Masterarbeiten, Diplomarbeiten

Die vorliegende Arbeit beschreibt den Aufbau und die Inbetriebnahme eines Diodenlasers mit externem Gitterresonator. Nach Erarbeitung der theoretischen Grundlagen wurde ein Konzept entwickelt, welches eine Emissionswellenlänge nahe der eines He-Ne-Lasers (632,8 nm) umsetzen kann. Es wird die konstruktive Umsetzung durch das Prinzip nach Littrow beschrieben und die Funktionsnachweise vorgestellt. Innerhalb des experimentellen Teils kamen verschiedene Arten von Laserdioden zum Einsatz und wurden hinsichtlich ihrer Eignung für das gewünschte Ziel verglichen. Im Aufbau werden die Frequenz- und Temperaturstabilität untersucht und das Durchstimmverhalten der Wellenlänge getestet. Das Ergebnis ist ein funktionsfähiger Diodenlaser mit externem Gitterresonator. Der Laser besitzt einen modensprungfreien Durchstimmbereich von 2 GHz und eine Ausgangsleistung von bis zu 55 mW bei einer Emissionswellenlänge im Bereich von 632 nm bis 635 nm. Mit Hilfe einer geeigneten Reglung lässt sich dieser auf einen He-Ne-Laser frequenzstabilisieren.

In der Industrie und der Forschung besteht in zunehmendem Maße die Notwendigkeit von hochgenauen und variablen Kalibriermöglichkeiten für Thermometer. Um diesen Forderungen gerecht zu werden, kommen häufig sogenannte Blockkalibratoren zum Einsatz. Dieser Ermöglichen das Kalibrieren mit Hilfe eines Masterthermometers. An der TU Ilmenau wird im Moment ein Blockkalibrator entwickelt, der nach einem völlig anderen Funktionsprinzip arbeitet als bestehende Geräte. Um die Nachteile bisheriger Konstruktionen beseitigen zu können, ist es notwendig die Ursachen für diese Nachteile zu analysieren. Diese bestehen im Wesentlichen in den parallel zueinander, in das Gerät eingeführten Thermometern. Durch diese axiale Verschiebung des Prüflings und des Masterthermometers entstehen Abweichungen in der Temperatur, welche die Thermometer umgibt. Zudem sollen im Rahmen dieser Neukonstruktion drei Fixpunktzellen (FPZ) in den Blockkalibrator integriert werden. Es besteht aufgrund der Nichtlinearität der als Masterthermometer verwendeten Widerstandsthermometer die Notwendigkeit, dieses an den Phasenübergangstemperaturen von drei Fixpunktzellen zu kalibrieren. Diese haben den Zweck, eine Kalibrierung des Masterthermometers ohne dessen Ausbau vornehmen zu können. Der Blockkalibrator soll in einem Temperaturbereich von 20˚C bis 600˚C arbeiten. Durch die eingebrachten Fixpunktzellen werden die Messergebnisse direkt auf die aktuell gültige Internationale Temperaturskala (ITS-90) zurückführbar. Es wurden die Fixpunktmaterialien Indium (Erstarrungspunkt 156,5985˚C), Zinn (231,928˚C) und Zink (419,527˚C) verwendet. Als Mantelmaterial für die Fixpunktzellen wurde Aluminiumnitrid gewählt. Hierfür war vor allem seine hohe Wärmeleitfähigkeit verantwortlich. Kern dieser Arbeit ist, die optimale Anordnung der Fixpunktzellen im Blockkalibrator zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurden FEM-Berechnungen durchgeführt, in deren Rahmen sich die Temperaturverteilung und die Ausformung des Phasenübergangsplateaus optimieren lies. Nachdem die Randbedingungen der Simulation festgelegt waren, wurden verschiedene Geometrien erarbeitet. Anhand der gesteckten Ziele wurde eine Geometrie ausgewählt und näher untersucht. Es wurden die zeitlichen Verläufe der Phasenübergänge und die Totzeiten der Temperaturausbreitung zwischen verschiedenen Messstellen beleuchtet. Es konnten Gestaltungsrichtlinien aufgestellt werden, anhand derer die Anordnung der Fixpunkzellen auch bei späteren Änderungen an der Geometrie des Blockkalibrators oder an den Randbedingungen angepasst werden kann.

