Bachelorarbeiten

Beim Einsatz von elektrischen Widerstandsthermometern ist für den Anwender das zeitliche Ansprechverhalten auf Temperaturänderungen von besonderem Interesse. Die Dynamik ist dabei von konstruktiven Aspekten des Thermometers, der Einbaustelle und dem, vom Medium und der Strömungsgeschwindigkeit beeinflussten Wärmeübergang abhängig. Diese Arbeit stellt eine messtechnische Untersuchung verschiedener elektrischer Widerstandsthermometer im Hinblick auf die dynamischen Kenngrößen dar. Dabei wird unter anderem auch untersucht, ob die Art des Wärmeeintrags in das Thermometer einen Einfluss auf das dynamische Verhalten hat. Hierfür wird zum einen als äußerer Wärmeeintrag eine plötzliche Temperaturänderung des umgebenden Messmediums geprüft, zum anderen wird ein innerer Wärmeeintrag durch die Erhöhung (und Verringerung) des Messstroms realisiert und untersucht. Da die zugrundeliegenden Modelle und Modelgleichungen bereits bekannt sind, liegt das besondere Augenmerk auf der Anwendbarkeit dieser Modelle auf den vorhandenen Versuchsaufbau sowie auf dem Vergleich zwischen den beiden verschiedenen Arten des Wärmeeintrags in den Temperaturfühler. Die Daten der Messungen werden mit den berechneten Modellen verglichen und mögliche Erklärungen für die aufgetretenen Abweichungen genannt.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Aufbau eines Hardwaresimulators, der das dynamische Verhalten einer elektromagnetisch kraftkompensierten (EMK) Waage nachbildet. Hierfür werden bekannte Analogien zwischen mechanischen Feder-Masse-Dämpfer Systemen und elektrischen Schwingkreisen genutzt um einen elektrischen Schaltkreis aufzubauen, der als Hardwaresimulator fungiert. Dabei sollen möglichst passive Bauelemente verwendet werden, um störende Einflüsse, wie Rauschen, gering zu halten. Zuerst wird ein theoretisches Modell der Waage vorgestellt, um mit dessen Hilfe die Übertragungsfunktion der offenen Strecke abschätzen zu können. Die Parameter der Übertragungsfunktion werden mit Hilfe des Thiele-Small-Modells bestimmt. Für ein besseres Ergebnis wird der Frequenzgang der errechneten Übertragungsfunktion mit Messwerten einer realen EMK-Waage verglichen und die Parameter angepasst. Anschließend werden für die ausgewählte EMK-Waage passende elektrische Bauteile ausgewählt, um einen entsprechenden Hardwaresimulator für diese aufzubauen. In mehreren Messungen wird das Verhalten des Schaltkreises mit dem der EMK-Waage verglichen.

Metrologische Rasterkraftmikroskope (MAFMs), wie sie am National Physical Laboratory (NPL) entwickelt und verwendet werden, erfordern lange Messzeiten. Eine Möglichkeit, um die Zeit für eine Messung zu reduzieren, besteht in der Nutzung von adaptiven Abtastwegen, welche eine Alternative zu den konventionellen Rasterscans darstellen. Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung einer neuen Mess- und Steuersoftware in LabVIEW für die metrologischen Rasterkraftmikroskope von NPL. Die Software wurde auf Basis des Client-Server Modells entwickelt. Zur Erprobung der Software wurde ein einfaches Rasterkraftmikroskop aufgebaut. Dieses enthält einen Sensorkopf von NPL mit einem Faserinterferometer, durch das die Auslenkung des Cantilevers detektiert wird. Die entwickelte Software verwendet zur Erzeugung der Abtastwege die Gwyscan-Bibliothek. Diese beinhaltet neben den konventionellen Rasterscans zusätzlich nicht-äquidistante und Verbesserungsscans.

