This work is a contribution to sensor science and engineering. A mathematical method is introduced to examine sensor structures and examples of application of this method are given. One of them is the analysis of the retinal receptive field structure. The main focus is chapter 4 that presents 4 novel or significantly improved sensor principles, which are based on improved structures. They are - Gas sensors based on the electric field induced migration of chemisorbed gas ions on a sensitive thin film (patent DE 10041263). - Gas sensors based on the effect that the Seebeck voltage between thermocouples with at least one chemical sensitive material depends on the gas environment of that material. - Gas detectors based on photo induced ionisation (PID) where the motion of space charges is controlled by an electric field (patent DE18928903, DE 19838759). - Multidimensional motion sensors that are based on self-mixing of scattered Laser light with the light wave in the cavity of the generating laser diode (patents WO0237124, EP1261877, CN1408064T, US2003016365, EP1261877, WO0237410, US2003160155, WO03032138, WO0237411A1, CN1416554T, EP1334464, US2003006367, WO03102717, US6707027, US2002104957, WO2004021158) In chapter 5 a categorization scheme for sensor structures is presented. The scheme is used to discuss different structural improvements of sensors, in particular those presented in chapter 4. / Vorwort und Zusammenfassung Im Hauptteil der vorliegenden Arbeit (Kapitel 4) werden vier verschiedene neu entwickelte oder wesentlich verbesserte Sensorprinzipien vorgestellt. Die Stärke dieser Sensorprinzipien ist deren Struktur, die zu einer verbesserten Nachweisgrenze oder Stabilität führt. Die Struktur eines Sensors (Kapitel 2) Um die Wirkung der Sensorstruktur algemeingültig zu diskutieren wird im zweiten Kapitel ein Modell entwickelt, das Eigenschaften von Sensoren auf deren Struktur zurückführt. Dabei werden alle Sensoreigenschaften allgemein von einer einfachen Gleichung generiert und daraus Schlussfolgerungen für die Eigenschaften der Sensorstruktur gezogen. Es zeigt sich, wie sich der Effekt struktureller Maßnahmen in der Nachweisgrenze niederschlägt, und sich mit der verbesserten Nachweisgrenze die Messunsicherheit (als Funktion aller Eingangsgrößen) parallel verschiebt. Strukturanalyse eines Sensors am Beispiel der Retina (Kapitel 3) Im dritten Kapitel wird das Modell beispielhaft auf das Auge höherer Säugetiere angewandt. In der Einleitung werden die bekannten biologischen Fakten für Ingenieure und Physiker verständlich eingeführt. Darauf folgt eine mathematischen Strukturanalyse der Retina (und Leiterstrukturen allgemein), die als Sensorsystem betrachtet wird. Es zeigt sich, wie die Schwächen der Komponenten (Nervenzellen) der Retina durch deren Struktur kompensiert werden. Sensoren mit verbesserter Struktur (Kapitel 4) 1. Gasmessung mit Hilfe gasempfindlicher Thermopaare Bekannt ist der Gebrauch von Thermopaaren zur Messung von Temperaturunterschieden. In dieser Arbeit wird eine bisher unbekannt gewesene Methode vorgestellt, mit der bei einem konstanten Temperaturunterschied eine Gaskonzentration gemessen wird. Dabei spielt die Abhängigkeit der differentiellen Thermospannung von der Ladungsträgerdichte in sensitiven Materialien eine Rolle. 2. Elektromigration von chemisorbierten Ionen auf einem halbleitenden Film Sensoren basierend auf Widerstandsänderungen von gasempfindlichen Filmen sind seit längerem im Gebrauch. Neu ist, deren aufgrund von Migration veränderliches Widerstandsprofil in Ort und Zeit zu messen und damit Sensoren zu bauen, die unempfindlicher gegen Alterung sind. 3. Modulation von Ionenbewegungen mit Hilfe eines zusätzlichen Gitters im Photoionisationdetektor Zwar sind sowohl Photoionisationsdetektoren (PID's) als auch das Modulationsprinzip an sich bekannt, jedoch ist bis dahin noch kein modulierter PID vorgestellt worden. Entscheidend an der hier eingeführten Innovation ist die Methode, den Photoionisationsstrom zu modulieren, jedoch dem Leckstrom und den äußeren Photostrom an der Kathode unmoduliert zu lassen. Das führt zu einer 20-fachen Verbesserung der Nachweisgrenze. 