600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
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The interest of scientists to study motion sequences exists in the fields of sports science, clinical analysis and computer animation for quite some time. While in the last decades mainly markerbased motion capture systems have been used to evaluate movements, the interest in markerless systems is growing more and more. Nevertheless, in the field of clinical analysis, markerless methods have not yet proven their value, partly due to a lack of studies evaluating the quality of the obtained data. Therefore, this study aims to validate two markerless motion capture softwares from Simi Reality Motion Systems. The software Simi Shape, which is a mixture of traditional image-based tracking supported by an artificial intelligence net (AI net), and the software Crush, that uses a completely AI-based method. For this purpose, all motion data was recorded with two in-house motion capture systems. One system for recording the movements for a markerbased evaluation as gold standard and one system for markerless tracking. Within a laboratory environment, eight cameras per system were mounted around the area of motion. By placing two cameras in the same position and using the same calibration, deviations in the image data between those for markerbased and markerless tracking were extremely minimal. Based on this data, markerbased tracking was performed using the Simi Motion program, markerless tracking was performed using the Simi Shape software system and the latest software from Simi Reality Motion Systems, Crush. When comparing the markerless data with the markerbased data, an average root mean square error of 0,038 m was calculated for Simi Shape and a deviation of 0,037 m for Crush. In a direct comparison of the two markerless systems, a root mean square error of 0,019 m was scored. Based on these data, conclusions could be drawn about the accuracies of the two markerless systems. The obtained kinematic data of the tracking are in the range of high accuracy, which is limited to a deviation of less than 0,05 m according to the literature.
As the Industry 4.0 is evolving, the previously separated Operational Technology (OT) and Information Technology (IT) is converging. Connecting devices in the industrial setting to the Internet exposes these systems to a broader spectrum of cyber-attacks. The reason is that since OT does not have much security measures as much as IT, it is more vulnerable from the attacker's perspective. Another factor contributing to the vulnerability of OT is that, when it comes to cybersecurity, industries have focused on protecting information technology and less prioritizing the control systems. The consequences of a security breach in an OT system can be more adverse as it can lead to physical damage, industrial accidents and physical harm to human beings. Hence, for the OT networks, certificate-based authentication is implemented. This involves stages of managing credentials in their communication endpoints. In the previous works of ivESK, a solution was developed for managing credentials. This involves a CANopen-based physical demonstrator where the certificate management processes were developed. The extended feature set involving certificate management will be based on the existing solution. The thesis aims to significantly improve such a solution by addressing two key areas that is enhancing functionality and optimizing real-time performance. Regarding the first goal, firstly, an analysis of the existing feature set shall be carried out, where the correct functionality shall be guaranteed. The limitations from the previously implemented system will be addressed and to make sure it can be applied to real world scenarios, it will be implemented and tested in the physical demonstrator. This will lay a concrete foundation that these certificate management processes can be used in the industries in large-scale networks. Implementation of features like revocation mechanism for certificates, automated renewal of the credentials and authorization attribute checks for the certificate management will be implemented. Regarding the second goal, the impact of credential management processes on the ongoing CANopen real-time traffic shall be a studied. Since in real life scenarios, mission-critical applications like Industrial control systems, medical devices, and transportation networks rely on real-time communication for reliable operation, delays or disruptions caused by credential management processes can have severe consequences. Optimizing these processes is crucial for maintaining system integrity and safety. The effect to minimize the disturbance of the credential management processes on the normal operation of the CANopen network shall be characterized. This shall comprise testing real-time parameters in the network such as CPU load, network load and average delay. Results obtained from each of these tests will be studied.
Endress+Hauser Liquid Analysis ist ein erfolgreiches Entwicklungsunternehmen im Bereich der Flüssigkeitsanalyse für Prozesse und Labore. Mit voranschreitender Digitalisierung soll auch das Produktportfolio weiter digitalisiert werden. Ziel dieser Arbeit ist es den Entwicklungsprozess von Endress+Hauser Liquid Analysis auf die Eignung zur Entwicklung digitaler Produkte zu untersuchen. Zur Beantwortung der Fragestellung werden sowohl Literatur als auch mehrere Experten aus dem Fachgebiet zur Rate gezogen. In der Auswertung wird der aktuelle Prozess bewertet und ein geeignetes Prozessmodell für das Unternehmen dargestellt. Das empfohlene Modell wird exemplarisch anhand eines Beispielprojekts aufgezeigt. In einem abschließenden Fazit werden Ergebnisse und Erkenntnisse zusammengetragen.
