Masterarbeiten, Diplomarbeiten

Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit den Verfahren der leiterumfassenden Strommessung unter messtechnischen Gesichtspunkten. Zu Beginn wird ein Überblick über die verschiedenen Verfahren gegeben. Der Grund für die metrologische Untersuchung ist die Eigenentwicklung eines Strommesswandlers von einem Industriepartner. Dabei wird das physikalische Prinzip der Magnetfeldmessung mittels Hall-Sensoren genutzt. Für diesen konkreten Anwendungsfall werden geltende Normen und Regelungen dargestellt. Es wurde die praktische Umsetzung eines Kalibrierprozesses unter Laborbedingungen realisiert. Kalibrierungen für hohe Ströme sehr genau durchzuführen, ist aufgrund der Stromquelle schwierig. Deswegen wurden Kalibrierspulen genutzt. Bei der Messwertaufzeichnung wurde lediglich ein Spannungsmesser benötigt, da es sich um einen Strommesswandler mit dem Ausgangssignal einer Spannung handelte. Für den eigentlichen Kalibriervorgang wurde eine automatisierte Ansteuerung des Multimeters und der Stromquelle durchgeführt. Dieses Vorgehen ergab sich aus den langen Messzeiten und der Variation von Messparametern. Ziel war die Untersuchung verschiedener Einflüsse auf die Messabweichung. Von Interesse waren dabei neben absoluten Messwerten auch relative Verlaufskurven. Die variierten Parameter waren die Stromstärke, Frequenz, Lage des Leiters, Temperatur und Luftfeuchte. Innerhalb der Klimakammer wurden Änderungen der Umgebungsbedingungen (Temperatur und Luftfeuchte) auf mögliche Laborbedingungen beschränkt. Zusätzlich wurden die Messwerte für ein Konkurrenzprodukt erhoben und es fand ein Vergleich statt.

Die in dieser Masterarbeit durchgeführten Untersuchungen konnten erste Erkenntnisse über das Wärmetauschverhalten von Keramikwaben geben. Dabei kann das entwickelte Berechnungsprogramm zur Auslegung keramischer Wabenkörper für ihren Einsatz als regenerative Wärmetauscher verwendet werden. Die experimentell aufgenommen Werte bestätigen die berechneten hohen WRG-Werte und zeigen insgesamt zur Berechnung vergleichbare Ergebnisse. Damit wurde die in der Einleitung beschriebene Problemstellung, ein Berechnungsmodell anhand experimentell ermittelter Werte zu verifizieren, zufriedenstellend bearbeitet. Es wurde die Abnahme der Wärmerückgewinnung bei Verringerung der Kanalanzahl (Zelldichte) rechnerisch und experimentell nachgewiesen. Des Weiteren wurde gezeigt, dass schon mit kleinen Wabenabmessungen große Wärmemengen getauscht werden können und diese somit ebenfalls für Kleingeräte mit geringen Luftdurchsätzen einsetzbar sind. Zudem wurde betrachtet, dass der Wärmeverlust durch die Dämmung eine ebenso relevante Rolle wie der WRG in Bezug auf den Wirkungsgrad des Systems spielt. Daher sollte dieser in jedem Fall abgeschätzt und in die Berechnung einbezogen werden. Bei Auswahl der richtigen Kombination zwischen Wabenkörper und Wärmedämmung sind dabei Wärmerückgewinnungswerte von über 95% möglich. Zusammenfassend ist zu sagen, dass die in Großanlagen herrschenden Wirkungsgrade von über 98% Wärmerückgewinnung auch in kleineren Anlagen realisierbar erscheinen. Jedoch ist bei kleineren Anlagen der Anteil des Wärmeverlustes durch die Dämmung deutlich höher als der Wärmeverlust durch den WRG der Wabe. Daher muss bei Auslegung kleiner Systeme das wirtschaftlichste Optimum zwischen Dämmmaterial/-dicke und Wabe auf die vorhandenen Randbedingungen angepasst werden. Dabei hängen die Parameter Druckverlust, Dämmungsverlust, erwarteter Wärmerückgewinnungsgrad und benötigte Ofenleistung voneinander ab. Aus dieser Komplexität lässt Auslegung des Wärmetauschers notwendig ist. Die Realisierung einer WRG von mehr als 92% ist Voraussetzung für den Aufbau von Sauerstoff-Membrananlagen (siehe Patent Einleitung), die bereits im Kleinmaßstab einen ähnlich geringen Energieverbrauch wie kommerzielle Großanlagen zur kryogenen Luftzerlegung aufweisen. Die vorgestellten Ergebnisse unterstützen somit das Konzept zur dezentralen energieeffizienten Sauerstoff-Bereitstellung mit Membrananlagen und liefern Argumente für die Wettbewerbsfähigkeit des Verfahrens.

