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Methods of red-hot rod shape testing require a robust non-contact measurement principle as a touch point could lead to damages to the rod and the detection unit. Therefore a new basic approach based on high frequency eddy current (HFEC) has been investigated. Due to the robustness and the ability to determine the rod shape even above the Curie temperature this principle is especially well suited and can be implemented in the production process directly. The first automatic measurement setup was successfully developed with promising results. Hereby a defect of ovality was detected with a parallel RLC-oscillator. The capacity of this RLC-oscillator is constant whereas the inductance is the measurement part that varies due to eddy current interactions with the rod.
Optimization of Encircling Eddy Current Sensors for Online Monitoring of Hot Rolled Round Steel Bars
(2014)
Modern manufacturing industries are continually working on quality enhancements for the hot rolling process of round products. One method for improving the finalisation of the rods is the implementation of an automatic size control system. As a result of these trends over the last few years, there has been an increasing demand for more accurate online measurements. Thus the reason for the research performed for this thesis. A particular challenge throughout this research was dealing with the temperature changes (up to 1200°C) from the in- and output of the fervent rolling stocks, and the effect this temperature changes had on the sensors. Furthermore, there is also high demand for developing fast and practical electronic measuring equipment, capable of measuring during high transport velocities (up to 120 m/s). The eddy current principle is just one of the very few methods available which can with-stand such harsh industrial environments. In fact, eddy current sensors are already being integrated into online monitoring tasks for hot rolling processes. The measurement uncertainty, however, is still considerably large for process control purposes. One reason for this lies within the ability for eddy current detectors to receive signals influenced by outward forces, i.e. forces dependent on its location, its geometry, the outside temperature and the material properties of a particular target. Thus the current accuracy for a cross-sectional area measurement, for example, is no higher than 1%. As a result, this thesis investigates the magnitude of all individual influential factors on the eddy current detectors, using model-based analysis techniques. The analytical model provides a solution for all rotationally symmetrical targets and the FEA model covers all of the other influencing parameters in a more time consuming manner. This thesis then provides different methods which are developed to separate the cross-sectional area measurement of a rod from all of the other influencing parameters. In addition, a material tracking approach for round products is developed. Two different kinds of prototypes, capable of measuring approximately 466 Tons of red-hot steel rods during the production process, are finally introduced in this thesis. The usefulness of the eddy current principle is validated by the provided field test results. The count accuracy for the identification of 2876 bars was found to be 99.93%, and the average measurement accuracy for the cross-sectional area experiments was reduced to ± 0.29 % when including all of the findings.
Stationäre Rohrströmungen
(2024)
In dieser Arbeit wurde eine Motorsteuerung für mikrofluidische Peristaltikpumpen in Lab-on-a-Chip Systemen entwickelt. Neben der dafür notwendigen elektrischen Schaltung wurde viel Wert auf die softwareseitige Umsetzung gelegt. Zusätzlich zu der reinen Vorgabe von essentiellen Größen, wie beispielsweise der Drehzahl und dem damit geförderten Volumen, wird ein vielseitiges und zuverlässiges Steuerungssystem vorgestellt, das versucht Schwankungen im geförderten Flüssigkeitsstrom zu reduzieren. Um schon vor dem ersten Betrieb, des parallel zu dieser Arbeit gefertigten mechanischen Aufbau, die Leistung sowie Ausmaße der Schwankungen abzuschätzen, wurde der zu erwartende Volumenstrom auf Basis der geometrischen Ausmaße modelliert. Dadurch können Algorithmen zur Glättung des Flusses bereits in einer frühen Phase der Softwareentwicklung berücksichtigt werden. Für eine bessere Charakterisierung des mechanischen Aufbaus und Überwachung des Betriebs wurde das System um eine sensorlose Erkennung von Bewegungen des Motors ergänzt. Somit kann unter anderem die Zuverlässigkeit und Dimensionierung der verwendeten Motoren überprüft werden. Zusätzlich wurde der Prozess zum Verschweißen von thermoplastischer Elastomer Folie mit dem mikrofluidischen Chip optimiert.
In der modernen Medizintechnik ist die zuverlässige Funktionsweise von Geräten von entscheidender Bedeutung. Diese Bachelorarbeit befasst sich mit dem Zustandsmonitoring von medizinischen Geräten, um die verschiedenen Zustände von medizinischen Geräte zu erfassen.
Das Monitoring hilft dabei, die tatsächliche Nutzungsfrequenz der Geräte zu ermitteln. Ein verbessertes Verständnis der Gerätenutzung kann dazu beitragen, Kosten zu senken und das Gerätemanagement in Krankenhäusern zu optimieren.