Modellprädiktive Regelung findet zunehmend Anwendung im industriellen Umfeld. Durch schnellere Computer und optimierte Programmierung ist es heute möglich, rechenintensive Regelalgorithmen in Echtzeit auf Mikrocontrollern zu berechnen. Eine besondere Herausforderung besteht jedoch darin, diese Technologie in der Realität einzusetzen. Weil exakte Kenntnisse über das reale System vorliegen müssen, können geringfügige Modellierungsfehler bei der Prädiktion für lange Prädiktionshorizonte schwerwiegende Folgen haben. Das ist insbesondere der Fall, wenn Systeme instabil sind und zu chaotischem Verhalten neigen.
Diese Arbeit behandelt ein breites Spektrum systemtheoretischer Inhalte und zielt darauf ab, ein reales Furuta-Pendel durch modellprädiktive Regelung in der instabilen Ruhelage zu stabilisieren. Hierfür wird ein mathematisches Modell als Prädiktionsmodell hergeleitet, welches durch verschiedene Systemidentifikationsmethoden spezifiziert und validiert wird. Es werden verschiedene Filter-Techniken wie das Kalman-Filter zur Zustandsschätzung oder das Exponential Moving Average (EMA)-Filter zur Filterung von Sensordaten eingesetzt.
Das Furuta-Pendel ist ein komplexes mechatronisches System. Die Aufgaben dieser Arbeit beschränken sich daher nicht nur auf theoretische Aspekte. Neben der Auslegung elektrischer Bauelemente und Schaltungen werden zusätzliche Sensoren zu einem bestehenden System hinzugefügt und mechanische Anpassungen vorgenommen. Darüber hinaus werden Entscheidungen zur Softwarearchitektur getroffen sowie die gesamte Implementierung auf einem Mikrocontroller durchgeführt.
Trotz intensiver Bemühungen konnte kein Modell gefunden werden, welches die gemessenen Ein- und Ausgangsdaten vergleichbar simulieren kann, sodass es den Anforderungen der modellprädiktiven Regelung entspricht. Stattdessen gelang es während der Systemidentifikationsphase einen Linear Quadratic Regulator (LQR) mit unterlagertem Proportional–Integral (PI) Stromregler als Kaskade zu entwerfen, der sowohl simulativ als auch in der Realität das Pendel stabilisieren kann.
Die Bachelorarbeit wurde im Rahmen einer Äquivalenz mit der Ingenieurschule INSA Straßburg geschrieben. Zum Thema wurde eine Projektarbeit im Auftrag der Kriminalpolizei mit einer Bearbeitungszeit von drei Semestern. Aufgabenstellung war es, einen Überblick eines Tatorts ohne menschlichen Eingriff zu verschaffen. Noch heute müssen die Polizisten den Tatort betreten, um Beweisspuren zu sammeln. Das Problem hierbei ist, dass dadurch Hinweise fast systematisch verloren gehen.
Mit einem ferngesteuerten Luftschiff sollte diese Aufgabenstellung gemeistert werden. Die Arbeit beschäftigt sich spezifisch mit dem Entwurf eines integrierten Kamerasystems und mit der Implementierung der Elektronik im Gesamtsystem für einen ersten Prototypen. Auf die Konzeptionierung der Fortbewegung und des Flugobjekts wird somit nicht in Detail eingegangen. Diese Aspekte werden bei der Erstellung des Lastenhefts geschildert und bei Berührungspunkten mit dem im Fokus stehenden Themengebiet erklärt.
Auf struktureller Ebene wird wie gefolgt vorgegangen: Die technischen Lösungen werden abgewogen, getestet und progressiv zusammengeführt. Zum Ende der Bearbeitungszeit können ferngesteuert Bilder und Panoramen aufgenommen und der Tatort live mit einem Video-Feedback observiert werden. Die Elektronik wurde, nach Erarbeitung der elektronischen Architektur, mithilfe einer gedruckten Leiterplatte kompakt in der Gondel des Luftschiffs integriert. Mit zahlreichen Optimierungsperspektiven wurde der erste Prototyp fertiggestellt und das Ziel dieser Arbeit erreicht.
Diese Arbeit befasst sich mit dem Entwurf und der Herstellung einer Roboterhandprothese, die amputierten Menschen eine gewisse Mobilität und eine teilweise Nutzung der Hand ermöglichen soll.
Das Projekt konzentriert sich insbesondere auf die Erkennung der vom Benutzer ausgeführten Bewegung und wird die Schritte der Erfassung, der Bewegung der Übertragung und die Erkennung detailliert darstellen.
