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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.
Wirbelströme werden in der Mess- und Sensortechnik sehr erfolgreich benutzt, um berührungslos Risse und Abstände metallischer Halbzeuge zu bestimmen. Die Messung von Konturen ist mit diesem industrietauglichen Wirkprinzip bisher nicht realisiert worden. Hier werden häufig optische Messsysteme eingesetzt. Speziell bei glühenden Werkstücken oder bei Benetzung der Halbzeuge mit Bohremulsionen und Schneidölen steigt der Aufwand für den Einsatz optischer Systeme stark an. Messverfahren, die auf hochfrequenten Wirbelströmen basieren, sind aufgrund ihrer einfachen Aufbauten deutlich robuster und somit besser für diese Anwendung geeignet. Voruntersuchungen zeigten, dass mit dieser Methode schon kleine Geometrieabweichungen des Walzgutes von wenigen Mikrometern detektiert werden können. In diesem Beitrag werden zwei Möglichkeiten zur Messung der spektralen Impedanzbeeinflussung eines Messschwingkreises durch die Wirbelströme im Werkstück gegenübergestellt.
Im vorliegenden Beitrag wird das Phasen-Differenz-Verfahren zur Frequenzmessung der durch Rauschen gestörten Signale vorgestellt. Es wird gezeigt, dass Frequenzausreißer bei Anwendungen dieses Verfahrens entstehen, auch wenn das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ausreichend groß ist. Die Ursachen der Frequenzausreißer werden analysiert. Zur Korrektur wird ein Lösungsansatz vorgeschlagen. Im Vergleich mit anderen Verfahren kann das verbesserte Phasen-Differenz-Verfahren die Frequenz der durch Rauschen gestörten Signale mit größerer Genauigkeit und vertretbarem Rechenaufwand berechnen.
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.
Velocity Approximation of Hot Steel Rods Using Frequency Spectroscopy of the Cross-Section Area
(2019)
In this work, an approach for velocity approximation of hot steel rods based on frequency spectroscopy is presented. For this purpose, a sensor already implemented in a rolling mill for measuring the cross-sectional area of the rolling stock is used to obtain information about the velocity of the hot rods. Moreover, the effect of forward slip is briefly discussed.
Untersuchung des Einflusses von Längsrissen in Drähten auf die Impedanz eines Wirbelstromsensors
(2012)
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.