Volume 92, Issue 3-4 - Special Issue: Sensoren und Messsysteme 2024/ Sensors and Measuring Systems; Guest Editors: Rainer Tutsch and Andreas Schütze

Zusammenfassung Druckluftsysteme sind ein wichtiger Bestandteil der technischen Infrastruktur in einer industriellen Anlage. Ebenso ist Druckluft ein sehr teurer Energieträger in der Industrie. In jedem Drucklufterzeugungs- und -verteilsystem treten Leckagen auf, die den Energieverbrauch und somit die entstehenden Kosten unnötig erhöhen können. Die frühzeitige Erkennung von Leckagen und die Minimierung von Leckagemengen ist daher essenziell für den wirtschaftlichen Betrieb von Anlagen. In diesem Beitrag wird eine Methode zur Erkennung von Druckluftleckagen vorgestellt. Auf der Grundlage von Merkmalen, die aus luftakustischen Signalen gewonnen werden, findet die Klassifikation von Leckagen statt. Dabei kommt eine Vielzahl von Merkmalen, u. a. statistische Merkmale und Merkmale zur Beschreibung der spektralen Energieverteilung zum Einsatz. Die am besten geeignetsten Merkmale können mittels einer Varianzanalyse ausgewählt werden. Für die Klassifikation erweist sich ein naiver Bayes-Klassifikator als geeignet. Ergebnisse an Testdaten aus einer experimentellen Anlage zeigen die sehr gute Eignung der Vorgehensweise.

To address the critical role of atmospheric temperature in climate change and disaster monitoring, enhancing measurement accuracy to 0.1 °C is essential. Current instruments are susceptible to radiation interference, resulting in errors of approximately 1 °C. This study introduces a novel temperature sensor that improves accuracy by combining natural ventilation with forced ventilation. Silver-coated aluminum plates (95 % reflectivity) and white-coated deflectors (87 % reflectivity) minimize solar radiation errors. A neural network algorithm, along with CFD simulations, further corrects radiation errors under varying weather conditions. Field tests based on the 076B ventilation device demonstrate that this new sensor reduces the average radiation error to 0.02 °C, achieving a RMSE of 0.034 °C and a MAE of 0.028 °C. The correlation coefficient ( r ) with the reference temperature reached 0.999, demonstrating the sensor’s high precision and providing an effective solution for reducing temperature measurement errors to below 0.1 °C.

Zusammenfassung Dieser Artikel befasst sich mit den Fortschritten in der Forschung zur magnetometrischen Durchflussmessung. In diesem neuen Messverfahren werden Methoden der Kernspinresonanz und Magnetometrie im Erd- bis Nullfeld-Regime verwendet, um die Fließgeschwindigkeit eines wasserstoffhaltigen Fluids nicht-invasiv mithilfe neuartiger Quantenmagnetometer zu bestimmen. Nach einer anfänglichen Demonstration der Durchflussmessfähigkeiten wird das Verfahren analysiert, um den Einfluss experimenteller Bedingungen auf die Radiofrequenz-Pulseffizienz in strömenden Medien zu bestimmen. Es wird festgestellt, dass das Strömungsprofil eine dominante Rolle bei der Effizienz der RF-Pulse spielt, was eine Basis für zukünftige Forschungen zur Sensitivität der magnetometrischen Durchflussmessung gegenüber Strömungsprofilen bildet.

Zusammenfassung In dieser Arbeit werden mit numerischen und experimentellen Methoden thermisch getriebene Konvektionsprozesse in Flüssigsalzen analysiert. Die Besonderheiten der Untersuchungen liegen darin, dass die in der Salzschmelze auftretenden Wärme- und Stofftransportprozesse zum einen aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Arbeitsmediums von den Wechselwirkungen mit Magnetfeldern sowie zum anderen aufgrund der Semi-Transparenz des Mediums und der vorliegenden hohen Arbeitstemperaturen von thermischen Strahlungsvorgängen beeinflusst werden. Die genaue Kenntnis der Geschwindigkeits- und Temperaturfelder bei Vorliegen dieser zusätzlichen Effekte ist beispielweise von Wichtigkeit für den sicheren und effizienten Betrieb von thermischen Energiespeichern und Flüssigmetall-Batterien, in denen Salzschmelzen als gängige Arbeitsstoffe eingesetzt werden. Bei der numerischen Analyse wird eine zweidimensionale Rayleigh-Bénard-Anordnung betrachtet, bei welcher der thermische Antrieb der Konvektion in der Salzschmelze durch Heizung von unten und Kühlung von oben erfolgt. Der Magnetfeldeinfluss wird in der quasi-statischen Näherung und der Strahlungseinfluss mittels der Rosseland-Approximation für optisch dicke Medien in Grenzschicht-Näherung modelliert. Die mittels eines Spektrale-Elemente-Verfahrens erzielten Simulationsergebnisse zeigen, dass es unter der Wirkung der zusätzlichen Effekte tendenziell zu einer deutlichen Verringerung des konvektiven Wärmetransport kommt. Dies ist die Folge der strömungsdämpfenden Wirkung der unter Magnetfeldeinfluss induzierten Lorentz-Kräfte und der zusätzlichen thermischen Diffusion durch den Strahlungseinfluss. Im experimentellen Teil der Arbeit wird berichtet, wie ein entsprechender Versuchsstand aufgebaut und instrumentiert wird, um die von der numerischen Analyse vorhergesagten Wirkungen in Modellexperimenten zu verifizieren. Des Weiteren werden Ergebnisse von ersten Testmessungen in Salzschmelzen vorgestellt, durch die erstmalig der Nachweis geführt wird, dass die optischen Verfahren der Particle-Image-Velocimetry und der Laser-Doppler-Anemometrie auch zur räumlich und zeitlich hochaufgelösten Geschwindigkeitsmessung in Salzschmelzen angewandt werden können.

