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Stationäre Rohrströmungen
(2024)
Im Rahmen der vorliegenden Bachelorarbeit in Kooperation mit der Hospitaltechnik Planungsgesellschaft mbH wurden die möglichen Effekte eines verteilten Alarmsystems von Dräger und tetronik auf die Arbeitsqualität der Pflegekräfte auf Intensivstationen untersucht.
Dazu wurde eine Online-Befragung via Microsoft Forms mit den Intensivpflegekräften der Karl-Hansen-Klinik in Bad Lippspringe und der Spezialklinik Jugenheim in Jugenheim durchgeführt. Hierbei besitzt die Intensivstation Bad Lippspringe das verteilte Alarmsystem der
Unternehmen Dräger und tetronik, wohingegen die Intensivstation Jugenheim keins besitzt. Mit Hilfe selbstständig durchgeführter Interviews wurden sowohl die befragten Intensivstationen in
ihrem Aufbau dargestellt als auch das verteilte Alarmsystem in seiner Beschaffenheit und Funktion vollständig erläutert. Die Daten aus der Online-Befragung wurden mit Hilfe eines einseitigen Zweistichproben t-Tests ungleicher Varianzen ausgewertet.
Die Auswertung der Online-Befragung ergab acht signifikante Ergebnisse, die auf eine bessere Arbeitsqualität in der Intensivstation mit dem verteilten Alarmsystems von Dräger und tetronik hinweisen. Jedoch fiel die Mehrheit der 25 Mittelwertsunterschiede nicht signifikant aus.
Schlussfolgernd ist davon auszugehen, dass der positive Effekt eines verteilten Alarmsystems auf Intensivstationen noch nicht zu genüge erreicht ist. Es ist daher anzustreben, dass das verteilte Alarmsystem weiterhin verbessert wird, sodass auch die restlichen untersuchten
Effekte signifikant werden.
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.
Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst ein Überblick über die Grundlagen des maschinellen Lernens und über verschiedene Methoden der digitalen Bildqualitätsbewertung gegeben.
Eine dieser Methoden wird näher betrachtet und es werden mögliche Probleme für das Training von neuronalen Netzwerken, insbesondere von Netzwerken zur Bildqualitätsbewertung herausgearbeitet.
Dieses Problem wird quantifiziert und es werden zwei grundlegende Verfahren zur Lösung entworfen. Dabei wird jeweils ein separates Konzept entwickelt und ausgewertet.
Die beiden Ansätze werden in einem direkten Vergleich unter verschiedenen Gesichtspunkten gegenübergestellt und es wird der vielversprechendere davon ausgewählt.
Der ausgewählte Lösungsansatz wird implementiert und in ein bereits existierendes Netzwerk zur Bildqualitätsbewertung integriert. Die Leistung des modifizierten Netzwerkes wird mit dem Original verglichen.
Sensor-/Aktorsystem zur Überwachung und Unterstützung der Thermoregulation von Intensivpatienten
(2023)
Diese Bachelorarbeit ist dem Thema Sensor-/Aktorsystem zur Überwachung und Unterstützung von Intensivpatienten gewidmet, einem Bereich, der durch schnelle Fortschritte in der Technologie und der Biomedizin beeinflusst wird. Hier bildet die Körperkerntemperatur einen entscheidenden Bestandteil und einen bedeutenden physiologischen Parameter, der nicht nur für die Funktion des menschlichen Körpers wesentlich ist, sondern auch wertvolle Informationen über den Gesundheitszustand eines Patienten liefert. Im Rahmen dieser Arbeit werden sowohl die physiologische Bedeutung als auch die technologischen Methoden zur Messung der Körperkerntemperatur behandelt. Das Ziel ist, ein Verständnis für die Notwendigkeit einer präzisen Überwachung dieser Parameter bei Intensivpatienten zu entwickeln, indem die Grundlagen der Körperkerntemperatur und ihre Bedeutung für den Organismus im Fokus stehen. Die Einbeziehung von Sensor- und Aktorsystemen in die Intensivmedizin verspricht eine bessere Pflege und klinische Entscheidungsfindung, was zu optimierten Behandlungsergebnissen führen kann. Das Thema der vorliegenden Arbeit hat eine Relevanz für die moderne Gesundheitsversorgung und intendiert wird, Einblicke in innovative Ansätze zur Verbesserung der Pflege von Intensivpatienten zu bieten. Zudem soll die Gesundheitsversorgung der allgemeinen Gesellschaft weiter vorangebracht werden.
