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Erfassung systemspezifischer Zustandsgrößen – Physikalische Effektkataloge zur systematischen Identifikation potentieller Messgrößen

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

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Erfassung systemspezifischer Zustandsgrößen_Dissertation_Vorwerk-Handing.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Erfassung systemspezifischer Zustandsgrößen – Physikalische Effektkataloge zur systematischen Identifikation potentieller Messgrößen
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Reliable and meaningful information about technical systems and processes is key to the digitalisation of technical systems and represents one of the current challenges in mechanical engineering. In this context, it is unclear which quantities should be measured to obtain relevant information about system-specific process or state variables. Hence, this thesis aims at systematically establishing a connection between a system-specific process or state variable and potential measurands by taking the (existing) technical system into account. This thesis considers collections of physical effects to establish a connection between physical quantities and these are used to identify potential measurands. This leads to the first of two main research questions: how can a system-dependent connection between a system-specific state variable and potential measurands be established in a solution-neutral way by using an effect matrix and an effect catalogue to model physical effects? A literature study shows that the two catalogue systems by KOLLER and ROTH, respectively, represent important examples of physical effect catalogues. However, both approaches have two main limitations if one aims to identify cause-effect relationships in the form of effect chains: on the one hand, both effect catalogues focus on an effect to be realised and not a cause. On the other hand, the approaches do not consider design parameters of the technical system. Requirements for a novel catalogue system are defined by comparing the two catalogue systems and by abstracting the identified limitations. According to these requirements, this thesis develops a catalogue system by combining the basic ideas of both catalogue systems with the fundamental idea of multipole-based modelling. In order to constrain the divergent approach to identify potential measurands within reasonable limits, the second main research question is defined: how can the basic functionality of developed effect chains be verified through an uncertainty analysis, i.e. by identifying and considering the influences and effects of environmental and boundary conditions on the developed effect chains, at an early stage? The transfer, combination and further development of existing approaches of uncertainty research as well as the inclusion of robust design strategies enable the identification and consideration of occurring uncertainties. The answers to the research questions are confirmed by logical verification. The applicability as well as the usefulness of the results proposed in this thesis are initially validated by an exemplary application in the development of a sensor-integrating plain bearing. Hereby, the functionality and applicability of the approach are initially proven. Thus, the results of this thesis form a basis for systematically including the changes of a physical quantity of a technical system into the identification of potential measurands for recording this quantity. The proposed uncertainty analysis enables an early verification of the fundamental metrological functionality of an identified effect chain.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 150, LIII Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Product Development and Machine Elements (pmd)
Date Deposited: 24 Mar 2021 14:58
Last Modified: 24 Mar 2021 14:59
DOI: 10.26083/tuprints-00017629
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-176296
Referees: Kirchner, Prof. Dr. Eckhard ; Matthiesen, Prof. Dr. Sven
Refereed: 23 February 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17629
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