Methoden zur Steigerung der Effektivität, Produktivität oder Zuverlässigkeit von Fertigungsanlagen werden bislang systematisch unvollständig angewendet. In der vorliegenden Arbeit werden bekannte Methoden in ihrer Wirkung auf die Prozesszuverlässigkeit hin untersucht. Grundsätzlich wird dabei das Fertigungssystem als sozio-technisches System im Sinne des MTO-Ansatzes (Mensch-Technik-Organisation) betrachtet und die Methoden auf die einzelnen Systemelemente angewendet. Die Prozesszuverlässigkeit wird in den Dimensionen Verfügbarkeit, Leistungs- und Qualitätsgrad betrachtet. Die aus der Analyse der Methoden abgeleiteten Standardabläufe beziehen sich auf die beiden Lebensphasen der Fertigungsanlage - Entwicklung- und Betriebsphase - in welchen die Prozesszuverlässigkeit maßgeblich bestimmt wird bzw. von besonderer Bedeutung ist. Die Akquise von Zustandsinformationen ist zur Verbesserung der Prozesszuverlässigkeit von zentraler Bedeutung. Der Nutzen und die Wirksamkeit werden am Beispiel einer permanenten, vorausschauenden Zustandsüberwachung nachgewiesen.

Die Arbeit stellt ein Messsystem zur Überwachung von hochbelastbaren Leichtbauwerkstoffen, den Faserkunststoffverbunden vor. Speziell die Materialdehnung und die Eigenfrequenzen rotatorischer Systeme stellen als Schäden im makroskopischen Bereich eine Herausforderung an das Messsystem dar. Aber auch mikroskopische Erscheinungen wie Delaminationen oder Zwischenfaserbrüche gilt es an diesen Bauelementen zu erfassen.

With increasing digitization, models are more important than ever. Especially their use as soft sensors during operation offers opportunities in cost saving, easy data acquisition and therefore additional functionality of systems. In soft sensor networks there is redundant data acquisition and consequently the occurrence of inconsistent values from different soft sensors is encouraged. The resolution of these data-induced conflicts allows for the detection of changing components characteristics. Hence soft sensor networks can be used to detect wear in system components. In this paper this approach is validated on a test rig. It is found, that the soft sensor network is capable to determine wear and its extent in eccentric screw pumps and valves via data induced conflicts with relatively simple models.

Polymerbasierte Leichtbaumaterialien (LMs) werden zunehmend als Konstruktionswerkstoffe im Transportwesen (Automobilbau, Luft- und Schifffahrt, Schienenverkehr), in der zivilen Infrastruktur, im Bauwesen und in der Energietechnik eingesetzt, um Energie, Gewicht und Ressourcen einzusparen, sowie den Ausstoß klimaschädlicher Treibhausgase zu reduzieren. Sie besitzen eine hohe Festigkeit, Stabilität, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und können energie-, kosten- und ressourceneffizient hergestellt werden. Stoffliche Änderungen können irreversible Schäden am LM hervorrufen und zum frühzeitigen Materialversagen führen. Daher ist eine Materialüberwachung sinnvoll. Die vorliegende Arbeit untersucht einen neuartigen Sensoransatz zur Zustandsüberwachung von LMs mittels passiver und strukturintegrierter elektromagnetischer Resonatorarrays (RAs). Sie zeichnen sich durch regelmäßig zueinander angeordnete Subwellenlängenresonatoren aus, die in Drucktechnologie umgesetzt und mittels Spritzgieß- oder Vakuum-Infusionstechnologie in die LMs integriert werden. Stoffliche Veränderungen bewirken ein verändertes elektromagnetisches Resonanzverhalten der RAs, dass per Reflexionsmessung kontaktlos ausgewertet werden kann. Es werden reflexionsbasierte Sensorkonzepte durch den Einsatz mehrlagiger RAs erarbeitet und das Reflexionsverhalten numerisch mittels der Finiten-Elemente-Methode analysiert und die betrachteten RAs exemplarisch umgesetzt, integriert und hinsichtlich ihrer Sensorfunktion bewertet.:1 Einleitung 2 Elektromagnetische Felder, Wellen und deren Wechselwirkung mit Materie 3 Entwicklung von Subwellenlängen Resonatorarrays 4 Realisierung eines Messverfahrens zur Bewertung der Eigenschaften der entwickelten Resonatorarrays 5 Applikationsszenarien 6 Ergebnisbewertung und Auswertung Anhang

