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The Divergent Pathways and Mechanisms of Energy Dissipation at the Interfaces of Martensitic Tribocouples
No full textThe requirements for technical systems subjected to friction and wear become more demanding, therefore the components are exposed to increasing stresses. Besides possible safety matters, failure of tribologically loaded systems cause tremendous maintenance costs. Due to the lack of reliable wear prediction models, tribometer tests are used in order to investigate wear behavior of materials and lubrication conditions.
For well-aimed optimizations of tribological contacts a comprehensive understanding of wear processes is necessary. However, the transferability of many studies into technical applications is arguable due to applied loads, lubrication conditions and material selection.
In this study specimens with different topographies and subsurface structures were investigated prior to and after tribological testing. The tests have been carried out under application related conditions regarding material properties, lubrication and loading conditions. The analyses of surface and subsurface characteristics were performed using complementary microscopy techniques, such as EBSD and TEM. Findings from microscopic analyses were linked to the frictional and wear behavior in order to gain information about energy dissipation and dissipative mechanisms within the respective system. The presence of a grain-refined layer appears to have a beneficial influence on the adaptation of the counterfaces and enhances the robustness of the tribosystems.
In addition wear debris was analyzed and different mechanisms of particle generation were discussed.Steigende Anforderungen an technische Systeme, welche Reibung und Verschleiß ausgesetzt sind, führen dazu, dass die eingesetzten Bauteile höheren Belastungen ausgesetzt sind. Abgesehen von möglichen Sicherheitsrisiken, führen Ausfälle tribologischer Systeme zu erheblichen Instandhaltungskosten. Das Fehlen zuverlässiger Modelle zur Vorhersage des Verschleißverhaltens bedingt den Einsatzt von Tribometerversuchen um das Verschleißverhalten von Werkstoffen und die Schmierungsbedingungen zu untersuchen.
Dabei setzt die gezielte Optimierung tribologischer Kontakte ein umfangreiches Verständnis der Verschleißprozesse voraus. Die Wahl der verwendeten Belastungen, Schmierungszustände und Werkstoffe vieler tribologischer Versuche führte jedoch dazu dass die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf technische Anwendungen kaum geben ist.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Proben mit unterschiedlichen Oberflächentopographien und oberflächennahen Gefügestrukturen vor und nach tribologischen Versuchen analysiert. Die Verschleißversuche sind bezüglich der Werkstoffeigenschaften, sowie der Schmierungs- und Belastungszustände unter anwendungsnahen Bedingungen durchgeführt worden. Die Analyse der Oberflächen und oberflächennahen Bereiche wurde mit Hilfe komplementärer mikroskopischer Methoden, wie EBSD und TEM, durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden anschließend mit dem Reibungs- und Verschleißverhalten korreliert um Informationen über Energiedissipation und dissipative Mechanismen in den jeweiligen Tribosystemen zu erlangen. Dabei zeigte sich, dass das Vorhandensein eines feinkörnigen Bereichs an der Oberfläche einen positiven Effekt auf die Anpassungsfähigkeit der Kontaktflächen und die Robustheit des Tribosystems zu haben scheint.
Zusätzlich wurden Verschleißpartikel analysiert und verschiedene Mechanismen der Partikelentstehung diskutiert
Improving the Fatigue Life Prediction of Automotive Components Using Simulated Strain Signal Methods
No full textThis study aims to determine a suitable approach for generating strain signal leading to fatigue damage estimation using a significant acceleration model. It was hypothesised that the simulated model could reproduce a characteristic strain signal in similar to the actual strain signal. Three strain signals, all at 120 seconds, measured at
the McPherson frontal coil spring of a Proton sedan had been used as a case study.
The strain signals were acquired from a data acquisition involving car movements on various types of road surfaces at different speeds. The strains were caused by accelerations of the tyre while the car was being driven on rough road surfaces. Using a mathematical expression that was developed for car movements, the measured strain signals yielded acceleration signals usually used to describe the bumpiness of road surfaces. Furthermore, the fatigue-based acceleration signals were considered as disturbances acting on the automotive suspension system. These disturbances on the car body had an effect on generating strain signals via computer-based simulation, as responses of the coil spring, in the form of strains. Based on the simulations, all the simulated strain signals showed similar patterns to the actual strain signals. The simulated results also gave low fatigue damage deviations, which were less than 7.5 %
for all the strain signals, with a root-mean square error of 0.011 % and a coefficient of determination of 0.9995. Furthermore, the extractions of higher amplitude cycle based on the energy of the wavelet transform were performed. From the extraction results, it
was found that the wavelet transform was able to shorten the strain signal time up to 95.3 % and that 96.1 % of lower amplitude cycles were reduced, which these cycles theoretically contribute to a minimum fatigue damage. Thus, maintenance of fatigue damage by more than 92.7 % was produced. The segments that resulted from the
extraction processes had been clustered using the Fuzzy C-means. The clustering results showed that the simulated strain signals had a significant coefficient of determination to the actual strain signals, reaching 0.8904 with a root-mean square error of only 0.5 %. Based on the cyclic testing results, the fatigue lives were distributed in a range of 1:2 or 2:1 correlation with a significant coefficient of
determination of 0.9056. The testing time was successfully reduced by more than 85.1 % using the edited actual strain signals. In addition, using the edited simulated strain signals reduced the testing time up to 95.1 %. Indirectly, the use of modified strain signals could reduce device operating costs. The current study results are believed to provide a new knowledge towards generating simulated strain signals.
Thus, the results bring greater meaning to the field of fatigue research. This work helps engineers in automotive industries involved in collecting road surface profiles, which are the main input for vehicle structures
Developement of a scanning light stimulation measurement setup and it's application on solar cell emitters from laserprocessed silicon nanoparticles
No full textDie vorliegende Arbeit befasst sich mit der Verbesserung der Fokussierung und der Auflösung von Systemen zur ortsaufgelösten, lichtinduzierten Stimulation (LS). In gängigen Systemen wird der Fokuspunkt des anregenden Lichtstrahls vor der Messung manuell eingestellt. Die hier vorgestellte Fokussiermethode hingegen basiert auf der Verwendung eines von der Probe unabhängigen Referenzpunktes, an dem der Fokuspunkt vorab ermittelt wird. Vor der eigentlichen Messung wird die komplette Probentopographie mit Hilfe eines Laser-Wegmesssensors bestimmt, sodass nachfolgend der korrekte Fokusabstand jedes einzelnen Messpunktes eingestellt werden kann. Dies ermöglicht es beispielsweise gegen die Tischebene verkippte, raue oder auch gebogene Proben korrekt zu messen. Unter Berücksichtigung des Lichtweges können auch verkapselte Proben (z. B. unter Glas) verwendet werden.
