Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
In dieser Masterarbeit wird die Entwicklung von Drehgelenken aus Silizium für die Präzisionsmesstechnik beschrieben. Die Konzeption von Si-Gelenken wird mittels einer analytischen Berechnung sowie einer FEM-Simulation unterstützt und anschließend im Reinraumlabor an der TU Ilmenau in drei verschiedenen Versionen prozessiert, um die theoretischen Untersuchungsergebnisse mit praktischen Auswertungen evaluieren zu können. Das Ziel der Arbeit ist die Herstellung von funktionstüchtigen Drehgelenken, die die Einkörpergelenke einer EMK-Waage ersetzen und somit zu einer höheren Auflösung des Messsystems beitragen können. Integrationsmöglichkeiten zum Einsetzen der Gelenke in den Rahmen des Systems werden in dieser Arbeit theoretisch veranschaulicht. Die Dokumentation der Prozessablaufpläne und die Erkenntnisse aus den Prozessierungen ermöglichen eine Reproduzierbarkeit der Gelenkversionen.
Messtechnische Untersuchung und numerische Modellierung multifunktionaler Temperaturfühler. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
FEM-Berechnungen werden eingesetzt, um messtechnische Daten von industriellen Temperaturmessstellen zu ermitteln, die unter Einsatzbedingungen experimentell nicht bestimmt werden können. In der vorliegenden Arbeit wird die numerische Temperaturfeldberechnung von ersten Entwürfen neuer multifunktionaler Temperaturfühler betrachtet. Der neue Thermometer enthält einen Platin-Messwiderstand und ein Thermoelement. Die Anschlussdrähte und die anderen Bauteile für den Messeinsatz entsprechen der Bauart des Industrie-Thermometers. Der Vergleich der Ergebnisse, mit denen der messtechnischen Untersuchungen soll dabei helfen Aussage zu treffen die FEM Modelle zu verifizieren und dann die Thermometer zu optimieren. Schwerpunkt liegt hierbei auf der Optimierung der Geometrie in Bezug auf statisch-thermischer Messfehler als Funktion des Wärmeübergangskoeffizienten bzw. der Luftgeschwindigkeit. Die Wärmeableitungsfehler sollten so durch Modellrechnungen abgeschätzt werden. Diese Arbeit umfasst die numerischen Simulationen zur Untersuchung des statisch-thermischen Fehlers zwischen dem Platin-Messwiderstand und dem Thermoelement in einem aufgebaute CAD-Modell des multifunktionalen Temperaturfühlers unter experimentellen Bedingungen an dem Versuchskanal im Fachgebiet Prozessmess- und Sensortechnik der Technischen Universität Ilmenau. Die Luftströmung wurde erst mittels ANSYS FLUENT 19.1 simuliert. Dabei konnte die Ergebnisse aus CFD-Post Processing verwendet um die Wärmeübergangskoeffizienten auf der Thermometeroberfläche rechnen zu können. Die erhaltenen Ergebnisse werden im ANSYS STEADY STATE THERMAL eingestellt um das Temperaturfeld des multifunktionalen Temperaturfühlers zu simulieren. Es konnte festgestellt werden, dass der statisch thermische Messfehler zwischen dem Widerstandsthermometer und dem Thermoelement niedriger als der der experimentellen Untersuchung. Weitere Einflussfaktoren des statisch-thermischen Messfehler müssen auf das Modell untersucht werden.