4. Laserdiodeneigenmischung zur mehrdimensionalen Bewegungsmessung Die Rückwirkung von in die Quelle zurückgestreutem Laserlicht war bisher als Störeffekt bekannt. Um diesen Effekt in einem Bewegungssensor nutzen zu können, mussten Probleme wie Richtungserkennung und Miniaturisierung gelöst werden. Kapitel 5 befasst sich mit Strukturverbesserungen der im vorherigen Kapitel genannten und weiteren Sensoren. Dazu wird eine Strukturschreibweise vorgestellt. Kapitel 6 enthält eine Zusammenfassung und einen Ausblick.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Bestimmung der Messunsicherheit bei der experimentellen Spannungsanalyse mittels Metallfoliendehnungsmessstreifen. Trotz langjähriger Verfügbarkeit von Dehnungsmessstreifen und den Kenntnissen über deren Wirkungsmechanismen, inklusive der damit verbundenen Abweichungen, existieren nur wenige Betrachtungen hinsichtlich der Messunsicherheit. Vor allem die große Anzahl möglicher Einflüsse und die daraus resultierenden systematischen Abweichungen, in Kombination mit einer fehlenden Möglichkeit zur Kalibrierung, stellen eine Herausforderung und meist einen hohen Aufwand dar. Diese komplexe Ausgangssituation wird anhand theoretischer und praktischer Untersuchungen analysiert und bewertet. Dabei wird das Ziel verfolgt, eine möglichst große Menge von Messaufgaben abzudecken, ohne zugleich eine übermäßig große Messunsicherheit hinnehmen zu müssen. Nach einer umfassenden Darstellung verschiedener Abweichungen werden zunächst die Einflüsse systematisiert. Darauf aufbauend werden Randbedingungen für häufig auftretende Messaufgaben abgeleitet und als Standardszenario zusammengefasst. Im anschließenden Abschnitt werden alle Einflüsse, die im Rahmen der Arbeit nicht empirisch untersucht werden können, mit Hilfe der Randbedingungen theoretisch betrachtet. Einen wesentlichen Anteil an der resultierenden Messunsicherheit besitzen dabei die Ermüdungserscheinungen und die Rückwirkung. Relevant, jedoch von untergeordneter Bedeutung, sind die Hysterese, das Kriechen und die Querempfindlichkeit. Im empirischen Teil wird ein modifizierter Versuchsstand zur Bestimmung des k-Faktors dargestellt, mit dem zeitgleich bis zu 36 Dehnungsmessstreifen untersucht werden können. Einen Schwerpunkt dabei bildet die Mechanik des verwendeten breiten Biegebalkens. Die Auswertung zeigt, dass die Richtungsabweichung der 72 untersuchten Dehnungsmessstreifen weniger als 1° beträgt. Die Messunsicherheit bezüglich des Nullpunktes bei der Dehnungsmessung resultiert vor allem aus der temperaturbedingten Scheindehnung. Deren Korrektur mit dem Polynom laut Datenblatt ist aufgrund der Unsicherheit der thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 0-30 °C von geringer Wirkung. Bei Langzeitmessungen ab etwa 30-50 Tagen ist trotz Abdeckung mit Polyurethan-Lack zudem die feuchtigkeitsspezifische Nullpunktdrift von Bedeutung. Die Empfindlichkeit der Dehnungsmessung wird durch die losspezifische Streuung des k-Faktors dominiert und ist nicht zeitabhängig. Abschließend werden alle untersuchten Einflüsse zusammengefasst und verglichen. Dadurch wird offensichtlich, dass durch gezielte Einschränkung der zulässigen Lastwechselzahl und der mechanischen Eigenschaften des Messobjektes im Standardszenario die Messunsicherheit um 23 % reduzierbar ist. Zusätzlich wird die Anpassung der Randbedingungen an eine Langzeitmessung mit erweitertem Temperaturbereich demonstriert.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Zielstellung 1.1.1 Motivation 1.1.2 Zielstellung und Abgrenzung der Arbeit 1.2 Verfahrensweise und Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Abschätzung der Messunsicherheit 2.1.1 Systematik der Messabweichungen 2.1.2 Grundlagen der Messunsicherheit 2.1.3 Messunsicherheit nach GUM und GUM S1 2.1.4 Messaufgabenspezifische Messunsicherheit 2.2 Metallfolien-DMS 2.2.1 Messprinzip 2.2.2 Ursachen für Messabweichungen 2.2.3 Maßnahmen zur Reduzierung von Abweichungen 2.3 Statistische Methoden 2.3.1 Design of Experiments (DoE) 2.3.2 Statistische Methoden zur Versuchsauswertung 3 Entwurf eines Standardszenarios 3.1 Definition des Standardszenarios 3.2 Randbedingungen für das Standardszenario 3.2.1 Mensch 3.2.2 Messmittel 3.2.3 Versuchsdurchführung 3.2.4 Messobjekt 3.2.5 Umgebungsbedingungen 3.3 