Die Fokussiermethode für LS-Systeme wurde anhand eines entwickelten Optical Beam Induced Current (OBIC)-Messplatzes zur ortsaufgelösten Bestimmung des Kurzschlussstromes von Solarzellen demonstriert, ist aber prinzipiell für alle LS-Systeme gültig. Die maximale Auflösung des OBIC-Systems ist in der Höhenschwankung des zur Probenpositionierung verwendeten xy-Tisches begrenzt. Durch die Anwendung der aus der CCD- und CMOS-Bildoptimierung bekannten Super Resolution (SR)-Methode ist es möglich, die maximale Auflösung des Systems zu verbessern. Dies wurde durch die Anpassung des SR Projection Onto Convex Sets (POCS)-Algorithmus an das OBIC-System sowie POCS-Ergebnissen mit resultierender, erhöhter Bildqualität gezeigt.
Am Beispiel von Siliziumsolarzellen, deren Emitterschichtdotierung durch einen Lasersinterprozess mit dotierten Siliziumnanopartikeln (Si-NP) realisiert wird, konnte die Anwendung der OBIC-Methode anhand von Prozessoptimierung sowie Parameter- und Fehleranalyse demonstriert werden. Durch die Hinzunahme eines Messplatzes zur Bestimmung der internen Quanteneffizienz wurde zusammen mit OBIC-Messungen unter Verwendung verschiedener Wellenlängen eine tiefenabhängige und ortsaufgelöste Analyse der Proben durchgeführt.This thesis shows an alternative principle to achieve optimal focusing conditions or rather the smallest possible beam diameter for scanning light stimulation (LS) systems. Usually, the focus adjustment is fixed and done prior to the light stimulated measurement by a manual process. The focusing principle introduced in this work is based on a reference point where the focus is adjusted independently of the measured sample. In addition, the topography of the sample is obtained in advance using a laser distance sensor. With this information the focus is adjusted in each LS measurement
point, ensuring optimal focus conditions all over the sample. Furthermore, the sample can be tilted, rough or bent and can have different surface materials. To measure encapsulated devices (e.g. covered by glass), the focusing process was modified to include changes in the optical pathway due to refraction.
The principle was implemented using a developed Optical Beam Induced Current (OBIC) system to measure the space-resolved short circuit current of solar cells, but can be applied to any other LS system. The resolution limitations of the OBIC system were evaluated, showing that the system is mainly restricted by the height fluctuations
of the used xy-table to move the sample. A widespread method to overcome the resolution limitation of imaging systems is the Superresolution (SR) technique, used in digital image processing. SR is a common approach to enhance the resolution of CCD and CMOS sensor images. Here it is demonstrated that SR can be applied with
LS systems. Thereby, the Projection Onto Convex Sets (POCS) algorithm was chosen and modified to suit the needs of LS systems, and a significant improvement in image quality was obtained.
The application of the developed OBIC system as a tool to optimize the production process and analyze parameters or failures, was demonstrated at the example of solar cells with an emitter dopant concentration produced by laserprocessed, doped silicon nanoparticles. Using OBIC measurements at different wavelengths in combination with internal quantum efficiency (IQE) measurements, the production process could be analyzed laterally and in depth
Motive für eine elliptische Kurve ohne komplexe Multiplikation
No full textWe provide an algebraic model of the idempotent complete rigid tensor subcategory DMEM(k, Q)E of Voevodsky’s triangulated category of geometric motives DMgm(k, Q), defined over a base field k of characteristic zero with rational coefficients, generated by the motive of a fixed elliptic curve E without complex multiplication. Our construction relies upon two major ingredients. The first is to study the general properties of commutative differential graded algebras in the category of representations of a reductive algebraic group with a non-trivial central cocharacter. This includes a description of the derived category of differential graded modules over a given algebra and a criterion for the existence of a t-structure on the derived category. The second ingredient is to use Friedlander-Suslin com- plexes to define a cycle complex for E, which is a commutative differential graded algebra over GL2. With these ingredients in hand, we apply the general theory to our particular cycle algebra and show the desired equivalence between the full subcategory of the derived category of differential graded modules over the cycle algebra consisting of compact objects and DMEM(k,Q)E.Wir konstruieren ein algebraisches Modell der idempotent-vollständigen starren ⊗-Unterkategorie DMEM(k,Q)E von Voevodskys triangulierter Kategorie von geometrischen Motiven DMgm(k,Q) über einen Körper k der Charakteristik Null mit rationalen Koeffizienten, erzeugt von dem Motiv einer festen elliptischen Kurve E ohne komplexe Multiplikation. Unsere Konstruktion beruht auf zwei Hauptbestandteilen. Der erste Bestandteil ist die Beschreibung der allgemeinen Eigenschaften der kommutativen, differentiell-graduierten Algebren in der Kategorie der Darstellungen einer reduktiven algebraischen Gruppe mit einem nicht-trivialen zentralen Cocharacter. Dies schließt eine Beschreibung der abgeleiteten Kategorie der differentiell-graduierten Moduln über einer gegebenen Algebra und ein Kriterium für die Existenz einer t-Struktur auf der abgeleiteten Kategorie ein. Der zweite Bestandteil ist die Konstruktion eines Zykluskomplexes für E mit Hilfe von Fridelander- Suslin Komplexen. Dieser ist eine kommutative differentiell-graduierte Algebra über GL2. Hiermit können wir die allgemeine Theorie auf unsere Zyklus-Algebra anwenden und damit die gewünschte Äquivalenz zwischen der vollen Unterkategorie der kompakten Objekte der abgeleiteten Kategorie der differentiell-graduierten Moduln über der Zyklus-Algebra und DMEM(k,Q)E zeigen
Analyses of Learning Process Sequences – a Video Study in Elementary School Science Classes
No full textEine im physikbezogenen Sachunterricht verbreitete Schwierigkeit scheint in der starken Fokussierung auf die handelnde Auseinandersetzung mit einem Experimental- bzw. Lerngegenstand zu liegen, ohne diesen zu reflektieren (vgl. Ohle, 2010). Dabei werden gerade reflektierende Phasen und denkende Auseinandersetzungen beim Experimentieren als wichtige Elemente des Lernprozesses angesehen (vgl. z.B. Hofstein & Lunetta, 2004; Abrahams & Millar, 2008). Der bewussten Sequenzierung mentaler Verarbeitungsprozesse, der sogenannten Tiefenstrukturierung, wird großes Potential unterstellt (Fischer et al. 2002), um solche „Hands-on-Minds-off“-Aktivitäten schon auf der Planungsebene zu vermeiden.