In der vorliegenden Arbeit werden anhand eines selbstentwickelten Messsystems metrologische Eigenschaften hochintegrierter Module zur Signalerfassung von Widerstandsmessbrücken charakterisiert. Die messtechnischen Untersuchungen konzentrieren sich vordergründig auf die Module ZSC31050 bzw. ZSC31150 von ZMDI. Darüberhinaus wurde eine Recherche zu alternativen Lösungen durchgeführt, welche anhand einer Beispielkonfiguration und einer Übersicht mit Vor- und Nachteilen dokumentiert wird. An den hochintegrierten Modulen werden Untersuchungen über effektive Auflösung und Rauschen in Abhängigkeit von möglichen Konfigurationen vorgenommen. Hierbei wird auch die erzielbare Datenrate in Abhängigkeit der Anzahl verwendeter Bausteine untersucht. Die metrologischen Eigenschaften der Module werden sowohl anhand von Referenzwiderstandsmessbrücken als auch im Zusammenspiel mit einem DMS-Kraftwandler untersucht. Die Arbeit beschreibt neben den metrologischen Untersuchungen der Module die Entwicklung eines praxistauglichen Systems, basierend auf den untersuchten Modulen zur Erfassung und Auswertung von Messdaten einer Widerstandsmessbrücke. Hierfür wurden auf Grundlage des Scheckkarten-Computers Raspberry Pi und der Messmodule ZSC31050 sowie ZSC31150 von ZMDI entsprechende Hard- und Softwareumgebungen geschaffen, welche ein geschlossenes System zur Erfassung und Verarbeitung von Messdaten bilden. Die Eigenschaften dieses, auf vergleichsweise preisgünstigen Komponenten basierenden, Messsystems werden schließlich diskutiert und anhand eines kommerziell verfügbaren Systems als Referenzlösung messtechnisch eingeordnet.

Für hochpräzise Messungen werden Massekomparatoren auf speziellen Wägesteinen und Fundamenten gelagert. Dabei führen Verkippungen der Waage zu Messabweichungen. Das Ziel der Arbeit war die Entwicklung einer Regelung, die die Neigungsänderungen des Wägesteins kompensiert. Dazu wurden die Ursachen der Neigungsänderungen des Wägesteins bzw. die zeit- und temperaturabhängigen Neigungsänderungen untersucht und die Anforderungen an die Regelung ermittelt. Es wurden die Bestandteile der Regelung ausgewählt und die Software entwickelt. Die verschiedenen Varianten des Stellglieds der Regelung wurden teilweise theoretisch, teilweise praktisch untersucht, verglichen und bewertet. Daraus wurde der piezoelektrische Aktor als Stellglied gewählt. Die Lagerung des Steins wurde verbessert indem dieser auf drei Ringe, die sich jeweils auf den Maschinenfüßen befinden, aufgestellt wurde. Diese Ringe wirken wie eine zusätzlich Feder. Für den Einbau des Piezoaktors unterhalb des Steins wurde ein Justieraufbau entwickelt und eingesetzt. Für die Regelung wurde ein PI-Regler gewählt. Die Regelung der Verkippung des Steins um die x-Achse wurde geprüft und bewertet. Auf Basis einer Langzeitmessung über fünf Stunden wurde eine Regelabweichung [beinahe gleich] 1 nrad erreicht. Die Einstellzeit der Regelung wurde mit 43 Sekunden ermittelt. Im Weiteren muss die Entkopplung zwischen dem Fundament des Steins und dem Fußboden verbessert und die Maschinenfüße thermisch isoliert. Somit können thermische Störungen sowie der Einfluss des Menschen bei Aufenthalt im Labor reduziert werden. Auch muss die Steifigkeit des Piezos mit der Kopfschraube aus Wolframcarbid und der Justageinheit untersucht und reduziert werden. Außerdem muss ein Piezoverstärker mit einem engeren Ausgangsbereich verwendet werden, wodurch eine größere Auflösung der Regelung erreicht werden würde. In die Software muss der Teil der digitalen Regelung der Verkippungen des Steins um die y-Achse eingebunden werden und die Software soll weiter optimiert werden. Der zweite Piezoaktor muss unterhalb des Steins eingebaut werden und die Regelung der Verkippung des Steins muss um die y-Achse geprüft werden. Dabei muss die Querempfindlichkeit der y-Achse berücksichtig werden. Außerdem würden weitere Verbesserung des Winkelmesssystems auch die Regelung optimieren.

Die vorliegende Masterarbeit widmet sich der Untersuchung der dynamischen Charakteristik des metrologischen Rahmens der an der Technischen Universität Ilmenau entwickelten Nanopositionier- und Messmaschine NPMM-200. Zunächst erfolgen eine Betrachtung der für die dynamische Modellierung technischer Systeme meist gebräuchlichen Methoden und eine begründete Auswahl der Finite-Elemente-Methode als die geeignetste Vorgehensweise für die Lösung der gestellten Aufgaben. Im weiteren Verlauf stehen die Analyse des Systemaufbaus und die Ermittlung relevanter Parameter innerer und äußerer Anregungen im Vordergrund, um anschließend Abstraktionsmaßnahmen für die FE-Modellbildung vorzunehmen. Unter Verwendung der Simulationssoftware ANSYS Workbench® V15.0 werden die Eigenfrequenzen und -formen anhand einer Modalanalyse bestimmt. Der Vergleich der anhand einer Frequenzanalyse ermittelten Verformungs-und Geschwindigkeitsamplituden in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz mit den Ergebnissen der Schwingungsmessungen ermöglicht, Aussagen über die Anwendbarkeit bzw. die Qualität des Modells zu treffen. Weiterhin wird der Einfluss einer Werkstoffänderung, Änderung der Dämpfung und der Lagerbedingungen mit Hilfe des entwickelten FE-Modells bewertet. Im Anschluss werden die zulässigen Anregungsparameter während des Betriebes formuliert. Die Resultate dieser Arbeit können als Ausgangspunkt für weitere Optimierungsbetrachtungen bezüglich des dynamischen Verhaltens des metrologischen Rahmens dienen.