Das primäre Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Datenverarbeitungsmethode für das Zustandsmonitoring von Medizingeräten mittels energiesparender Funk-Sensoren. Oftmals werden in Krankenhäusern mehr Geräte angeschafft als benötigt, und dennoch müssen alle Geräte gewartet werden, selbst wenn einige selten in Betrieb sind. Dies resultiert in unnötigen Kosten und Ausfallzeiten.
Für die Untersuchung wurde ein energiesparender Funksensor eingesetzt, der mit einem Stromsensor ausgestattet ist. Dieser erfasst den Stromfluss der angeschlossenen Geräte und kommuniziert online über das IoT. Die erfassten Daten wurden komprimiert und an das TTN (The Things Network) übertragen. Ein KI-Modell wurde mit den gesammelten Daten trainiert, um die verschiedenen Zustände der Geräte zu erkennen.
Die wichtigsten Ergebnisse zeigen, dass die Zustände der Geräte variieren und typischerweise in "AN", "AUS", "Idle-Modus" und "Im Betrieb" kategorisiert werden können. Sobald der Stromfluss einen bestimmten Wert erreicht, kann die KI bestimmen, in welchem Zustand sich das Gerät befindet. Dies bietet eine wertvolle Grundlage für ein verbessertes Management und Wartungssystem in Krankenhäusern.
Diese Arbeit konzentriert sich auf die Erstellung einer umfassenden technischen Dokumentation für ein Medizinprodukt der Klasse IIa gemäß den Anforderungen der Medical Device Regulation (MDR) 2017/745. Das Hauptziel besteht darin, eine konforme Dokumentation zu entwickeln, die alle wesentlichen Aspekte der Produktentwicklung, Herstellung und Verwendung abdeckt. Besonderes Augenmerk wird darauf gelegt, die regulatorischen Anforderungen der MDR zu erfüllen, um die Sicherheit und Wirksamkeit des Produkts zu gewährleisten und eine Zulassung für den europäischen Markt zu ermöglichen. Die verschiedenen Bestandteile der technischen Dokumentation, einschließlich klinischer Bewertungen, Risikomanagement, Validierungstests, Konformitätsbewertungen und Kennzeichnung, werden gründlich untersucht. Es wird eine systematische und strukturierte Herangehensweise präsentiert, um eine erfolgreiche Konformitätsbewertung für das hier beschriebene Medizinprodukt der Klasse IIa zu erreichen. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, die Qualität und Sicherheit des hier bearbeiteten Medizinproduktes der Klasse IIa zu verbessern und somit die Patientensicherheit zu gewährleisten.
Fat content of liver is an essential parameter to decide whether a liver is suitable for transplantation or not. The determination of fat content is often challenging and usually there is not enough time to bring a specimen to a pathologic laboratory. That is why transplantation clinics need a technique to measure the fat content of a graft. In this paper the theoretical basics and an existing laboratory setup are presented.
Inverter auf Basis der Pulsweitenmodulation dominieren in dem heutigen Stand der Technik. Wie bei den meisten elektronischen Einrichtungen entstehen während ihres Betriebs mehr oder weniger ungewollte Störungen, welche zur Beeinträchtigung der Funktion von anderen Geräten oder elektronischen Schaltungen führen. Die dafür angewandten technischen Gegenmaßnahmen scheinen meist aufwandmäßig hoch zu sein insbesondere bei kritischen elektrischen Einrichtungen. Dank der Resonanzinvertertopologie wird dieser Aufwand zum größten Teil erspart. Der Aufbau und die Funktionsweise der beiden Invertertopologien werden einzeln erläutert. Nach einigen Simulationsdurchführungen, welche unter verschiedenen Betriebsfrequenzen nacheinander erfolgen, werden die beiden Inverter gegenübergestellt und Mithilfe der Simulationsergebnisse verglichen. Aus den allgemeinen Vergleichen stellt sich heraus, dass die Resonanzinvertertopologie insbesondere bei niedrigen Frequenzen im EMV-Aspekt sowie unter Betrachtung der Leistungsfähigkeit den SVPWM-Inverter gewinnt. Während der Resonanzinverter in den niedrigen Frequenzen mehr Störaussendungen als der SVPWM-Inverter produziert, ist das Phänomen bei höheren Frequenzen eher invers.