Oser und Kollegen (z.B. 2001) haben insgesamt zwölf Basismodelle zur Tiefenstrukturierung entwickelt, von denen drei relevant für den physikalischen Sachunterricht zu sein scheinen: Konzeptbilden, Lernen durch Eigenerfahrung und Problemlösen. Diese Annahme basiert auf Studien zum Physikunterricht, in denen sich die drei genannten Basismodelle als förderlich erwiesen haben (vgl. z.B. Wackermann, 2007, Zander et al. 2015). Für den Sachunterricht liegen allerdings kaum empirische Ergebnisse vor.
Ziel der vorliegenden Studie ist es, die Eignung der drei o.g. Basismodelle für den physikbezogenen Sachunterricht empirisch zu überprüfen. Inwiefern sich die o.g. Modelle eignen, wird auf drei Ebenen analysiert, denen sich drei übergeordnete Forschungsfragen zuordnen lassen:
F1 Die Ebene des Unterrichtsangebots: Inwiefern können die drei o.g. Basismodelle erfolgreich in den Sachunterricht implementiert werden?
F2 Die Ebene der Lernaktivität bzw. der Nutzung des Unterrichtsangebots: Inwiefern können die Schülerinnen und Schüler einem auf Grundlage der o.g. Basismodellen tiefenstrukturierten Sachunterrichtsangebot – inklusive der reflektierenden bzw. kognitiv ausgerichteten HKS – im intendierten Sinne folgen bzw. inwiefern nutzen sie es im intendierten Sinne?
F3 Die Ebene der Lernwirksamkeit: Inwiefern führt eine Unterrichtseinheit, die anhand der drei o.g. Basismodelle tiefenstrukturiert ist, zu einem Lernerfolg?
Zur Beantwortung der Forschungsfragen wurde eine Unterrichtseinheit entwickelt (Aggregatzustände und ihre Übergänge), die nach den o.g. Basismodellen tiefenstrukturiert wurde. Die Einheit wurde in fünf Klassen der vierten Jahrgangsstufe durchgeführt (n= 112).
Den Forschungsfragen 1 und 2 wird anhand einer quantitativen Analyse von Unterrichtsvideos nachgegangen. Hierfür wurden die Unterrichtstunden videografiert und sowohl das Unterrichtsangebot als auch die Nutzung des Angebots von der Seite einzelner Schülerinnen und Schüler wurden intervallbasiert kodiert. Die Kodierung zeigt gute Interrater-Reliabilitäten (.71< κ < .97). Eine kriteriengeleitete Analyse der Daten weist auf eine erfolgreiche Implementation der Basismodelle auf der Ebene des Unterrichtsangebots und eine effektive Nutzung dieses Angebots hin. Es lassen sich keine signifikanten Unterschiede in der Nutzung des Angebots zwischen Mädchen und Jungen sowie zwischen Schülerinnen und Schülern mit unterschiedlichen kognitiven Fähigkeiten finden. Das deutet darauf hin, dass sich die o.g. Basismodelle als Möglichkeit zur Tiefenstrukturierung im physikbezogenen Sachunterricht für Schülerinnen und Schüler mit unterschiedlichen Voraussetzungen eignen.
Für die Beantwortung der 3. Forschungsfrage wurde ein Prä-Posttest durchgeführt. Dafür wurde ein aus der PLUS-Studie vorliegender Paper&Pencil-Test zum deklarativen und konzeptuellen Wissen herangezogen (Kauertz et al., 2011). Der Test weist eine gute Reliabilität im Posttest auf (Cronbachs α post = .80). Es zeigt sich ein signifikanter Lernzuwachs zwischen erstem und zweitem Messzeitpunkt (p < .001) mit einer mittleren bis hohen Effektstärke (Cohens d = .77).
Die Ergebnisse lassen annehmen, dass eine Tiefenstrukturierung nach Oser et al. (z.B. 2001) im physikbezogenen Sachunterricht sowohl fachdidaktisch-konzeptionell als auch auf den drei o.g. Ebenen, also in Bezug auf das Lernangebot und die Lernaktivität bzw. Nutzung reflektierender Phasen und den Lernzuwachs sinnvoll ist.In elementary school, often physics topics are implemented with the aid of hands-on activities, using simple experimental devices (e.g. Ohle, 2010). But neither the content nor the procedures of these experiments are usually embedded in cognitive reflection or knowledge applications (ibid.). Particularly reflections, including planning, conducting and analyzing an experiment, are very important elements for learning science in all levels of education. Therefore it is essential, that „students [...] interact intellectually as well as physically“, otherwise the special potential of school laboratory activities will be lost (Hofstein, & Lunetta, 2004, 49).
So how an instruction should be designed to facilitate and initiate cognitive interaction?
This study is based on the models developed by Oser & Baeriswyl (2001). They describe 12 basis models of teaching as possible ways of structuring lessons. The models are based on the assumption that in order to enable successful learning processes, certain key steps need to be taken (ibid.). All basis models consist of a number of steps that depend on the teaching goal of the lesson. A suitable basis model for a particular lesson depends on the respective teachings goals. One important character of the basis models can be found in the reflective phases, as these phases allow students deeper cognitive involvement with the content.
