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Abstract

This paper discusses impedance spectroscopy as a method to characterize different types of quartz sand, chromite sand, and mixtures of sand. Based on two types of measurement cells, the impedance spectra for various dry sands were measured. The spectra differ enough to allow the sands to be distinguished. The results were validated by extracting the relative permittivity from the impedance and comparing it to literature data. After that, the method could be applied with confidence to other material systems. The influence of moisture was investigated with two types of quartz sand, and typical mixtures of form sand, chromite sand, and regenerated (quartz) sand were studied. In each case, the sand composition had a distinct influence on the Nyquist plot of the impedance spectrum. Compared to results from a laboratory foundry system, the new method exhibits a much more systematic dependence on the sand composition. If one succeeds in describing the impedance spectra with an equivalent circuit model parameterized by only a few parameters, these parameters could be used to identify and classify sand mixtures in the field. This would allow one, for example, to implement feedback control strategies in foundry regeneration processes, which would stabilize the processes and improve the quality of the casting products.

Abstract

In this work a novel calibration method for micro hotplates is developed and tested. The method is based on phase change processes of applied testing materials, which can be identified due to their phase change enthalpy in the power needed for the hotplate to linearly heat up. For traceability and reproducibility tests a ceramic heating element (Umweltsensortechnik GmbH, Geschwenda, Germany) including a Pt100 sensing element was used. Using the melting process of Hexatriacontane and different temperature ramps the feasibility of the method was tested, and the onset point of the phase change was identified as the best feature for temperature calibration. On this substrate we achieved an absolute deviation of 5 °C to literature values and a relative uncertainty of 0.3 °C. Pyrazine, which can be removed more easily, showed an absolute deviation of 2.5 °C to literature values and a relative uncertainty of again 0.3 °C for temperature calibration. The sublimation process of Hexamethylenetetramine was also tested but did not yield stable results. The two materials successfully tested on the ceramic heater were then transferred to MEMS membrane heaters (AS-MLV-P2 and AS-MLV, both metal oxide semiconductor gas sensors, ams AG, Premstätten, Austria) showing the applicability of the method for MEMS device calibration and yielding relative uncertainties for the calibrated heater resistance of 0.17 Ω (corresponding to 0.39 °C). For Hexatriacontane on the ceramic hotplate we also show the possibility of mass quantification through evaluating the phase change enthalpy.

Zusammenfassung

Ethen (Ethylen, C2H4) ist eines der wichtigsten Phytohormone im Reifungsprozess klimakterischer Früchte. Die Menge des emittierten Ethens liefert Informationen über den aktuellen Reifezustand dieser Früchte. Deshalb können Ethensensoren in der Lieferkette für die Umsetzung fortschrittlicher Logistik-Prozesse wie dem First-Expired-First-Out-Prozess (FEFO) eingesetzt werden. Diese Arbeit beschreibt den aktuellen Stand der Entwicklung eines kostengünstigen Filterrotationsspektrometers für den Nachweis von Ethen in der klimakterischen Reifephase von Früchten. Das Spektrometer basiert im Wesentlichen auf Komponenten, die auch in nichtdispersiven Infrarotsensoren (NDIR) zum Einsatz kommen. Durch eine modellbasierte Auswertung der gemessenen Spektren konnte die Stabilität eines ersten Laborprototyps gegenüber klassischen NDIR-Sensoren deutlich verbessert werden. In Verbindung mit einer optimierten Langwegzelle wurde eine Nachweisgrenze von 150 ppb erreicht. Simulationen haben außerdem gezeigt, dass sich dieses Prinzip auch für die quantitative Bestimmung potentieller Querempfindlichkeitsgase wie Ammoniak (NH3) und Kohlenstoffdioxid (CO2) eignet. Durch Verknüpfung der Simulations- und Messergebnisse wird eine Nachweisgrenze von 0,19 % für CO2 und 62 ppb für NH3 erwartet.

Zusammenfassung

Die Herstellung hochpräziser Bauteile erfordert Genauigkeiten, die selbst modernste Bearbeitungsmaschinen oft nicht zuverlässig liefern können. Abgenutzte Werkzeuge, falsch kalibrierte Sensoren oder unpassende Trajektorien können zu Bearbeitungsergebnissen führen, die den gewünschten Spezifikationen nicht entsprechen. Die Qualitätskontrolle erfolgt in der Regel stichprobenartig außerhalb der Werkzeugmaschine (WZM) in speziellen Messräumen. Überwachung und gegebenenfalls Regelung der Bearbeitungsqualität ist ein aufwändiger iterativer Prozess und bis dato nicht automatisiert. Wir präsentieren das digital-holographische Sensorsystem HoloPort, das die Oberflächentopographie bearbeiteter Bauteilen flächig mit Submikrometergenauigkeit direkt in der WZM misst: Nach unserem Kenntnisstand ist HoloPort das weltweit erste digital-holographische Messsystem zum Einsatz in einer WZM. Es besteht nicht nur aus einem Mehrwellenlängen-Interferometer, sondern beinhaltet auch einen miniaturisierten Grafikprozessor (GPU). Dies ermöglicht die vollständige Datenauswertung direkt im Sensor und damit in der WZM. Eine einzelne Messung mit 9 Mio. 3D-Punkten wird im drahtlosen Betrieb innerhalb von weniger als einer Sekunde durchgeführt und ist in einer Gesamtzeit von 3 s ausgewertet auf einen externen Computer übertragen. Die Verwendung von Standard-Schnittstellen erlauben die einfache Integration von HoloPort in eine Vielzahl von WZM. Dieser Beitrag enthält einen Überblick über die Sensorarchitektur und zeigt anhand von experimentellen Ergebnissen an Frästeilen die Leistungsfähigkeit des Systems. Inline-Anwendungen sowie weitere Perspektiven, die der Sensor eröffnet, werden vorgestellt.