Erarbeitung eines Praktikumsversuchs "Kalibrierung von Widerstandsthermometern im Raumtemperaturbereich". - Ilmenau. - 124 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Zur exakten Bestimmung der Messtemperatur spielen der Einsatz von hochgenau messenden Thermometern sowie das Verstehen der messtechnischen Eigenschaften und Fehlerquellen eine besondere Rolle. In der vorliegenden Masterarbeit wird ein Praktikumsversuch erarbeitet, der sich mit der Kalibrierung von Widerstandsthermometern im Raumtemperaturbereich sowie mit der Erfassung des Einflusses der Eigenerwärmung beschäftigt. Mit Hilfe von zwei verschiedenen, zur Verfügung gestellten Pt100 Widerstandsthermometern kann entsprechend der ITS-90 die Kalibrierung am Eis- und Gallium-Fixpunkt erfolgen. Zusätzlich zu diesen Messungen wird eine experimentelle Untersuchung an einem Strömungskanal zur Bestimmung des Einflusses des Messstromes sowie Einbau- und Randbedingungen durchgeführt. Auf Grundlage dieser Messergebnisse, mit den Flach- und drahtgewickelten Messwiderständen in Vierleiter-Schaltung, wird ein Messunsicherheitsbudget erstellt, das auch den Einfluss der Eigenerwärmung erfasst. Ergänzende physikalische Rechnungen zur Abschätzung des Eigenerwärmungs- sowie Wärmeableitungsfehlers bestätigen die Messergebnisse der Versuche und ermöglichen eine intelligente Kombination von Theorie und Praxis für einen adäquaten, studierendengerechten Praktikumsversuch an der Technischen Universität Ilmenau.
Development and testing a digital signal processing system. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Mit der schnellen Weiterentwicklung in allen Bereichen der Technologie und mit dem wachsenden Bedarf nach Automatisierung steigt auch die komplexität der elektrischen Systeme und integrierter Schaltungen wie durch das Moore'sche Gesetz beschrieben [1]. Der Bedarf nach fortschrittlichen digitalen signalverarbeitungssystemen (DSP) steigt entsprechend. Insbesondere für Echtzeit-Systeme besteht eine wachsende Nachfrage in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrttechnik sowie der Messtechnik. Diese Masterarbeit beschreibt die Entwicklung und Erprobung eines digitalen Signalverarbeitungssystems, das auf ein bestehendes Entwicklungskit für den Xilinx Zynq 7000 SoC basiert. Das System kombiniert die Vorteile der relativ günstigen Kosten im Vergleich zu anderen DSP-Systeme Prototypen, die Anpassung des DSP-Algorithmus mittels Simulink C-Coder und die Flexibilität während dem Aufbau der Hardwaer des DSP-Systems um metrologische Voraussetzungen zu erzielen. Das beschriebene DSP-System wird als SISO- und MIMO-System getestet.
Elektronisches Autokollimationsfernrohr für hochpräzise Winkelmessung. - Ilmenau. - 119 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Elektronische Autokollimatoren (AKFs) sind optische Messgeräte für die hochpräzise Winkelmessung, in denen neben bildgebenden Sensoren wie CCDs sog. Position Sensitive Devices, kurz PSDs verstärkt zum Einsatz kommen. Der Vorteil solcher optoelektronischen Detektoren besteht im Wesentlichen darin, dass für die Auswertung nicht auf rechenintensive Bildverarbeitungsalgorithmen zurückgegriffen werden muss und die Messsignale direkt Auskunft über die Position eines einfallenden Lichtflecks auf der lichtaktiven Fläche geben. Am Fachgebiet für Fertigungs- und Präzisionsmesstechnik des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik (IPMS) ist die Nanopositionier- und Messmaschine NPMM-200 ein großes Einsatzfeld der elektronischen Autokollimatoren. Als Hilfswinkelmesssystem dienen sie während des Initialisierungsprozesses zur Justage der Spiegelecke und stellen dem präziseren, aber inkrementellen interferometrischen Winkelmesssystem die Information über die Referenzlage des Spiegels bereit. Je präziser die Spiegelecke dabei anfänglich justiert wird, desto zuverlässiger kann das interferometri-sche Winkelmesssystem arbeiten. Die entscheidenden Eigenschaften der Detektoren respektive der Autokollimatoren sind daher die Linearität, (Nullpunkt)Wiederholbarkeit, Auflösung bzw. Empfindlichkeit und das Langzeitverhalten. Derzeit werden in den AKFs der NPMM-200 sog. Quadrantenphotodioden in Kombination mit per Multimodefaser gekoppelten breitbandigen LEDs eingesetzt. Diese Arbeit untersucht, ob mit sog. Lateraleffekt-Photodioden in Kombination mit per Monomodefaser gekoppeltem Laserlicht eines He-Ne-Lasers oder alternativ in Kombination mit einer einfachen Laserdiode die Hilfs-Autokollimatoren hinsichtlich der genannten Eigenschaften verbessert werden können.