Three of the basis models are stated to be essentially important for physics lessons (e.g. Wackermann, 2007), also at elementary level. These models enable the most common structures of experiments and hands-on-activities in elementary school: Learning through Experience, Problem Solving and Concept Building.
The aim of this study was to evaluate the efficacy of an implementation of the three learning sequences for elementary physics lessons. For that purpose, a teaching unit has been developed and taught in five elementary school classes (grade 4, n=112 students). The students’ ages ranged between 8 – 12 years. The unit addressing the topic of “evaporation and ¬¬¬¬¬¬condensation“ consists of five 90-minute lessons in which all three aforementioned basis models are implemented. The learning gain was measured with a pre-post-test. Interest, cognitive abilities and reading comprehension were controlled by adequate, corresponding instruments (PLUS-Interest scale, CFT R-20, ELFE). To analyze the quality of the implementation and the learning activities of the students, the unit has been videotaped. The quantitative analysis of the videos was based on a self-developed manual.
In order to prove the reliability of the coding manual, 40% of all videos were coded independently by two coders. A satisfying interrater agreement was reached for the sequencing of learning processes (.7 < κ < .97). The analysis shows that the basis models were implemented in a high quality way.
For the analysis of students’ learning activities, the videos of 20 students were coded individually. The students were chosen based on their learning gains, ten high- and ten low-achievers. The analysis showed that students can follow the implemented steps in general. No significant differences between the learning activities of boys and girls or students with higher or lower cognitive abilities can be found in the whole teaching unit.
The learning gain between pre- and post-test was highly significant (t(111) = 5,5 : p < .001) with a medium to large effect size (Cohen’s d = .77). The reliability increased from pre-test to post-test (Cronbach’s α pre = .59, Cronbach’s α post = .80), showing that the students knew more and guessed less after the teaching unit took place.
The study shows that an instructional model based on a composition of three of Oser & Baeriswyl’s basis models can be implemented in elementary school science classes with a high impact on the students’ learning achievement. The teacher is able to implement the learning sequences on a high quality level. Students with high and low learning gains and different cognitive abilities were able to follow the implemented steps in a similar way. It can be assumed, that the implemented basis models are an adequate way to structure science lessons in primary school
Application of Wavelets-based SVM Classification for Automated Fault Diagnosis and Prognosis of Mechanical Systems
No full textAnwendung der Wavelet-basierte SVM Klassifizierung für die automatisierte Fehlerdiagnose und -prognose mechanischer Systeme
In dieser Arbeit werden Techniken der Mustererkennung auf verschiedene Problemstellungen der Fehlerdiagnose und -prognose angewendet. Die untersuchten Anwendungen stellen reale industrielle Anwendungen dar, bei denen verschiedene Messeigenschaften (wie zyklische, impulsive, und periodische Signale), verschiedene Charakteristik der Erkennungsobjektiven (wie kumulativ und einmalige Ereignisse), verschiedene Betriebsbedingungen und -parameter der Maschine, und verschiedene Fehler und Erkennungssystemanforderungen (wie Verschleiß, Riss, und Objekterkennung; Systemzustand und Restlebensdauer) die modulare Mustererkennungsverfahren
und -techniken erfordern. Verschiedene Ansätze werden untersucht und angewendet, wie Support Vector Machine (SVM), Continuous Wavelet-Transform (CWT),Wavelet Packet Transform (WPT) und Diskrete Wavelet-Transform (DWT), und viele Konzepte und Lösungen werden vorgeschlagen und überprüft, um ein
zuverlässiges Zustandsüberwachungssystem zu erreichen, dass die Instandhaltungsplanung der Maschine unterstützt und die Produktionsqualität und Produktionskosten verbessert.
In der ersten untersuchten Anwendung in dieser Arbeit wird ein Ansatz für die Entwicklung eines Fehlerdiagnose- und -prognosesystems vorgestellt. Das System wird als Vorwarnmodul verwendet, um die Notwendigkeit für das Ersetzen von
Verschleißteilen von Produktionsmaschinen zu erkennen und die Restlebensdauer des überwachten Teils zu bewerten.
In der zweiten untersuchten Anwendung wird ein Produktionsverfahren überwacht. Ziel ist die Erkennung eines Objektes mit einer möglichst geringen Fehlalarmrate.
Die Signale beinhalten nichtstationäre, impulsartige bzw. einmalige Ereignisse. Ein weiteres Merkmal der Sensorcluster-Signale ist die nicht gleichzeitige Erzeugung von Ereignissen, die die Verwendung von geeigneten Entscheidungsfusionstechniken erfordert.
In der letzten untersuchten Anwendung, werden modell- und signalbasierte Verfahren für die Risserkennung und Prognose in rotierenden Maschinen untersucht, um eine Vorwarnung für Rotor-Risse zu erreichen für Online- Überwachung in Turbomaschinen.
Die angetroffenen Signale sind periodische Schwingungssignale mit kumulativen Auswirkungen der Fehlerereignisse.
Offene Fragen stellen sich bei den Themen Zustandsbewertung, Fehlerschweregrad und Restlebensdauer, basierend auf spezifischen Sensordaten mit besonderen anwendungsorientierten Eigenschaften. Diese Arbeit befasst sich mit diesen offenen
Fragen, um ein zuverlässiges Zustandsüberwachungssystem zu erreichen. Es kann festgestellt werden, dass Wavelets und SVM sehr nützliche Werkzeuge für die Merkmalsextraktion und Klassifikation im Bereich der Zustandsüberwachung sind. Der
Merkmalsraum von SVM ist nützlich für die Bewertung der verbleibenden Lebensdauer. Allerdings zeigt sich ebenfalls, dass angesichts der Herausforderungen anwendungsorientierte
Lösungen gefunden werden müssen.In this thesis, the application of pattern recognition techniques is considered for different kinds of fault diagnosis and prognosis problems and applications. The investigated applications represent real industrial applications, in which different measurement characteristics (such as cyclic, impulsive, and periodic signals), different recognition objective characteristics (such as accumulative and one-time events), different operational conditions and parameters of the machine, and different faults and detection system requirements (such as wear, crack, and object detection; System state and remaining life time) are challenging the existence of modular pattern recognition procedures and techniques. Different approaches are investigated and applied such as Support Vector Machine (SVM), Discrete Wavelet Transform (DWT), Wavelet Packet Transform (WPT), and Continuous Wavelet Transform
(CWT), and many concepts and solutions are proposed and verified, in order to achieve a reliable condition monitoring system, which supports the maintenance planning of the machine and adds value to the production quality and cost.
