Temperierung der Antriebe einer ultrahochauflösenden Koordinatenmessmaschine. - 52 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
In dieser Arbeit wird ein Temperierungssystem für eine ultrahochauflösende Koordinatenmessmaschine entwickelt. Die Antriebe werden bei einem Umgebungsdruck von 1 mbar sowie bei 1000 mbar temperiert. Im Experiment wird Wasser als Medium für die Abkühlung verwendet. Das Abkühlsystem besteht aus den folgenden Komponenten: Thermostat, manuelle Ventile, Verteiler, Volumenstromzähler, Proportionalventil, Ansteuerelektronik und Sammler. Durch die Steuerung der Durchflussgeschwindigkeit werden die Antriebe abgekühlt. Die Temperaturen werden durch einen Pt100 Sensor in Vier-Leiter-Schaltung gemessen. Das Temperierungssystem konnte erfolgreich getestet werden und erfüllt die gestellten Anforderungen.
Ermittlung des Brechungsindexes von Gasgemischen im Niederdruckbereich. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Präzise Laserinterferometrie setzt die Kenntnis des Brechungsindexes der Medien im optischen Strahlengang voraus. Dafür werden empirische Modellgleichungen genutzt, welche anhand der Zustandsgrößen Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchte, sowie der chemischen Zusammensetzung eine Berechnung ermöglichen. Diese Arbeit befasst sich mit der Ermittlung des Brechungsindexes eines Gasgemisches über einen Druckbereich von Normaldruck bis 1 mbar. Es wird ein Überblick über nutzbare empirische Modellgleichungen gegeben und ein Messaufbau mit allen benötigten Messgeräten realisiert. Auch die Zusammensetzung der Gase im optischen Strahlengang wird massenspektrometrisch analysiert. Durch den Vergleich von gemessenen und mit Modellgleichungen berechneten Werten, wird eine Aussage über die Verwendung der empirischen Modellgleichungen im Vakuum getroffen.
Metrologische Untersuchungen zur Unsicherheit der Temperaturmessung mittels selbstkalibrierenden Thermometern. - 84 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Temperatur ist eine sicherheitsrelevante Prozessgröße, weshalb ist eine genaue Messung dieser Kenngröße erforderlich ist. Dafür muss die Kennlinie der verwendeten Thermometer bekannt sein. Um eine Veränderung der Kennlinie aufgrund von Alterungsprozessen zu detektieren, werden Thermometer regelmäßig kalibriert. Dies ist allerdings relativ aufwendig und kann mittels selbstvalidierenden Thermometern vereinfacht werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Messunsicherheit eines selbstvalidierenden Thermometers. Dabei wird insbesondere auf den Unsicherheitsbeitrag eingegangen, der aufgrund eines inhomogenen Temperaturfelds entsteht. Es werden Ursachen erläutert, wie es zu einem inhomogenen Temperaturfeld kommen kann. Außerdem wird ein mögliches Vorgehen zur Bestimmung dieses Unsicherheitsbeitrags aufgezeigt und am Beispiel einer Thermometerbauform angewendet.
