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Elektromechanische Modellierung und Simulation dünner Herzgewebekomposite
No full textIn dieser Arbeit wird ein Aufblasversuch für in vitro Herzgewebe im Rahmen der Finite Elemente Methode (FEM) modelliert und simuliert. Ziel ist dabei insbesondere die Simulation von Medikamentenwirkung auf auto-kontraktile Herzgewebe bestehend aus von human-induzierten pluripotenten Stammzellen abgeleiteten Kardiomyozyten und der Abgleich mit hausinternen experimentellen Resultaten und mit Literaturdaten. Für das sehr dünne Kompositmaterial wird ein Schalenmodell aufgestellt und mit Hodgkin-Huxley basierten Differentialgleichungssystemen gekoppelt, die die zelluläre Elektrophysiologie beschreiben. Zusätzlich wird die kanten-basiert geglättete FEM auf ihre Anwendbarkeit auf biomechanische Schalenprobleme hin untersucht. Diese Methode glättet
die elementweise konstanten, kompatiblen Dehnungen über Elementgrenzen hinweg und erreicht so eine höhere Genauigkeit, als die Standard FEM. Darüberhinaus eignet sie sich in besonderem Maße für die Berechnung auf stark verzerrten Elementen, die bei
automatischer Netzgenerierung für anatomische Strukturen häufig entstehen.
Zunächst werden die verwendeten Schalen- und FE-Theorien, die elektromechanischen Grundlagen von Herzgeweben, sowie von Medikamentenwirkung und einschlägige Modelle vorgestellt. Im Anschluß wird das Modell auf den Aufblasversuch angewandt, an
dem die Qualität und die Fähigkeit des Modellsdikamentenwirkung auf Herzgewebe vorherzusagen, validiert und beurteilt werden.This work models and simulates an inflation test for in vitro cardiac tissues in the framework of the Finite Element Method (FEM). It focuses on the simulation of drug treatment of autonomously beating cardiac tissue consisting of human-induced pluripotent stem cell-derived cardiac myocytes and the validation based on in-house experimental results and on literature data. The ultra-thin composite material is modeled as a shell that is coupled with Hodgkin-Huxley based systems of differential equations describing the cellular electrophysiology. Additionally, the edge-based smoothed FEM is investigated concerning its applicability to biomechanical plate problems. This method achieves a higher accuracy than the standard FEM by smoothing the element-wise constant compatible
strains over the edges of the finite element mesh. It is especially beneficial in the computation of strongly distorted elements that are often created by automatic meshing of anatomical structures.
The thesis starts by introducing the employed plate and FE theories, the electromechanical basics of cardiac tissue as well as of drug treatment and corresponding computational models. The model is then applied to the inflation test that serves as the validation basis
for the quality and the ability of the model to predict drug effects on cardiac tissue
Optimierung von FLM-Bauteilen durch chemische Nachbearbeitung sowie deren Einsatz in der Galvanik
No full textDie vorliegende Dissertation befasst sich mit dem Fused Layer Modeling (FLM), einem der additiven Fertigungsverfahren. Kennzeichnend für diese Fertigungsverfahren ist das schichtweise Erzeugen von Bauteilen. Verfahrensbedingt kommt es dabei zu einem sogenannten Treppenstufeneffekt sowie zu anisotropen Bauteileigenschaften. Im Rahmen der Arbeit konnten Erkenntnisse über eine Methode der Nachbearbeitung von FLM-Bauteilen gewonnen werden, die den derzeitigen Kenntnisstand erweitern und neue Einsatzgebiete für die Technologie eröffnen. Die Bauteile werden zur Optimierung mit Chemikalien behandelt. Nach der Auswahl geeigneter Mittel erfolgt neben der Betrachtung der Oberflächenrauheit eine Auswertung entstehender Farbeinflüsse. Weitere Faktoren der Qualitätsbetrachtung sind die Form- und Maßhaltigkeit. Am Beispiel von Objektkanten und Außenmaßen werden diese beurteilt. Bei den mechanischen Eigenschaften liegt der Fokus auf den Zugeigenschaften. Zudem werden ebenfalls die Shore D Härte, die Dichte und die Gasdichtheit betrachtet, die ebenfalls durch die Nachbehandlung variieren. Nach der Auswertung und Interpretation der erarbeiteten Ergebnisse folgt ein direkter Transfer zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten des FLM. Die optimierten Bauteile werden unter Nutzung der Unbeständigkeit des Materials gegenüber einigen Chemikalien als Urmodelle für die Galvanoformung eingesetzt. Auch hier werden Prozesseinflüsse untersucht und interpretiert. Des Weiteren erfolgt der Einsatz optimierter FLM-Bauteile als Blendenkonstruktion in der Galvanik. Auf Basis von Simulationen werden unterschiedliche Geometrien untersucht, um Einflüsse auf homogene Abscheidungen zu überprüfen und letztlich im Versuch zu bestätigen. Am Beispiel der Herstellung von Brennstoffzellenkomponenten erfolgt abschließend der Einsatz der beschriebenen Blenden.The thesis deals with Fused Layer Modeling (FLM), an additive manufacturing technology. Characteristic for this manufacturing method is the layer-wise generating of parts. Process-related, this results in a so-called stair-effect as well as in anisotropic part properties. One part of the thesis is obtaining insights on a type of post-processing of FLM-parts which extend the current state of knowledge and open up new fields of application for the technology. The approach is to treat the parts with chemicals for optimization. After the selection of appropriate substances, the impact on surface roughness and color is analyzed. An additional element of the quality assessment is the shape and dimensional stability. Using object edges and external dimensions, these effects are evaluated. For mechanical properties, the focus is on the tensile properties. In addition, also the Shore D hardness, density and gas leaks are considered which also vary by the treatment. After the evaluation and interpretation of achieved results, a direct transfer is followed for the expansion of the possible applications of FLM. The optimized parts are used in combination with the chemical instability of the material to some chemicals as master pattern for electro-forming. Again, the process influences are examined and interpreted. Furthermore the use of optimized components as FLM panels for electroplating is carried out. Based on simulations, different geometries are tested to verify influences on homogeneous deposition of material in electroplating process. Finally, the described panels are used for the production of fuel cell components
Time Synchronization in Multimodal Wireless Cyber-Physical Systems: A Wearable Biopotential Acquisition and Collaborative Brain-Computer Interface Paradigm
No full textDie Forschung zu Brain-Computer Interface (BCI) hat in den letzten drei Jahren riesige
Fortschritte gemacht, nicht nur im Bereich der menschlich gesteuerten Roboter, der
Steuerung von Prothesen, des Interpretierens von Wörtern, der Kommunikation in einer
Virtual Reality Umgebung oder der Computerspiele, sondern auch in der kognitiven
Neurologie. Patienten, die unter enormen motorischen Dysfunktionen leiden (letztes
Stadium Amyotrophe Lateralsklerose) könnten solch ein BCI System als alternatives
Medium zur Kommunikation durch die eigene Gehirnaktivität nutzen. Neuste Studien
zeigen, dass die Verwendung dieses BCI Systems in einem Gruppenexperiment helfen kann
die menschliche Entscheidungstreffung deutlich zu verbessern. Dies ist ein neues Feld des
BCI, nämlich das Collaborative BCI. Einerseits erfordert die Durchführung solch eines
Gruppenexperiments drahtlose Hochleistungs-EEG Systeme, basierend auf BCI, welches
kostengünstig und tragbar sein sollte und Langzeit-Monitoring hochwertiger EEG Daten
sicherstellt. Andererseits ist es erforderlich, eine Zeitsynchronisierung zwischen den einzelnen
BCI Systemen einzusetzen, damit diese für ein Gruppenexperiment zum Einsatz kommen
können. Diese Herausforderungen setzten die Grundlage dieser Doktorarbeit.