Electro-magnetic acoustic transducers (EMATs) are intended as non-contact and non-destructive ultrasound transducers for metallic material. The transmitted intensities from EMATS are modest, particularly at notable lift off distances. Some time ago a concept for a “coil only EMAT” was presented, without static magnetic field. In this contribution, such compact “coil only EMATs” with effective areas of 1–5 cm2 were driven to excessive power levels at MHz frequencies, using pulsed power technologies. RF induction currents of 10 kA and tens of Megawatts are applied. With increasing power the electroacoustic conversion efficiency also increases. The total effect is of second order or quadratic, therefore non-linear and progressive, and yields strong ultrasound signals up to kW/cm2 at MHz frequencies in the metal. Even at considerable lift off distances (cm) the ultrasound can be readily detected. Test materials are aluminum, ferromagnetic steel and stainless steel (non-ferromagnetic). Thereby, most metal types are represented. The technique is compared experimentally with other non-contact methods: laser pulse induced ultrasound and spark induced ultrasound, both damaging to the test object’s surface. At small lift off distances, the intensity from this EMAT concept clearly outperforms the laser pulses or heavy spark impacts.
A simple copper coil without a voluminous stationary magnet can be utilized as a non-contacting transmitter and as a detector for ultrasonic vibrations in metals. Advantages of such compact EMATs without (electro-)magnet might be: applications in critical environments (hot, narrow, presence of iron filings…), potentially superior fields (then improved ultrasound transmission and more sensitive ultrasound detection).
The induction field of an EMAT strongly influences ultrasound transduction in the nearby metal. Herein, a simplified analytical method for field description at high liftoff is presented. Within certain limitations this method reasonably describes magnetic fields (and resulting eddy currents, inductances, Lorentz forces, acoustic pressures) of even complex coil arrangements. The methods can be adapted to conventional EMATS with a separate stationary magnet.
Increased distances (liftoff) are challenging and technically relevant, and this practical question is addressed: with limited electrical power and given free space between transducer and target metal, what would be the most efficient geometry of a circular coil? Furthermore, more complex coil geometries (“butterfly coil”) with a concentrated field and relatively higher reach are briefly investigated.
This experimental study demonstrates for the first time a solid-state circuitry and design for a simple compact copper coil (without an additional bulky permanent magnet or bulky electromagnet) as a contactless electromagnetic acoustic transducer (EMAT) for pulse echo operation at MHz frequencies. A pulsed ultrasound emission into a metallic test object is electromagnetically excited by
an intense MHz burst at up to 500 A through the 0.15 mm filaments of the transducer. Immediately thereafter, a smoother and quasi “DC-like” current of 100 A is applied for about 1 ms and allows an
echo detection. The ultrasonic pulse echo operation for a simple, compact, non-contacting copper coil is new. Application scenarios for compact transducer techniques include very narrow and
hostile environments, in which, e.g., quickly moving metal parts must be tested with only one, non-contacting ultrasound shot. The small transducer coil can be operated remotely with a cable
connection, separate from the much bulkier supply circuitry. Several options for more technical and fundamental progress are discussed.
Entwicklung einer Simulationsumgebung zur Ermittlung der Verluste Moderner Leistungstransistoren
(2023)
In dieser Bachelorarbeit liegt der Fokus auf der Simulation von Leistungselektronikkomponenten, wobei insbesondere MOSFETs und IGBTs im Mittelpunkt stehen. Der Verwendung von modernen Leistungshalbleiterbauteilen in elektrischen Schaltungen kommt eine immer größere Bedeutung zu, da sie die Effizienz und Leistungsfähigkeit von Energiewandlern und Invertern maßgeblich beeinflussen. Um ihre Funktionalität und Leistung unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen und optimieren zu können, ist die Simulation ein unverzichtbares Werkzeug.
Ein wesentlicher Schwerpunkt liegt auf dem Vergleich zwischen Silizium (SI) und Siliziumkarbid (SiC) MOSFETs in einem Halbbrücken-Inverter. Hierbei werden Simulationen unter verschiedenen Temperaturen durchgeführt, um die Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf das Verhalten dieser Transistoren zu untersuchen. Die Ergebnisse ermöglichen Einblicke in die Leistungsfähigkeit und Vor- und Nachteile der beiden Materialien in unterschiedlichen Anwendungen.
Des Weiteren wird die Simulation eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) eingehend untersucht. Dies umfasst die Analyse seiner elektrischen Eigenschaften sowie die Simulation und Darstellung der Einschaltverluste (EON) und Ausschaltverluste (EOFF). Die Simulationen werden mithilfe von LTspice durchgeführt, und die Verluste werden numerisch in MATLAB integriert. Diese Untersuchungen tragen dazu bei, das Verhalten von IGBTs in Schaltungen besser zu verstehen und tragen zur Optimierung von Leistungselektroniksystemen bei.
Die vorliegende Arbeit bietet somit einen umfassenden Einblick in die Simulation und Analyse von Leistungselektronikkomponenten unter verschiedenen Bedingungen und trägt zur Entwicklung effizienterer und zuverlässigerer elektrischer Schaltungen bei.