In the first investigated application in this thesis, an approach for developing a fault diagnosis and prognosis system is presented. The system is used as a prewarning module to detect the necessity for replacing wear parts of production machines and to evaluate the remaining life time of the supervised part. The sensor signals
encountered for processing are nondeterministic with cyclic nature related to the operation cycle of the machine.
In the second investigated application, the goal is to monitor a production process for online detection of a target object with the lowest possible false alarm rate. The signals encountered in the system of this work are characterized with nonstationary
impulsive one-time events representing the goal object. Another characteristic of the sensor cluster signals is the partly simultaneous stimulation of events which requires the use of suitable decision fusion techniques.
In the last investigated application, two main approaches used for crack detection and prediction in rotating machinery; model based and signal based, are investigated, in order to achieve a prewarning technique for rotor cracks to be applied for online monitoring in turbo-machinery. The signals encountered are periodic vibration
signals with accumulative impact of the fault incident.
Open questions arise in the issues of state evaluation, severity estimation, and remaining life time prediction, based on specific sensor data with particular applicationoriented characteristics. This work deals with these open questions, in order to achieve a reliable condition monitoring system. As a general conclusion of the work,
it can be stated that Wavelets and SVM are reliable tools for feature extraction and classification in the field of condition monitoring, and the feature space of SVM is useful for remaining life prediction. However; specific application oriented Solutions and tricks are necessary, considering the diversity of fault diagnosis and prognosis
problems and difficulties
Impact of Microstructure, Foreign Phases and Porosity on the Thermoelectric Properties of Nanocrystalline Diamond and Zinc Oxide Synthesized from the Vapor Phase
No full textDie direkte Wandlung von Wärme in elektrische Energie mittels Thermoelektrik könnte dazu beitragen, die Energieeffizienz wärmeintensiver Industrieprozesse zu erhöhen. Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren ist bisher jedoch recht gering. Ein wesentlicher Grund ist die geringe Gütezahl des thermoelektrischen Wandlermaterials, welches die zentrale Komponente eines solchen Generators bildet. Eine erhöhte Gütezahl wird häufig teuer erkauft, indem wenig verfügbare oder giftige Rohstoffe verwendet werden. Vorteilhafter erscheint der Ansatz, die Gütezahl des Materials mittels Nanostrukturierung zu steigern, indem seine Wärmeleitfähigkeit gezielt reduziert wird, ohne dass seine elektrische Leitfähigkeit gleichermaßen beeinträchtigt wird. Dann kann sich thermoelektrische Energierückgewinnung auch aus ökonomischer Sicht lohnen.
Im Rahmen dieser Arbeit werden bordotierter Diamant und aluminiumdotiertes Zinkoxid hergestellt und untersucht. Beide Materialien enthalten ausschließlich häufig vorkommende, ungiftige Elemente. Die festen Phasen werden als nanokristalline Folie oder als nanopartikuläres Pulver direkt aus der Gasphase synthetisiert. Das Pulver wird anschließend zu einem ausgedehnten, nanostrukturierten Festkörper verdichtet. Die Parameter dieses bottom-up-Prozesses bestimmen maßgeblich die chemische Zusammensetzung, die Mikrostruktur, die Porosität und die Fremdphasenanteile des Festkörpers. Diese Eigenschaften des Festkörpers haben wiederum maßgeblichen Einfluss auf seine thermoelektrischen Transportkoeffizienten.
Diese Arbeit zeigt erstmalig die thermoelektrische Gütezahl von bordotiertem, nanokristallinem Diamant, die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Transportkoeffizienten und deren Korrelation mit den mikrostrukturellen und chemischen Eigenschaften des Festkörpers. Die höchste dimensionslose Gütezahl beträgt nur 0,008 bei 900 °C, da die Nanostrukturierung nicht nur die Wärmeleitfähigkeit erheblich reduziert, sondern auch die elektrische Leitfähigkeit. Der Zusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit und den Eigenschaften des Festkörpers zeigt, dass die Streuung der Ladungsträger an den Korngrenzen geringer ist, wenn die Korngrenzen schmal sind und hohe Dotiereffizienzen erreicht werden.
Die thermoelektrischen Eigenschaften des mittels einer neuartigen Prozesskette hergestellten Zinkoxids hängen vor allem von nicht leitfähigen Volumenanteilen ab. Trotz einer hohen Porosität und weiteren zu optimierenden Parametern ergibt sich eine vergleichsweise hohe dimensionslose Gütezahl von 0,24 bei 680 °C, deren Wert allerdings um einen Anisotropiefaktor zu korrigieren ist. Die Streumechanismen der Ladungsträger in der elektrisch leitfähigen Phase weisen große Ähnlichkeiten zu denjenigen in Diamant auf, was auf eine gute Vergleichbarkeit der beiden Materialien zurückzuführen ist.
Versuche zur thermischen Stabilität der Materialien zeigen, dass sich die Eigenschaften von Diamant in inerter Atmosphäre selbst bei hohen Temperaturen nicht ändern. In nanokristallinem Zinkoxid sind Diffusionsprozesse wegen des Defektreichtums begünstigt, sodass die maximale Anwendungstemperatur auf 500 − 600 °C abgeschätzt wird.The direct conversion of heat to electricity by thermoelectrics might increase the energy efficiency of heat intensive industrial processes. However, the conversion efficiency of thermoelectric generators is yet quite low. A fundamental reason is to be found in the low figure of merit of thermoelectric conversion materials that make up the central component of such a generator. An increased figure of merit is often dearly bought as non-abundant or toxic raw materials are used. The enhancement of the figure of merit by nanostructuring the material seems to be a more advantageous approach. Nanostructuring selectively decreases the thermal conductivity without reducing the electrical conductivity in equal measure. In that case, thermoelectric energy recovery may also pay off economically.