In dieser Arbeit wurde ein neuartiges, nicht invasives, modulares, biopotentiales Messsystem
entwickelt: Dieses kann Breitband (0.5 Hz–150 Hz) Biopotentiale ableiten, bestehend aus
Elektromyographie (EMG), Elektrokardiografie (EKG), Elektroencephalografie (EEG),
wurde insgesamt bezeichnet als ExG bzw. das Messsystem als ExG-System benannt. Die
Modularität des ExG-Systems erlaubt 8 bis hin zu 256 Kanäle zu konfigurieren, je nach
Anforderung, ob in einen textilen Schlauch eingekapselt zur Erfassung von EMG Signalen,
in eine textilen Weste zur Erfassung von ECG Signalen oder in eine textilen Kappe zur
Erfassung von EEG Signalen. Der Einbau des ExG-Systems in eine Kappe wurde ebenfalls
im Rahmen der Arbeit entwickelt. Der letzte Schritt des ExG-Systems zeigt niedriges
Eingangsrauschen von 7 µVvon-Spitze-zu-Spitze und benötigt 41 mW/Kanal der
Datenaufnahme im aktiven Zustand. Ein WiFi-Modul wurde für eine drahtlose
Datenübertragung an einen ferngesteuerten PC in das ExG-System eingebaut. Um mit dem
entwickelte System BCI Anwendungen zu ermöglichen, wurde ein akustisch und visuell
evozierter Potenzialstimulator (SSVEP/AEP Stimulator) entwickelt. In eben diesem wurde
ein Rasperry Pi als Zentralrechner benutzt und ein Bash basiertes Player-Skript
iii
einprogrammiert, das Mediadaten (Video, Audio, Ton) aus der Angabe einer Lookup
Tabelle (LUT) in ihr Linux Betriebssystem spielt.
Im Rahmen der Arbeit wurde eine Zeitsynchronisierung an einigen dieser ExG-Systeme mit
Hilfe von einer eingebetteten Hardware/Softwarelösung durchgeführt. Die Hardwareteile
bestehen aus einigen Leiterplatten, nämlich Sync Modulen mit einem Quarzoszillator, einem
Mikrocontroller und einem Funkmodul (Hierbei Bluetooth 4.0). Eines von diesen ist das
Sync-Addon, das mit jedem Messsystem (z.B. ExG-System) das zu synchronisieren ist,
angeschlossen wird. Das andere bezeichnet man als Sync-Center, das an die
Datenverarbeitungsrechner angehängt wird. Das Softwareteil übernimmt den
Zeitsynchronisierungsmechanismus mit Hilfe eines funkbasierten Protokolls. Im Rahmen der
Arbeit wurde ein neues energieeffizientes pairwise broadcast Zeitsynchronisationsprotokoll
(PBS), welches nur theoretisch vorgestellt wurde, experimentell verifiziert. Außerdem wurde
es mit anderen bestehenden Zeitsynchronisationsprotokollen auf dem aktuellen Stand der
Technik evaluiert, basierend auf den Ergebnissen der gleichen Hardwareebene. In der letzten
Iteration der Sync-Module wurde ein durchschnittlicher Synchronisationsfehler von 2 ms,
den Konfidenzintervall von 95% berücksichtigend, erlangt. Da für Collaborative BCI, P300,
ein Ereignis bezogenes Potenzial mit dem Auslöseimpuls, der 300−500 ms nach dem
Vorgang eintritt, eingestellt wurde, ist die erreichte Synchronisationsgenauigkeit genügend,
um solch ein Experiment durchzuführen.Brain-computer interface (BCI) has experienced the last three decades tremendous technological advances not only in the field of human controller robotics, or in controlling prosthesis, or in spelling words, or in interacting with a virtual reality environment, or in gaming
but also in cognitive neuroscience. Patients suffering from severe motoric dysfunction (e.g.
late stage of Amyotrophic Lateral Sclerosis) may utilise such a BCI system as an alternative
medium of communication by mental activity. Recently studies have shown that usage of
such BCI in a group experiment can help to improve human decision making. This is a new
field of BCI, namely collaborative BCI. On one hand, performing such group experiments
require wireless, high density EEG system based BCI which should be low-cost, wearable
and provide long time monitoring of good quality EEG data. On the other hand time synchronization is required to be established among a group of BCI systems if they are employed for such a group experiments. These drawbacks set the foundation of this thesis
work.