In this scientific research, an innovative sensor system is developed to prevent child heatstrokes in vehicles. The system incorporates a 24 GHz Continuous-Wave (CW) radar system, which identifies vital signs of an infant through a 4-by-1 patch antenna array embedded in a specifically designed circuit board. Intelligent signal processing algorithms analyze data generated by the radar chip and execute processing tasks on a robust microcontroller. The child’s respiration
rate can be extracted qualitatively from the data in nearly real-time, enabling the system to differentiate between a child and a mere shopping bag on the seat. In the event of identifying a critical condition, the system transmits this information via a data bus to a central ECU within the vehicle. This ECU is integrated with GSM and GPS connections, allowing communication with the driver or emergency services. The development of the sensor system adheres to existing
automotive industry standards, featuring a cost-effective design intended as a prototype for large-scale production. Through rigorous evaluation across various scenarios, including realworld
situations with children, the sensor system is refined. The continuously reliable function of the developed radar-based sensor system holds the potential to save children’s lives, making
a major contribution to automotive safety.
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.
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.
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.
Um die Ziele der Bachelorarbeit schrittweise zu erreichen, wird im Folgenden eine Einführung in die DIN EN 80001-1 gegeben. Danach wird die Methode zur Einführung der Norm im AGAPLESION DIAKONIEKLINIKUM ROTENBURG präsentiert, wobei auf die Struktur der Dokumentation und die Einführung der Prozesse eingegangen wird. Im letzten Schritt wird die Implementierung anhand eines Beispiels durchgeführt. Hierbei wird geprüft, wie gut die Norm umsetzbar ist und welche Probleme dabei auftreten. In der Zusammenfassung werden alle Informationen verknüpft und die daraus resultierenden Probleme vorgestellt und anschließend diskutiert.
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.
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.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden Dehnungsmessstreifen (DMS)
mittels Faktor kalibriert, da die DMS unterschiedlich positioniert sind. Auf
Grund der manuellen Applikation stellen die DMS unterschiedliche Dehnungen
dar, dies soll mit Hilfe einer Kalibrierung der DMS verhindert werden. Damit
die DMS kalibriert werden können, werden die DMS in einer Viertelbrücke
gemessen und anschließend mit Hilfe einer Messkarte in Matlab eingelesen.
Im Matlab werden die Daten anschließend weiterverarbeitet, so dass jeder
DMS seinen eigenen Faktor bekommt. Anschließend werden die DMS in eine
Vollbrücke und Zweiviertelbrücke verrechnet, damit die reine Biegedehnung
sowie reine Zugdehnung berechnet werden kann.
In dieser Arbeit wird die Thematik Datenvisualisierung von Wissensgraphen behandelt. Durch den massiven Datenbestand in der heutigen Zeit und der immer stärker werdenden Digitalisierung ist die Notwendigkeit gestiegen, aus Daten effizient Wissen generieren zu können. Folglich wurde repräsentativ eine Graphbibliothek ausgewählt, um die Daten zu visualisieren. Umgesetzt wurde die Programmierung durch ein JavaScript Framework. Die Daten einer Wissensdatenbank wurden vom Betreuer bereitgestellt. Das übergeordnete Ziel der Arbeit ist eine verbesserte Darstellung von Wissensdaten in Form eines Wissensgraphen. Sinn und Zweck dahinter ist es, Beziehungen zwischen Daten verbessert erkennen zu können und gleichzeitig Informationen zu gewinnen, die auf den ersten Blick nicht sofort erkennbar sind.
Ziel dieser Arbeit ist es, ein grundlegendes Verständnis eines elektrisch betriebenen Lenksystems zu schaffen und dessen zugehörige Anforderungen und Analysen seitens der funktionalen Sicherheit darzustellen. Beginnend mit der theoretischen Darstellung des Lenksystems und den Normen wird im praktischen Teil der Arbeit diese Theorie angewandt. Zudem werden Autonomiestufen und deren rechtliche Grundlage in Deutschland aufgeführt und diskutiert.
Hierbei wird auf die Norm für die funktionale Sicherheit, die ISO 26262 und auf die Norm für die Sicherheit der Funktion, die ISO 21448 eingegangen. Es wird erläutert, welchen Zweck die Anwendung der ISO 26262 hat und wie sie aufgrund der zunehmenden Komplexität in der Automobilbranche durch die ISO 21448 (SOTIF) ergänzt wird. Dazu wird herausgearbeitet, wann die ISO 26262 an ihre Grenzen stößt und wie unabdingbar die Anwendung von SOTIF wird.