Konzeption, Aufbau und messtechnische Untersuchungen eines Strömungskanals für Prüfstände zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens von Berührungsthermometern in Wasser. - 129 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Ziel dieser Arbeit ist die Konzeption und der Aufbau eines Strömungskanals zur Verbesserung der Bestimmung von Thermometerkennwerten. Eine im Institut Prozessmess- und Sensortechnik der TU-Ilmenau vorhandene Einrichtung ermöglicht eine sprunghafte Temperaturänderung an Berührungsthermometern. Die Vorrichtung taucht das zu prüfende Thermometer aus der Umgebung bei Raumtemperatur in erwärmtes Wasser. Die sprunghafte Temperaturänderung ermöglicht die experimentelle Bestimmung von Zeitprozentkennwerten und der Zeitkonstanten des Thermometers. Die Kennwerte beschreiben, wie schnell ein Thermometer auf eine Temperaturänderung reagiert. In der Masterarbeit wird ein Strömungskanal zur Verbesserung der existierenden Vorrichtung entwickelt und getestet. Aufgabe des Strömungskanals ist die Ausbildung einer gerichteten und gleichförmigen Strömung, in welche das zu prüfende Thermometer eingetaucht werden kann. Vorteil der Strömung ist, dass keine Rückwirkung des Thermometers auf das Medium stattfindet. [VDI14] Die Kennwerte können genauer bestimmt werden. Die Wassertemperatur soll zwischen 30 ˚C...80 ˚C einstellbar sein, mit einer Abweichung im Bereich der Messstelle von weniger als 0,5 K über einen Zeitraum von 60 Sekunden. Die Strömungsgeschwindigkeit soll von 0,1 m/s bis 0,3 m/s variierbar sein mit einer Abweichung an der Messstelle von weniger als 10 % über einen Zeitraum von 60 Sekunden. Zunächst wird die vorhandene Sprungeinrichtung beschrieben. Anschließend werden bereits bestehende Konzepte für einen Strömungskanal vorgestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für den vorliegenden Anwendungsfall geprüft. Aus der Aufgabenstellung und der vorhandenen Sprungeinrichtung werden Anforderungen abgeleitet. Anhand dieser Anforderungen werden mehrere mögliche Konzepte für den Strömungskanal erarbeitet. Die Konzepte werden bewertet und das beste Konzept wird konstruktiv umgesetzt und aufgebaut. Abschließend wird der aufgebaute Strömungskanal messtechnisch untersucht und geprüft, ob die Anforderungen erfüllt sind.
Überarbeitung eines Messaufbaus für Untersuchungen von Kleberquellen und Entwicklung einer Software zur automatisierten Signalauswertung. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Aufgrund von ungenauen oder zumeist gar nicht existierenden Angaben von Quelleffekten verschiedener Kleber ist im Vorfeld dieser Arbeit ein Messaufbau entstanden, in dem klimatische Bedingungen geregelt und Klebeschichtdickenänderungen mittels Interferenzstreifenverschiebungen gemessen werden können. Diese Verschiebungen werden aufgenommen und als Bild gespeichert. Aufgabe dieser Abschlussarbeit ist die automatisierte Auswertung dieser Interferenzstreifenverschiebungen sowie eine konstruktive Überarbeitung des Messaufbaus. Im Verlauf dieser Abhandlung ist ein Matlabfile entstanden, welches durch signalverstärkende Maßnahmen und der Analyse des Signals mittels Sinusregression die aufgenommenen Bilder mit einer hohen Auflösung zuverlässig auswerten kann. Nach Überprüfung einer vorhandenen Messreihe wird deutlich, dass der zeitliche Ablauf dieser Messreihe überarbeitet oder eine Simulation geschaffen werden muss, um die Endausdehnung der Klebeschichten zu berechnen. Konstruktive Änderungen des Aufbaus verbessern den Kontrast und die Auswertbarkeit der Proben zusätzlich und vereinfachen die Bedienbarkeit. Insgesamt ist ein äußerst zuverlässiger Algorithmus zur Auswertung von Streifenverschiebungen entstanden, welcher durch Überprüfung der Standardabweichung verifiziert ist, die Auswertung deutlich vereinfacht und die manuelle Messung von Kleberschichten ersetzt.