In this work a novel non-invasive modular biopotential measurement system which can acquire wideband (0.15 Hz–200 Hz) biopotential signals consisting Electromyography (EMG),
Electrocardiography (ECG), Electroencephalography (EEG) together called ExG, following
ExG-system was designed. The modularity of the ExG-system allows it to be configured
from 8 up to 256 channels according to the requirement if it’s to be encapsulated in a textile
sleeve for recording of EMG signals, or in a textile vest for recording of ECG signals, or in a
textile cap for recording of EEG signals. The assembly of the ExG-system in cap was also
developed during the scope of the work. The final iteration of the ExG-system exhibits low
input noise of 7 µVpeak-to-peak and require 41 mW/channel of data recording in active state.
A WiFi module was embedded into the ExG-system for wireless data transmission to a remote PC. To enable the developed system for BCI applications a steady-state visually/auditory evoked potential stimulator (SSVEP/AEP stimulator) incorporating a Raspberry Pi as a main computer and a bash based player script which plays media data (video,
pictures, sound) as defined in a lookup table in the Linux operating system of it.
Within the scope of the work time synchronization among a group of such ExG-systems was
further realized with the help of an embedded hardware/software solution. The hardware
part consists of two different PCB sync modules that are incorporated with a crystal oscillator a microcontroller, a radio module (in this case Bluetooth 4.0). One of them is called the
v
sync-addon which is to be attached to each of the measurement systems (e.g. ExG-system)
that are to be synchronized and the sync-center which is to be attached to the remote PC.
On the software part, a wireless time synchronization protocol exchanging timing information among the sync-center and sync-addons must establish tight time synchronization
between the ExG-system. Within the framework of this work, a novel time synchronization
protocol energy efficient pairwise broadcast synchronization protocol (PBS) that was only
theoretically proposed before but not evaluated on real hardware was experimentally evaluated with the developed sync modules. Moreover a benchmarking with other state-of-the-art
existing time synchronization protocols based on the results from same hardware platform
were drawn. In the final iteration of sync modules an average synchronization error of
2 ms was achieved considering the 95% of confidence interval. Since for collaborative BCI,
P300, an event related potential was triggered with the stimuli that occur 300−500 ms after
the event, the achieved synchronization accuracy is sufficient to conduct such experiments
Integration, persistence and control of hygienically relevant bacteria in iron oxide incrustations in wells
No full textGroundwater can become contaminated by hygienically relevant microorganisms and pathogens, for example, in consequence of heavy rainstorms, flooding of wells or hydraulic short circuits between surface water and groundwater. In case of an entry of hygienically relevant microorganisms into the aquifer, or by direct ingress, these organisms can reach drinking-water wells. If incrustations like oxides or oxyhydroxides of Fe(III), which represent the most common incrustation type in Germany, exist in the water well, the microorganisms encounter a very large and porous surface to colonise. Therefore, it was the aim of the present study to find out if hygienically relevant bacteria can integrate and persist in ochreous incrustations, and if the water phase, in contact with the ochre, can become contaminated by those bacteria. Furthermore, the effectiveness of disinfection, using hydrogen peroxide, against hygienically relevant bacteria attached to ochre was studied.
Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Enterococcus faecalis, Pseudomonas aeruginosa, Legionella pneumophila and Aeromonas hydrophila were selected as examples of hygienically relevant bacterial species. The persistence of those bacteria was investigated, on the one hand, in suspensions of ochre from dewatering and drinking water wells and in the corresponding well water in microcosm experiments and, on the other hand, attached to ochre under flow-through conditions in column experiments. The disinfection effectiveness of hydrogen peroxide, against E. coli, E. faecalis or P. aeruginosa attached to ochre was tested for H2O2 solutions of up to 34 g/l.
Overall, a part of the population of all target bacteria survived in ochre for up to 14 days in a culturable state, both in microcosm and flow-through experiments. In microcosm experiments, E. coli showed the most pronounced mean reduction of culturability of about three log units after 14 days, both in ochre suspensions and well waters. In contrast, the concentration of L. pneumophila only decreased about one log unit over the course of 14 days. Compared to the survival in ochre suspensions in microcosms, an even larger portion of the populations of the investigated target bacteria survived under flow-through conditions attached to ochre. Considering all target bacteria, the mean log reduction after 14 days was only about 0.5; P. aeruginosa showed no reduction at all, whereas the amount of E. coli decreased by 1.1 log units. Over the whole period of the experiments (14 days), target bacteria, originating from the contaminated ochre, were detected in the water phase of the ochre containing columns.
The hydrogen peroxide concentration officially recommended for well disinfection, about 150 mg/l, was ineffective against hygienically relevant bacteria (E. coli, E. faecalis or P. aeruginosa) attached to ochre. Even the addition of a single dose of a more than 200 times higher concentrated H2O2 solution (up to 34 g/l; contact time: 24 h) resulted only in a minor decline in culturability of about 0.4 to 0.9 log units of the respective bacteria. Only when hydrogen peroxide was added continuously over a time period of 24 h, an appreciable reduction in numbers of culturable target bacteria could be achieved. E. coli showed a decrease of 4.4 log units after the continuous addition of hydrogen peroxide solution of 12 g/l; at higher con-centrations E. coli was no longer detected at all by cultivation. Numbers of culturable E. faecalis, however, only declined 3.2 log units at most when H2O2 (up to 34 g/l) was added continuously. In the presence of ochre, hydrogen peroxide was rapidly decomposed catalytically. Interestingly, the presence of bacteria (P. aeruginosa) also caused a decrease of the H2O2 concentration; presumably by the production of high amounts of hydrogen peroxide scavenging enzymes.
In conclusion, ochre can function as a habitat for hygienically relevant bacteria from which the water phase in contact with the ochre is contaminated over a longer period of time. Once a well has been contaminated by hygienically relevant bacteria and ochre incrustations in such a well could not be removed completely during well rehabilitation, an eradication of bacteria of faecal origin and pathogens, attached to ochre, seems not to be achievable just by the addition of a hydrogen peroxide solution (up to 3 % (v/v) application concentration, corresponding to about 34 g/l) into the well.Grundwässer können durch äußere Kontamination, zum Beispiel in Folge von Starkregen, Überschwemmungen oder raschen Kurzschlüssen mit Oberflächengewässern mit hygienisch relevanten Mikroorganismen und damit auch mit Krankheitserregern verunreinigt werden. Mit dem Grundwasserstrom oder durch direkten Eintrag können solche Mikroorganismen in Brunnen der Trinkwassergewinnung gelangen. Liegt dort eine Inkrustierung vor, meist in Form von Eisen(III)-oxiden bzw. -oxyhydroxiden (Ocker), wird den Organismen eine sehr große und poröse Oberfläche zur Ansiedlung geboten. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher zu klären, inwiefern solche Organismen sich in Ocker einnisten und dort persistieren, und somit ein Potential zur Kontamination des Wassers bilden. Des Weiteren wurde die Wirksamkeit einer Desinfektion mit Wasserstoffperoxid gegenüber an Ocker angehefteten hygienisch relevanten Bakterien untersucht.