Within the scope of this work, boron-doped diamond and aluminum-doped zinc oxide are produced and investigated. Both materials exclusively contain abundant, non-toxic elements. The solid phases are directly synthesized from the gas phase as a nanocrystalline foil or as a nanoparticulate powder. The powder is subsequently compacted into a nanostructured bulk. The parameters of these bottom-up-processes determine decisively the chemical composition, the microstructure, the porosity and the fractions of foreign phases of the solid. In turn, these properties of the solid decisively influence its thermoelectric transport coefficients.
For the first time, this work shows the thermoelectric figure of merit of boron-doped, nanocrystalline diamond, the interrelations between the single transport coefficients and their correlation with the microstructural and chemical properties of the solid. The highest dimensionless figure of merit amounts to only 0.008 at 900 °C because the nanostructuring not only reduces the thermal conductivity substantially, but also the electrical conductivity. The relation between the temperature dependence of the electrical conductivity and the properties of the solid reveals that the scattering of the charge carriers at grain boundaries is diminished when the grain boundaries are thin and the doping efficiencies are high.
The thermoelectric properties of zinc oxide, which is produced in a novel process chain, mainly depend on non-conductive volume fractions. Despite a high porosity and other parameters which are to be optimized, a comparatively high figure of merit of 0.24 at 680 °C is found, though this figure needs to be corrected by a factor accounting for anisotropy. The scattering mechanisms of the charge carriers in the electrically conductive phase exhibit a strong similarity to those in diamond, which can be traced back to a good comparability of both materials.
Experiments concerning the thermal stability of the materials show that the properties of diamond do not change in inert atmosphere even at high temperatures. In the nanocrystalline zinc oxide, diffusion processes are favored due to the abundance of defects so that the maximum application temperature is estimated to amount to 500 − 600 °C
Phase separation during CO2 absorption by monoethanolamine and diethanolamine in glycol ethers
No full textDurch den Anstieg der Treibhausgase auf Grund der Industrialisierung, insbesondere von Kohlenstoffdioxid (CO2), ist das Entgegenwirken der globalen Erwärmung zu einer wichtigen gesellschaftliche Herausforderung geworden. Fossile Kraftwerke sind einer der größten CO2 Emitter, daher hat ein intelligenter Umbau der Energieversorgung zu möglichst CO2 neutralen Verfahren einen großen Einfluss auf die CO2 Konzentation in der Atmosphäre. Um nicht vollständig auf die fossilen Brennstoff verzichten zu müssen, kann bei der Energiegewinnung durch eine zusätzlichen Verfahrensschritt das im Kraftwerk durch Verbrennung entstehende CO2 entfernt, transportiert und gespeichert werden. Diese Technologie ist als „Carbon Capture and Storage“ bekannt. Eine weitere vielversprechende Möglichkeit ist aus nachwachsenden Rohstoffen Energie zu gewinnen. In der Biogasherstellung wird Biomasse zu Methan vergärt. Die CO2 Bilanz ist neutral, da das bei der Verbrennung entstehende CO2 vorher im Lebenszyklus der Pflanze aufgenommen wurde. Durch die Entfernung von CO2 aus dem entstandenen Biogases wird der Brennwert erhöht.
In dieser Arbeit wurde mit einem System aus Diethylenglykolmonobutylether (DEGMBE) und Monoethanolamin (MEA) bzw. Diethanolamin (DEA) eine Phasenseparation während der CO2-Absorption erzielt. Dabei bilden die Carbamate eine eigenständige Phase aus. Das MEA-Carbamat liegt flüssig und das DEA-Carbamat kristallin vor. Es muss nicht, wie bei dem konventionellen Verfahren, das gesamte Absorbersystem zur Regeneration erwärmt werden. Daher bringt die Phasenseparation energetische Vorteile mit sich und verringert den Wirkungsgradverlust des Kraftwerks.
Bei einer Temperatur von 50 °C kann 90 % des eingesetzten MEA zu seinem Carbamat umgesetzt werden. Selbst bei einer Temperatur von 100 °C wird noch ein Umsatz von 73 % erzielt. Mit dem Phasendiagramm des ternären Systems aus MEA-Carbamat, MEA und DEGMBE kann der Verlauf der Absorption charakterisiert werden und gibt direkte Angaben zu der Phasenzusammensetzung des Systems. Bei einem Massenanteil von 30 % MEA beträgt der Anteil der schwereren Carbamatphase nach 90 % Umsatz 36,6 m% mit einem CO2-Anteil von 26,5 m%. Nur 4,5 m% des MEA-Carbamats sind in der oberen Phase gelöst und stehen dem Desorptionsschritt nicht zur Verfügung. Die Robustheit der Phasenseparation gegenüber Wasser ist sehr groß. Erst ab Wasseranteilen über 70 m% trennt sich das System nicht mehr und bleibt homogen. Die Affinität des Wassers ist zum Carbamat größer als zur oberen Phase, so dass das Wasser im Desorptionsschritt zum Großteil wieder entfernt werden kann.With an increase in greenhouse gases caused by industrialization, in particular through carbon dioxide (CO2), counteracting global warming became an important social challenge. Fossil power plants are one of the biggest emitter of CO2. Hence, an intelligent conversion of the energy supply to an if possible CO2 neutral method has a significant influence on the concentration of CO2 in the atmosphere. To avoid a complete abandonment of fossil fuels, it is possible to add a process step to the energy generation. Thus the CO2, which is a result of the burning process in the power plant, can be removed, transported and stored. This technology is known as “Carbon Capture and Storage”. Another highly promising possibility is energy generation through renewable resources. The bio mass ferments into methane during the biogas production. The CO2 balance is neutral, since the resulting CO2 during the burning process has been previously absorbed by the plant during its life cycle. The calorific value is increased by the removal of CO2 from the produced bio gases.