Messtechnische Untersuchung und anschließende Optimierung der Peripherie-Parameter eines Heißgas-Prüfstandes. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Berührungsthermometer werden unter anderem in Umgebungen mit hohen thermischen Belastungen (bis über 1000 ˚C) und hohen Strömungsgeschwindigkeiten (bis 100 m/s) eingesetzt. Zur Messung von dynamischen und statischen Kennwerten hat die "Temperaturmesstechnik Geraberg" einen Prüfstand entwickelt, der entsprechende Strömungstemperaturen und -geschwindigkeiten erzeugen kann. Ziel dieser Masterarbeit ist es diesen Prüfstand umfassend messtechnisch zu untersuchen mit Fokus auf der Reproduzierbarkeit von Zeitprozentkennwerten und optimaler Reglerparameter. Hierbei werden in einem ersten Schritt Vorbetrachtungen aus thermodynamischer Sicht durchgeführt. Daran anschließend werden zu erfassende Messgrößen festgelegt und beschrieben wie diese messtechnisch erfasst wurden. Darauf aufbauend wird entschieden in welchem Rahmen die Parameter "Strömungssolltemperatur" und "Lüfterdrehzah" (die im Zusammenhang mit der Strömungsgeschwindigkeit steht) variiert werden, um einen geeigneten Versuchsraum abzudecken. Die durchgeführten Messungen umfassen hierbei die zeitliche Entwicklung der Kanalwandtemperaturen, die zeitliche Entwicklung und räumliche Verteilung der Strömungstemperatur und -geschwindigkeit im Bereich der Messöffnung und letztlich die Auswertung von Temperatursprüngen an zwei Probanden. Diese Auswertung ergab, dass die zu erwartenden Zeitprozentkennwerte mit einer Unsicherheit von etwa ± 10 % belegt sind.
Integration eines Tasterwechselsystems in die NPMM-200. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Die vorliegende Masterarbeit hat zum Ziel, ein Tasterwechselsystem in die Nanomess- und Positioniermaschine (NPMM-200) zu integrieren. Dies wird immer wichtiger, da durch erweiterte Messaufgaben neue Anforderungen an das Wechselsystem der Anlage entstehen. Nach einer Analyse und Bewertung des vorhandenen Wechselsystem wird ein neues Prinzip gesucht, dass einen präzisen Wechsel des Messsystems ermöglicht. Nach einer ausführlichen Prinzipsuche wird sich für die Drei-Punkt Auflage mit drei Kugel-Nut Paarungen entschieden. Diese kombiniert die wichtigsten Eigenschaften von Genauigkeit, Handhabung und Platzbedarf am besten. Anschließend wird das Wechselsystem geplant, ausgelegt, konstruiert und gefertigt. Dabei wird der Wechselmechanismus nach den Funktionen getrennt und in fünf Baugruppen unterteilt. Die v-Nuten mit Rundköpfen und die Führungen, welche zum leichteren Positionieren und dem Schutz der empfindlichen Rundköpfe dient, werden auf dem Gestell (Basis) befestigt. Das Gegenstück liegt über den v-Profilen auf den v-Nuten auf und trägt das Messsystem. Das Gegenstück wird mit drei Schraubendruckfedern in der Position gehalten. Nach der Montage wird das neue Wechselsystem vermessen. Dabei wird die Langzeitstabilität und die Positioniergenauigkeit gemessen. Dabei ist festzustellen, dass die neu entwickelte Auflage deutliche Genauer in der Reproduzierbarkeit der Position ist als der Einschub.