Ursachen und Effekte im Standardszenario 3.3.1 Applikation 3.3.2 Messmittel 3.3.3 Versuch 3.3.4 Umgebung 3.4 Angewandte Methoden zur Reduzierung von Abweichungen 3.4.1 Kompensationsverfahren 3.4.2 Korrektion von Abweichungen 4 Theoretische Betrachtung der Messunsicherheiten 4.1 Vorgehensweise bei der Abschätzung der Messunsicherheit 4.2 Messmittel 4.2.1 Messverstärker 4.2.2 Rauschen 4.3 Versuch 4.3.1 Querdehnungsempfindlichkeit 4.3.2 Ermüdungsverhalten 4.3.3 Hysterese 4.3.4 Kriechen 4.3.5 Rückwirkung 4.3.6 Linearität 4.4 Umgebungseinflüsse 4.4.1 Thermospannung 4.4.2 Thermische Drift 5 Empirische Untersuchung zur Messunsicherheit 5.1 Versuchsplanung 5.1.1 Versuchsbeschreibung 5.1.2 Versuchsmaterial und Personal 5.1.3 Versuchsplan 5.1.4 Versuchsablauf 5.2 Versuchsaufbau zur Bestimmung des k-Faktors 5.2.1 Theoretische Grundlagen zum Versuch 5.2.2 Probenmechanik des breiten Biegebalkens 5.2.3 Praktische Umsetzung der 4-Punkt-Biegung 5.3 Langzeitversuch 5.3.1 Versuchsaufbau und Datenerfassung 5.3.2 Umgebungsbedingungen 5.4 Auswertung der Versuche 5.4.1 Richtungsabweichung 5.4.2 Grundwiderstand 5.4.3 Nullpunkt 5.4.4 k-Faktor 6 Messunsicherheit für das Standardszenario und Zusammenfassung 6.1 Zusammenfassung des Standardszenarios 6.1.1 Messunsicherheit Standardszenario 6.1.2 Anpassung des Standardszenarios 6.2 Zusammenfassung und Ausblick 6.2.1 Zusammenfassung 6.2.2 Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Nichtlinearität der Wheatstoneschen Messbrücke B Tabellen zum Standardszenario C Herleitungen zur theoretischen Abschätzung D Bestimmung der Materialkennwerte E Daten der einzelnen Messstellen des Versuchs F Ergänzungen zum Versuch G Ergänzungen zur Auswertung des Versuchs / This thesis deals with the determination of the measurement uncertainty in experimental stressanalysis using metal foil strain gauges. Despite the availability of strain gauges for many years and the knowledge of their mechanisms of action, including the associated errors, only a few considerations exist with regard to the measurement uncertainty. Particulary the large number of possible influences and the resulting systematic errors, in combination with a lack of possibility for calibration, represent a challenge and usually a high expense. This complex initial situation is analysed and evaluated on the basis of theoretical and practical investigations. The aim is to cover as many measurement tasks as possible without having to accept an excessively high measurement uncertainty at the same time. After a comprehensive presentation of various errors, the influences are first systematized. Based on this, boundary conditions for frequently occurring measurement tasks are derived and summarized as a standard scenario. In the following section, all influences that cannot be investigated empirically within the scope of the work are considered theoretically with the help of the boundary conditions. The fatigue damage and the reinforcement effect have a significant share in the resulting measurement uncertainty. Relevant, but of secondary importance, are hysteresis, creep and transverse sensitivity. In the empirical part, a modified test rig for determining the k-factor is presented, with which up to 36 strain gauges can be measured simultaneously. One focus is on the mechanics of the wide bending beam used. The evaluation shows that the error due to misalignment of the 72 examined strain gauges is less than 1°. The measurement uncertainty with regard to the zero-point in the strain measurement results primarily from the thermal output of the strain gauge. Its correction with the polynomial according to the data sheet is of little effect due to the uncertainty of the thermal expansion coefficients in the temperature range of 0-30 °C. In the case of long-term measurements from about 30-50 days, the moisture-specific zero-point drift is also significant despite covering in polyurethane lacquer. The sensitivity of the strain measurement is dominated by the batch-specific scatter of the k-factor and is not time-dependent. Finally, all examined influences are summarised and compared. This illustrates that the measurement uncertainty can be reduced by 23 % in the standard scenario by specifically limiting the permissible number of load cycles and mechanical properties of the test object. In addition, the adaptation of the boundary conditions to a long-term measurement with extended temperature range is demonstrated.