Dissertationen

Die Lorentzkraft-Anemometrie wurde als neuartige Methode für die berührungslosen Geschwindigkeitsmessungen leitfähiger Strömungen entwickelt. Die induzierte Lorentzkraft ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Mit einem Kraftmesssystem kann die Reaktionskraft der induzierten Lorentzkraft, die auf das integrierte Magnetsystem wirkt, gemessen werden. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Die Eigenschaften der Geschwindigkeitsmessung hängen von den Eigenschaften des Kraftmesssystems ab. Bei Fluiden mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie z.B. Elektrolyten, liegt die erzeugte Lorentzkraft im Bereich von Mikronewton und darunter. Das Kraftmesssystem unterstützt eine Masse eines Magnetsystems von ca. 1 kg. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit ein Kraftmesssystem zu entwickeln, welches auf der einen Seite eine verbesserte Kraftauflösung in horizontaler Richtung für niedrigleitende Elektrolyte aufweist und auf der anderen Seite die Tragfähigkeit der Eigenlast von über 1 kg zur Unterstützung des integrierten Magnetsystems gewährleistet. In vorherigen Arbeiten wurde die Wägezelle nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK-Wägzelle) in aufgehängter Konfiguration mit dem 1 kg Magnetsystem zur Messung der Lorentzkraft verwendet. Basierend auf verschiedenen Experimenten in dieser vorgestellten Arbeit wird festgestellt, dass aufgrund des mechanischen Aufbaus sowohl Neigungsempfindlichkeit als auch Steifigkeit der EMK-Wägezelle stark von der genutzten Konfiguration und dem Gewicht der unterstützten Eigenlast abhängig sind. Um die durch diese Abhängigkeiten verursachten Einflüsse zu minimieren, wird ein Torsionskraftmesssystem basierend auf dem Prinzip der Torsionswaage entwickelt. Diese ist theoretisch neigungsunempfindlich und behält bei unterschiedlichen Eigenlasten eine konstante Steifigkeit bei. Die Auslenkungsmessungen werden verwendet, um die Ausgangsspannung des Torsionskraftmesssystems sowohl in Positionswerten als auch in Kraftwerten zu kalibrieren. Ein Closed-Loop-Betriebsmodus wird mithilfe eines PID-Reglers aufgebaut, mit dem die Grenzfrequenz von 0,002 Hz auf 0,1 Hz verbessert wird. Ein spezialangefertigter kapazitiver Aktor wird entwickelt, um eine rückführbare elektrostatische Kraft zu erzeugen, die anstelle der elektromagnetischen Kraft verwendet werden kann. Um die elektrostatische Kraft zu kalibrieren, werden drei Methoden genutzt: (a) durch Messung des Kapazitätsgradienten; (b) durch Vergleich mit einer elektromagnetischen Kraft und (c) durch Messung des induzierten Stroms in einem Velocity-Modus. Bei der Datenauswertung wird eine numerische Verarbeitung mit Newton-Polynominterpolation durchgeführt, um die thermischen und seismischen Störungen und Driften während der Messungen zu schätzen und zu korrigieren. Im Vergleich zu vorherigen Arbeiten, wo die Kraftauflösung auf 20 nN und die Eigenlast auf 3 kg begrenzt waren, ist das Torsionskraftmesssystem in der Lage, Kräfte bis zu 2 nN aufzulösen und eine Eigenlast bis zu 10 kg zu tragen. Schließlich wird die sogenannte Halb-Trocken-Kalibrierung am Torsionskraftmesssystem durchgeführt. Die Messempfindlichkeit wird für unterschiedliche Leitfähigkeiten ermittelt. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen, zeigt das Torsionskraftmesssystem das Potential, um Messungen mit weiter geringerer Leitfähigkeit bis hinunter zu 0.0064 S/m durchzuführen.

