Masterarbeiten, Diplomarbeiten

Ziel der Arbeit war eine automatische Extraktion der Profilparameter aus den Messsignalen durch modellbasierte Verfahren. Die Grundlagen der optischen Messverfahren wurden in Kapitel 3 umfassend vorgestellt. Durch automatische inverse Bildsimulation kann die Messprobe sehr genau bestimmt werden. In dieser Arbeit wurden die Messungen mit einem Fokussensor durchgeführt. Das reale Messsignal besteht aus Millionen Messpunkten und die realen Messdaten sind für die Simulation nicht alle relevant. Ein Programm zur Extraktion der wichtigen Messdaten und Reduzierung der Messpunkte ohne Verfälschung der Messgeometrie wurde entwickelt. Um die Beugungseffekte besser zu verstehen und bei der Simulation gut zu behandeln, wurde das theoretische Modell vorgestellt. Das Simulationsprogramm wurde mit zwei Suchalgorithmen entwickelt, durch die die iterative Anpassung realisiert wird. Die vorhandenen Solver-Routinen, die Beugungseffekte berechnen, wurden bei der Simulation verwendet. Schließlich wurden einige Tests durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die Funktion implementiert wurde aber noch zu verbessern ist.

Nanomesstechnik wird in vielen Bereichen der modernen Industrie eingesetzt. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Messtechnik muss die Messgenauigkeit von Präzisionsbauteilen den Nanometerbereich erreichen. Viele Forschungsinstitute entwickeln hochpräzise Nano-Messmaschinen, die in der Lage sind, einen weiten Bereich zu messen. Die Nanopositionier- und Nanomessmaschine 200 (NPMM-200) ist eine 3D-Nano-Positionierungs- und Messmaschine, die vom Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der Technischen Universität Ilmenau entwickelt wurde. Um den NPMM-200 besser steuern und einstellen zu können, muss das Verhalten der Reibung zwischen dem Linearlager und der Führung bekannt sein. Die z-Plattform wird während der Bewegung um die x- und y-Achse ausgelenkt, wodurch sich die Reibung zwischen Lager und Führung ändert. Um die Reibung genauer vorhersagen und ausgleichen zu können, wird in dieser Masterarbeit das Multi-State-Dahl-Modell (MSD-Modell) als Basismodell verwendet und um den Winkel der Ablenkung erweitert. Das erweiterte Modell wird von Partikelschwarmoptimierung (PSO) und Global Search identifiziert. Schließlich werden die Ergebnisse der Identifizierung validiert und verglichen, um das Modell zu bestimmen, das die Reibung und den Winkel besser beschreiben kann.

Viele der physikalischen Eigenschaften von Materialien sind temperaturabhängig. Dies kann es erforderlich machen, die Temperatur in einem Prozess zu überwachen, um thermische Schädigungen, Bauteilversagen oder Prozessinstabilitäten zu vermeiden. Bei Temperaturmessungen müssen jedoch die thermischen Ausgleichsvorgänge abgewartet werden, bis die korrekte Temperatur angezeigt wird. Dieses dynamische Verhalten von Thermometern spiegelt sich in dynamischen Kennwerten wider. Die Forderung nach einer Echtzeitmessung steht jedoch im Widerspruch zu dem dynamischen Verhalten von Thermometern. Viele Messstellen bringen Anforderungen wie hohe chemische Resistenz und physikalische Stabilität mit sich. Zudem ist in manchen industriellen Bereichen ein Tausch des Thermometers bei laufendem Betrieb erforderlich. Ohne zum Beispiel den Kraftwerksbetrieb einstellen zu müssen, ist dies jedoch nur durch die Verwendung von Schutzrohren möglich. Deshalb wurde in dieser Arbeit eine mögliche modulare Modellbildung des Schutzrohr-Thermometer-Systems thematisiert. Dazu wurden je zwei Widerstandsthermometer unterschiedlicher Konfiguration mit je zwei Edelstahlschutzrohren der Durchmesser 9 mm und 11 mm hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens untersucht. Vorbereitend dazu wurden zunächst die Sprungantworten der Thermometer ohne Schutzrohre aufgenommen und Referenzwerte für die dynamischen Kennwerte erstellt. Darauf aufbauend fand mit Hilfe von MATLAB eine erste Modellbildung der Thermometer auf Grundlage der experimentell aufgenommenen Messdaten statt. Nachfolgend wurden die Widerstandsthermometer nochmals mit Schutzrohren im Luftkanal sowie Wasserbad bei festgelegten Strömungsgeschwindigkeiten vermessen. Anschließend erfolgten verschiedene Modellierungsansätze der verwendeten Schutzrohr-Thermometer-Kombinationen. Dabei überzeugte eine Modellansatz aus theoretischer und experimenteller Systemidentifikation.

