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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.
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.
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.
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.
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 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.