Fluglotsenarbeitsplätze in den Kontrollzentren der Flugsicherung verfügen über ein zentral angebrachtes Radardisplay. Die laterale Position der Luftfahrzeuge wird auf einer kartenähnlichen Luftlagedarstellung zweidimensional anzeigt. Die Flughöhe wird alphanumerisch auf einem zusätzlichen Beschriftungsfeld eingeblendet. Die Verknüpfung dieser Informationen zu einem fusionierten Verkehrsbild stellt hohe Anforderungen an die Fluglotsen. Es wird angenommen, dass eine integrierte, dreidimensionale Darstellung eine Unterstützung für bestimmte Aufgaben der Flugsicherung bietet. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Eignung stereoskopischer 3D Displays als zentrales Anzeigeelement von Fluglotsenarbeitsplätzen. Basierend auf einer Anforderungsanalyse sowie unter Einbezug relevanter Gestaltungsrichtlinien und -normen wurde ein prototypischer Arbeitsplatz entwickelt. Dieser wurde im Rahmen der Arbeit zur Durchführung zweier Studien verwendet, deren Zielsetzung die vergleichende Untersuchung von 2D- und 3D-Luftlagedarstellungen im Nutzungskontext ist. Im Zuge des ersten Versuchs wurde die Erkennung potentieller Kollisionsgefahren zwischen Luftfahrzeugen als relevante Aufgabe aus dem Spektrum der Flugsicherung herausgegriffen. Das Probandenkollektiv bestand dabei aus Fluglotsen, Piloten und Laien. In Ergänzung des standardisierten Versuchs wurde eine zusätzliche Simulator-Studie im realitätsnahen Umfeld mit aktiven Fluglotsen der Flugsicherung durchgeführt. Der Aufgabenumfang der Anflugkontrolle wurde dabei umfänglich abgebildet. Im Rahmen der Studien konnten bei den stereoskopischen Darstellungen u.a. verlängerte Antwortlatenzzeiten beobachtet werden. Hinsichtlich der Aufgabenerfüllung zeigen die Ergebnisse keine auffälligen Unterschiede zwischen den Anzeigen. Die zudem erhobenen Parameter zur Arbeitsbelastung, Gebrauchstauglichkeit sowie zum Situationsbewusstsein liefern ergänzende Hinweise zu den Eigenschaften stereoskopischer Darstellungen. Die im Zuge der Simulator-Studie mit Fluglotsen durchgeführten Leitfadeninterviews bieten umfangreiche Hinweise zur Gestaltung und Anwendung dreidimensionaler Luftlagedarstellungen im heutigen sowie zukünftigen Nutzungskontext. Die Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit leisten einen Beitrag zur Weiterentwicklung der Mensch-Maschine-Schnittstelle an Fluglotsenarbeitsplätzen.

Die geschaltete Reluktanzmaschine als elektro-magneto-mechanischer Energiewandler gehört zur Gruppe der Synchronmaschinen. Neben dem Verzicht auf Seltenerdmetalle und der Möglichkeit zur kostengünstigen Fertigung ist dieser Maschinentyp besonders robust und kann auch bei Überlast zuverlässig betrieben werden. Insbesondere bei hohen Drehzahlen kann die geschaltete Reluktanzmaschine vorteilhaft zur Anwendung kommen. Dem entgegen stehen eine inhärente Geräuschemission und die Notwendigkeit einer Information über die Lage des beweglichen bezüglich des feststehenden Teils. Vielfältige Forschungsarbeiten versuchen, die bisherige geringe Akzeptanz der geschalteten Reluktanzmaschine zu steigern. Dabei bezieht sich jedoch nur ein verhältnismäßig geringer Teil auf die Ansteuerung bei reduzierter Stromsensorik. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur mehrphasigen Stromregelung geschalteter Reluktanzmaschinen mit nur einem Sensor zur Erfassung der für den Betrieb benötigten Phasenströme. Hierzu wird insbesondere der Überlappungsbereich der Phasen in den Vordergrund gestellt und dessen Bedeutung für den Maschinenbetrieb herausgearbeitet. Zusätzlich werden Definitionen zur Unterscheidung der relevanten Vorgänge für die Darstellung der Problematik eingeführt. Es wird gezeigt, wie sich die Maschine mit verschiedenen leistungselektronischen Topologien bei einer modifizierten Anbindung der Freilaufdioden betreiben lässt. Die dazu notwendigen Verläufe der Steuersignale werden empirisch und parallel dazu über einen genetischen Algorithmus ermittelt. Beide Ansätze führen für den Spezialfall zweier gleichzeitig aktiver Phasen mit jeweils zwei Schaltern im Überlappungsbereich zu einer wechselseitigen Anordnung der Schaltflanken. Hierdurch wird die Funktion des genetischen Optimierungsalgorithmus deduktiv nachgewiesen und die Anwendbarkeit auf allgemeinere Konfigurationen in Aussicht gestellt. Mithilfe eines Demonstrators werden die Einflüsse auf die Strommessung ermittelt und die grundlegende Funktionsfähigkeit der entwickelten Methode in der geschlossenen Kette nachgewiesen.