Als Beispiele hygienisch relevanter Bakterienspezies wurden Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Enterococcus faecalis, Pseudomonas aeruginosa, Legionella pneumophila und Aeromonas hydrophila ausgewählt. In Laborversuchen wurde zunächst in Mikrokosmen die Persistenz der Bakterien in Suspensionen von Ocker aus Sümpfungs- und Trinkwasserbrunnen ebenso wie im dazugehörigen Brunnenwasser untersucht. Um die Situation im Brunnen besser abzubilden wurde anschließend das Überleben der Bakterien unter Durchflussbedingungen angeheftet an Ocker in ockerhaltigen Versuchssäulen getestet. Die Desinfektionswirkung von Wasserstoffperoxid wurde gegenüber an Ocker angehefteten E. coli, E. faecalis oder P. aeruginosa mit H2O2-Lösungen von bis zu 34 g/l überprüft.
Insgesamt betrachtet überlebte sowohl in Mikrokosmen als auch in Versuchssäulen unter Durchflussbedingungen ein Teil der Populationen der Zielorganismen mindestens 14 Tage in einem kultivierbaren Zustand. In Mikrokosmen zeigte L. pneumophila die geringste und E. coli die größte durchschnittliche Abnahme der Kultivierbarkeit von etwa einer Log-Stufe bzw. drei Log-Stufen nach 14 Tagen, sowohl in Suspensionen verschiedener Ocker als auch in Brunnenwässern. Unter Durchflussbedingungen, angeheftet an Ocker, überlebte sogar ein noch größerer Teil der Populationen der untersuchten hygienisch relevanten Bakterien, als in Ockersuspensionen im Batch-Ansatz. Die Abnahme der Kultivierbarkeit aller Zielorganismen insgesamt betrachtet betrug hier im Mittel nur ein halbe Log-Stufe nach 14 Tagen, wobei P. aeruginosa keine Abnahme, E. coli hingegen eine Abnahme von 1,1 Log-Stufen zeigte. In der Wasserphase der ockerhaltigen Versuchssäulen wurden über den gesamten Zeitraum von 14 Tagen die Zielorganismen nachgewiesen, welche dem Ocker entstammten.
Die zur Brunnendesinfektion empfohlene Wasserstoffperoxid-Konzentration, von etwa 150 mg/l, war unwirksam gegenüber an Ocker angehefteten hygienisch relevanten Bakterien (E. coli, E. faecalis oder P. aeruginosa); auch die einmalige Zugabe von mehr als 200-mal höheren Wasserstoffperoxid-Konzentrationen (bis zu 34 g/l; Kontaktzeit: 24 h) führte nur zu einer geringen Abnahme der Kultivierbarkeit der genannten Bakterien um 0,4 bis 0,9 Log-Stufen. Erst bei einer kontinuierlichen Zugabe von H2O2 über 24 h konnte eine nennenswerte Bakterien-Reduktion erreicht werden. E. coli zeigte bei kontinuierlicher Zugabe von H2O2 mit einer Konzentration von 12 g/l eine Abnahme der Kultivierbarkeit um 4,4 Log-Stufen; darüber hinaus war E. coli kulturell nicht mehr nachweisbar. Die Menge kultivierbarer E. faecalis nahm bei kontinuierlicher Zugabe von H2O2 (bis zu 34 g/l) um maximal 3,2 Log-Stufen ab. In der Gegenwart von Ocker zersetzte sich Wasserstoffperoxid rasch und auch die Anwesenheit von Bakterien (P. aeruginosa) verursachte eine Abnahme der H2O2-Konzentration; vermutlich aufgrund von Produktion großer Mengen H2O2-abbauender Enzyme.
Als Fazit ist festzustellen, dass Ocker für hygienisch relevante Bakterien ein Habitat darstellen kann, von dem aus das Wasser, welches mit dem Ocker in Kontakt steht, über einen längeren Zeitraum kontaminiert wird. Findet eine Verunreinigung eines ockerinkrustierten Brunnens durch hygienisch relevante Bakterien statt und liegen auch nach einer Reinigung des Brunnens noch Ockerablagerungen vor, scheint eine Abtötung an Ocker angehefteter, fäkaler Bakterien und Krankheitserreger, nur durch Zugabe von Wasserstoffperoxid-Lösung (bis zu 3 % (v/v) Anwendungskonzentration, entsprechend etwa 34 g/l) in den Brunnen, nicht möglich
Power Electronic Control Device for High Voltage Test Transformers
No full textDie Verlässlichkeit und Abschätzung der Degradation (Alterungsverhalten) von elektrischen Isolatoren, kann in Laborversuchen ausgewertet werden. Hochspannungsisolationsprüfungen und
Messungen der Teilentladung können zu diesem Zweck, neben anderen Testverfahren, eingesetzt werden. Da die Genauigkeit eine große Rolle spielt, ist es notwendig die Hochspannungsisolationsprüfung und Messung der Teilentladung mit nahezu idealen Spannungsquellen durchzuführen, sowie kontrollierbare Störungen (Oberwellen) zu erzeugen, um alle möglichen Umstände zu untersuchen. Entsprechend der Marktnachfragesoll das Testverfahren mit anderen Frequenzen (16,7 Hz, 50 Hz, 60 Hz) durchgeführt werden können.
Für die Dimensionierung des leistungselektronischen Systems, bedarf es der Charakterisierung der wesentlichen Komponenten zur Hochspannungsprüfung. Dabei beschränkt sich die Charakterisierung auf Eigenschaften, welchen für die genannten Testverfahren relevant sind.