Strukturüberwachung und Condition Monitoring spielen in vielen Gebieten der Technik eine große Rolle. Zur Überwachung von Leichtbaustrukturen aus faserverstärkten Kunststoffen bietet sich hierfür besonders die Körperschall-Analyse an. Am Markt etabliert sind hierfür piezoelektrische Signalaufnehmer. Diese Arbeit stellt eine kostengünstige Alternative in Form von mikromechanischen Körperschall-Sensoren vor. Eine Besonderheit stellt hierbei das Prinzip des mechanischen Bandpasses dar. Es wird die Elektronik- und Gehäuseentwicklung sowie die experimentelle Untersuchung dargelegt. / Structural health monitoring is of vital importance in many technical fields. For monitoring of lightweight structures made from fiber reinforced plastics especially acoustic emission testing is used. Commercially available transducers utilize the piezoelectric effect. This thesis introduces a cost efficient alternative in form of micromechanical sensors, in particular sensors using the principle of a mechanical bandpass. The design of electronics and the packaging as well as experimental investigations are provided.

Vor dem Hintergrund einer messdatengetriebenen Instandhaltung und Prozessoptimierung gewinnen Konzepte wie Condition Monitoring zunehmend an Bedeutung. Zur schnellen inline-Bewertung insbesondere zerspanender Fertigungsverfahren ist dazu die Messung mechanischer Schwingungen erforderlich. Berührungslose optische Sensorik spielt aufgrund hoher Auflösungen und Abtastraten eine wachsende Rolle. In diesem Gebiet positioniert sich die vorliegende Arbeit und leistet einen Beitrag für die alternative Schwingungssensorik. Für den Anwendungsfall eines zu überwachenden Längsdrehprozesses wird die astigmatische Fokusdetektion als einfaches Messverfahren sowie als Ergänzung zum bestehenden Technikstand identifiziert. Die Eignung dieses in optischen Leseköpfen (Pickup-Einheiten) verwendeten Verfahrens kann durch eine multikriterielle Bewertung anhand der Literatur beurteilt werden. Simulationen sowie der Realaufbau eines prototypischen auf DVD-Pickup-Einheiten basierenden Vibrations-Messsystems lassen Erkenntnisse über die Skalierbarkeit und Handhabung des Ansatzes zu. Im Rahmen eines Feldtests des Pickup Messsystems werden Werkzeugschwingungen in einem Längsdrehprozess inline erfasst. Im Ergebnis lassen sich die entsprechenden Amplituden-Frequenz-Spektren des Messsignals mit nachträglichen Profilmessungen des Werkstücks vergleichen. Der vorgestellte Ansatz kann während der Bearbeitung einen Rückschluss auf die Werkstück-Welligkeit ermöglichen.

Für den zielgerichteten Einsatz von präventiven und mitigativen Notfallmaßnahmen sowie zur Beurteilung ihrer Wirksamkeit während auslegungsüberschreitender Unfälle in Druckwasserreaktoren aber auch für Hinweise zum Störfallverlauf und für die Abschätzung der Auswirkungen auf die Anlagenumgebung müssen geeignete Störfallinstrumentierungen vorhanden sein. Insbesondere der Zustand des Reaktordruckbehälterinventars (RDB-Inventar) während der In-Vessel-Phase eines auslegungsüberschreitenden Unfalls lässt sich mit aktuellen Störfallinstrumentierungen nur stark eingeschränkt überwachen, wodurch die o. g. Forderungen nicht erfüllt werden können. Die vorliegende Arbeit beinhaltet detaillierte Untersuchungen für die Entwicklung einer Störfallinstrumentierung, welche eine durchgängige Zustandsüberwachung des RDB-Inventars während der In-Vessel-Phase eines auslegungsüberschreitenden Unfalls ermöglicht. Die Störfallinstrumentierung basiert auf der Messung und Klassifikation von unterschiedlichen Gammaflussverteilungen, welche während der In-Vessel-Phase außerhalb des Reaktordruckbehälters auftreten können. Ausgehend von der Analyse zum Stand von Wissenschaft und Technik wird der modell-basierte Ansatz für Structural Health Monitoring-Systeme genutzt, um eine grundlegende Vorgehensweise für die Entwicklung der Störfallinstrumentierung zu erarbeiten. Anschließend erfolgt eine detaillierte Analyse zu den Vorgängen während der In-Vessel-Phase und eine daraus abgeleitete Definition von Kernzuständen für einen generischen Kernschmelzunfall. Für die definierten Kernzustände werden mittels Simulationen (Monte-Carlo-Simulationen zum Gammastrahlungstransport in einem zu dieser Arbeit parallel laufenden Vorhaben) Gammaflüsse außerhalb des Reaktordruckbehälters berechnet. Die Simulationsergebnisse dienen dem Aufbau von Datenbasen für die Entwicklung und Analyse eines Modells zur Klassifikation von Gammaflussverteilungen. Für die Entwicklung des Klassifikationsmodells kommen drei diversitäre und unabhängig arbeitende Klassifikationsverfahren (Entscheidungsbaum, k-nächste-Nachbarn-Klassifikation, Multilayer Perzeptron) zur Anwendung, um die Identifikationsgenauigkeit und Robustheit der Störfallinstrumentierung zu erhöhen. Die abschließenden Betrachtungen umfassen die Validierung der Störfallinstrumentierung mittels eines Versuchstandes zur Erzeugung unterschiedlicher Gammaflussverteilungen. Im Ergebnis der Untersuchungen konnte die prinzipielle Funktionsweise der entwickelten Störfallinstrumentierung nachgewiesen werden. Unter der Voraussetzung, die Gültigkeit der definierten Kernzustände zu untermauern sowie weitere, nicht in dieser Arbeit betrachtete Kernschmelzszenarien mit in die Entwicklung der Störfallinstrumentierung einzubeziehen, steht somit insbesondere für zukünftige Kernkraftwerke mit Druckwasserreaktoren eine Möglichkeit für die messtechnische Überwachung des RDB-Inventars während auslegungsüberschreitender Unfälle bereit. Die Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag auf dem Gebiet der Reaktorsicherheitsforschung sowie für den sicheren Betrieb von kerntechnischen Anlagen.