The detection of soil erosion processes in dams, hydraulic heave failure or corrosion processes of reinforcing steel in concrete are a small selection of measuring applications in civil engineering where the impedance analysis can be used to determine the measurand. Those measuring applications are having high requirements for the measuring hardware. For example a common interface for fast data exchange, high resolution, independent functionality and easy customizability to suit the measuring application. For that reason, a well-known application for steel-mill process monitoring can be used as a development platform. This hardware platform is based on a vector network analyzer and is meeting the requirements mainly. However, a couple of modifications has to be made, like replacing the ADC for a higher sample rate, Ethernet for easy and fast data exchange and the microcontroller for more calculation power.
Process diagnosis is an important method for improving product quality in rolling mills. In addition, the measurement of process variables such as roll gap, cross-sectional area, velocity, and volume flow of the material during production enables the implementation of model-based control concepts to improve product quality. The non-contact speed measurement of hot wire and bar is still a big challenge due to the rough environmental conditions and is solved mainly with optical measuring methods in production. The alternative measurement principle with eddy current sensors presented in this paper enables velocity measurement at locations in a rolling mill where optical measurement methods are not suitable.
Process Monitoring in Steel-Mills using Impedance Analysis: VNA Improvement for Data Acquisition
(2017)
The process automation extends over every manufacturing step of a product in the steel-mill to increase the quality, quantity and energy efficiency. The product dimensions are an important part of the quality control; these must maintain the specified tolerances. Additional to the cross-sectional-area, the measured data contains much more information about the manufacturing process, e.g. eccentricity, condition of the rolls and defects of the rod. For analyzing the measured data and to gather more information about the manufacturing process it is necessary to increase the speed of the data acquisition by performing some modifications of the VNA, e.g. faster analog to digital converter and microcontroller, improved firmware and optimized values of the passive electrical components for faster time constants and transient responses.
Rolling mills are continually improved and opti-mized by implementing innovative technology to decrease costs and scrap. Despite of the progressive automation and experience, some important process parameters can still not be determined with sufficient accuracy. As part of the research project PIREF, the velocity of the hot rolled rod shall be measured by using im-pedance analysis to estimate the volumetric flow rate of the mate-rial. For a high accuracy measurement of the impedance, a pow-erful VNA is used. To minimize errors in the measurement, caused by e.g. temperature drift, a correction of the measurement fre-quency is needed. This must be achieved without recalibration of the VNA to avoid faulty behavior of the online control. To solve this problem, an approach based on a polynomial regression is presented in this work.
The development of innovative measuring technology for process optimization in hot rolling mills becomes more and more relevant because of increasing demands on product quality. Measurement technology for high-resolution non-contact cross-sectional area measurement has shown that the variation in cross-sectional area contains information about the rolling process. This information can be used for the development of new measurement devices and analytical methods for process optimization. The harsh environmental conditions and strict safety regulations result in great effort when implementing a new sensor prototype in hot rolling mills. For this reason, this work presents a mechatronic test stand that can simulate the cross-sectional area variation under laboratory conditions realistically.
Efficient photoluminescence (PL) spectra from GaN and InGaN layers at temperatures up to 1100 K are observed with low noise floor and high dynamic resolution. A number of detailed spectral features in the PL can be directly linked to physical properties of the epitaxial grown layer. The method is suggested as an in situ monitoring tool during epitaxy of nitride LED and laser structures. Layer properties like thickness, band gap or film temperature distribution are feasible.
LEDs gelten als umweltfreundliche Beleuchtungstechnik. Für die Massenanwendung arbeiten die LED-Hersteller an einer Senkung der Kosten bzw. einer Erhöhung der Ausbeute, insbesondere bei der aufwendigen LED-Kristallbeschichtung auf den Wafern. Während der Beschichtung (MOCVD) werden optische In-situ-Messgeräte zur Überwachung des Prozesses genutzt. Die hier vorgestellte Untersuchung beschäftigt sich mit dem Einfluss von Super-Photolumineszenz-Effekten bei einer möglichen In-situ-Prozesskontrolle in der MOCVD.
Gallium Nitride (GaN) and Indium Gallium Nitride (InGaN) have become important semiconductor materials for the LED lighting industry. Recently, a photoluminescence (PL) technique for direct in-situ characterization of GaN and InGaN layers during epitaxial growth in a planetary metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) reactor was reported. The PL signals reveal – at the earliest possible stage – information about current layer thickness, temperature, composition, surface roughness, and self-absorption. Thus, the PL data is valuable for both controlling and optimizing the growth parameters, thereby promising both better devices and a better yield for the LED industry. This technical report describes an extension of this PL technique to close coupled showerhead (CCS) reactors with narrow optical viewports. In contrast to the wide aperture optics in previous investigations, a compact and all-fiber optical probe without voluminous lens optics, filter elements or beam splitters was used.