Einhergehend mit der technologischen Entwicklung und der zunehmenden Komplexität treten nämlich vermehrt Aspekte auf, die mit der ISO 26262 allein nicht abgedeckt werden können. Sicherheitsaspekte nehmen zu und verändern sich mit neuen Komfort- und Assistenzsystemen kontinuierlich. Daher ist es auf-grund der sich ändernden Technologien und derer Komplexität unabdingbar, bestehende Ansätze zu verbessern und zusätzliche neue Methoden für die Sicherheit des Endproduktes zu entwickeln und neben den etablierten Methoden anzuwenden.
Welchen Einfluss dies auf ein modernes Lenksystem hat und wie in diesem Zusammenhang das Zusammenspiel der ISO 26262 und ISO 21448 mit klassischen Methoden wie der Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) betrachtet werden muss, wird in dieser Arbeit dargestellt. Automobilhersteller sind heute bereits in der Lage Fahrzeuge automatisiert in bestimmten Betriebsgrenzen und Bereichen fahren zu lassen. Doch was muss getan werden, um sämtliche Betriebsgrenzen aufzuheben und ein Fahrzeug „autonom“ zu gestalten? Regulatorien, Standards und Richtlinien sind bereits heute auf dem besten Weg dorthin, doch ist es in der Praxis tatsächlich realisierbar?
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.
Die folgende Bachelorarbeit analysiert und wertet die Messdaten eines Niederschlagsensors aus, der auf dem induktiven Wirbelstromprinzip aufbaut. Der Sensor wird an der Hochschule Ruhr West im Institut für Mess- und Sensortechnik entwickelt. Er soll nach erfolgreicher Konfiguration die Niederschlagsintensität und die Tropfengröße über die Resonanzfrequenz der Spule ausgeben können. Um dieses Ziel zu erreichen, gibt die Bachelorarbeit eine Einschätzung, inwieweit das System für eine Niederschlagserfassung geeignet ist und welche Verbesserungen vorgenommen werden können. Dazu wurden die Messdaten in einer Regenkammer der Firma Lambrecht meteo GmbH erfasst. Für die Versuche wurden zwei Flachspulen mit Resonanzfrequenzen von 1,7 MHz und 8 MHz nacheinander ausgewertet. Die resultierenden Messdaten werden sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich auf Verhaltensmuster und Kennwerte untersucht. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass der Sensor aufgrund von äußeren Einflüssen und inneren Verhaltensweisen keine signifikante Antwort auf den Niederschlag ausgibt, um die Niederschlagsintensität und die Tropfengröße zu ermitteln. Dennoch zeigt sich, dass die Resonanzfrequenz der Spulen gegensätzliche Reaktionen hervorruft. Die Spule mit der Resonanzfrequenz von 1,7 MHz reagiert deutlich unempfindlicher auf äußere Einflüsse wie parasitäre Kapazitäten. Allerdings werden nur Regentropfeneinschläge bei hohen Niederschlagsmengen deutlich erkannt. Die Spule mit der Resonanzfrequenz von 8 MHz hingegen zeigt ein empfindlicheres Verhalten auf äußere Einflüsse. Zur Optimierung des Niederschlagssensors, muss dieser konfiguriert werden, damit er äußeren Einflüssen robust entgegenwirkt und den Niederschlag sensibel genug detektiert. Zudem müssen Ausreißer, die in der Frequenzanalyse entdeckt wurden und von den inneren Verhaltensweisen stammen, entfernt werden.
Gegenstand der hier vorgestellten Arbeit ist die Optimierung der Soft- und Hardware eines induktiven Niederschlagssensors im Rahmen des Verbundforschungsprojektes KIWaSuS (KI-basiertes Warnsystem vor Starkregen und urbanen Sturzfluten). Auf Grundlage von Testergebnissen in einem Testlabor für Niederschläge ergeben sich Optimierungsansätze zur softwareseitigen Behebung von fehlerhaften Daten, eine hardwareseitige Steigerung der Qualität und der Empfindlichkeit des verwendeten induktiven Wirbelstromsensors und der Verbesserung des Wasserablaufes auf der Oberfläche des Sensorgehäuses. Zur Durchführung der Optimierung wurde empirisch das Ausführen des zugrunde liegenden Programmes auf mögliche Konflikte analysiert und angepasst, die Hardware des Sensors modifiziert und auf seine Empfindlichkeit überprüft sowie die Neigung und das Abdichtungskonzept des Gehäuses verändert und bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass kapazitive Anpassungen der Spule zu einer starken Stabilität des Sensors führen und eine hohe Resonanzfrequenz eine Steigerung der Empfindlichkeit hervorruft. Zusätzlich verhindert die Ausführung des Programmes auf zwei getrennten Mikrocontrollern das Auftreten fälschlicher Daten. Anpassungen des Sensorgehäuses durch die Erhöhung der Neigung und die Verwendung eines randlosen Abdichtungskonzeptes führen zu einem höheren Abfluss, aber zu keiner Eliminierung der Frequenzänderung aufgrund der Masse des aufliegenden Wassers. Die Ergebnisse zeigen, dass vor allem die Anpassungen der Software und der Spulenkonfiguration die Stabilität und Empfindlichkeit des Messsystems steigert.