Im Rahmen des Projekts "Myo-Hand" soll ein Prototyp einer myoelektrischen Handprothese entwickelt werden. Diese Prothese soll für handamputierte Menschen nützlich sein, da sie ihren Komfort und ihre Unabhängigkeit im Alltag verbessert und somit zu ihrer Eingliederung in die Gesellschaft beiträgt.
In dieser Abschlussarbeit werden die gesamte Arbeit, Studien und Realisierungen vorgestellt, die in den letzten zwei Semestern (WS2022 und SS2023) der Mechanik der Prothese durchgeführt wurden.
Nach einer kurzen Vorstellung der Arbeit des letzten Jahres wird ein Überblick über die Idee und die allgemeine Funktionsweise der Prothese gegeben, die verschiedene Komponenten umfasst: Elektronik, Machine-Learning, Steuerung, Wiederverwertbarkeit und Carbon Footprint. Das Lastenheft wird ebenfalls vorgestellt.
Die technologischen Entscheidungen werden näher erläutert: das Design der Teile, die Wahl der Verbindungen und die verwendeten Motoren. In einem zweiten Teil werden die Schritte zur Herstellung des ersten und zweiten Prototyps sowie eine Kritik des Ergebnisses vorgestellt. Weiter werden die Verbesserungen und die Ziele bis Januar 2024 besprochen.
Anschließend werden der Lebenszyklus der Prothese und ihr Carbon Footprint analysiert und mithilfe der Software Ecodesign Studio berechnet.
Increasing global energy demand and the need to transition to sustainable energy sources to mitigate climate change, highlights the need for innovative approaches to improve the resilience and sustainability of power grids. This study focuses on addressing these challenges in the context of Morocco's evolving energy landscape, where increasing energy demand and efforts to integrate renewable energy require grid reinforcement strategies. Using renewable energy sources such as photovoltaic systems and energy storage technologies, this study aims to develop a methodology for strengthening rural community grids in Morocco.
Traditional reinforcement measures such as line and transformer upgrades will be investigated as well as the integration of power generation from photovoltaic systems, which offer a promising way to utilise Morocco's abundant solar resources. In addition, energy storage systems will be analysed as potential solutions to the challenges of grid stability and resilience. Using comprehensive data analysis, scenario planning and simulation methods with the open-source simulation software Panda Power, this study aims to assess the impact of different grid reinforcement measures, including conventional methods, photovoltaic integration, and the use of energy storage, on grid performance and sustainability. The results of this study provide valuable insights into the challenges and opportunities of transitioning to a more resilient and sustainable energy future in Morocco.
Based on a rural medium-voltage grid in Souihla, Morocco, three scenarios were carried out to assess the impact of demand growth in 2030 and 2040. The first scenario focuses on conventional grid reinforcement measures, while the second scenario incorporates energy from residential photovoltaic systems. The third scenario analyses the integration of storage systems and their impact on grid reinforcement in 2030.
The simulations with energy from photovoltaic systems show a reduction in grid reinforcement measures compared to the scenario without solar energy. In addition, the introduction of a storage system in 2030 led to a significant reduction in the required installed transformer capacity and fewer congested lines. Furthermore, the results emphasized the role of storage in stabilizing grid voltage levels.
In summary, the results highlighted the potential benefits of integrating energy from photovoltaics and storage into the grid. This integration not only reduces the need for transformers and overall grid infrastructure but also promotes a more efficient and sustainable energy system.
With the expansion of IoT devices in many aspects of our life, the security of such systems has become an important challenge. Unlike conventional computer systems, any IoT security solution should consider the constraints of these systems such as computational capability, memory, connectivity, and power consumption limitations. Physical Unclonable Functions (PUFs) with their special characteristics were introduced to satisfy the security needs while respecting the mentioned constraints. They exploit the uncontrollable and reproducible variations of the underlying component for security applications such as identification, authentication, and communication security. Since IoT devices are typically low cost, it is important to reuse existing elements in their hardware (for instance sensors, ADCs, etc.) instead of adding extra costs for the PUF hardware. Micro-electromechanical system (MEMS) devices are widely used in IoT systems as sensors and actuators. In this thesis, a comprehensive study of the potential application of MEMS devices as PUF primitives is provided. MEMS PUF leverages the uncontrollable variations in the parameters of MEMS elements to derive secure keys for cryptographic applications. Experimental and simulation results show that our proposed MEMS PUFs are capable of generating enough entropy for a complex key generation, while their responses show low fluctuations in different environmental conditions.