In this work we report the first quasi-continuous in-situ photoluminescence study of growing InGaN LED structures inside an industrial-grade metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) reactor at growth temperature. The photoluminescence spectra contain information about temperature, thickness and composition of the epitaxial layers. Furthermore, the in-situ spectra – even at an early stage of the growth of the active region – can be used to predict the photoluminescence emission wavelength of the structure at room temperature. In this study an accuracy of this predicted wavelength in the range of ± 1.3 nm (2σ) is demonstrated. This technique thus appears suitable for closed-loop control of the emission wavelength of InGaN LEDs already during growth.
Photoluminescence (PL) in GaN or InGaN layers monitored during epitaxial growth at high temperatures permits a quasi-continuous in situ characterization of opto-electronic properties. Therefore, epitaxial parameters can now be optimized at the earliest possible stage. A pulsed and high-power UV laser was required for PL excitation at high temperatures. Herein, the underlying nonlinear mechanism was studied via time-resolved PL experiments and rate equation-based modeling. A temperature-activated and saturable path for quenching over defects was identified. Beyond the saturation threshold, reasonably-intensive PL sets in. At high temperatures not only is the near band gap-PL present, but also—as a new observation—a defect-assisted PL emerges. Apart from these specific electronic transitions in high-temperature PL of GaN, a simple, but reasonably predictive model of the luminescent thin film has been set up to track down interference fringes in the PL spectra. It is worth mentioning that the spectral PL modulation (aiming at the Purcell effect) is often mixed up with ordinary Fabry–Pérot interference. A distinction has become key to properly analyze the spectral signatures of high-temperature PL in order to provide a reliable in situ characterization of GaN layers during epitaxial growth
Photolumineszenz (PL) aus Halbleiterstrukturen liefert Informationen bezüglich verschiedener Materialparameter wie z.B. Bandlücke, Schichtdicke sowie Temperatur. PL-Messungen werden klassischerweise erst ex situ und somit nach dem Produktionsprozess vorgenommen. Wird eine derartige PL-Messung während der Epitaxie einer Halbleiterstruktur und den damit verbundenen hohen Wachstumstemperaturen durchgeführt, erlaubt dies eine quasi-kontinuierliche In-situ-Charakterisierung der optoelektronischen Eigenschaften dieser Struktur zum frühestmöglichen Zeitpunkt, also noch in der Produktionsphase. Hierdurch wird eine In-situ-Optimierung der Prozessparameter ermöglicht, welche bei einer Ex-situ-Messung nicht gegeben ist. Die vorliegende Arbeit beschreibt zunächst theoretisch und dann anhand praktischer Messungen an industrienahen Epitaxie-Anlagen erstmals eine quasi-kontinuierliche In-situ-PL-Messung am Beispiel von wachsenden Nitrid-Halbleiterstrukturen. Über zeitaufgelöste PL-Messungen wird ein temperaturabhängiger Quenching-Mechanismus bei Gallium-Nitrid (GaN) und Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) aufgezeigt, welcher den Einsatz von gepulsten Lasern als PL-Anregungsquelle bei hohen Wachstumstemperaturen einer Epitaxie erforderlich macht. Mit In-situ-PL-Messungen können hierdurch erstmals verschiedene Parameter einer gerade wachsenden Halbleiterschicht charakterisiert werden. Neben der Bestimmung der Temperatur und der Schichtdicke einer wachsenden, auf InGaN basierten LED-Struktur wird auch die Möglichkeit demonstriert, in einem frühen Stadium des Wachstums einer LED-Struktur ihre spätere Emissionswellenlänge bei Raumtemperatur vorherzusagen, und dies mit einer Genauigkeit von ± 1,3 nm (2σ). Diese Arbeit zeigt somit neben den industriell etablierten Messtechniken, wie z.B. pyrometrische Verfahren, eine weitere Möglichkeit zur Prozessüberwachung einer Epitaxie auf.
Für eine Automatisierung des Walzvorgangs von rundem Walzgut muss die Geschwindigkeit bekannt sein. Wegen der gekrümmten Oberfläche von rundem Walzgut können nicht die gleichen Verfahren wie bei flachem Walzgut verwendet werden, ohne negativen Einfluss auf die Toleranz und Sicherheit zu nehmen. Unter Berücksichtigung der Umgebung des Walzwerks wurden zwei Kantendetektoren entwickelt, die einen Puls erzeugen, dessen Dauer der Zeit entspricht, die der Anfang oder das Ende des Walzguts vom ersten bis zum zweiten Kantendetektor benötigt. Durch den bekannten Abstand zwischen der Sensoren kann auf diese Weise über die Zeit die Geschwindigkeit berechnet werden. In dieser Arbeit wurde eine Auswerteelektronik entwickelt, die diese Zeit Intervalle mit einer Auflösung von 5 ns und einer maximalen Abweichung unter 0,002 % messen kann. Sie verwendet einen Synchrongleichrichter, wodurch verrauschte Signale gemessen werden können und einen 32-Bit Timer, der mit einer 200 MHz Taktquelle betrieben wird. Um die Kantendetektoren anzuregen wurde ein DDS implementiert, der 10V Sinussignale bis zu 20 MHz generieren kann. Alle digitalen Schaltungen wurden in einem FPGA implementiert.