A light pulser system for the Babar CsI(Tl) calorimeter, capable of monitoring the light yield of the 6580 crystals and of checking the function and linearity of the readout electronics, was developed in a collaboration with groups from Bochum and Edinburgh. The light pulser system is based on the coupling of light from Xenon flashlamps through optical fibers into the individual crystals. The absolute intensity is measured by two special reference systems whose stability is monitored using a radioactive source. During the construction phase the light pulser was used to check the electronics in order to ensure its functioning before the insertion of the calorimeter into the detector where the preamplifier electronics is inaccessable for repair. In monitoring the short term performance of the light pulser system, the stability over one week is better than 0.15 %. Over six months between February and August 2000 the crystal response, as measured by the light pulser, of the three rings of the endcap that are closest to the beam dropped by up to 2 % in comparison with the three outer rings of the endcap, due to radiation damage. Through linearity measurements with the light pulser a flaw in the ADC boards of the calorimeter electronics, which will be fixed in the near future, and cross-talk between channels was found. By a software correction of these effects implemented by members of the collaboration an improvement of the energy resolution of the calorimeter was achieved. / Fuer das CsI(Tl)-Kalorimeter des Babar-Detektors wurde in Zusammenarbeit mit Gruppen aus Bochum und Edinburgh ein Lichtpulsersystem entwickelt, das in der Lage ist, die Lichtausbeute der 6580 Kristalle zu monitorieren und die Funktionsfaehigkeit und Linearitaet der Kalorimeterelektronik zu ueberpruefen. Das Lichtpulsersystem basiert auf der Einkopplung des Lichts von Xenon-Blitzlampen ueber Lichtleitfasern in einzelne Kristalle. Die absolute Lichtmenge wird durch zwei spezielle Lichtnormale gemessen, deren Stabilitaet durch eine radioaktive Quelle monitoriert wird. In der Aufbauphase kam der Lichtpulser fuer die Ueberpruefung der Elektronik zum Einsatz, um deren Funktionsfaehigkeit sicherzustellen, bevor das Kalorimeter in den Detektor eingebaut wurde, weil danach die Vorverstaerkerelektronik fuer Reparaturen nicht mehr zugaenglich war. In der Monitorierung ist die Kurzzeitstabilitaet des Lichtpulsersystems ueber eine Woche besser als 0,15 %. Ueber sechs Monate zwischen Februar und August 2000 sank, bedingt durch Strahlenschaeden, die mit dem Lichtpulser gemessene Antwort der Kristalle fuer die strahlnaechsten drei Ringe der Endkappe um bis zu 2 % staerker als in den aeusseren drei Ringen der Endkappe. Durch die Linearitaetsmessungen mit dem Lichtpulser konnte ein Fehler in der Kalorimeterelektronik im Bereich der ADC-Karten, der in naher Zukunft behoben werden wird, sowie ein Uebersprechen zwischen den Kanaelen gefunden werden. Durch Softwarekorrekturen dieser Effekte von seiten der Kollaboration konnte eine Verbesserung der Energieaufloesung des Kalorimeters erreicht werden.