Keeping in mind that the PUF responses are prone to change in the presence of noise and environmental variations, it is critical to derive reliable keys from the PUF and to use the maximum entropy at the same time. In the second part of this thesis, we elaborate on different key generation schemes and their advantages and drawbacks. We propose the PUF output positioning (POP) and integer linear programming (ILP) methods, which are novel methods for grouping the PUF outputs in order to maximize the extracted entropy. To implement these methods, the key enrollment and key generation algorithms are presented. The proposed methods are then evaluated by applying on the responses of the MEMS PUF, where it can be practically shown that the proposed method outperforms other existing PUF key generation methods.
The final part of this thesis is dedicated to the application of the MEMS PUF as a security solution for IoT systems. We select the mutual authentication of IoT devices and their backend system, and propose two lightweight authentication protocols based on MEMS PUFs. The presented protocols undergo a comprehensive security analysis to show their eligibility to be used in IoT systems. As the result, the output of this thesis is a lightweight security solution based on MEMS PUFs, which introduces a very low overhead on the cost of the hardware.
Socially assistive robots (SARs) are becoming more prevalent in everyday life, emphasizing the need to make them socially acceptable and aligned with users' expectations. Robots' appearance impacts users' behaviors and attitudes towards them. Therefore, product designers choose visual qualities to give the robot a character and to imply its functionality and personality. In this work, we sought to investigate the effect of cultural differences on Israeli and German designers' perceptions of SARs' roles and appearance in four different contexts: a service robot for an assisted living/retirement residence facility, a medical assistant robot for a hospital environment, a COVID-19 officer robot, and a personal assistant robot for domestic use. The key insight is that although Israeli and German designers share similar perceptions of visual qualities for most of the robotics roles, we found differences in the perception of the COVID-19 officer robot's role and, by that, its most suitable visual design. This work indicates that context and culture play a role in users' perceptions and expectations; therefore, they should be taken into account when designing new SARs for diverse contexts.
Die Beschleunigungsleistung ist ein großer limitierender Faktor beim Sprinten. Es stellt sich die Frage, mit welcher Technik diese verbessert werden kann.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zu klären, ob die Unterschenkelkinematik einen Einfluss auf die Beschleunigungsleistung beim Sprintstart hat. Dafür wurden die Annahmen von Alt et al. (2022) über Schlüsselpositionen des Unterschenkels herangezogen und überprüft. Die gestellte Forschungsfrage lautet: Können die Annahmen von Alt et al. (2022) in die Praxis übertragen und angewendet werden?
Um die Forschungsfrage zu beantworten, wurde jeweils der erste Schritt nach dem Sprintstart aus einem Startblock analysiert. Hierfür wurden ein markerbasiertes 3D Motion Capture System und im Boden integrierte Kraftmessplatten verwendet. Insgesamt 30 Proband:innen haben jeweils sechs Starts ausgeführt. Die Auswertung wurde mit Hilfe von MATLAB Skripten durchgeführt. Mit linearen und quadratischen Regressionsberechnungen wurden die Zusammenhänge zwischen den Schlüsselpositionen des Unterschenkels und der Beschleunigungsleistung analysiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass keine allgemeingültigen Aussagen über eine erfolgreiche Unterschenkelkinematik getroffen werden können. Werden die Proband:innen aber individuell betrachtet, ist teilweise zu erkennen, dass die Beschleunigungsleistung mit der Unterschenkelkinematik zusammenhängt.
Weiterführende Forschung in diesem Bereich könnte individueller und auf Trainingsanweisungen mit Technikverbesserung ausgerichtet sein.