Influencing Parameters on Measuring the Cross-Section Area of Hot Rolled Rods in Steel Industries
(2014)
Wirbelstromsensoren sind in der industriellen Messtechnik stark verbreitet. Insbesondere bei der Herstellung warmgewalzter Halbzeuge können sie durch ihre Robustheit gegenüber Wasserdampf und hohen Walzguttemperaturen überzeugen. Ein noch offenes Feld ist die In-Situ‐Detektion von Rissen im Draht während des Walzprozesses bei Walzgeschwindigkeiten bis zu 100 m/s und Materialtemperaturen bis zu 1200 ℃. Im Folgenden soll mittels der Finiten-Elemente-Analyse untersucht werden, wie sich Längsrisse im Draht auf Oberflächenströme und damit auf deren magnetische Flussdichte auswirken. Ziel ist es, Aussagen über den Einfluss verschiedener Rissbreiten und Risstiefen auf die magnetische Flussdichte zu machen und so einen möglichen Effekt auf einen Wirbelstromsensor untersuchen zu können.
Untersuchung des Einflusses von Längsrissen in Drähten auf die Impedanz eines Wirbelstromsensors
(2012)
Detection of air trapping in chronic obstructive pulmonary disease by low frequency ultrasound
(2012)
Background: Spirometry is regarded as the gold standard for the diagnosis of COPD, yet the condition is widely underdiagnosed. Therefore, additional screening methods that are easy to perform and to interpret are needed. Recently, we demonstrated that low frequency ultrasound (LFU) may be helpful for monitoring lung diseases. The objective of this study was to evaluate whether LFU can be used to detect air trapping in COPD. In addition, we evaluated the ability of LFU to detect the effects of short-acting bronchodilator medication.Methods: Seventeen patients with COPD and 9 healthy subjects were examined by body plethysmography and LFU. Ultrasound frequencies ranging from 1 to 40 kHz were transmitted to the sternum and received at the back during inspiration and expiration. The high pass frequency was determined from the inspiratory and the expiratory signals and their difference termed F. Measurements were repeated after inhalation of salbutamol.Results: We found signi ficant differences in F between COPD subjects and healthy subjects. These differences were already significant at GOLD stage 1 and increased with the severity of COPD. Sensitivity for detection of GOLD stage 1 was 83% and for GOLD stages worse than 1 it was 91%. Bronchodilator effects could not be detected reliably.Conclusions: We conclude that low frequency ultrasound is cost-effective, easy to perform and suitable for detecting air trapping. It might be useful in screening for COPD
In modernen Prüffeldern zur Warenendkontrolle dienen halbleitergesteuerte Frequenzumformer zur Einstellung der Drehzahl. Diese Systeme verursachen erhebliche Störungen der Strom- und Spannungssignale. Aus diesen Signalen müssen alle elektrischen Kenngrößen berechnet werden. Eine besondere Bedeutung haben dabei die Frequenz und Phasenlage. In diesem Beitrag wird ein mathematischer Algorithmus vorgestellt, der zur Berechnung von Frequenz und Phasenlage bei guter Unterdrückung dieser Störungen eingesetzt werden kann.
The harmonic and interharmonic analysis recommendations are contained in the latest International Electrotechnical Commission (IEC) standards on power quality. Measurement and analysis experiences have shown that great difficulties arise in the interharmonics detection and measurement with acceptable levels of accuracy. In this paper, the spectral leakage problems of the discrete Fourier transform due to synchronization errors of interharmonics are analyzed. The time-domain averaging is investigated for the processing of harmonics in the framework of the IEC standards. A difference filter is proposed to detect interharmonics and can be compatible with the IEC standards. Simulations and the field results show the usefulness of the proposed methods.
In dieser Arbeit wird das Problem der "Kontrolle mehrerer Quadrokopter zur Durchführung einer kooperativen Aktion"diskutiert. Das Hauptproblem dieses Themas ergibt sich aus der Komplexität der Positionsbestimmung und Identifizierung von Quadrokopter, insbesondere in komplexen Umgebungen bei der Durchführung kooperativer Aktionen.