Darauf basierend sollen die benötigten Parametereinstellungen für einen einphasigen DC-AC Umrichter und die entsprechende Pulsweitenmodulation (PWM) bestimmt werden.
Die bekannten Pulsmodulationsverfahren enthalten unerwünschte Frequenzkomponenten in ihrem Spektrum und können deshalb in dieser Arbeit nicht zur Anwendung kommen. Aus diesem Grund wurde ein neues Pulsweitenmodulationsverfahren, die sogenannte „Enhanced Unipolar PWM“ (En-Unipolar-PWM), entwickelt. Dieses basiert auf der „NaurallySampled PWM“, siehe dazu [10]. Das Spektrum der En-Unipolar-PWM enthält keine unerwünschten Frequenzkomponenten. Zusätzlich ist die Erzeugung von kontrollierbaren Oberwellen möglich. Womit das Ziel dieser Arbeit erreicht werden kann.
Da es während der Hochspannungsisolationsprüfung zu einem Durchschlag kommen kann, ist es notwendig die Spannungsquelle schnell möglichst auszuschalten. Deswegen wird in dieser Arbeit
eine Schnellabschaltung der Anlage entwickelt. Diese hat einen eingebetteten Algorithmus, der die Spannung und den Strom im Durchbruchskanal beobachtet. Die entwickelte Anlage kann die
Spannungsquelle in nur 50 us ausschalten.
Abschließend wird die Funktion des gesamten Systems durch eine experimentelle Untersuchung
demonstriert.Electrical insulators reliability and age degradation estimation can be evaluated accurately by test. Beside other test procedures high voltage dielectric test(HV-DI) and partial discharge (PD) measurements are used for this purpose. Since the accuracy in test is an essential issue, HV-DI test and PD measurements have to be accomplished in nearly ideal signal quality of the test's voltage source, as well as controllable distortions(in presence of harmonics)in order to investigate all possible circumstances.
Performing the test using other frequencies(16,7 Hz, 50 Hz, 60 Hz) are also on market demand.
For the dimensioning of the power electronic system, the essential components of a HV test system need to be characterised. The characterisation focus on the properties relevant for the use cases High Voltage Dielectric Tests and Partial Discharge Measurements. Based on this characterisation the required parameters for a single phase DC-AC Inverter and the corresponding PWM parameters are derived.
The goal of spectral purity disallows the use of standard PWM schemes. Based on the Naturally Sampled PWM scheme as described in the literature [10], a new PWM scheme (Enhanced Unipolar PWM) is developed which allows its use for HV testing. The new driven algorithm is implemented in Digital Signal Processor (DSP) unit which is controlling an H-Bridge and an attached 100 kV, 5 kVA test transformer.
The fast Switch-Off unit in case of breakdowns is based on a detection algorithm which is implemented in a second DSP. The accurate detection of a breakdown uses signals from a current sensor in the primary circuit and the voltage signal from a HV divider.
Finally the functioning of the whole system is demonstrated in an experimental investigations
The Role of Lean and Agile Logistics during Production Ramp-Up
No full textIn addition to the rareness of theoretical and empirical research, which extends to every aspect of the production ramp-up literature, the increasing importance of the ramp-up phase – due to the continuously decreasing product lifecycle in almost all industrial sectors –magnifies the need for more research efforts in this field. Based on a comprehensive literature review, no attempts to investigate the role of lean and/or agile logistics during the ramp-up stage were found. Utilizing the survey method, this research empirically explores the effects of lean and agile logistics on production performance during the ramp-up phase in terms of quantity, quality, and cost.
A special purpose questionnaire was developed to collect primary data based on a literature review in the fields of production ramp-up, lean logistics, lean production, agile logistics, agile production, performance measurement, and product success. The measurement model was evaluated for validity and reliability and tested for temporal consistency and the existence of common method variance; the collected data were tested for measurement and non-response biases; and the results were evaluated for their statistical power and statistical conclusion error. Out of 63 questionnaires collected from industrial organizations operating in 7 countries and in different sectors, 56 responses were used in the statistical analyses.
A two-step methodological approach was utilized in the data analysis. In the first step, the data collected on the research variables were analysed following a theory confirmation procedure to examine the validity of a hypothesized positive effect of lean and agile logistics on ramp-up performance. In addition, the effect of ramp-up performance on new products’ success, the moderating effect of some respondent, organizational, and product-related variables, and the mediating effect of outbound logistics were investigated. The partial least squares method of structural equation modelling (PLS-SEM) was employed during the confirmatory analysis.
Different scenarios were evaluated to test the main and subsidiary hypotheses proposed, based on the use of formative and reflective measures and first- or higher-order variable formats. The results of the confirmatory data analysis supported the hypothesized positive effect of lean and agile logistics on production performance during the ramp-up phase.
In the second methodological step, exploratory analyses were conducted to explore further patterns in the data collected. Correlation matrices indicated a greater effect of agility on quantity performance and a greater effect of leanness on cost performance. Such trends are generally accepted and supported by the theoretical literature and by practitioners.
However, the agreed-upon priorities of time reduction during the ramp-up phase and cost reduction during the steady-state and ramp-down phases motivated the proposition of a mixed model that uses higher levels of agility throughout the ramp-up phase and higher leanness levels thereafter. The proposed mixed system was supposed to outperform the pure lean, pure agile, and leagile strategies.
Among the methods proposed to apply such a mixed production system, the development of a specialized agile ramp-up facility was introduced. It was suggested that all products undergoing a ramp-up phase should be produced with an agile system, in a specialized ramp-up facility, and then moved to a lean facility during the steady-state and ramp-down production phases. To examine the feasibility of the proposed system and the magnitude of investment that might be accepted to gain the expected enhancement, the total lifecycle profitability of each system – lean, agile, leagile, and mixed – was calculated and compared to provide insights into the advantages of the mixed system and the conditions that increase or decrease the appeal of investing in such a strategy.