Entwicklung eines Ansatzes zur Validierung von Beckenmodellen in Anlehnung an die ASME V&V-40
(2024)
Die Relevanz von In-silico Studien in der Medizin gewinnt für Ingenieure, Mediziner und Wissenschaftler stetig an Wert. In-silico Studien helfen dabei, kostspielige und zeitaufwendige Kadaverstudien sowie langjährige Ergebnisstudien einzugrenzen. Zum Thema Becken herrschen schon einige Berechnungsmodelle vor, jedoch nicht in dieser Ausführung und in Kombination mit einem Abgleich zu einer Kadaverstudie mit den gleichen Randbedingungen. Ein sehr wichtiger weiterer Bestandteil ist die Verifizierung und Validierung eines solchen Rechenmodells. Da kein Versuch im eigentlichen Raum, dem Körper, sondern in einer Simulationsumgebung stattfindet, muss das Modell verifiziert und validiert werden, um auf gewisse Weise die Glaubwürdigkeit des Modells darzulegen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze zur bestmöglichen Abbildung der Kadaverstudie entwickelt. Die beste Übereinstimmung kam mit dem Modellansatz 3 zustande. Der Modellansatz 3 berücksichtigt die Unterteilung von der Spongiosa zur Kortikalis, die Lendenwirbel L3-L5, das Sacrum und die Ilia zuzüglich der Bandscheiben und der Symphysis pubica mit einem hyperelastischen Materialmodell, alle relevanten Ligamente sowie die verschiedenen Materialeigenschaften für jede einzelne Kortikalis, Spongiosa und der Weichteile aus der Kadaverstudie. Definiert wurde der Modellansatz 3 über die kinematisch nähere Beschreibung der Z-Achsen Sperrung, einer veränderten Krafteinleitung sowie einer Feinjustierung der Ligamenten Steifigkeiten. Aus diesem Modellansatz ging vor allem eine physiologische Kinematik wie auch eine überaus gute Konvergenz an den Markern der Anterior superior iliac spine rechts und links, Sacrum und L5 hervor. Die Verifizierung und Validierung des Rechenmodells wurde anhand der ASME V&V-40 geschaffen. Die dafür entscheidende Question of Interest lautet: Liegen die Stabilität, Belastungen und Verformungen von patientenspezifischen Frakturversorgungen unter standardisierten Lasten? Daraus ergaben sich drei Context of Use, von denen der erste (Context of Use 1: Deformation) im Fokus dieser Arbeit lag. Die Entscheidungskonsequenz sowie das Modellrisiko für den Context of Use und das Modell wurde als Low/Medium eingestuft. Mit Hilfe dieser Einstufung konnten die Model Credibility Factor Goals für das Modell definiert werden. Diese gaben schlussendlich den Grad der Validierung für das bestehende Modell vor.
"Ad fontes!"
Francesco Petrarca (1301–1374)
In the beginning, there was an idea: the reconstruction of the first "Iron Hand" of the Franconian imperial knight Götz von Berlichingen (1480–1562). We found that with this historical prosthesis, simple actions for daily use, such as holding a wine glass, a mobile phone, a bicycle handlebar grip, a horse’s reins, or some grapes, are possible without effort. Controlling this passive artificial hand, however, is based on the help of a healthy second hand.
The growing threat posed by multidrug-resistant (MDR) pathogens, such as Klebsiella pneumoniae (Kp), represents a significant challenge in modern medicine. Traditional antibiotic therapies are often ineffective against these pathogens, leading to high mortality rates. MDR Kp infections pose a novel challenge in military medical contexts, particularly in Medical Biodefense, as they can be deliberately spread, leading to resource-intensive care in military centres. Recognizing this issue, the European Defence Agency initiated a prioritised research project in 2023 (EDF Resilience PHAGE- SGA 2023). To address this challenge, the Bundeswehr Institute of Microbiology (IMB) leads BMBF- (Federal Ministry of Education and Research) and EU-funded projects on the use of bacteriophages as adjuvant therapy alongside antibiotics. Since 2017, the IMB has isolated and characterised Kp phages, collecting over 600 isolates and optimizing their production for therapy, in compliance with the EMA (European Medicine Agency) guidelines. This involves in vitro phage genome packaging to minimize endotoxin load, reduce manufacturing costs, and shorten production times. The goal of this work was to establish MinION sequencing (Oxford Nanopore Technology) as a quick and reliable way for initial identification and characterisation of phage genomes. Especially as a quick screening method for isolated on Kp, prior to more precise but also more expensive and time consuming sequencing methods like Illumina. This characterisation is crucial for developing a personalized pipeline aimed at producing magistral or Good Manufacturing Practice (GMP) quality medicinal phage solutions tailored individually for each patient. DNA extraction methods were compared to identify suitable input DNA for sequencing purposes. Additionally, the quality of this DNA was as- sessed to determine its suitability for in vitro phage packaging, which was successfully done achieving a phage titer of 103, confirming that the DNA used for MinION sequencing could indeed be used for acellular packaging. The created genomes were annotated and compared with Illumina sequencing, revealing high similarity in all five individually tested cases. Between the generated sequences only a 4% maximal percentual difference in genome size was observed, while simultaneously showing high similarity in the actual sequence. Throughout the course of this study, a total of 645.15 GB of sequencing data were generated. In total, 38 phages were successfully characterised, with 21 phage genomes assembled and annotated, and saved in the IMB database.