Brennstoffzellen werden durch Stapelung präziser Bipolarplatten mit komplexer Struktur von Fließkanälen für Flüssigkeiten und Leitungen für den Transfer von Gasen hergestellt. Die für derartige Platten notwendigen Bleche werden durch Stanzen und Umformen erzeugt. Dabei haben neben der Einrichtung von Presse und Werkzeug (z. B. Hubzahl, Stößelverstellung) auch deren Zustand Einfluss auf die Qualität der Platten (Ebenheit, Materialspannungen/Rissbildungen, Gratbildung). Obwohl moderne Pressen heute im Wesentlichen auf servoelektrischen Antrieben basieren, erfolgt die Kraftübertragung auf den Stößel vornehmlich über mehrere Antriebsdruckpunkte. Spezifische Schneide- und Umformwerkzeuge erzeugen auf einer entsprechenden Presse bei definierten Presseneinstellungen und Materialparametern spezifische Kraft-, Moment- und Kippungsverläufe. Die am IWU entwickelte Überwachungslösung ist in der Lage, die genannten Größen hubabhängig zu erfassen. Mittels eines im IO-Zustand von Presse und Werkzeug generierten „Fingerprints“ werden im laufenden Prozess gemessene Abweichungen erkannt und in Echtzeit analysiert. Dies ist insbesondere beim Einsatz dünnster Bleche von enormer Bedeutung, da hier bereits kleinste anlagenbedingte Änderungen zu kostenintensiven Ausfällen an Werkzeug und Produkt führen können.