It was concluded that the adoption of the proposed system and the asset investment magnitude should be evaluated considering different possible combinations of the product’s type, price, cost, contribution, and lifecycle length, among other variables. The proposed system has been proven to be more attractive to adopt as the proportion of the ramp-up time to the total lifecycle increases, as the product’s price drops faster, as the peak sales are reached earlier, or as the number of ramp-ups increases
Controller Design and Optimization for Rotor System Supported by Active Magnetic Bearings
No full textActive Magnetic Bearings (AMBs) have been receiving increased attention in industry because of the advantages (contact-free, oil-free, etc.,) that they display in comparison with conventional bearings. They are used extensively in rotor system applications, especially in conditions where conventional bearing systems fail. Most AMBs are controlled by Proportional-Integral-Derivative (PID)-controllers. Controller design for AMB systems by means of hand tuning is time-consuming and requires expert knowledge. In order to avoid this situation and reduce the effort to tune the controller, multi-objective optimization with genetic algorithm is introduced to design and optimize the AMB controllers. In the optimization, criteria both in time and frequency domain are considered. A hierarchical fitness function evaluation procedure is used to accelerate the optimization process and to increase the probability of convergence. This evaluation procedure guides the optimizer
to locate the small feasible region resulting mainly from the requirement for stability of control system. Another strategy to reduce the number of optimization parameters is developed, which is based on a sensitivity analysis of the controller parameters. This
strategy reduces directly the complexity of the optimization problem and accelerates the optimization process. Controller designs for two AMB systems are considered in this thesis. Based on the introduced and presented hierarchical evaluation strategy, the controller design for the first AMB system is obtained without specific requirements related to initial solutions. The optimal controller design is applied to a test rig with a flexible rotor supported by AMBs. The results show that the introduced optimization procedure realizes the desired results of the controlled system’s behavior. The maximal speed of 15000 rpm is reached. The second AMB system is designed for a turbo-compressor. The introduced parameter reduction strategy is applied for the controller design of this AMB system. The
controller design is optimized in the search space around an initial solution. Optimization results show the efficiency of the introduced strategy.Aufgrund vieler Vorteile (wie z. B. Kontaktfreiheit, Ölfreiheit) gegenüber konventionellen Lagern etablieren sich aktive Magnetlager zunehmend in der Industrie. Aktive Magnetlager
werden zum großen Teil in Rotorsystemen verwendet, wo konventionelle Öllager für die Anwendung versagen. PID-Regler werden häufig für Magnetlager verwendet. Die Auslegung des Reglers wird durch manuelle Einstellung (trial and error) bestimmt und ist sehr zeitaufwendig. Zudem bedarf es spezieller Fachkenntnisse zur Einstellung. Um diese Situation zu vermeiden und den Aufwand für die Reglerauslegung zu reduzieren, wird
die Mehrzieloptimierung mit Genetischen Algorithmen in der vorliegenden Arbeit zur Optimierung des Reglerentwurfs eingesetzt. In der Optimierung werden die Zielfunktionen sowohl im Zeit- wie auch im Frequenzbereich definiert. Um den Optimierungsprozess zu
beschleunigen und die Wahrscheinlichkeit der Konvergenz der Optimierung zu erhöhen, wird eine hierarchische Struktur zur Bewertung der Zielfunktionen eingeführt. Dies hilft dem Optimierer bei der Lokalisierung des kleinen zulässigen Bereichs, der im Wesentlichen aus der Anforderung an die Stabilität des Magnetlagersystems resultiert. Desweitern wird eine Strategie zur Reduzierung der Optimierungsparameter entwickelt, die auf der
Sensitivitätsanalyse der Reglerparameter basiert. Diese Strategie reduziert die Komplexität des Optimierungsproblems und führt zu einer Beschleunigung des Optimierungsprozesses. In der vorliegenden Arbeit wird der Reglerentwurf von zwei Magnetlagersystemen berücksichtigt. Mit Hilfe der eingeführten Strategie zur Bewertung der Zielfunktionen, werden die Reglerparameter von dem ersten Magnetlagersystem bestimmt
bzw. optimiert, ohne dass irgendeine Information über die Anfangslösung erforderlich ist. Der optimale Reglerentwurf wird dann in einem Versuchstand implementiert, in dem
eine elastische Welle durch zwei Magnetlager gelagert ist. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass das gewünschte dynamische Verhalten des geregelten Magnetlagersystems durch die
Optimierung erzielt wird. Die maximal zulässige Drehzahl (15000 rpm) des Versuchsstandes wird mit dem optimalen Regler ohne Probleme erreicht. Als zweites Beispiel wird der Reglerentwurf eines magnetgelagerten Rotorsystems eines Turboverdichters betrachtet.
In der Reglerauslegung wird die vorgeschlagene Optimierungsstrategie mit Hilfe von Parameterreduktion verwendet. Die optimale Lösung wird lokal in der Nähe einer
Anfangslösung gesucht. Die Optimierungsergebnisse zeigen die Effizienz der Optimierungsstrategie
Separation of laser induce ultrafast spin currents and spin-flip scattering in Co/Cu(001)
No full textZielsetzung dieser Arbeit ist die Erforschung von laserinduzierter Magnetisierungsdynamik auf Piko- und Subpikosekunden-Zeitskalen von ferromagnetischen Materialien, insbesondere die Separation der wirkenden Mechanismen und deren zeitliches Auftreten nach der Laseranregung. Hierfür wurde die schichtdickenabhängige Spindynamik von Co/Cu(001) mit Hilfe des magnetooptischen Kerreffekts (MOKE) und der Erzeugung der zweiten optischen Harmonischen (SHG) untersucht. Zur Interpretation der Messungen wurde eine neuartige Analysemethode entwickelt.
Um Rückschlüsse über die dominierenden Mechanismen der Magnetisierungsdynamik zu bekommen, werden theoretische Betrachtungen und Simulationen gemacht und die Auswirkungen der Mechanismen auf das Magnetisierungsprofil untersucht. Als Mechanismus werden Spin-Flip-Streuung und spinpolarisierter Transport untersucht, die derzeit kontrovers in der Forschung diskutiert werden. Durch die Betrachtungen und Simulationen ergeben sich Magnetisierungsprofile für die Mechanismen, die sich fundamental voneinander unterscheiden. Spin-Flip-Streuung führt zu einer stärkeren Entmagnetisierung im Bereich der Oberfläche im Vergleich zur Grenzfläche zum Substrat, wohingegen beim spinpolarisertem Transport auch eine stärkere Entmagnetisierung von grenzflächennahen Bereichen entstehen kann.