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Zielstellung 1.1.1 Motivation 1.1.2 Zielstellung und Abgrenzung der Arbeit 1.2 Verfahrensweise und Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Abschätzung der Messunsicherheit 2.1.1 Systematik der Messabweichungen 2.1.2 Grundlagen der Messunsicherheit 2.1.3 Messunsicherheit nach GUM und GUM S1 2.1.4 Messaufgabenspezifische Messunsicherheit 2.2 Metallfolien-DMS 2.2.1 Messprinzip 2.2.2 Ursachen für Messabweichungen 2.2.3 Maßnahmen zur Reduzierung von Abweichungen 2.3 Statistische Methoden 2.3.1 Design of Experiments (DoE) 2.3.2 Statistische Methoden zur Versuchsauswertung 3 Entwurf eines Standardszenarios 3.1 Definition des Standardszenarios 3.2 Randbedingungen für das Standardszenario 3.2.1 Mensch 3.2.2 Messmittel 3.2.3 Versuchsdurchführung 3.2.4 Messobjekt 3.2.5 Umgebungsbedingungen 3.3 Ursachen und Effekte im Standardszenario 3.3.1 Applikation 3.3.2 Messmittel 3.3.3 Versuch 3.3.4 Umgebung 3.4 Angewandte Methoden zur Reduzierung von Abweichungen 3.4.1 Kompensationsverfahren 3.4.2 Korrektion von Abweichungen 4 Theoretische Betrachtung der Messunsicherheiten 4.1 Vorgehensweise bei der Abschätzung der Messunsicherheit 4.2 Messmittel 4.2.1 Messverstärker 4.2.2 Rauschen 4.3 Versuch 4.3.1 Querdehnungsempfindlichkeit 4.3.2 Ermüdungsverhalten 4.3.3 Hysterese 4.3.4 Kriechen 4.3.5 Rückwirkung 4.3.6 Linearität 4.4 Umgebungseinflüsse 4.4.1 Thermospannung 4.4.2 Thermische Drift 5 Empirische Untersuchung zur Messunsicherheit 5.1 Versuchsplanung 5.1.1 Versuchsbeschreibung 5.1.2 Versuchsmaterial und Personal 5.1.3 Versuchsplan 5.1.4 Versuchsablauf 5.2 Versuchsaufbau zur Bestimmung des k-Faktors 5.2.1 Theoretische Grundlagen zum Versuch 5.2.2 Probenmechanik des breiten Biegebalkens 5.2.3 Praktische Umsetzung der 4-Punkt-Biegung 5.3 Langzeitversuch 5.3.1 Versuchsaufbau und Datenerfassung 5.3.2 Umgebungsbedingungen 5.4 Auswertung der Versuche 5.4.1 Richtungsabweichung 5.4.2 Grundwiderstand 5.4.3 Nullpunkt 5.4.4 k-Faktor 6 Messunsicherheit für das Standardszenario und Zusammenfassung 6.1 Zusammenfassung des Standardszenarios 6.1.1 Messunsicherheit Standardszenario 6.1.2 Anpassung des Standardszenarios 6.2 Zusammenfassung und Ausblick 6.2.1 Zusammenfassung 6.2.2 Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Nichtlinearität der Wheatstoneschen Messbrücke B Tabellen zum Standardszenario C Herleitungen zur theoretischen Abschätzung D Bestimmung der Materialkennwerte E Daten der einzelnen Messstellen des Versuchs F Ergänzungen zum Versuch G Ergänzungen zur Auswertung des Versuchs

In der Arbeit werden normativ-technische und verfahrenstechnische Voraussetzungen zur Richtighaltung von Kreisformmessgeräten dargelegt. Dazu wird ein umfassendes Begriffssystem für die allgemeine Beschreibung von Bewegungsabweichungen von bewegten Bauteilen an Werkzeugmaschinen oder Formmessgeräten, z.B. Kreisformmessgeräten, als Grundlage für ihre Tolerierung und Messung vorgeschlagen. Bekannte Messverfahren zur Bestimmung von Rotationsabweichungen der Spindel von Kreisformmessgeräten werden theoretisch und praktisch untersucht. Es wird ein neues Messverfahren, das kontinuierliche Relativlagenmessverfahren, entwickelt und ebenfalls untersucht. Die untersuchten Messverfahren zur Bestimmung von Rotationsabweichungen ermöglichen verschiedene Messunsicherheiten bis zu weniger als 0,02 µm. Vorschläge für die Gestaltung des Prüfschemas zur Richtighaltung von Kreisformmessgeräten werden unterbreitet. auch unter: Zentralbibliothek/Magazin/MPF1443