Entwicklung eines unabhängigen Systems zur Verstellung schiebergesteuerter Werkzeuge im Prozess
(2024)
Die Aufgabenstellung der Arbeit beinhaltete das Ausarbeiten eines unabhängigen Antriebssystems für Werkzeuge mit verstellbaren Schneiden. Hierbei bestand der Antrieb der Werkzeuge bisher aus einem rein mechanischen Anstriebsflansch. Dieser hat durch eine Drehspindel die rotatorische Bewegung der Maschinenspindel zu einer axialen Bewegung der Zugstange umgewandelt. Da die mechanische Drehspindel nicht in jeder Maschinenspindel vorhanden war, konnten die Werkzeuge von LMT Kieninger nur beschränkt eingesetzt werden. Aus diesem Grund sollte ein Antriebssystem entwickelt werden, welches auf jedem Bearbeitungszentrum unabhängig von der Maschinenspindeltechnologie eingesetzt werden konnte.
Für die Entwicklung des unabhängigen Antriebsflansches wurde zunächst eine Marktanalyse durchgeführt. Diese vergleichte bestehende Lösungsansätze auf dem Markt miteinander und untersuchte, welche davon für ein eigenes Lösungskonzept infrage kam. Hierbei wurde insbesondere der Antrieb, der die Bewegung erzeugen sollte, die Übergabe des Steuersignals und die Energieversorgung betrachtet. Ein vielversprechendes Lösungskonzept, das den vorliegenden Anforderungen entsprach, war eine elektrische Antriebsvariante mit einer Akkueinheit und einer Funksteuerung.
Um die elektronischen Komponenten in den bestehenden Antriebsflansch zu integrieren, mussten die Prozessparameter bestimmt werden. Dafür wurde ein Werkzeug als Referenz verwendet, das zum Ausspindeln der Laufflächen von Zylinderbuchsen verwendet wurde. In diesem Werkzeug befanden sich unterschiedliche Bauteile, welche den Mechanismus der Schneidenverschleißkompensation ermöglichten und die Drehbewegung des Antriebsflansches in den Verstellweg der Schneiden umsetzte. Unter Berücksichtigung der Bauteile sowie der vorhandenen Reibung und Verluste ergab sich ein Drehmoment, welches benötigt wurde, um die Schneiden zu verstellen. Nach der rechnerischen Ermittlung des benötigten Drehmoments konnte ein Kompaktantrieb von Maxon vorgeschlagen werden. Dies erfolgte unter Berücksichtigung der Anforderungen an den verfügbaren Bauraum, die Energieversorgung und die Akkueinheit. Dieser Kompaktantrieb bestand aus einem Motor, einem Planetenradgetriebe, einem Hall-Sensor zur Positionsbestimmung sowie einer Steuereinheit.
Die Konstruktion mit den einzelnen Bauteilen konnte nun erstellt werden. Der Konstruktionsprozess wurde durch die schrittweise und aufbauende Integration der Lösungen für die verschiedenen Funktionen des Bauteils systematisch und methodisch umgesetzt. Dabei erfolgte die Umsetzung in einem Modell, wobei jeder Schritt auf den vorherigen Überlegungen und Entscheidungen basierte. Der erste Schritt bestand darin, den Kompaktantrieb, der die Hauptfunktion darstellt, in den Grundkörper mit der HSK-Aufnahme zu integrieren. Anschließend wurden die Nebenfunktionen wie die axiale Lagerung, die Kühlmitteldurchführung und die Anpassung der Flanschgeometrie zur Aufnahme des Werkzeuges implementiert. Im nächsten Schritt wurden die Steuerung und die Akkueinheit als Blackbox positioniert sowie die Kabelkanäle in den Grundkörper konstruiert.
Abschließend wurden für die eigens entwickelten Bauteile technische Zeichnungen erstellt. Auf ihnen wurden alle relevanten technischen Merkmale hinterlegt, die für die Fertigung der Bauteile benötigt wurden. Hierzu gehörten beispielsweise Angaben zum Werkstoff, Toleranzen, Passungen, Oberflächenangaben sowie Form- und Lagetoleranzen. Zudem wurde eine Baugruppenzeichnung erstellt, die die Anordnung der einzelnen Bauteile mit ihrer Stückzahl und Positionsnummer in einer Stückliste klar und deutlich erkennbar machte.
Damit wurde die Neuentwicklung eines unabhängigen Antriebsflansches abgeschlossen und bot einen Einblick in die mögliche Integration eines mechatronischen Antriebs in den Antriebsflansch.
Diese Bachelorarbeit hat sich ausführlich mit der Erstellung von Sicherheitskonzepten und der damit einhergehenden Erstellung einer Risikobeurteilung beschäftigt.