In dieser Masterbeit wurde ein Prototyp für eine Waage auf Basis der magnetischen Levitation entwickelt und konstruiert. Die Funktionsfähigkeit des Prototypen als Waage wurde in Versuchsreihen untersucht und bewiesen. Die Levitationsbaugruppe, welche den Ausgangspunkt der Arbeit darstellt, wurde auf deren Aufbau und Funktionsweise hin analysiert. Auf der Basis der Funktionsweise und der theoretischen Grundlagen erfolgte eine Einschätzung zur analytischen Berechnung der Levitationsbaugruppe. Als Ergebnis wurde ein Modell festgelegt, im dem die Levitationsbaugruppe analog zu einem Federsystem betrachtet wird. In Vorversuchen wurden Versuchsreihen zur Ermittlung der Levitationshöhe in Abhängigkeit zur aufgebrachten Objektmasse durchgeführt. Das Ergebnis ist eine Masse-Weg-Kennlinie, welche den Messbereich der Levitationsbaugruppe bestimmt. Basierend auf der Analyse der Levitatorbaugruppe und den Vorversuchen wurde der Prototyp für die Waage auf Levitationsbasis entwickelt. Dabei wurden zu Beginn die Anforderungen an diesen erarbeitet. Nach einer Betrachtung der zur Verfügung stehenden Werkstoffe wurde Polyoxymethylen (POM) aufgrund dessen mechanischen Eigenschaften als Konstruktionswerkstoff ausgewählt. Der Prototyp besteht aus einer Grundplatte, drei Aufnehmern für die Levitatorbaugruppen und einer Messplattform, auf der Probekörper platziert werden können. Um die Höhe zu bestimmen in der die Messplattform levitiert, wurden Analog Distanzsensoren in den Prototypen eingebaut. Vier Distanzsensoren wurden in den Prototyp integriert. Mit Matlab wurde ein Skript entworfen, welches die Ansteuerung der Distanzsensoren und eine gleichzeitige Verarbeitung der ermittelten Signalspannung zur Ermittlung der Levitationshöhe ermöglicht. Nach Fertigstellung des Versuchsaufbaus wurden Änderungen an der Konstruktion vorgenommen. Der Verbindung von in der Schwebe befindlichen Magneten und der Messplattform wurden durch Hinzufügen einer Kugel-V-Nut Paarung zusätzliche Freiheitsgrade hinzugefügt. Dies führte zu einer deutlichen Verbesserung der Stabilität des Schwebezustandes. Der Zusammenhang zwischen der Masse von Probekörpern und der Schwebehöhe der Messplattform wurde durch Versuchsreihen untersucht. Als Ergebnis wurden Kennlinien ermittelt, die die Weg-Masse-Beziehung des Prototypen wiedergeben. Abgeleitet aus den Kennlinien wurden Gleichungen approximiert, mit denen durch die Schwebehöhe der Messplattform die Masse der zu messenden robekörper bestimmt werden kann. Es weiteres Matlab Skript wurde erstellt, welches eine Messung der Schwebehöhe sowie die Berechnung der Masse des Probekörpers realisiert. Der Prototyp hat einen Messbereich von 0g bis 1300g. Die Auflösung des Prototypen ist dabei abhängig vom gewählten Messbereich der Distanzsensoren. Ein limitierender Faktor für die Bestimmung der Masse ist die Größe der Bit-Auflösung des verwendeten Digitaloszilloskopes zur Auswertung der von den Sensoren gesendeten Signalspannung. In Untersuchungen zur Ecklastabhängigkeit konnte ermittelt werden, dass die Platzierung von Probekörpern außerhalb des Zentrums eine Veränderung der Winkellage der Plattform und eine Verringerung des Messbereiches der Waage zur Folge hat. In der Durchführung von Messreihen zur Bestimmung des Einflusses der Winkellage der Levitatorbaugruppen und des Hystereseeinflusses zeigte sich in beiden Fällen keine signifikante Veränderung des Kennlinienverlaufs. In Langzeitmessungen konnte kein Drift der Messwerte festgestellt werden.

Am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau wurde ein neues interferenzoptisches Verfahren zur absoluten Winkelmessung an einem einfachen Versuchsaufbau untersucht. Es basiert auf einem Kösters-Prisma und nutzt die Neigung von Interferenzstreifen als Signal für die Winkellage einer verspiegelten Oberäche. Die mit diesem Verfahren erzielten Ergebnisse zeigen, dass es - aufgrund seiner hohen Empndlichkeit - für die hochauösende Messung kleiner Winkel geeignet ist. Diese Masterarbeit beschreibt die Entwicklung eines kompakten interferenzoptischen Winkelsensors zur Weiterentwicklung des zugrundeliegenden Prinzips. Zunächst erfolgt dazu eine Analyse des Interferenzeffektes auf Basis der bestehenden Erkenntnisse. Mit dieser Grundlage wird der Versuchsaufbau gezielt variiert und die bestehende Signalauswertung an neue Anforderungen angepasst. Anhand von Vergleichsmesungen mit einem Autokollimationsfernrohr wird eine vorzuziehende Variante identiziert und im Anschluss konstruktiv umgesetzt. Am modizierten Versuchsaufbau wurde eine Auösung von weniger als 0,001'' (5 nrad) bei einem Messbereich von bis zu 1000'' (5 mrad) erreicht. Unter Einsatz des konstruierten Sensors ist eine Verbesserung dieser Werte zur erwarten.