In der Arbeit werden normativ-technische und verfahrenstechnische Voraussetzungen zur Richtighaltung von Kreisformmessgeräten dargelegt. Dazu wird ein umfassendes Begriffssystem für die allgemeine Beschreibung von Bewegungsabweichungen von bewegten Bauteilen an Werkzeugmaschinen oder Formmessgeräten, z.B. Kreisformmessgeräten, als Grundlage für ihre Tolerierung und Messung vorgeschlagen. Bekannte Messverfahren zur Bestimmung von Rotationsabweichungen der Spindel von Kreisformmessgeräten werden theoretisch und praktisch untersucht. Es wird ein neues Messverfahren, das kontinuierliche Relativlagenmessverfahren, entwickelt und ebenfalls untersucht. Die untersuchten Messverfahren zur Bestimmung von Rotationsabweichungen ermöglichen verschiedene Messunsicherheiten bis zu weniger als 0,02 µm. Vorschläge für die Gestaltung des Prüfschemas zur Richtighaltung von Kreisformmessgeräten werden unterbreitet. auch unter: Zentralbibliothek/Magazin/MPF1443:Verzeichnis der verwendeten Abkuerzungen V Vorwort VII 1. Einleitung 1 2. Grundlagen der radiusbezogenen Kreisformmessung 2 2.1. Eliminierung der Exzentrizitaet 2 2.2. Messunsicherheit der Kreisformmessung 3 2.3. Bewegung eines rotierenden Teiles 3 3. Begriffe und Definitionen zur Bewegung eines Teiles 5 3.1. Allgemeine Bemerkungen 5 3.2. Internationaler Stand 9 3.2.1. Bekannte Begriffe und Definitionen fuer die Bewegung eines Teiles 10 3.2.2. Bekannte Begriffe und Definitionen fuer die Bewegung eines rotierenden Teiles 11 3.2.3. Einschaetzung 14 3.3. Aufgabenstellung zur Erarbeitung von Begriffen und Definitionen 15 3.4. Vorschlag fuer neue Begriffe und Definitionen 16 3.4.1. Vorbemerkungen 16 3.4.2. Begriffe fuer die Verschiebung eines Punktes eines bewegten Teiles 19 3.4.2.1. Begriffe fuer die allgemeine Bewegung 19 3.4.2.2. Begriffe fuer die Rotation 21 3.4.2.3. Begriffe fuer die Translation 23 3.4.2.4. Erlaeuterungen zu den Begriffen 25 3.4.3. Begriffe fuer die Verdrehung einer Strecke eines bewegten Teiles 31 3.4.3.1. Begriffe fuer die allgemeine Bewegung 31 3.4.3.2. Begriffe fuer die Rotation und Translation 37 3.4.3.3. Erlaeuterungen zu den Begriffen 37 3.5. Vergleich und Einschaetzung der neuen Definitionen 43 3.6. Zeichnungsangaben von Bewegungs- und Verdrehungsabweichungen 49 4. Messverfahren zur Bestimmung von Rotationsabweichungen 51 4.1. Theoretische Untersuchungen 52 4.1.1. Vergleichsmessverfahren 53 4.1.2. Mehrlagenmessverfahren 54 4.1.2.1. Umkehrmessverfahren 55 4.1.2.2. Relativlagenmessverfahren 57 4.1.2.2.1. Relativlagenmessverfahren mit zwei Messstellungen 58 4.1.2.2.2. Relativlagenmessverfahren mit punktweiser Berechnung 59 4.1.2.2.3. Relativlagenmessverfahren mit Fourier-Reihen- Berechnung 60 4.1.2.3. Kontinuierliches Relativlagenmessverfahren 61 4.1.3. Weitere Messverfahren 64 4.1.3.1. Frequenztrennmessverfahren 64 4.1.3.2. Fotodiodensignalmessverfahren 65 4.1.4. Einschaetzung 66 4.2. Messtechnische Untersuchungen 67 4.2.1. Relativlagenmessverfahren mit punktweiser Berechnung 68 4.2.2. Vergleichsmessverfahren 73 4.2.3. Kontinuierliches Relativlagenmessverfahren 76 4.2.4. Einschaetzung 86 4.3. Messverfahren zur Richtighaltung von Kreisformmessgeraeten 87 5. Metrologische Richtighaltung 88 5.1. Pruefschema fuer Kreisformmessgeraete 90 5.1.1. Spezialnormal der Laenge fuer die Kreisform 91 5.1.2. Referenznormale 91 5.1.3. Arbeitsmessmittel 92 5.2. Pruefvorschriften fuer Kreisformmessmittel 93 5.2.1. Pruefvorschriften fuer die Eichung der Haupt- normale 93 5.2.2. Betriebliche Pruefvorschriften fuer Kreisformmessgeraete 93 5.3. Einschaetzung 95 6. Weitere Aufgaben 95 Verzeichnis der Anmerkungen 97 Literaturverzeichnis 98 Verzeichnis der Abbildungen 105 Verzeichnis der Anlagen 108 Anlagen 110 Thesen

Die Globalisierung von Handel und Wirtschaft macht es nötig, nationale Analysenergebnisse international gegenseitig anzuerkennen. Dabei kann die Richtigkeit der Analysenwerte durch Ruckführung auf Einheitsnormale mittels Primärmethoden, Zertifizierte Referenzmaterialien (ZRM) und Referenzverfahren gewährleistet werden. Die quantitative hochauflösende 1H-SP-NMR bietet sich aufgrund ihrer ausgezeichneten Selektivität und ihrem Potenzial als relative Primärmethode geradezu als Referenzverfahren an. Für vier wichtige Anwendungsbereiche (Bestimmung von Stoffmengenverhältnissen und -anteilen in mol/mol bzw. mol/mol %, der Reinheitsbestimmung über die Hauptkomponentenanalyse in g/g % und der Gehaltsbestimmung in mg/g) wurden anhand idealer Modellsysteme in Lösung (5-Komponenten: Ethyl-4-toluolsulfonat, [2,2]-Paracyclophan, Durol, Cyclododekan, Oktamethylcyclotetrasiloxan; Maleinsäure; 3-Trimethyl-2,2,3,3-tetradeuteropropionsäure-Natriumsalz (TSP)) die Messgleichungen und vollständigen