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.
The highly successful lecture series on the topic of measurement and sensor technologies as part of the IEEE Workshop at the University of Applied Sciences Ruhr West (HRW) is being continued in collaboration with the University of Siegen, the TU Chemnitz and the ITMO National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics in St. Petersburg. This time the event is featuring an even more international orientation by linking it with the Russian SENSORICA. The topics cover industrial and medical measurement technology as well as sensor technology in vehicles. Our event offers a platform for knowledge transfer between industry and public and commercial research institutions in the area of measurement technology.
This Abstract Book offers the opportunity of contacting speakers even after the event.
In addition we are very pleased to have selected contributions published in a special edition of the journal „tm Technisches Messen“ (De Gruyter Oldenbourg Verlag) again this year.
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
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
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.
A Large and Quick Induction Field Scanner for Examining the Interior of Extended Objects or Humans
(2017)
This study describes the techniques and signal properties of a large, powerful, and linear-scanning 1.5 MHz induction field scanner. The mechanical system is capable of quickly reading the volume of relative large objects, e.g., a test person. The general approach mirrors Magnetic Induction Tomography (MIT), but the details differ considerably from currently-described MIT systems: the setup is asymmetrical, and it operates in gradiometric modalities, either with coaxial excitation with destructive interference or with a single excitation loop and tilted receivers. Following this approach, the primary signals were almost completely nulled, and test objects' real or imaginary imprint was obtained directly. The coaxial gradiometer appeared advantageous: exposure to strong fields was reduced due to destructive interference. Meanwhile, the signals included enhanced components at higher spatial frequencies, thereby obtaining a gradually improved capability for localization. For robust signals, the excitation field can be powered towards the rated limits of human exposure to time-varying magnetic fields. Repeated measurements assessed the important signal integrity, which is affected by the scanner´s imperfections, particularly any motions or respiratory changes in living beings during or between repeated scans. The currently achieved and overall figure of merit for artifacts was 58 dB for inanimate test objects and 44 dB for a test person. Both numbers should be understood as worst case levels: a repeated scan with intermediate breathing and drift/dislocations requires 50 seconds, whereas a single measurement (with respiratory arrest) takes only about 5 seconds.
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.
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.
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.
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.
Der Bedarf an feuerverzinkten Stahlbändern ist besonders in der Automobilindustrie sehr groß und es werden zugleich immer höhere Qualitäten gefordert. Hierbei bildet vor allem die Homogenität der Zinkschichtdicke ein entscheidendes Qualitätsmerkmal. Um das Stahlband ausreichend vor Umwelteinflüssen zu schützen, muss eine, vom Kunden spezifizierte, Mindestzinkschichtdicke aufgetragen werden. Beim hier angewandten Verzinkungsverfahren durchläuft das Band ein Zinkbad und anschließend wird das überschüssige Zink berührungs-los mittels sogenannten Abblasdüse so abgetragen, sodass eine möglichst homogene Zinkschicht erhalten bleibt. Hierzu ist es notwendig den Abstand zwischen Band und Airknife konstant zu halten. Störende Bandbewegungen führen zu inhomogene Zinkschichtdicken, welche die Qualität der Verzinkung vermindern. Diese Qualitätsverminderung und der erhöhte Zinkeinsatz soll durch geeignete Maßnahmen verringert werden. Bisher eingesetzte berührungslose Bandstabilisatoren können die Bandbewegung im Allge-meinen dämpfen, jedoch treten noch Betriebszustände auf, in denen eine inhomogene Zinkschicht sichtbar ist. Die Ursache dieser Inhomogenitäten liegt in anlagenbedingten dominanten Schwingungen des Bandes, deren Ursache zu klären ist. Im vorliegenden Beitrag wird ein Modell der Bandbewegung vorgestellt, das durch die theore-tische Modellbildung und experimentelle Identifikation erstellt worden ist. Das Modell beschreibt die Bewegung des Bandes bezüglich ausgewählter Freiheitsgrade und ermöglicht die Analyse der kritischen Betriebszustände. Darüber hinaus soll dieses Modell zur Stabilisierung des Bandes in einer modellgestützten Reglung verwendet werden.
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.