Konzeption eines automatischen Hubtisches für Präzisionsanwendungen in der Messtechnik. - 220 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
In der vorliegenden Masterarbeit werden verschiedene Varianten zum Heben und Positionieren von Präzisionsmessgeräten erarbeitet und verglichen. Dazu werden die erarbeiteten technischen Prinzipe in einer Vergleichsmatrix gegenübergestellt und ausgewählte Parameter, wie zum Beispiel Komplexität, Überbestimmtheit, mechanisches Spiel, Herstellungskosten und Justieraufwand verglichen. Anhand dieser und weiterer Kriterien findet eine Bewertung der aufgestellten Prinzipe statt und die drei am besten geeigneten Varianten werden anschließend konstruktiv umgesetzt. Dabei erhalten alle Konstruktionen die geforderten Abmessungen von 300 mm x 200 mm in der Grundfläche und es ergibt sich jeweils eine Höhe von 74 mm im eingefahrenen Zustand der Hubplattform. Die Hubbewegung dieser Plattform wird durch einen elektrischer Antrieb erzeugt, wobei es während der Bewegung zu einer parasitären Auslenkung von maximal 0,2 mm kommen kann. Nach einem vorgesehenen Hubweg von 20 mm in vertikaler Richtung, findet in der oberen Endlage eine Begrenzung des Weges durch drei feste Anschläge statt. Zur Stabilisierung der Hubplattform, wird diese mit einer festgelegten Kraft gegen die Anschläge gedrückt. In Abhängigkeit der Last muss dabei eine maximale Hubkraft von 1275 N vom Antrieb aufgebracht werden. Ein Sensor ermittelt hierbei die auftretende Kontaktkraft in einem der festen Anschläge. In Verbindung mit einem elektrischen Antrieb und einer Steuerung wird somit eine automatische Hub- und Positionierbewegung der Hubplattform realisiert. Das Ergebnis der Ausarbeitung ist eine konstruktive Umsetzung der drei besten technischen Prinzipe, die anhand eines jeweiligen Demonstratoraufbaus zu einem späteren Zeitpunkt hinsichtlich ihrer Eignung getestet und miteinander verglichen werden sollen.
Rechnergestützte Verarbeitung und Auswertung von Profilmessdaten optisch erfasster Gewindegeometrien. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
In dieser Arbeit werden Algorithmen für die automatisierte Erfassung von Gewindeparametern an Präzisionsgewinden entworfen und beschrieben. Außerdem werden diese Algorithmen in der Programmiersprache "Python 3" als Software zur automatisierten Auswertung der Gewindeparameter umgesetzt. Um die Algorithmen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit zu testen, wurde eine DXF-Datei, die zwei taktil gescannte Gewindeprofile enthält, mit diesen Algorithmen getestet. Diese Datei enthält, jeweils in Gruppen zusammengefasst, die Punkte für das obere Gewindeprofil und die Messpunkte für das untere Gewindeprofil. Letztendlich ist aber vorgesehen, dass diese eingehenden Daten des Gewindeprofils mittels Fokusvariationsverfahrens gemessen und zur Verfügung gestellt werden. Es soll also in Zukunft ein optisches Messverfahren zur Anwendung kommen. Die Messdatei eines gemessenen Gewindeprofils wurde von der Firma LMW Schmalkalden GmbH für Untersuchungen an einem realen Gewinde zur Verfügung gestellt. Die Approximation des Gewindes basiert auf der Grundlage von Algorithmen zur Erfassung geometrischer Grundformen wie Kurven und Geraden. Um die genauen Parameter dieser geometrischen Grundformen zu bestimmen, wird die Optimierung mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt. Der Graph wird dabei in Abschnitte zerlegt und partiell approximiert. Dies ist wichtig, da die Dauer der Erfassung der optimierten Werte mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate nicht linear von der Menge der zu messenden Gewindeabschnitte abhängt. Das Ergebnis des approximierten Modells des Gewindes macht es möglich, die Gewindeparameter automatisiert zu erfassen. Als Ergebnis der Arbeit der Algorithmen werden folgende Werte des Gewindes erfasst: Außendurchmesser, Flankendurchmesser, Kerndurchmesser, Steigung, Gewindeflankenwinkel, Gewindeprofilwinkel, Radien der Bogenabschnitte. Die Programmdurchlaufzeit beträgt 500 Millisekunden für ein Gewindeprofil mit 7 Gewindegängen, wenn ein CPU Thread verwendet wird.