Der Nanometerkomparator (NMK) ist ein nationales Normal der Bundesrepublik Deutschland zur metrologischen Weitergabe der Längeneinheit gemäß der Definition des Internationalen Einheitensystems. Er wird zur Kalibrierung von Strichmaßstäben, Photomasken und interferometrischen Messsystemen über eine Länge von bis zu 550 mm eingesetzt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Positionierungssystems für dieses Referenzsystem. Das Ziel ist eine Optimierung der Positionserfassung und eine präzisere Positionierung von Längenmaßverkörperungen im stationären und dynamischen Zustand. Bei der Konzeption des NMK wurde bereits auf die Einhaltung wesentlicher Designparadigmen im Präzisionsmaschinenbau geachtet, um minimale Messunsicherheiten zu erzielen. Um die Leistungsfähigkeit in dieser Hinsicht weiter zu erhöhen und somit steigenden Anforderungen zu entsprechen, wurden Antriebs-, Steuerungs- und Wegmesssystem weiterentwickelt und ihre Abstimmung optimiert. Das Fundament bildete die Entwicklung einer Auswerteelektronik für die interferometrischen Messsysteme am NMK, deren Auswerteverfahren an die Betriebsbedingungen am Nanometerkomparator angepasst wurde und ein Auflösungsvermögen im Sub-Pikometerbereich gewährleistete. Das bestehende Antriebssystem wurde durch einen Feintrieb ergänzt, um Störungen des Antriebssystems über eine feldkraftschlüssige Verbindung mit hoher Steifigkeit zu unterdrücken. Zur Bahnsteuerung der Achsbewegungen wurde ein dezentrales Steuerungssystem geschaffen, welches Rückkopplungsdaten von der Auswerteelektronik des im NMK integrierten Vakuum-Interferometers erhielt und mit einer Unterteilung von einem Pikometer verarbeitete. Die Lageregelung für die neu geschaffene Feintriebachse wurde mit einer iterativen Reglersynthese entworfen und führte zu einem zweistufigen Regelungskonzept. Untersuchungen des geschlossenen Regelkreises zeigen auf, dass niederfrequente Störungen in erheblichem Maße unterdrückt werden und die 127 kg schwere Vorschubmechanik mit Frequenzen von bis zu 145 Hz ausgeregelt wird. Anhand experimenteller Untersuchungen wurde ein signifikant verbessertes Positioniervermögen nachgewiesen, wobei Standardabweichungen im stationären und dynamischen Zustand von weniger als 0,3 nm erreichbar sind. Darüber hinaus wurde bei Vergleichsmessungen mit einem Encoder-System nachgewiesen, dass eine Wiederholbarkeit von 0,05 nm und eine Reproduzierbarkeit von 0,28 nm bei Anwendung eines ungetriggerten Aufnahmeverfahrens technisch umsetzbar sind. Es wird zudem gezeigt, dass sowohl die Anpassungen hinsichtlich der Positionserfassung als auch das neue Positionierungssystem zur Erzielung dieser Leistungsfähigkeit beitragen.

In dieser Arbeit wird eine Optimierungsmethodik vorgestellt, welche die Anpassung von Volumen-Transmissionshologrammen an die spektralen Eigenschaften und die Abstrahlcharakteristik von LEDs ermöglicht. Diese Methodik beinhaltet neben einem Designprozess zur Berechnung optimierter Hologramminformationen auch einen Simulationsansatz zur realitätsnahen Visualisierung des rekonstruierten Bildes. Sowohl bei der Berechnung als auch bei der Simulation werden LED-Parameter wie Wellenlänge, Divergenzwinkel und Wellenfrontform berücksichtigt. Die Beschreibung und experimentelle Ermittlung einer LED-spezifischen Wellenfront ist dabei eine besondere Herausforderung und wird in dieser Arbeit entsprechend diskutiert. Zur Überprüfung des Designprozesses und der Simulation werden die berechneten Hologramme in ein Photopolymer belichtet. Der dafür notwendige Belichtungsprozess wird im Rahmen der Arbeit im Labor umgesetzt und die Belichtungsparameter im Design und in der Simulation berücksichtigt. Durch die spezifisch aufeinander abgestimmten Schritte von Design über Belichtung bis zur Simulation entsteht eine ganzheitliche Methodik für die Optimierung und Überprüfung der Hologramme. In sechs experimentellen Testreihen werden nicht optimierte und optimierte Hologramme mit verschiedenen Lichtquellen beleuchtet und die Rekonstruktionen analysiert. Die Ergebnisse belegen die erfolgreiche Kompensation und Visualisierung der oben genannten Effekte durch LED-Beleuchtung bei der Rekonstruktion. Zudem werden Einflüsse auf die Rekonstruktion durch den Belichtungsprozess und das holographische Material aufgezeigt und mögliche Lösungen für eine Weißlicht-Rekonstruktion mit Transmissionshologrammen aufgezeigt.