Unsicherheitsbudgets aufgestellt sowie Arbeitsanweisungen zur quantitativen Aufnahme und Auswertung von 1H-NMR-Messungen erarbeitet. Dazu war für die Reinheits- und Gehaltsbestimmung ein System interner NMR-Standards aufzubauen (ZRM Benzoesäure, Maleinsäure, TSP-Lösung, Durol), das den Forderungen nach metrologischer Rückführung genügte. Zur Minimierung der Messunsicherheit wurden systematisch die Einflüsse gerätespezifischer Parameter und der Auswertung umfangreich untersucht und quantifiziert. Mittels mitorganisierter nationaler und internationaler CCQM-Ringversuche konnten allgemeingültige (unabhängig von der Gerätekonfiguration) Aussagen über die Messunsicherheit der Methoden bzw. Verfahren getroffen werden. Für realitätsbezogene Fragestellungen der Reinheitsbestimmung möglicher Referenzmaterialien für den pharmazeutischen Bereich (Spiraeosid, Thymol, Loganin) sowie von Xylol-Isomeren-Gemischen und der Gehaltsbestimmung 0,1%-iger wässriger Ethanollösungen mussten teilweise die quantitative 1H-entkoppelte 13C-NMR validiert und der quantitative Einsatz der 1H-Wasserunterdrückung (Presaturation) erstmalig entwickelt werden. Um die Güte der quantitativen NMR-Verfahren als Referenzverfahren bewertet zu können, wurde durch Beteiligung an internationalen Ringversuchen auf höchstem metrologischen Niveau (CCQM) deren Messunsicherheiten mit denen anderer analytischer Verfahren verglichen. Es konnten somit vier Referenzverfahren durch Dokumentation der Prüfbereiche, Messunsicherheiten und Einsatzgebiete der quantitativen hochauflösenden 1H- und 13C-NMR formuliert werden. / The globalisation of trade and economics makes requires mutual international recognition of analytical measurement results. The trueness of analytical results can be secured by establishing traceability to measurement standards for SI units using primary methods, certified reference materials (CRM) and reference methods. The quantitative high resolution 1H-SP-NMR offers itself as reference method due to its excellent selectivity and its potential as relative primary method. For four important areas of application (determination of amount-of-substance ratios and fractions in mol/mol and mol/mol %, respectively, purity determination by main component analysis in g/g %, and determination of minor component mass fractions in mg/g) the measuring equations and complete uncertainty budgets were set up, and work instructions for the acquisition and evaluation of quantitative 1H-NMR measurements were compiled, on the basis of ideal model systems in solution (5 components: Ethyl-4-toluenesulfonate, [2,2]-Paracyclophane, Durene, Cyclododecane, Octamethylcyclotetrasiloxane; Maleic acid; 3-Trimethyl-2,2,3,3-tetradeuteropropionic acid sodium salt (TSP)). In addition, a system of internal NMR standards had to be built up (CRM benzoic acid, maleic acid, TSP solution, Durene) for the determination of composition and purity, which meets the demands for metrological traceability. For the minimization of measurement uncertainty, the influences of instrument-specific parameters and data evaluation techniques were extensively examined and quantified. By means of national and jointly organized international CCQM intercomparisons generally applicable statements (independent of the measuring system configuration) about the measurement uncertainty for the different methods could be specified. For addressing real-life problems in purity determination of prospective reference substances for the pharmaceutical field (spiraeoside, thymol, loganin) as well as of xylene isomer mixtures and the analysis of 0,1 % aqueous ethanol solutions, the quantitative 1H-decoupled 13C-NMR had to be validated in part and the quantitative application of the 1H water suppression (presaturation) was developed for the first time. In order to estimate the power of quantitative NMR as a reference method, measurement uncertainties were compared with those of other analytical methods by participation in international intercomparisons on the highest metrological level (CCQM). Thus, four reference methods of the quantitative high resolution 1H- and 13C-NMR could be specified in terms of measuring ranges, measurement uncertainties and application fields.

