Einsatz in der Wägetechnik konzentriert. Neben der bisher üblichen Legierung wurde dabei zum Vergleich auch eine Legierung untersucht, die für den Einsatz im Hochtemperaturbereich konzipiert wurde. Um die Änderungen der messtechnischen Eigenschaften deuten zu können, musste aus Voruntersuchungen der Gefügezustand bekannt sein. Dafür wurden Härtemessungen durchgeführt, um die Werkstoffzustände der Proben in das aus der Literatur bekannte Schema einordnen zu können. Daraus ließen sich dann Rückschlüsse auf das Gefüge ziehen. Für ausgewählte Zustände wurden dann die Proben mit unterschiedlichen Messaufbauten untersucht, um die Entstehung der beobachteten Veränderungen besser deuten zu können. Dabei wurde sich vor Allem auf wägetechnische Merkmale wie das Hysterese-, Einlauf- und Driftverhalten der Probekörper konzentriert. Aus diesen Untersuchungen konnten dann Empfehlungen für den geeignetsten Werkstoffzustand der Messfedern in Serienwaagen gefolgert werden. Außerdem ließen sich Schlussfolgerungen für die Grenzen der zulässigen Wärmeeinwirkungen auf das Material der Messfedern ziehen.

In dieser Arbeit soll eine Analyse der Temperaturverhältnisse exemplarisch an einer Feinwaage durchgeführt werden. Das Ziel der durchgeführten Untersuchungen ist die Verbesserung des Temperaturverhaltens der sich momentan in der Produktion befindlichen Feinwaage. Hierbei wurden insbesondere die Ecklasterscheinungen beim Warmlaufverhalten von Waagen nach dem Einschalten fokussiert. Ebenso wurden Einflüsse auf den Nullpunkt und die Empfindlichkeit bei Änderung der äußeren Temperaturbedingungen untersucht. Hierfür wurden im Rahmen der Arbeit zahlreiche Tests durchgeführt, um den Referenzzustand festzustellen und anschließend gezielte Modifikationen durchzuführen, um diese Zustände zu vergleichen. Somit konnte festgestellt werden, ob die theoretische Möglichkeit der Verbesserung auch in der Praxis eintritt. Um ein möglichst breites Spektrum an Mess- und Einflusswerten zu erreichen, wurden sowohl bereits eingestellte Waagentypen, als auch Geräte aus der aktuellen Produktion einbezogen. Zum Erreichen möglichst guter Ergebnisse, wurde versucht, die Erkenntnisse aus diesen Messungen zu bündeln. Die entsprechenden Untersuchungen wurden sowohl in den Räumen der Sartorius AG in Göttingen, als auch am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik an der TU Ilmenau durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Analysen bilden den Kerninhalt dieser Arbeit.

Angeregt durch die Firma "Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH", welche in mehrerlei Hinsicht an schnellen Temperaturfühlern interessiert ist, entstand in Kooperation mit der TU-Ilmenau diese Bachelorarbeit zum dynamischen Verhalten von Thermoelementen. Die Aufgabenstellung bestand darin, umfassende Untersuchungen an dünnen, Thermoelementen mit mineralisolierter Mantelleitung sowohl in Luft als auch in Wasser durchzuführen. Diese Untersuchungen hatten einerseits zum Ziel, Bauformen von Thermoelementen zu finden, welche eine verbesserte Dynamik aufweisen. Des Weiteren sollte auf Grundlage der gewonnen Erkenntnisse eine Modellierung der Sprungantworten erfolgen und die Parameter, welche die Dynamik beeinflussen sollten gewichtet werden. Den Hauptbestandteil der Untersuchungen bildeten die Messungen in Wasser am Versuchsaufbau der Firma "tmg". Diese Ergebnisse dienten als Grundlage zur Vorauswahl bestimmter Musterbauformen und einzelner Fühler für die Messungen in Luft. Die primären Ergebnisse zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens wurden in Form von Zeitkennwerten ausgedrückt. Zum Zweiten wurde mithilfe von Modellgleichungen die aufgenommene Sprungantwort nachvollzogen. Die daraus gewonnenen Zeitkonstanten und die bereits erwähnten Zeitkennwerte der Sprungantwort dienten als Diskussionsgrundlage zur Beurteilung des dynamischen Verhaltens der einzelnen Fühlerbauformen. Abschließend ist zu sagen, dass die Dynamik der einzelnen Elemente in Wasser von einer Reihe von Faktoren, wie z.B. dem Durchmesser des Elements oder der Wahl des IIsolationspulverses beeinflusst wird. In Luft hingegen ist der Durchmesser der jeweiligen Messspitze der allein entscheidende Parameter zur Beeinflussung des dynamischen Verhaltens. Weiterhin ist festzuhalten, dass der Verlauf der Sprungantwort in Luft mit nur einer Zeitkonstante (T1) beschrieben werden kann, wohingegen in Wasser zwei Zeitkonstanten (T1, T2) nötig sind. Aus diesen Ergebnissen kann geschlussfolgert werden, dass sich in Luft nur der äußere Wärmeübergang und die aufgenommene Wärmekapazität auf die Dynamik der Thermoelemente auswirken. In Wasser dagegen, bei gutem äußeren Wärmeübergang, auch die innere Wärmeleitung eine Rolle spielt, was sich in der zweiten Zeitkonstante ausdrückt.