Für den zielgerichteten Einsatz von präventiven und mitigativen Notfallmaßnahmen sowie zur Beurteilung ihrer Wirksamkeit während auslegungsüberschreitender Unfälle in Druckwasserreaktoren aber auch für Hinweise zum Störfallverlauf und für die Abschätzung der Auswirkungen auf die Anlagenumgebung müssen geeignete Störfallinstrumentierungen vorhanden sein. Insbesondere der Zustand des Reaktordruckbehälterinventars (RDB-Inventar) während der In-Vessel-Phase eines auslegungsüberschreitenden Unfalls lässt sich mit aktuellen Störfallinstrumentierungen nur stark eingeschränkt überwachen, wodurch die o. g. Forderungen nicht erfüllt werden können. Die vorliegende Arbeit beinhaltet detaillierte Untersuchungen für die Entwicklung einer Störfallinstrumentierung, welche eine durchgängige Zustandsüberwachung des RDB-Inventars während der In-Vessel-Phase eines auslegungsüberschreitenden Unfalls ermöglicht. Die Störfallinstrumentierung basiert auf der Messung und Klassifikation von unterschiedlichen Gammaflussverteilungen, welche während der In-Vessel-Phase außerhalb des Reaktordruckbehälters auftreten können. Ausgehend von der Analyse zum Stand von Wissenschaft und Technik wird der modell-basierte Ansatz für Structural Health Monitoring-Systeme genutzt, um eine grundlegende Vorgehensweise für die Entwicklung der Störfallinstrumentierung zu erarbeiten. Anschließend erfolgt eine detaillierte Analyse zu den Vorgängen während der In-Vessel-Phase und eine daraus abgeleitete Definition von Kernzuständen für einen generischen Kernschmelzunfall. Für die definierten Kernzustände werden mittels Simulationen (Monte-Carlo-Simulationen zum Gammastrahlungstransport in einem zu dieser Arbeit parallel laufenden Vorhaben) Gammaflüsse außerhalb des Reaktordruckbehälters berechnet. Die Simulationsergebnisse dienen dem Aufbau von Datenbasen für die Entwicklung und Analyse eines Modells zur Klassifikation von Gammaflussverteilungen. Für die Entwicklung des Klassifikationsmodells kommen drei diversitäre und unabhängig arbeitende Klassifikationsverfahren (Entscheidungsbaum, k-nächste-Nachbarn-Klassifikation, Multilayer Perzeptron) zur Anwendung, um die Identifikationsgenauigkeit und Robustheit der Störfallinstrumentierung zu erhöhen. Die abschließenden Betrachtungen umfassen die Validierung der Störfallinstrumentierung mittels eines Versuchstandes zur Erzeugung unterschiedlicher Gammaflussverteilungen. Im Ergebnis der Untersuchungen konnte die prinzipielle Funktionsweise der entwickelten Störfallinstrumentierung nachgewiesen werden. Unter der Voraussetzung, die Gültigkeit der definierten Kernzustände zu untermauern sowie weitere, nicht in dieser Arbeit betrachtete Kernschmelzszenarien mit in die Entwicklung der Störfallinstrumentierung einzubeziehen, steht somit insbesondere für zukünftige Kernkraftwerke mit Druckwasserreaktoren eine Möglichkeit für die messtechnische Überwachung des RDB-Inventars während auslegungsüberschreitender Unfälle bereit. Die Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag auf dem Gebiet der Reaktorsicherheitsforschung sowie für den sicheren Betrieb von kerntechnischen Anlagen.:1 Einleitung 2 Analyse zum Stand von Wissenschaft und Technik 2.1 Sicherheit in deutschen Kernkraftwerken mit Druckwasserreaktor 2.1.1 Mehrstufenkonzept 2.1.2 Störfallinstrumentierungen 2.2 Auslegungsüberschreitende Unfälle mit Kernschmelze in DWR 2.2.1 Auslösende Ereignisse 2.2.2 Grundlegender Ablauf eines auslegungsüberschreitenden Unfall mit Kernschmelze 2.3 Strahlungstechnik, Strahlungsmesstechnik 2.3.1 Grundlagen der Strahlungstechnik 2.3.2 Wechselwirkungen von Gammastrahlung mit Materie 2.3.3 Messung ionisierender Strahlung 2.4 Verfahren und Methoden der Zustandsüberwachung 2.4.1 Zustandsüberwachung 2.4.2 Structural Health Monitoring 2.4.3 Mustererkennung 2.4.4 Entscheidungsbäume 2.4.5 k-nächste-Nachbarn-Klassifikation 2.4.6 Künstliche neuronale Netze 2.5 Schlussfolgerungen aus der Analyse zum Stand von Wissenschaft und Technik 2.5.1 Zusammenfassung zum Kapitel 2 2.5.2 Zielstellung, Aufbau und Abgrenzung der Arbeit 3 Analyse der In-Vessel-Phase und Definition von Kernzuständen 3.1 Detaillierte Analyse der In-Vessel-Phase 3.1.1 Auftretende Temperaturbereiche 3.1.2 Vorgänge während der frühen In-Vessel-Phase 3.1.3 Vorgänge während der späten In-Vessel-Phase 3.1.4 Spaltproduktfreisetzung 3.2 Definition von Kernzuständen für einen generischen Kernschmelzunfall 3.3 Zusammenfassung zum Kapitel 3 4 Datenbasen zur Entwicklung und Analyse des Klassifikationsmodells 4.1 Beschreibung der Monte-Carlo-Simulationsmodell 4.2 Beschreibung der Simulationsergebnisse und Merkmalsextraktion 4.3 Datenbasis zur Entwicklung 4.4 Datenbasen zur Analyse 4.5 Zusammenfassung zum Kapitel 4 5 Entwicklung und Analyse des Klassifikationsmodells 5.1 Beschreibung des Klassifikationsmodells 5.2 Teilmodell 1 - Entscheidungsbaum 5.2.1 Entwicklung 5.2.2 Analyse der Identifikationsgenauigkeit 5.3 Teilmodell 3 - k-nächste-Nachbarn-Klassifikation 5.3.1 Entwicklung 5.3.2 Analyse der Identifikationsgenauigkeit 5.4 Teilmodell 3 - Multilayer Perzeptron 5.4.1 Trainings- und Testdatenbasis 5.4.2 Entwicklung 5.4.3 Analyse der Identifikationsgenauigkeit 5.5 Teilmodell 4 - Vergleichsalgorithmus 5.5.1 Entwicklung 5.5.2 Analyse der Identifikationsgenauigkeit 5.6 Analysen zur Robustheit des Klassifikationsmodells 5.6.1 Ausfall einzelner Gammastrahlungsdetektoren 5.6.2 Gleichzeitiger Ausfall mehrerer Gammastrahlungsdetektoren 5.7 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen für das Kapitel 5 6 Validierung der Kernzustandsüberwachungsverfahren 6.1 Zielstellung und Vorgehensweise 6.2 Versuchstand zur Validierung 6.2.1 Aufbau 6.2.2 Funktionsweise 6.3 Anpassung der Kernzustandsüberwachungsverfahren an den Versuchsstand 6.4 Validierungsexperimente 6.4.1 Experiment 1 - Füllstandsänderungen 6.4.2 Experiment 2 - Quellenbewegungen 6.4.3 Experiment 3 - Füllstandsänderungen, Quellenbewegungen und Änderung von Profilkonturen 6.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen für das Kapitel 6 7 Zusammenfassung und Ausblick