Die Unsicherheit analytischer Ergebnisse lässt Rückschlüsse auf die Zuverlässigkeit der angewandten Analyseverfahren zu. Entsprechend den Qualitätsanforderungen an akkreditierte Prüf- und Kalibrierlaboratorien (siehe u.a. Norm ISO/IEC 17025) ist daher die Angabe der Messunsicherheit erforderlich. Zur Ermittlung der Messunsicherheit typischer FT-IR-spektroskopischer Analysen von Feststoffen und Flüssigkeiten wurde eine systematische Untersuchung des Einflusses zahlreicher FT-, proben- und gerätespezifischer Parameter auf den Messwert durchgeführt. Die Überprüfung der Ordinatenrichtigkeit bei FT-IR-spektroskopischen Messungen an Gläsern erfolgte mit Hilfe eines Transmissionsstandards des National Physical Laboratory (NPL), der aus einem Schott NG11 Neutralglasfilter besteht, und bei Messungen an Flüssigkeiten durch Vergleich der nach einem Absolutverfahren bestimmten Extinktionskoeffizienten des Dichlormethans mit von der IUPAC publizierten Standardwerten. Nach Optimierung der Messbedingungen stimmen die Transmissionswerte des NPL-Standards und die Extinktionskoeffizienten des Dichlormethans mit den entsprechenden Standardwerten überein. Die für die Bestimmung dieser Messgrößen aufgestellten Unsicherheitsbilanzen gestatten die quantitative Abschätzung des Einflusses einzelner Parameter auf die Gesamtunsicherheit. Bei Anwendung der KBr-Presstechnik für die quantitative Analyse von unlöslichen Feststoffen haben die Partikelgröße des Analyten und die Homogenität der Presslinge einen dominierenden Einfluss auf die Qualität der Spektren. Um die Unsicherheit zu minimieren, die auf dem Einfluss der Partikelgröße beruht, muss es ein Ziel der Probenvorbereitung sein, dass die Partikeldurchmesser der Kalibriersubstanz und des Analyten einen Wert von ca. 2 µm nicht überschreiten und möglichst gleich groß sind. Bei Untersuchungen mit Calciumcarbonat-Proben unterschiedlicher Partikeldurchmesser hat sich die Halbwertsbreite der auszuwertenden Bande, die mit der Partikelgröße korreliert, als ein geeignetes Maß für die Beurteilung erwiesen, wie gut letztere Bedingung erfüllt ist. Eine inhomogene Verteilung der absorbierenden Partikel im Pressling kann durch Durchstrahlen der gesamten Oberfläche des Presslings oder durch Mitteln der an verschiedenen Positionen des Presslings gemessenen Spektren berücksichtigt werden. Diese Arbeiten zeigen, dass die Anwendung der KBr-Presstechnik bei sorgfältiger Probenvorbereitung und Einhaltung optimaler Messbedingungen im Rahmen der Messunsicherheit zu richtigen Ergebnissen führt. / The uncertainty of analytical results allows to assess the reliability of the applied analytical methods. According to quality requirements for accredited laboratories (see e.g. ISO/IEC 17025) it is necessary to report the uncertainty of measurement. In order to evaluate the uncertainty of typical quantitative FT-IR spectroscopic analysis of solids and liquids a detailed study of the influence of numerous FT-, sample- and instrument-specific parameters on the measurand was performed. The trueness of FT-IR spectroscopic measurements on glasses was tested with a transmittance standard of the National Physical Laboratory (NPL) that consists of a Schott NG11 neutral density filter. The trueness of FT-IR spectroscopic measurements on liquids was checked by the comparison of the molar absorptivities of dichloromethane determined by transmission measurements with the standard values published by IUPAC. After optimisation of the measurement conditions the transmittance values of the NPL standard and the molar absorptivities of dichloromethane are in accordance with the corresponding standard values. The uncertainty budgets evaluated for these measurends makes it possible to assess the contribution of a single parameter on the combined uncertainty. By using the KBr pressed pellet technique for the quantitative analysis of insoluble solids the particle size of the analyte and the homogeneity of the pellets are the major contributions to the quality of spectra. In order to minimize the uncertainty due to the particle size a purpose of the sample preparation must be to reduce the particle sizes of the calibration sample and the analyte to a maximum size of 2 µm and both particle sizes should agree. A detailed study with calcium carbonate samples with different mean particle sizes has shown that the half-width of the analysed band depends on the particle size and is suitable to test how far the last mentioned condition is fulfilled. In order to minimize the uncertainty due to an inhomogeneous distribution of the absorbing particles in the pellets the infrared beam must pass through the whole surface area of a pellet or the mean value of the spectra measured at different positions on the surface area has to be evaluated. This work proves that the use of the pressed pellet technique can lead to correct results within the limits of the uncertainty if the sample preparation is carried out carefully and optimal measurement conditions are kept.