Ziel ist durch Python die Entwicklung eines Verfolgungs- und Steuerungssystems, bei dem einer der Haupt-Quadrokopter (grüne Farbe) von einer Handy-App gesteuert wird und jede beliebige Position anfliegen kann, während die anderen Quadrokopter (rot markiert) ihm automatisch folgen und eine bestimmte Formation einhalten, so
dass eine Zusammenarbeit möglich ist. Diese automatische Verfolgung basiert auf der Positionserfassung des Quadrokopters durch zwei feste Kameras im Raum und der Ausführung der zugehörigen Algorithmen.
Die in diesem Beitrag vorgeschlagene Methode basiert auf der Farbsegmentierung zur Erkennung von Quadrokoptern und zur Bestimmung ihrer Weltkoordinaten mit Hilfe eines konvergenten binokularen Kamerasystems. Durch Anwendung der Stereo-Vision- Matching-Methode, die auf dem Global-Optimum-Algorithmus basiert, wird der Abgleich
der Bilder abgeschlossen und die Weltkoordinaten aller Quadrokoptern werden bestimmt. Schließlich folgt der rote Quadrokopter der Bewegung des Hauptquadrokoptern und arbeitet mit ihm zusammen, um die vorgegebene Aufgabe zu erfüllen. Am Ende dieses Artikels wird deutlich, wie das System entworfen, entwickelt und getestet wurde.
Mit dieser Arbeit sollen unterschiedliche Einflussfaktoren und deren Auswirkung auf die Zuverlassigkeit
der mechanischen und elektrischen Bauteile eines Bohrmoduls aufgezeigt und miteinander verglichen werden.
Dazu werden zwei Zuverlassigkeitsanalysen mit je zwei verschiedenen Szenarien durchgeführt und
ausgewertet.
Das Szenario basiert auf der von der National Aeronautics and Space Administration (NASA) geplanten
Mission die Mondoberfläche und ihre oberen Gesteinsschichten zu analysieren. Zur Bewältigung dieser
Aufgabe soll ein mobiler Roboter mit einem Bohrmodul ausgestattet werden, um an unterschiedlichen Orten
auf der Mondoberfläche Bodenproben zu analysieren. Es sollen die Bohrungen bis zu einem Meter Tiefe durchgeführt werden. Ziel der Mission soll sein, die Geologie des Mondes zu erforschen [1].
Dieses Szenario dient als Grundlage die Zuverlässigkeit des Bohrmoduls unter extremen Bedingungen
zu ermitteln. Dabei stellt sich die Frage danach, welchen Einfluss verschiedene Temperaturen und
weitere Faktoren auf die Zuverlässigkeit des Bohrmoduls haben.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Durchfuhrung einer Zuverlässigkeitsanalyse eines Bohrmoduls unter Hinzunahme
zwei verschiedener Standards unterschiedlicher Herangehensweisen. Dabei gibt jeder Standard eine
andere Art der Durchführung vor. Dabei ist das NSWC-10 stark abhängig von den konstruktiven Eigenschaften,
der FIDES von den vorherrschenden Umweltgegebenheiten. Die Analysen der Zuverlässigkeit
des Bohrmoduls werden sowohl für ein Erdszenario als auch für ein Mondszenario mit ihren jeweiligen
unterschiedlichen Gegebenheiten durchgeführt. Während der Analysen werden weitere Einflussfaktoren in
den Berechnungen berücksichtigt, die in den Standards als solche nicht aufgeführt werden. Zu diesen zählen
unter anderen die Temperaturschwankung auf dem Mond und das dort vorherrschende Vakuum. Diese
finden Berücksichtigung, um die extremen Bedingungen des Mondszenarios besser repräsentieren zu können.
Letztlich werden die beiden Standards hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit auf jene Szenarien bewertet,
die ermittelten Ausfallraten erläutert und die Einflussfaktoren miteinander verglichen.
Zur Ermittlung der Zuverlässigkeit des Moduls werden vorab die Szenarien definiert und die konstruktiven
Eigenschaften der Bauteile ermittelt. Anschliesend wird die erste Zuverlässigkeitsanalyse mit
Hilfe des NSWC-10 durchgeführt. Dazu werden die einzelnen Ausfallraten der Bauteile bestimmt und verglichen.
Neben den vorgegeben Einflussfaktoren werden, falls möglich, spezifische Gegebenheiten des
Szenarios auf dem Mond einbezogen und diskutiert. Die zweite Zuverlässigkeitsanalyse erfolgt auf der
Grundlage des FIDES. Vorab werden dazu die einzelnen Betriebszustände eines Tages definiert, welche
als Grundlage für die weiteren Berechnungen dienen. Es wird versucht, den Tagesablauf des Roboters so
präzise wie möglich zu simulieren. Anschliesend kann die Ausfallrate des Bohrmoduls in Abhängigkeit
der vom FIDES vorgegebenen Einflussfaktoren ermittelt werden. Letztlich werden die ermittelten Werte
6 1 Einleitung
der beiden Standards miteinander verglichen, sowie mögliche Grenzen und Problematiken der Standards
aufgezeigt.