Zur Identifizierung der unterschiedlichen Magnetisierungsprofile werden die relativen laserinduzierten Variationen der Kerrrotation und Kerrelliptizität untereinander verglichen. Die Observablen weisen unterschiedliche Tiefensensitivitäten auf und ermöglichen somit eine zeitliche Separation der Magnetisierungsprofile. Für Schichtdicken d≥10 nm kann eine stärkere Entmagnetisierung von grenzflächennahen im Vergleich zu oberflächennahen Bereichen, während das elektronische System nicht im thermischen Gleichgewicht ist, identifiziert werden. Nach der Thermalisierung des elektronischen Systems stellt sich ein Magnetisierungsprofil ein, das ein invertiertes Verhalten zeigt. Für d<10 nm wird dasselbe Verhalten nach der Thermalisierung wie für d≥10 nm beobachtet. Durch die Analyse der Magnetisierungsprofile kann spinpolarisierter Transport während der Thermalisierung des elektronischen Systems und Spin-Flip-Streuung nach der Thermalisierung als dominierender Mechanismus der Spindynamik identifiziert werden. Durch Simulation der Magnetisierungsdynamik werden diese Ergebnisse bekräftigt.
Ergänzende zeitaufgelöste SHG-Messungen, in einen Schichtdickebereich von d≤4 nm, erweitern das Verständnis über die wirkenden Mechanismen in der Magnetisierungsdynamik. Für diesen Bereich ist die mittlere freie Weglänge der Elektronen geringer als die Schichtdicke, wodurch der Transport von Elektronen stark beeinflusst wird. Anders als für d≥10 nm werden durch Transporteffekte oberflächennahe Bereiche stärker entmagnetisiert als grenzflächennahe Bereiche. Dies wird durch die Analyse der Interferenz von Oberflächen- und Grenzflächensignalen der zweiten Harmonischen gezeigt.The goal of the present work is the investigation of laser induced magnetization dynamics at pico- and subpico-second timescales in ferromagnetic materials, especially the separation of the acting mechanisms and their transient behaviour. Therefore the thickness dependent magnetization dynamics of Co/Cu(001) are measured with the magneto-optical Kerr effect (MOKE) and the generation of the second harmonic (SHG). For the interpretation a new analysis method was developed.
Theoretical considerations and simulations were performed of the mechanisms and the effects on the magnetic profile in the sample. The mechanism of Spin-Flip scattering and spin polarized transport are investigated, which lead to fundamental difference in the magnetic profiles. These mechanisms are controversially discussed in the recent research. Spin-Flip scattering leads to a stronger demagnetization of areas near the surface than areas at the interface to the substrate, whereas spin polarized transport can lead to a stronger demagnetisation for areas near the interface too.
For the identification of the different magnetic profiles, the relative laser induced variations of the Kerr rotation and Kerr ellipticity are compared. Due to the different depth sensitivities of the observables, the temporal separation of the different kind of profiles is possible. For thicknesses d≥10 nm a stronger demagnetisation of areas near the interface compared to areas near the surface is found, when the electronic system is not thermalized. After thermalisation the magnetic profiles is inverted. For d<10 nm the same behaviour after the thermalisation could be found as for d≥10 nm. With this analysis of the magnetic profiles, spin polarized transport, when the electronic system is not thermalized and spin-flip scattering after thermalization were identified as the dominant mechanism for the magnetization dynamics. These results are confirmed with magnetization dynamics simulations.
Additionally time resolved SHG-measurements, in a thickness range of d≤4 nm, expand the understanding of the magnetization dynamics. For this range the mean free path of the electrons are smaller than the sample thickness, by which the transport is strongly influenced. Other than for d≥10 nm transport effects also demagnetize areas near the surface stronger than areas near the interface. In order to derive this, the interference of the SHG-signals from the surface and the interface was analyzed
The Influence of Surface Finish on the Localized Dissipation of Frictional Power at Ultra-Mild Wear
No full textTribological systems are subjected to a steady decrease of friction and wear due to ecological and economical requirements. These guidelines can change the tribological loads and, therefore, result in more severe conditions. The need for maintaining wear as low as possible towards ultra-mild wear rates an integral approach is needed, which has to regard the contact conditions, surface topography, near and sub-surface physical properties. The ultra-mild sliding wear rates, in the order of some nanometers per hour, are desired for example for gears of wind turbines, valve and drive train components, and artificial hip joints to maintain or increase service life time and sustainability. These small wear rates imply a non-linear characteristic of wear, because the amount of wear per load cycle falls below the inter-atomic distances of (technical) materials and consequently can not be a continuous process anymore. Here highly localized effects of dissipated friction energy govern the acting wear mechanisms and alterations of tribosystems, which are still not quantified on the micro- and nano-scale. However today mostly empirically determined wear factors are used to calculate the amount of wear for a given tribological load and hence material failure on those scales can not be predict. This technical matter is complicated by the fact that classical investigations of wear like weighing and micro structural analysis are difficult at the scale and extent of occurring wear appearances within the ultra-mild wear regime. Combined wear tests, micro structural analysis and numerical calculations are presented for the individual analysis of the material response to tribological loads. If a quantification of the failure sequence succeeds on those scales, new design guidelines could be developed, in order to further increase the service life time and predict failure modes more precisely.Tribologische Systeme sind aufgrund von ökologischen und ökonomischen Auflagen einer ständigen Verminderung von Reibung und Verschleiß ausgesetzt. Diese Auflagen können dazu führen, dass die tribologischen Belastungen verändert werden und in einer höheren Belastung der entsprechenden Bauteile enden. Um dennoch weiterhin möglichst kleine Verschleißraten, hin zu ultra-milden Verschleißraten, zu erhalten, ist ein integraler Ansatz erforderlich. Dieser Ansatz muss