Entwurf und Implementierung der Regelung der Lüftungsanlagen im Airbus Paintshop A380. - Ilmenau. - 82 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Inhalt dieser Arbeit ist die Realisierung einer Volumenstromregelung der Lüftungsanlagen im Airbus Paintshop A380. Für die Regelung wird der Zusammenhang zwischen dem vom Ventilator erzeugten Volumenstrom und dem am Ventilator herrschenden Differenzdruck genutzt. Charakterisiert wird dieser Zusammenhang durch einen Kalibrierfaktor, der vom Hersteller vorgegebenen wird. Für die Ventilatoren im Paintshop werden die Kalibrierfaktoren über die Aufnahme der Ventilatorkennlinie ermittelt. Auf die Abweichung von den Herstellerangaben wird eingegangen. Die Festlegung der Führungsgrößen und Regelparameter erfolgt auf Grundlage einer Simulation der Luftströmung in der Lackierhalle. Die Regelung konnte erfolgreich realisiert werden. Dadurch wird die Konstanthaltung des Volumenstroms gewährleistet. Zusätzlich kann der Energiebedarf der Lüftungsanlagen um ca. 30% reduziert werden.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Das Übertragen und Erfassen elektrischer Signale spielt in vielen Bereichen der Industrie und Forschung eine zentrale Rolle. Dabei ist es wichtig, die Fehlereinflüsse gerade in der Präzisionsmesstechnik so gering wie möglich zu halten. Im Bereich der Spannungsmessung kommt es durch Thermospannungen innerhalb von Bauteilen und Leitern leicht zu großen Abweichungen bei der Erfassung von Spannungen weniger V bzw. n V. In dieser Arbeit wird eine Umschalteinheit für die von der TU Ilmenau in Kooperation mit der Physikalisch Technischen Bundesanstalt entwickelten Planck-Waage erarbeitet. In der Planck-Waage soll bei mehreren Spulen in einem Magnetfeld die Größe B l durch Aufprägung einer bekannten Geschwindigkeit und Messung der induzierten Spannung kalibriert werden. Das Kalibrierergebnis wird zur Massebestimmung in einem zweiten Experiment genutzt. Hierfür müssen die Spulen zwischen einem Multimeter für die Spannungsmessung und einer Stromquelle um kontaktiert werden. Um eine Umschaltung der Spulen realisieren zu können, werden Relais der Firma Omron, Coto und Panasonic auf ihre thermoelektrischen Eigenschaften untersucht und bewertet. Zusätzlich werden die thermischen Entwicklungen in einem Omron Relais mit COMSOL Multiphysics simuliert und mit den Messwerten verglichen. Diese Simulation kann Aufschluss über die Temperaturverteilung im Inneren des Relais geben. Nach Auswahl des Relais wird eine vorläufige Schaltung entworfen, mit der es möglich wird alle erforderlichen Zustände der Spulen Bestromung und Spannungsmessung zu erreichen. Auf Grundlage dieser Schaltung werden Simulationen und Messungen zur Gewährleistung der Spannungsversorgung zum Schalten über eine USB-Schnittstelle durchgeführt, deren Ergebnisse in die Entwicklung der finalen Umschalteinheit eingießen. Die Schaltungssimulation erfolgt mit LTSpice. Für den Leiterplattenentwurf der Umschalteinheit wird das Programm Altium Designer verwendet. Auf dieser Leiterplatte sind die Aufgaben der Umschaltung der Spulen und die Signalverstärkung für den internen Positionssensor der Planck-Waage vereint. Abschließend erfolgt die Konstruktion eines Kühlkörpers, der die thermischen Einflüsse von Umgebung und elektrischen Bauteilen auf die Spannungsmessung reduzieren soll.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Diese Arbeit stellt den Aufbau und das Prinzip einer Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK-Waage) vor. Der Hebel der Waage wird dabei durch ein Zwei-Balken Modell abgebildet. Nach der Linearisierung wird das Modell anhand der Zustandsraumbeschreibung analysiert und es wird eine Parameteridentifikation durchgeführt. Für den Reglerentwurf wurden die Methoden der Polvorgabe und des Optimalreglers (linear-quadratischer Regler) eingesetzt. Für die unmessbare Zustandsgröße und die sprungförmige Störgröße wird ein Störgrößenbeobachter verwendet. Das gesamte geschlossene System wird anschließend in Matlab/Simulink simuliert. Zusätzlich wird die entworfenen Zustandsregler mithilfe des dSPACE-Systems für Echtzeitmessungen an einer Wägezelle getestet. Abschließend wird der dynamische Wägevorgang mit verschiedenen Zustandsreglern aus Sicht der regelungstechnischen und messtechnischen Leistungsfähigkeit bewertet und zusammenfassend beurteilt.