Das Ziel der Masterarbeit ist die Optimierung der Messung magnetischer Eigenschaften der Gewichte mit GK E1/E2 Genauigkeitsklasse mittels Gewicht Roboter Sartorius CCR 1000 ist. Es wurden Steuerprogramme für Roboter und Suszeptometer entwickelt, die die Lösung der Aufgabe ermöglichen. Die Sartorius Suszeptometer 05 und 06 wurden zur Messung der Suszeptibilität vorbereitet und ebenfalls Auswerteprogramme geschrieben und erprobt. Die Funktionstüchtigkeit für Messungen verlangte den Entwurf und Bau von Windschutzeinrichtungen. Die Ergebnisse zeigten, dass die entwickelten Verfahren zur Messung der magnetischen Parameter der Gewichte verwendet werden können. Es zeigte sich, dass die Messergebnisse deutlich verbessert werden können, wenn die Randbedingungen wie Temperatur, Wind, u.s.w. verbessert werden. Ebenfalls gilt das für den Magnetabstand Z0.

Das Ziel der Masterarbeit ist Entwicklung eines Algorithmus für Rekonstruierung der Oberflächentopologie aus dem Weißlichtinterferogramm. Insgesamt werden vier Methoden präsentiert, die eine Oberflächenrekonstruktion ohne Nutzung von a-priori Wissen erlauben. Alle diese Methoden basieren auf der Phasenbestimmung des Interferogramms. Sie können in zwei Gruppen unterteilt werden. Die erste Gruppe basiert auf der Amplitudenmodulation des Interferogramms mittels Quadratursignal. Die zweite Gruppe nutzt die Hüllkurve für Normalisierung des Interferogramms. Es wurden vier zusätzliche Algorithmen für Entfernung von unerwünschten Effekten entwickelt, die mit Problemen des normalisierten Signals, Unbestimmtheit der Phase sowie Vorzeichen- und Offsetfehlern der rekonstruierten Oberfläche verbunden sind. Zur Reduktion des Rauschens wurden digitale FIR Filter sowie die Wavelet-Transformation verwendet. Die Vorteile der Wavelet-Transformation wurden herausgearbeitet und eine Adaptierung für zwei-dimensional Datenfelder durchgeführt.

Die Regelung und Überwachung technischer Verbrennungsprozesse erfordert die Verwendung von hoch-dynamischen und äußerst zuverlässigen Temperaturfühlern bei Einsatztemperaturen von ca. 1000˚C und Gasgeschwindigkeiten von über 100 m/s. Dabei sind Temperatursprünge mit Änderungsgeschwindigkeiten von bis zu 1000 K/s und örtliche Gradienten von ca. 500 K/mm anzutreffen. Zum Zwecke der (Weiter)-Entwicklung solcher Sensoren ist es notwendig, entsprechende Prototypen unter annähernd realen Bedingungen hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens und ihrer Zuverlässigkeit zu untersuchen. Im Rahmen dieser Master-Arbeit wurde eine Versuchsanlage konzipiert und realisiert, welche die genannten Bedingungen realisieren kann und somit die Lücke zwischen theoretischer Entwicklung und Anwendung in der Praxis schließt. - Um die oben genannten Bedingungen darstellen zu können, kommt ein Messaufbau mit vorgelagertem Brennersystem und einer sich anschließenden Prüfstrecke zum Einsatz. Die sehr hohen Temperaturen von über 1000˚C machen eine Kanalkonstruktion aus Inconel601 sowie eine erhebliche thermische Dämmung der Rohrkonstruktion notwendig. Die für die Belastungs- und Dynamiktests notwendigen Temperatursprünge werden mittels einer in das System integrierten Sprungvorrichtung realisiert. Hierzu werden zwei gegenüberliegend installierte Probanden mit Hilfe einer pneumatisch angetrieben Lineareinheit wechselnd in die Prüfstrecke eingeschossen. Der Versuchsablauf kann dabei manuell über eine Bedienungseinheit oder vollautomatisch von einem Laptop aus angesteuert werden. - Erste Testmessungen konnten nachweisen, dass die Kenndaten bezüglich der geforderten Bedingungen sowie die Charakteristika der installierten Sprungvorrichtung erfüllt wurden. Demzufolge ist die Anlage für die Durchführung von Belastungstests bereits hinreichend ausgestattet. Für Forschungszwecke oder exakte Untersuchungen zur Dynamik von Thermometer-Prototypen ist es naheliegend zunächst eine intensivierte Untersuchung hinsichtlich der Konstanz und Reproduzierbarkeit der generierten Bedingungen anzustrengen.