Zusammenfassung In hydrodynamischen Gleitlagern kann im Schmierfilm unter gewissen Betriebsbedingungen Flüssigkeitskavitation auftreten. Die Flüssigkeitskavitation lässt sich in drei Kavitationsformen unterscheiden: Pseudo-, Gas- und Dampfkavitation. Lediglich Dampfkavitation kann in Verbindung mit Werkstoffkavitation zum Schaden und später zum Ausfall eines Gleitlagers führen. Eine mögliche Ursache zur Entstehung von Dampfkavitation liegt in der Dynamik der Spaltweitenänderung einer Wellenverlagerungsbahn begründet. Die Autoren haben den erstmaligen Nachweis von implodierenden Dampfblasen im Schmierfilm eines Gleitlagers in Folge einer transienten Spaltweitenänderung vollumfänglich erbracht. Zum Erzeugen der schadensrelevanten Dampfkavitation muss eine kritische Spaltweitenänderungsgeschwindigkeit in Verbindung mit einer kritischen Exzentrizität erreicht werden. Für diese Untersuchungen steht ein Gleitlager-Modellexperiment zur Verfügung, welches kontinuierlich erweitert wurde und so dem Stand der Forschung entspricht. Es ist somit möglich, kavitierende Schmierspaltströmungen sowohl qualitativ als auch quantitativ zu untersuchen. Das Modellexperiment verfügt über eine Aktorik, die eine gezielte Steuerung der Spaltweitenänderungsgeschwindigkeit zulässt und so die Kavitationsbereiche einer realen Wellenverlagerungsbahn abbildet. Das Experiment beinhaltet ein speziell entwickeltes Fluid, dass die Reynolds- und Kavitationsähnlichkeit erfüllt. Bei der Untersuchung von Flüssigkeitskavitation muss sowohl das Verdampfen der Flüssigkeit (Dampfkavitation), das Ausgasen von Luft (Gaskavitation) sowie das Vorhandensein kleinster Luftblasen (Pseudokavitation) experimentell abgebildet werden. Dies wird u. a. durch die Verwendung von konditionierten Flüssigkeiten realisiert. Abhängig vom Betriebspunkt des Gleitlagers, treten die drei Kavitationsformen separat als auch in Verbindung miteinander auf. Das gleichzeitige Auftreten reduziert, je nach Anteil der Kavitationsformen, die Kavitationserosion, indem sie die schädigungsrelevante Dampfkavitation dämpft. Das übergeordnete Forschungsziel ist es einen Parameterbereich zu definieren, in dem eine kritische Spaltweitenänderung mit einer kritischen Exzentrizität zur „reinen“ Dampfkavitation führt. Damit soll der schadenskritische Parameterbereich eingegrenzt werden. Dies soll zukünftig bei der Auslegung und Parametrisierung von hydrodynamischen Gleitlagern helfen. Die gezeigten experimentellen Ergebnisse umfassen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, die eine detaillierte Analyse der Blasenbildung mit einer Geschwindigkeit von 10.000 Bildern pro Sekunde (fps) ermöglichen. Es lässt sich zusammenfassen, dass die Arbeit ein tieferes Verständnis für den Kavitationsprozess in dynamisch belasteten Gleitlagern erbringt. Das Forschungsvorhaben wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unter der Projektnummer 462581008.

Around 8 million people in Germany suffer from type 2 diabetes. One of the secondary and accompanying diseases is diabetic foot syndrome, which currently affects 250,000 patients. Therapeutic and preventive measures are designed to reduce the risk of foot wounds (ulcers). These include the detection of increased pressure values in the entire foot area. A pressure-measuring stocking can be used to continuously record pressure loads during activities of daily living. It is important to use skin-friendly, heat- and moisture-regulating textiles with very thin and soft sensors that do not create pressure points and are very comfortable to put on, take off and wear. Machine washing should be possible for daily cleaning. And the manufacturing costs must be low. The solution presented is the use of thin (1 mm) capacitive dielectric elastomer pressure sensors based on skin-compatible silicones, which are bonded at any position on the smart wool sock. The signal cables are knitted in elastically during stocking production and are connected to a removable radio electronics unit at the end of the stocking. The measurement data from up to 16 pressure sensors on the entire foot can thus be sent wirelessly to a mobile receiving device (e.g. smartphone) to warn patients of excessive pressure and inform the doctors treating them.

The applications of virtual metrology and the concept of using virtual experiments (VEs) or digital twins in measurement tasks have gained significant interest in recent years. When real measurements are costly or scarce, a VE can replicate complex mathematical and physical models. As a digital representation of a measurement process, a VE can, among other use-cases, be used in an uncertainty evaluation. Here, simulated and real observations can be combined without explicit knowledge of a model for the measurand – a usual requirement for uncertainty evaluation according to the GUM and its supplement JCGM 101. Including the variability of repeated measurements in a VE can be a challenging task. However, metrologists are aware of the potential impact of repeatability conditions and usually have significant knowledge about the precision of their measurement instrument. In this work, we develop a Monte Carlo sampling approach and software to perform an uncertainty evaluation that includes such prior knowledge about the precision of the measurement device, requiring only evaluations of the VE. Using an example of a calibrated measurement application, we demonstrate that there is a notable benefit to using available prior knowledge during an uncertainty evaluation, particularly in the case of limited observations.