In this thesis, a phase separation during CO2 absorption was achieved with a system of diethylene glycol monobutyl ether (DEGMBE) and monoethanolamine (MEA) respectively diethanolamine (DEA). In the process, the carbamates form an independent phase. The MEA carbamate is liquid and the DEA-carbamate is crystalline. It is not necessary to heat up the entire absorber system for regeneration, like in the conventional processes. Hence, the phase separation yields energy benefits and decreases the efficiency loss of the power plant.
90 % of the used MEA can be converted to his carbamate at a temperature of 50 °C. Even at a temperature of 100 °C, a conversion of 73 % can be achieved. The process of the absorption can be characterized with the help of a phase diagram of a ternary system of MEA-carbamate, MEA and DEGMBE and delivers direct information on the phase composition of the system. With a mass fraction of 30 % MEA, the proportion of the heavier carbamate phase after 90 % conversion is 36.6 m% with a CO2 concentration of 26.5 m%. Only 4.5 m% of MEA-carbamates are dissolved in the upper phase separation and are not available for the desorption process. The robustness of the phase separation against water is very high. It is not until a water proportion of 70 m% that the system will not separate anymore and remains homogeneous. The affinity of water is higher for carbamate than for the upper phase, with the result that water in the desorption process can be eliminated to a large extent
Prediction of Microstructure and Mechanical Properties of Austenitic Cast Steel by means of the Thermal Analysis
No full textDiese Arbeit hat zum Ziel, über eine praxisnahe Messmethode die metallurgischen, gießtechnischen,
mechanischen sowie metallographischen Eigenschaften austenitischer Stahlgusssorten
frühzeitig aus der schmelzflüssigen Phase zu bestimmen. Dies ist bedeutend für eine
zeitnahe stabile und aussagefähige metallurgische Prozesssteuerung für jeden Gusswerkstoff.
Dieses Ziel wurde anhand einer Stahlgusssorte in einem statistischem Versuchsplan L9 (DoE)
mittels der Thermischen Analyse (TA), der Sauerstoffaktivitätsmessung (EMK) sowie der
Fließfähigkeitsuntersuchung untersucht. Die Anwendung der Thermischen Analyse und der
Sauerstoffaktivitätsmessung ist seit langer Zeit maßgeblich für die metallurgische Arbeit bei
der Herstellung von Graugusssorten GJL, GJS und GJV bekannt und ist Stand der Technik.
Jedoch beziehen sich die meisten Untersuchungen auf die schmelzflüssige Phase und die Keimbildung.
Die Vorgänge in der festen Phase werden selten behandelt. Der Stahlguss ist in dieser
Beziehung noch weitaus weniger erforscht. Es bestehen zwar Berechnungsmöglichkeiten,
die auch hier unterstützend verwendet wurden, jedoch basieren diese Berechnungen auf statischen
Analysen. Die TA ermöglicht das Betrachten der Erstarrung unter realen Bedingungen,
d.h. mit lokalen Entmischungen, den Einflüssen der Form und den erstarrungsmorphologischen
Eigenschaften. In der praktischen Durchführung der Versuche wurden aus Schmelzen
mit gezielt eingestellten Analysen Proben gegossen, aus denen die oben beschriebenen Eigenschaften
ermittelt werden konnten. Als Basis-Werkstoff diente der Gussstahl 1.4837, der
z.B. als Werkstoff für die Hochtemperaturanwendung eines Abgasturboladergehäuses Einsatz
findet. Daher lagen auch neben den Eigenschaften bei Raumtemperatur die Festigkeiten
bei 1050°C im Zielfokus. Die Variationen der Elemente Molybdän, Niob und Wolfram ermöglichten
die Erforschung eines praxisnahen, metallurgischen Fensters. Die Einflüsse der
Elemente auf die Zieleigenschaften, insbesondere aber auf die Hochtemperatureigenschaften
und die metallographischen Eigenschaften wie den Dendritenarmabstand, die Kornanzahl
und den Karbidanteil, wurden mittels der TA deutlich sichtbar gemacht. Die Ergebnisse der
Arbeit sind basierend auf der TA, den metallographischen und mechanischen Untersuchungen
als berechenbare Funktion der jeweiligen Messwerte hinterlegt. Als Ergebnis der Arbeit
ist festzustellen, dass es mit der Anwendung der TA möglich ist, für den oben genannten
Stahlwerkstoff die Zieleigenschaften der Festigkeit und der Gefügezusammensetzung aus der
schmelzflüssigen Phase zu bestimmen und somit ggf. eine direkte, Korrekturmaßnahme im
Schmelz- und Gießprozess durchzuführen.Target of this research was to investigate a relevant method to determine the metallurgical,
process and mechanical properties of the microstructure of austenitic cast steel at an earliest
possible state of the process. This is important for a short terminated and a significant
metallurgical process control of any type of cast metal. The target has been investigated for
austenitic cast steel. The measurements have been performed in order of a statistical trial
plan L9 (DoE) with the thermal analysis (TA), active oxygen determination (EMK) and
the fluidity test. The application of the thermal analysis and active oxygen measurement is
already state of the art for metallurgical process control within the production of CI, SGI
and CGI. But even though, the most investigations are focusing on the liquid phase and the
nucleation. The solid phase is rarely examined by means of the thermal analysis. Investigations
performed with the thermal analysis, regarding the solid phase morphology of cast steel, is
virtually not done. There are existing simulation and calculation tools, which have been used
supportive within this research work, but those are static regarding the chemical composition.
So local decompositions, impact of mould walls and special characteristics of the materials
solidification are not taken into account. In the experimental part of the investigation, heats
with specified compositions have been cast into defined specimens to evaluate the properties
mentioned above. As basis, the austenitic cast steel type 1.4837 has been used. It is used
for high temperature applications as turbo charger housings. That is the reason why in
addition to the mechanical properties at room temperature, also the mechanical properties
at 1050°C have been in the focus of this work. The variations of Molybdenum, Niobium and
Tungsten led to an investigation in a usable process window. The impact of the alloying
elements regarding the targeted properties, especially at high temperatures and properties
of the microstructure e.g. dendrite arm spacing, grain count and carbide content, have been
visualized by means of the TA. The results have been formulated as functions based on
data of the TA, analytical, micro structural and mechanical properties. As a result of the
investigation, it can be pointed out, that it is possible for the used austenitic steel to evaluate
the microstructure and mechanical properties out of the liquid state by means of the TA.