The transurethral resection (TUR) is a standard technique in urological treatment procedures. Both, monopolar and bipolar electrosurgical systems, are used for TUR. Whereas electrical and physical processes in surgery surroundings are well understood for monopolar systems, there is no sufficient data base for the assessment of the processes with the use of bipolar systems. In this context a multi-electrode measuring system was developed to visualize the spatial potential distribution around bipolar electrosurgical devices as a first step to risk analysis. To simulate the anatomic surroundings of a transurethral surgery a cylinder filled with isotonic saline solution was used as a complexity reduced experimental environment.
The transurethral resection (TUR) is a standard technique in urological treatment procedures. Both, monopolar and bipolar electrosurgical systems, are used for TUR. Whereas electrical and physical processes in surgery surroundings are well understood for monopolar systems, there is no sufficient data base for the assessment of the processes with the use of bipolar systems. In this context a multi-electrode measuring system was developed to visualize the spatial potential distribution around bipolar electrosurgical devices as a first step to risk analysis. To simulate the anatomic surroundings of a transurethral surgery a cylinder filled with isotonic saline solution is used as a complexity reduced experimental environment. Investigations about time stability and a qualitative assessment of the experimental set-up show deviations of measured values less than 5%. This is sufficient for further analysis of calculated power loss density distributions based on measured potential distributions. The spatial potential distribution around a bipolar devices is presented by horizontal and vertical sections through the experimental environment.
Die transurethrale Resektion der Prostata (TUR-P) ist der Gold Standard für die endoskopisch-chirurgische Behandlung der Benignen Prostatahyperplasie (BPH). Unbekannt ist jedoch, ob bei der bipolaren TUR-P die Möglichkeit von elektrothermischen Verletzung von benachbartem nichtopertiertem Gewebe besteht. Grund hierfür könnten höhere Ausgangsleistungen der Chirurgie-Generatoren sein. Deshalb werden experimentell gemessene Werte der räumlichen Verlustleistungsdichte um ein bipolares Resektoskop als Quellterm für die Berechnung der Temperaturänderung im operationsnahen Gewebe verwendet. Die Temperaturberechnung basiert auf der numerischen Lösung der Wärmeleitungsgleichung nach Penne. Für die gewählten Randbedingungen und Eingabeparameter sind keine signifikanten Temperaturerhöhungen im Berechnungsgebiet am proximalen Ende des Resektoskop-Schaftes festzustellen. Um ein umfassendes Verständnis zu gewinnen sollen weiterführende Untersuchungen mit einer Variation der Randbedingungen und Eingabeparameter durchgeführt werden
Bipolar electrosurgical systems are used for the treatment of benign prostatic hyperplasia (BPH) in urology. In order to analyse electrothermal processes during surgery the power loss density distribution around a bipolar resectoscope is calculated out of the measured potential distribution in isotonic saline solution ex situ. During further analysis power loss density values act as input for the Penne's bioheat equation. To achieve results, which are as realistic as possible, a method to obtain power loss density values, depending on the observed tissue or medium in the operating field, is presented. Applying this method, the power loss density distribution in isotonic saline solution at 25 °C is compared to the distribution calculated for the average conductivity of biological tissue in the region of interest.
To analyze the electric field around bipolar resectoscopes, used in urology, in terms of reasons for late complications after a surgical treatment a flexible multielectrode system was developed to measure the 3-D potential distribution. A high spatial resolution is achieved with the least possible individual measurements under the conditions of a quasi-static electric field. A flexible arrangement and positioning of the measuring points in the vertical direction of the experimental environment enable an adjustable spatial resolution and the selection of the region of interest. The existing influence of the multielectrode system on the measuring results is described and a correction method is presented to achieve significant results. Thus, the multielectrode system is usable for a comparative study of bipolar resectoscopes varying in the arrangement of resection and return electrode.
The bipolar transurethral resection is a further development of monopolar transurethral resection, being the gold standard in surgical treatment of prostate and bladder diseases. To create the metrological basis for understanding of electrical and physical processes during bipolar transurethral resection an experimental set-up to visualize spatial potential distribution around bipolar devices was developed. A hardware based signal conditioning and specific undersampling are presented as data acquisition methods for a sampling rate up to 1 MS/s. These methods are compared with the possibilities of a high speed data acquisition card. For more than four measuring channels and depending on the output bandwidth of the electrosurgical generator either hardware based signal conditioning or specific undersampling is suggested.