Umsetzung und Validierung von Regelalgorithmen auf einem ARM-Prozessor zum Einsatz in der Wägetechnik. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
In dieser Masterarbeit wird der Entwicklungsprozess von einem stabil arbeitenden Regler für eine EMK-Waage auf dem Mikrocomputer Raspberry Pi 2 beschrieben. In der Arbeit wurden das ADC board "Linear Technology DC979A", und das DAC board "EVAL-AD5791SDZ" von Analog Devices benutzt. Das Programm ist in C-Sprache geschrieben. Auf dem Raspberi Pi 2 läuft ein Betriebssystem Raspbian Lite, dessen Kernel durch einen "real-time kernel" ersetzt wurde. Die Kommunikation zwischen Raspberry Pi, ADC und DAC wird durch das SPI-Protokoll realisiert. Für die Realisierung der Datenübertragung durch dieses Protokoll wird die Bibliothek BCM2835 benutzt. Die maximale Geschwindigkeit der Reglung, die ohne wesentliche zeitliche Zyklusinstabilität zu erreichen war, beträgt 4 kHz. Es wurden Vergleichtests des auf Raspberry Pi basierten Reglers, eines dSPACE-Systems und eines analogen Reglers durchgeführt. In diesen Tests zeigt der auf Raspberry Pi basierte Regler bessere Ergebnisse als das dSPACE-System, aber schlechtere als der analoge Regler. Der Regler erfordert eine Reihe von Verbesserungen, die in dieser Arbeit beschrieben sind.
Aufbau und Parametrierung eines Imaging-Spektrometers für die optische Auslesung von plasmonischen Hybridnanostrukturen für die Bioanalytik. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Gegenstand dieser Arbeit war der Aufbau eines Imaging-Spektrometers für das parallele optische Auslesen von plasmonischen Nanostrukturen. Ein Liquid Crystal Tunable Filter kam dabei als zentrales Element zum Einsatz. Weiterhin besteht das aufgebaute Abbildungssystem aus Lichtquelle, Kollimationssystem, Objektiv, Tubuslinse und CCD-Kamera. Zur Ansteuerung und Triggerung von Filter und Kamera wurde ein Programm geschrieben. 100nm große sphärische Goldnanopartikel wurden spektral vermessen und die akquirierten hyperspektralen Bilder verarbeitet. Die resultierenden Spektren wurden mit Daten aus Messungen derselben Nanopartikel mit einem kommerziell verfügbaren Gitter-basierten Spektrometer verglichen. Mit Hilfe eines Spotters wurden Arrays aus Goldnanopartikeln auf einen Chip aufgebracht und teilweise mit optischem Lack bedeckt. Die Änderung des Brechungsindexes durch den optischen Lack konnte detektiert werden.
Untersuchungen der Druckbelastbarkeit von Thermometerprozessanschlüssen in Abhängigkeit von der Einsatztemperatur. - 115 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Bei der Herstellung industrieller Produkte ist die Überwachung der Prozesstemperatur von großer Bedeutung. Typische Anwendungsfelder von Thermometern finden sich in chemischen Anlagen, Raffinerien, Kraftwerken sowie in der Lebensmittelproduktion. Thermometer für den industriellen Einsatz bestehen aus einem Anschlusskopf, einem Messeinsatz, einem Schutzrohr und einem Prozessanschluss. In dieser Masterarbeit werden speziell Prozessanschlüsse zum Einschrauben mit einem zylindrischen Gewinde betrachtet. Das Schutzrohr und der Prozessanschluss werden im Betrieb hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt. Dies führt zu hohen Materialbeanspruchungen an diesen beiden Bauteilen. Bisher kann der Festigkeitsnachweis für Thermometereinsätze nach DIN 43772 nur für die Schutzrohre, jedoch nicht für den Bereich des Gewindes, erfolgen. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der maximalen Druckbelastbarkeit von einschraubbaren Prozessanschlüssen in Abhängigkeit von Material und Einsatztemperatur. Dazu erfolgt die Erarbeitung eines theoretischen Berechnungsmodells. Die anhand der Berechnungsvorschrift ermittelten Werte werden anschließend durch praktische Versuche überprüft. Die Versuche wurden exemplarisch für zwei Gewindegrößen durchgeführt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass im Berechnungsmodell ein hoher Sicherheitsfaktor vorhanden ist. Die Arbeit gibt Vorschläge zur Verbesserung des Dichtsystems. Allgemein hat sich herausgestellt, dass schmale, hoch beanspruchte Dichtungen bessere Ergebnisse erzielen als breite, niedrig beanspruchte Dichtungen.