Dabei wurde festgestellt, dass eine besonders große Gefahr des Werkzeugwechselsystems durch die Gefährdung des herabfallenden Werkzeuges entsteht. Zum einen kann dies durch das Aufkommen eines Energie- bzw. Druckverlust entstehen. Dieses Risko wird durch den Einsatz einer bewährten Feder und einer selbsthemmenden Keilverbindung zwischen Verriegelungskolben und -bolzen vermindert.
Zum anderen kann durch Steuerungs- oder Programmierfehler das Werkzeugwechselsystem an nicht vorgesehener Stelle geöffnet werden und sich Fest- und Losteil trennen. Die dadurch entstehende Gefahr eines Herabfallenden Werkzeuges wird von einer steuerungsabhängigen Schutzmaßnahme verhindert, welche über eine genaue Positionsabfrage vor dem gefahrbringenden Szenario schützen sollen.
Hierbei sind verschiedene Konzepte ausgearbeitet worden, welche das von der Risikobeurteilung geforderte erforderliche PLr d erfüllen. Für die Konzepte wurden verschiedene berührungslose Sensoren und Sicherheitsschalter ausgesucht und ein Ventilschaltplan für die Erfüllung der Sicherheitsfunktion erstellt.
Auch andere Gefährdungen werden mithilfe der Anwendung von Normen, den Einsatz von inhärent sicheren Konstruktionen, technische/ergänzende Schutzmaßnahme oder Benutzerinformationen ausreichend vermindert.
Mithilfe einer weiteren Abschlussarbeit werden diese Sicherheitskonzepte und die damit einhergehende Risikobeurteilung überprüft und validiert. Hierfür wird die Norm DIN EN ISO 13849-2 verwendet.
Batteries typically consist of multiple individual cells connected in series. Here we demonstrate single-cell state of charge (SOC) and state of health (SOH) diagnosis in a 24 V class lithium-ion battery. To this goal, we introduce and apply a novel, highly efficient algorithm based on a voltage-controlled model (VCM). The battery, consisting of eight single cells, is cycled over a duration of five months under a simple cycling protocol between 20 % and 100 % SOC. The cell-to-cell standard deviations obtained with the novel algorithm were 1.25 SOC-% and 1.07 SOH-% at beginning of cycling. A cell-averaged capacity loss of 9.9 % after five months cycling was observed. While the accuracy of single-cell SOC estimation was limited (probably owed to the flat voltage characteristics of the lithium iron phosphate, LFP, chemistry investigated here), single-cell SOH estimation showed a high accuracy (2.09 SOH-% mean absolute error compared to laboratory reference tests). Because the algorithm does not require observers, filters, or neural networks, it is computationally very efficient (three seconds analysis time for the complete data set consisting of eight cells with approx. 780.000 measurement points per cell).
Decarbonisation Strategies in Energy Systems Modelling: APV and e-tractors as Flexibility Assets
(2023)
This work presents an analysis of the impact of introducing Agrophotovoltaic technologies and electric tractors into Germany’s energy system. Agrophotovoltaics involves installing photovoltaic systems in agricultural areas, allowing for dual usage of the land for both energy generation and food production. Electric tractors, which are agricultural machinery powered by electric motors, can also function as energy storage units, providing flexibility to the grid. The analysis includes a sensitivity study to understand how the availability of agricultural land influences Agrophotovoltaic investments, followed by the examination of various scenarios that involve converting diesel tractors to electric tractors. These scenarios are based on the current CO2 emission reduction targets set by the German Government, aiming for a 65% reduction below 1990 levels by 2030 and achieving zero emissions by 2045. The results indicate that approximately 3% of available agricultural land is necessary to establish a viable energy mix in Germany. Furthermore, the expansion of electric tractors tends to reduce the overall system costs and enhances the energy-cost-efficiency of Agrophotovoltaic investments.
Vorhofflimmern ist die häufigste tachykarde Herzrhythmusstörung weltweit. Dabei verliert das Herz seinen normofrequenten Sinusrhythmus und schlägt nicht mehr regelmäßig, sondern zu schnell und unregelmäßig. Vorhofflimmern ist normalerweise keine lebensbedrohliche Herzrhythmusstörung, aber es kann zu einem Schlaganfall führen. Die Ursache dieser Herzrhythmusstörung sind die Kreisende bzw. die fokalen Erregungen im linken Atrium, die hauptsächliche aus einer oder mehreren Pulmonalvenen kommen. Die übliche Therapieverfahren des Vorhofflimmerns ist die Pulmonalvenenisolation.