die Kontaktsituation, die Oberflächentopographie und die oberflächennahen physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien beinhalten. Ultra-milde Verschleißraten, in der Größenordnung von wenigen Nanometern pro Stunde, werden für Bauteile wie Getriebe vonWindkrafträdern, Ventiltrieben, Antriebsstränge und Hüftimplantaten verlangt, um die Standzeit und Nachhaltigkeit dieser Komponenten weiterhin zu gewährleisten bzw. zu erhöhen. Diese kleinen Verschleißraten bedeuten jedoch einen nicht linearen Fortschritt des Verschleißes, da der Verschleiß pro Lastzyklus unterhalb des atomaren Abstandes von (technischen) Materialien liegt und somit kein kontinuierlicher Prozess sein kann. Hier bestimmen hoch lokalisierte Effekte der einbrachten Reibenergie die Verschleißmechanismen und die Veränderungen der Tribosysteme, die bis heute nicht auf der Mikro- und Nano-Skala quantifiziert wurden. Nichtsdestotrotz werden immer noch empirisch ermittelte Verschleißfaktoren benutzt, um den Verschleiß an Tribosystem für eine gegebene Belastung zu berechnen, die jedoch nicht das Materialversagen detailliert beschreiben oder vorhersagen können. In diesem Zusammenhang kommt erschwerend hinzu, dass die Ermittlung und Bewertung des Verschleißes mittels klassischer Analysemethoden wie Wiegen und Mikrostrukturanalysen aufgrund der Größenordnung des anfallenden Verschleißes erschwert ist. Kombinierte Verschleißtests, Mikrostrukturanalysen und numerische Berechnungen werden hier presentiert, um die individuelle Systemantwort der eingesetzten Materialien auf tribologische Belastungen zu bewerten. Wenn eine Quantifizierung auf diesen Größenordnungen gelänge, könnten neue Design-Richtlinien formuliert werden, um weiter die Standzeit zu erhöhen und Schadensarten genauer vorherzusagen
MD-Simulation von PNIPAM in Wasser - Vergleich von Samplingmethode und Kraftfeld
No full textIm Rahmen dieser Arbeit wurde Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) als Pentamer und 30mer in Molekulardynamiksimulationen mit und ohne Umbrella Sampling oberhalb und unterhalb der oberen kritischen Löslichkeitstemperatur (LCST) untersucht. Zur Beschreibung des Wassers wurde das TIP3P-Kraftfeld verwendet, für PNIPAM beider
Kettenlängen das AMBER-Kraftfeld und für das 30mer PNIPAM verschiedene Varianten des OPLS-Kraftfeldes.
Untersucht wurden der Einfluss der Temperatur auf den Gyrationsradius als Kenngröße für Lösungseigenschaften und den Phasenübergang. Im AMBER-Kraftfeld werden zwei stabile Gyrationsradien beobachtet, von denen der kleinere oberhalb der LCST bevorzugt wird, der größere unterhalb. Mit höherer Temperatur werden zunehmend weniger Wasserstoffbrückenbindungen zum umgebenden Wasser ausgebildet, was zu einer Destabilisierung der größeren Gyrationsradien führt. Die Zahl der koordinierten Wassermoleküle ist konstant, die Hydrathülle ist bei höherer Temperatur in gleichem Maße vorhanden, allerdings weniger geordnet. Die Änderung anderer Eigenschaften wie die
Formänderung von prolat zu sphärisch oder die stärkere Ausrichtung der Seitenketten weg vom Polymerzentrum ist über den Gyrationsradius nur mittelbar mit der Temperatur
verknüpft.
Die Simulationen mit dem OPLS-Kraftfeld zeigen, dass die Modellierung der Torsionspotentiale wichtig für die Ausbildung der temperaturabhängigen Wasserstoffbrückenbindungen wie auch für die Änderung des Gyrationsradius sind. Nur durch den Übergang
von trans- zu gauche-Konformationen kann der Phasenübergang geschehen.
Es wurden Simulationen mit und ohne Umbrella Sampling durchgeführt. Beim Umbrella Sampling wird statt einer Simulation ein Set von Simulationen durchgeführt, bei denen der Gyrationsradius jeweils harmonisch um einen Gleichgewichtswert eingeschränkt
wird. Anschießend wird der Einfluss des Umbrellapotentials wieder kompensiert.
Beide Arten der Simulation zeigen zwar ähnliche Verteilungen für den Gyrationsradius, allerdings schränkt das Umbrella Sampling die ohnehin schon langsame Konformationsänderung des Polymers weiter ein, sodass Simulationen ausgehend von kollabierten Formen die lokalen Minima nicht überwinden können. Schlussfolgerung ist
also, dass Umbrella Sampling zur Betrachtung des PNIPAMs nur bedingt geeignet ist.
Die Hydrathülle wird nicht durch das Umbrella Sampling beeinflusst.A pentamer and a 30mer of poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) in aqueous solution was investigated using Molecular Dynamics Simulations and Umbrella Sampling above and below the
lower critical solution temperature (LCST). The TIP3P force field was used for the description of water. Both PNIPAM molecules were simulated using the AMBER force field and the 30mer
PNIPAM was investigated using different versions of the OPLS force field.
The temperature effect has been investigated by means of the radius of gyration as a parameter for solvation properties. Two stable radii of gyration were found using the AMBER force field, the smaller one was favored above LCST, the larger one below. With increasing temperature less hydrogen bridges were formed. This destabilizes the larger radii of gyration. The number of coordinated water molecules is constant so the hydration shell is similar at all temperatures but less
ordered at higher temperature. Other properties like the change in shape from prolate to spherical or the orientation of the sidechains away from the center of mass at higher temperature are mediated
by the radius of gyration and thereby temperature sensitive.
The simulations using the OPLS force field showed that the choice of the torsion potential is important for the formation of the temperature sensitive hydrogen bonds as well as for the change of
the radius of gyration. The transition from trans to gauche conformations enables the phase transition.
Simulations with and without Umbrella Sampling have been employed. When Umbrella Sampling was used, a set of simulations for the same system has been performed instead of one single
simulation. Within the set of simulations the radius of gyrations was harmonically restrained at an equilibrium value ranging between 0.7 and 2.0 nm. The bias of the Umbrella Potential was compensated afterwards. Both simulation methods showed similar distributions for the radius of gyration, but the Umbrella Sampling restricts the already slow conformational change of the polymer. This leads to the fact, that simulations starting from a collapsed conformation of the
polymer cannot overcome the local energy barrier. The hydration shell is not influenced by Umbrella Sampling. Thereby Umbrella Sampling is only partly suitable for the investigation of
PNIPAM