This enables a corrective control mechanism for metallurgical process control
Monitoring and Expressing Opinions on Social Networking Sites – Empirical Investigations based on the Spiral of Silence Theory
No full textSocial networking technologies such as Facebook are increasingly used for the exchange of information and opinions on politically and civically relevant issues. Drawing on the spiral of silence theory, this dissertation investigated the psychological mechanisms leading to the formation of opinion climates on social networking platforms. Specifically, this work focused on (a) whether and how users monitor other people’s opinions through these technologies and (b) under which circumstances they are willing to contribute to these opinion climates by voicing their personal viewpoint on these platforms.
These two processes were addressed by five empirical studies. Study 1 examined the effects of different opinion cues (available on Facebook) on people’s inferences about public opinion. Results of a two-session experiment showed that individuals’ fear of isolation sharpened their attention toward user-generated comments, which, in turn, affected recipients’ public opinion perceptions. The latter influenced subjects’ opinions and their willingness to participate in social media discussions. Study 2 explored the situational manifestations of people’s fear of isolation and environmental variables as influence factors of people’s outspokenness. Results from qualitative interviews revealed a variety of sanctions people expect from others when voicing a minority opinion and a series of factors such as the size or the relationship to the audience which could exert an impact on one’s willingness to express their opinion. Study 3 further investigated the expectations of sanctions and their explanatory value regarding people’s communication behavior in different situations. Findings from an experiment demonstrated that the expectation of being personally attacked can explain why people are more inclined to express a minority opinion in offline rather than in online communication settings. Study 4 tested whether the publicness of social networking platforms in terms of the size and relational diversity of the audience affect people’s outspokenness. Results from a cross-cultural experiment showed that in Germany, a higher level of publicness of a controversial discussion on Facebook reduced people’s likelihood to express their viewpoint. This pattern, however, was not found in Singapore. Study 5 analyzed whether the relationship to the audience determines people’s likelihood to express their opinion on Facebook. Findings from an experiment revealed no effects of relational closeness to the audience on outspokenness. Instead, people’s certainty about the prevailing opinion climate among the audience increased their willingness to voice their opinion on Facebook.
This collection of studies extends the previous state of knowledge by testing the validity of the spiral of silence theory but also pointing to potential boundaries thereof in the context of increasingly popular communication environments.Soziale Netzwerktechnologien wie Facebook werden immer mehr zum Informations- und Meinungsaustausch hinsichtlich politisch und gesellschaftlich relevanter Themen genutzt. Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Dissertation auf Basis der Theorie der Schweigespirale die psychologischen Mechanismen, die zur Bildung von Meinungsklimata auf sozialen Netzwerkplattformen führen. Dabei betrachtet diese Arbeit, (a) ob und wie Nutzer/innen anhand dieser Technologien die Meinungen anderer Menschen wahrnehmen und (b) unter welchen Umständen sie bereit sind, zu diesem Meinungsklima beizutragen und ihre Meinung auf diesen Plattformen zu äußern.
Diese zwei Prozesse wurden mit Hilfe von fünf empirischen Studien analysiert. Studie 1 untersuchte die Wirkungen von verschiedenen Meinungs-Hinweisreizen (auf Facebook) auf die individuelle Wahrnehmung der öffentlichen Meinung. Ein zweiwelliges Experiment zeigte, dass die dispositionelle Isolationsfurcht die Aufmerksamkeit auf nutzergenerierte Kommentare erhöhte, welche wiederum die Wahrnehmungen des öffentlichen Meinungsklimas beeinflussten. Diese wirkten sich auf die persönliche Meinung der Rezipient/inn/en sowie deren Bereitschaft, sich an dieser thematischen Diskussion auf Facebook zu beteiligen, aus. Studie 2 fokussierte die situativen Erscheinungsformen der Isolationsfurcht und Umgebungsvariablen als Einflussfaktoren der Redebereitschaft. Anhand der Ergebnisse einer qualitativen Interview-Studie ließen sich diverse Sanktionen identifizieren, die Menschen von ihrer Umgebung erwarten, wenn sie eine Minderheitsmeinung kundtun würden, sowie eine Reihe von Faktoren, etwa die Größe oder die Beziehung zum Publikum, die Einfluss auf die Bereitschaft zur Meinungsäußerung nehmen könnten. Studie 3 analysierte weiterhin die Erklärungskraft der erwarteten Sanktionen auf das Kommunikationsverhalten in unterschiedlichen Situationen. Ein Experiment zeigte, dass die Erwartung, von anderen persönlich attackiert zu werden, einen Grund darstellt, warum Menschen eher dazu bereit sind, eine Minderheitsmeinung in der Offline- als in der Online-Kommunikation zu äußern. Studie 4 testete, ob die Öffentlichkeit auf sozialen Netzwerkseiten im Sinne der Größe und Diversität des Publikums die Redebereitschaft von den Nutzer/inne/n beeinflusst. Die Ergebnisse eines kulturvergleichenden Experiments legten offen, dass der höhere Öffentlichkeitsgrad einer kontroversen Diskussion auf Facebook – in Deutschland – die Wahrscheinlichkeit senkt, dass Menschen bei dieser Diskussion ihren Standpunkt zum Thema äußern. Dieses Muster konnte in Singapur nicht festgestellt werden. Studie 5 untersuchte, ob die Beziehung zum Publikum die Redebereitschaft zu einem kontroversen Thema beeinflussen kann. Ein Experiment fand jedoch keinen Effekt der Beziehungsnähe zum Publikum auf die Bereitwilligkeit von Nutzer/innen, ihre Meinung zum Thema auf Facebook kundzutun. Stattdessen erwies sich die verspürte Sicherheit über das wahrgenommene Meinungsklima unter dem entsprechenden Publikum als entscheidend: Je höher diese war, desto eher waren Menschen bereit, ihre Meinung auf Facebook kundzutun.
Diese Studienreihe erweitert den aktuellen Forschungsstand, indem sie die Gültigkeit der Theorie der Schweigespirale, aber auch deren Grenzen in zunehmend beliebten Kommunikationsumgebungen aufzeigt