Flow rate measurements are a common topic for process monitoring in chemical engineering and food industry. To achieve the requested low uncertainties of 0:1% for flow rate measurements, a precise measurement of the shear layers of such flows is necessary. The Laser Doppler Velocimeter (LDV) is an established method for measuring local flow velocities. For exact estimation of the flow rate, the flow profile in the shear layer is of importance. For standard LDV the axial resolution and therefore the number of measurement points in the shear layer is defined by the length of the measurement volume. A decrease of this length is accompanied by a larger fringe distance variation along the measurement axis which results in a rise of the measurement uncertainty for the flow velocity (uncertainty relation between spatial resolution and velocity uncertainty). As a unique advantage, the laser Doppler profile sensor (LDV-PS) overcomes this problem by using two fan-like fringe systems to obtain the position of the measured particles along the measurement axis and therefore achieve a high spatial resolution while it still offers a low velocity uncertainty. With this technique, the flow rate can be estimated with one order of magnitude lower uncertainty, down to 0:05% statistical uncertainty.1 And flow profiles especially in film flows can be measured more accurately. The problem for this technique is, in contrast to laboratory setups where the system is quite stable, that for industrial applications the sensor needs a reliable and robust traceability to the SI units, meter and second. Small deviations in the calibration can, because of the highly position depending calibration function, cause large systematic errors in the measurement result. Therefore, a simple, stable and accurate tool is needed, that can easily be used in industrial surroundings to check or recalibrate the sensor. In this work, different calibration methods are presented and their in uences to the measurement uncertainty budget of the sensor is discussed. Finally, generated measurement results for the film flow of an impinging jet cleaning experiment are presented.

Die Magnetisierungskurven und Ummagnetisierungsverluste weichmagnetischer Werkstoffe zeigen sich stark abhängig von den zur Bearbeitung eingesetzten Trennverfahren. Nach dem theoretischen Ergründen der Ursachen und dem Entwurf einer genauen und praxistauglichen Prüfmethodik erfolgt die messtechnische Charakterisierung dieser Abhängigkeiten an ausgewählten Werkstoffen, Trennverfahren, Probengeometrien und Magnetisierungsbedingungen. Dies ermöglicht erste Rückschlüsse auf die Sensitivität magnetischer Eigenschaften gegenüber Bearbeitungseffekten. Anhand der Ergebnisse können schließlich Modelle zur Beschreibung der Materialdegeneration an Bearbeitungskanten identifiziert werden. Weiterführend werden drei Methoden zur Nachrechnung von Magnetkreisen eingeführt, um im Entwurfsprozess elektrischer Maschinen den Einfluss von degenerierten Eigenschaften abzuschätzen. Diese werden abschließend an praktisch relevanten Anordnungen mit konventionellen Berechnungen und Messwerten verglichen. / Magnetization curves and core losses of soft magnetic materials are strongly dependent on the applied cutting processes. After identifying the theoretical causes and designing an accurate and convenient measuring technique those dependencies are determined from selected materials, cutting processes, sample geometries and magnetization conditions. Thus, first conclusions about the sensitivity of magnetic properties to cutting effects are possible. The results eventually enable the identification of models specifying the material degeneration at cutting edges. Furthermore, three methods are introduced in order to describe magnetic circuits, as common in electrical machines, but under the influence of degenerated properties. Finally, those methods are compared to conventional calculations and measurements at practically relevant cores.