Vorwerk-Handing, Gunnar (2021)
Erfassung systemspezifischer Zustandsgrößen – Physikalische Effektkataloge zur systematischen Identifikation potentieller Messgrößen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00017629
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

Abstract

Die Verfügbarkeit zuverlässiger und aussagekräftiger Informationen über technische Systeme und Prozesse ist eine essentielle Voraussetzung für die Digitalisierung technischer Systeme und stellt eine der aktuellen Herausforderungen im Maschinenbau dar. Im Zuge dessen stellt sich die Frage, welche Messgrößen potentiell geeignet sind, um benötigte Informationen über systemindividuelle Prozess- oder Zustandsgrößen zu gewinnen. Dementsprechend ist es das Ziel dieser Arbeit, systematisch Zusammenhänge zwischen einer zu erfassenden systemspezifischen Prozess- oder Zustandsgröße und potentiellen Messgrößen, unter Berücksichtigung eines (bestehenden) technischen Systems, herzustellen. Der Ansatz physikalische Effektsammlungen einzusetzen, um einen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen herzustellen, wird in dieser Arbeit aufgegriffen und zur Identifikation potentieller Messgrößen, ausgehend von einer zu bestimmenden physikalischen Größe, eingesetzt. Hieraus wird die erste der beiden Hauptforschungsfragen abgeleitet: Wie kann der Zusammenhang zwischen einer systemspezifischen Zustandsgröße und potentiellen Messgrößen, unter Berücksichtigung des individuellen Systems, lösungsneutral durch eine Modellierung mittels physikalischer Effekte, basierend auf einer Effektmatrix und einem Effektkatalog hergestellt werden? In einer Literaturrecherche wird festgestellt, dass die Katalogsysteme nach KOLLER und ROTH als etablierte Stellvertreter physikalischer Effektkataloge anzusehen sind. Diese weisen hinsichtlich der angestrebten Identifikation von Ursache-Wirkung-Zusammenhängen in Form von Effektketten allerdings zwei wesentliche Einschränkungen auf: Zum einen gehen beide Effektkataloge von einer zu realisierenden Wirkung aus und nicht von einer Ursache und zum anderen ist eine Berücksichtigung von Gestaltparametern eines technischen Systems nicht vorgesehen. Durch den Vergleich der beiden Katalogsysteme sowie durch eine Abstraktion der identifizierten Einschränkungen werden Anforderungen an ein zu entwickelndes Katalogsystem definiert. Darauf aufbauend wird durch die Verknüpfung der Grundgedanken beider Katalogsysteme mit den Grundlagen der mehrpolbasierten Modellbildung ein anforderungsgemäßes Katalogsystem konzipiert. Um das divergente Vorgehen bei der Identifikation potentieller Messgrößen begründet in einem zweckmäßigen Umfang zu halten, wird die zweite Hauptforschungsfrage definiert: Wie kann, durch eine Erfassung und Berücksichtigung der Ein- und Auswirkungen von Umgebungs- und Randbedingungen auf die entwickelten Effektketten mittels einer Unsicherheitsbetrachtung, die prinzipielle Funktionsfähigkeit entwickelter Effektketten frühzeitig geprüft und abgesichert werden? Durch das Übertragen, Verknüpfen und Weiterentwickeln existierender Ansätze der Unsicherheitsforschung sowie dem Einbeziehen von Robust-Design-Strategien wird eine Identifikation und Berücksichtigung auftretender Unsicherheit ermöglicht. Die Beantwortung der Forschungsfragen wird in einer logischen Verifikation gezeigt. Die Anwendbarkeit sowie Nützlichkeit der Ergebnisse dieser Arbeit werden durch eine exemplarische Anwendung im Zuge der Entwicklung eines sensorintegrierenden Gleitlagers initial validiert. Hierbei werden die Funktionsfähigkeit und die Anwendbarkeit des Ansatzes initial nachgewiesen. Somit bilden die Ergebnisse dieser Arbeit eine Grundlage, um die in einem technischen System auftretenden Wandlungen einer zu erfassenden physikalischen Größe systematisch in die Identifikation potentieller Messgrößen zur Erfassung dieser Größe einzubeziehen. Mittels der eingeführten Unsicherheitsbetrachtung wird eine frühzeitige Prüfung und Absicherung der prinzipiellen messtechnischen Funktionsfähigkeit einer identifizierten Effektkette ermöglicht.

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