Im Automobilbereich nehmen die Anforderungen bezüglich Ausfallsicherheit, Effizienz und Realisierungskosten der elektrisch getriebenen Nebenaggregate stetig zu. Als beispielhaftes Anwendungsgebiet für bedarfsgesteuerte Nebenaggregate lässt sich die druckgeregelte Hydraulikpumpe zur Erzeugung notwendiger Drücke in automatisierten Schaltgetrieben herausgreifen. Hierbei besteht das Ziel, die Sensoren zur Erfassung der Systemdrücke mittels Beobachter zu ersetzen oder zu ergänzen. Somit lassen sich Kosten reduzieren oder die Ausfallsicherheit durch eine redundante Ausführung deutlich steigern. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur Verifikation eines vorhanden Druckbeobachters zur Schätzung hydraulischer Größen in Ölkreisläufen. Durch die Entwicklung eines Konzeptes für eine Testumgebung, bestehend aus Prüfstandselektronik und Hydraulikprüfstand, können geschätzte und gemessene Größen erfasst und für eine Bewertung des Algorithmus herangezogen werden. Anhand der gegebenen Aufgabenstellung werden zunächst die Anforderungen an beide Teilsysteme abgeleitet. Die umzusetzende Prüfstandselektronik dient zur Ansteuerung der hydraulischen Komponenten, der Messwerterfassung, der Aufbereitung und der Weitergabe an eine zentrale Datenverarbeitungseinheit. Begleitend zur Bauteilrecherche werden Schaltplan und Layout der Leiterkarte erstellt, die daraufhin aufgebaut und getestet wird. Für die Umsetzung des Hydraulikprüfstandes stehen zunächst die konstruktive Gestaltung des Gestells und die zugehörige Hydraulikanordnung im Vordergrund, wobei Bauteile an Hand von Dimensionierungsrichtlinien ausgewählt werden. Um den Funktionsnachweis ausgewählter Teilkomponenten zu erbringen, wird der Prüfstand aufgebaut und mit der Prüfstandselektronik in Betrieb genommen.

Beim Einsatz von elektrischen Berührungsthermometern ist für den Anwender das zeitliche Ansprechverhalten auf Temperaturveränderungen von besonderem Interesse. Die Dynamik ist neben konstruktiven Aspekten des Thermometers und der Einbaustelle vor allem auch vom örtlichen Wärmeübergang abhängig, welcher sehr stark durch die Parameter des Mediums während der experimentellen Bestimmung der dynamischen Eigenschaften beeinflusst wird. Die vorliegende Bachelorthesis beschäftigt sich mit der messtechnischen Untersuchung verschiedener, elektrischer Berührungsthermometer im einem Strömungskanal nach Lieneweg im Hinblick auf die Messunsicherheit bei der Bestimmung solcher dynamischen Kenngrößen durch Auswertung der Antwortfunktion bei der Durchführung eines Temperatursprungs. Dabei soll vor allem ein Überblick gegeben werden, wie sich variierende Prozess- (z. B. Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, Höhe des Temperatursprungs) aber auch Sensorparameter (z. B. Art, Bauform, Querschnittsfläche usw.) auf das dynamische Messverhalten von elektrischen Berührungsthermometern auswirken. Die zugrundeliegenden Vorgehensweisen, Modelle und Modellgleichungen sind bereits bekannt, weshalb an vielen Stellen auf eine genaue Herleitung verzichtet und stattdessen auf zugehörige Literatur verwiesen wird. Vielmehr geht es um die Anwendung der Erkenntnisse und Gesetzmäßigkeiten auf den existierenden Versuchsaufbau. Es werden, unter Veränderung der o.g. Parameter, verschiedenen Einsatzszenarien erzeugt. Im nächsten Schritt werden die Daten mehrerer Messungen gesammelt und anschließend in wissenschaftlicher Art und Weise analysiert. Das Ergebnis der Arbeit ist ein Messunsicherheitsbudget, welches die wesentlichsten statischen und dynamischen Fehlerquellen benennt, quantifiziert und damit eine statistisch verlässliche Aussage über die Genauigkeit bei der Bestimmung der dynamischen Kenngrößen, als auch die Fähigkeit und Robustheit des Versuchsaufbaus liefert.