Diese Bachelorthesis beschäftigt sich daher mit der Modellierung unterschiedlicher linksatrialer Fokus-Modelle und intrakardialer Elektrodenkatheter für die Diagnostik und Terminierung von Vorhofflimmern mittels Pulmonalvenenisolation im Offenburger Herzrhythmusmodell nach Schalk, Krämer und Benke, welches in CST
Studio Suite realisiert wurde.
Zu Beginn wurden die verschiedenen linksatrialen fokalen Flimmerquellen modelliert und daraufhin simuliert. Hierbei wurde jeweils eine Simulation mit linksatrialen fokalen Flimmerquellen, die aus einzelnen, dualen oder allen vier Pulmonalvenen kommen, durchgeführt. Es wurde ebenfalls eine weitere Simulation mit Biosignalen (aus der Realität) erstellt. Mit diesen Simulationen konnte nun der elektrische Erregungsablauf sichtbar gemacht werden. Daraufhin wurden die Katheter für die Diagnostik und für die Pulmonalvenenisolation modelliert und in das bestehende Offenburger Herzrhythmusmodell integriert. Bei den Diagnostik-Kathetern handelte es sich um 10-polige Lasso® Katheter, zwei Varianten von PentaRay® NAV eco Katheter und 4-polige Diagnostik-Katheter „OSYPKA FINDER pure®“. Ablationskatheter sind zwei Varianten von Pentaspline Basket pose Katheter und HELIOSTAR™ Ablation Ballon. Abschließend wurden verschiedene Varianten von Isolationsverfahren der Pulmonalvenen modelliert und daraufhin die linksatrialen fokalen Flimmerquellen nach der Isolation der Pulmonalvenen simuliert.
In the past ten years, applications of artificial neural networks have changed dramatically. outperforming earlier predictions in domains like robotics, computer vision, natural language processing, healthcare, and finance. Future research and advancements in CNN architectures, Algorithms and applications are expected to revolutionize various industries and daily life further. Our task is to find current products that resemble the given product image and description. Deep learning-based automatic product identification is a multi-step process that starts with data collection and continues with model training, deployment, and continuous improvement. The caliber and variety of the dataset, the design selected, and ongoing testing and improvement all affect the model's effectiveness. We achieved 81.47% training accuracy and 72.43% validation accuracy for our combined text and image classification model. Additionally, we have discussed the outcomes from the other dataset and numerous methods for creating an appropriate model.
As the population grows, so does the amount of biowaste. As demand for energy grows, biogas is a promising solution to the problem. Lignocellulosic materials are challenged of slow degradability due to the presence of polymers such as cellulose, lignin and hemicellulose. There are several pretreatment methods available to enhance the degradability of such materials, including enzymatic pretreatment. In this pretreatment, there are few parameters that can influence the results, the most important being the enzyme to solid ratio and the solid to liquid ratio. During this project, experiments were conducted to determine the optimal conditions for those two factors. It was discovered that a solid to liquid ratio of 31 g of buffer per 1 gram of organic dry matter produced the highest reducing sugar release in flasks when combined with 34 mg of protein per 1 gram of organic dry mass. Additionally, another experiment was carried out to investigate the impact of enzymatic pretreatment on biogas production using artificial biowaste as a substrate. Artificial biowaste produced 577,9 NL/kg oDM, while enzymatically pretreated biowaste produced 639,3 NL/kg oDM. This resulted in a 10,6% rise in cumulative biogas production compared to its use without enzymatic pretreatment. By the conclusion of the investigation, specific cumulative dry methane yields of 364,7 NL/kg oDM and 426,3 NL/kg oDM were obtained from artificial biowaste without and with enzymatic pretreatment, respectively. This resulted in a methane production boost of 16,9%. Additionally in case of the reactors with enzymatically pretreated substrate kinetic constant was lower more than double, where maximum volume of biogas increased, comparing to the reactors without enzymatic pretreatment.
Im Zuge der Machbarkeitsstudie „BubbleMeth“ (FKZ BWFE310091) wurde die Machbarkeit der biologischen Methanisierung in einem neukonzipierten innovativen Pilot-Reaktor, basierend auf einer Gegenstromblasensäule mit separatem Entgasungs-Reaktor, sowohl für den Betrieb in der biologischen in-situ als auch der ex-situ Methanisierung demonstriert.
Die Pilot-Anlage besteht aus einer Gegenstromblasensäule und einem separaten Entgasungs-Reaktor und wurde an der Hochschule Offenburg geplant und gebaut. Die beiden Reaktor-Säulen haben jeweils eine Höhe von 10 m, einen Säulendurchmesser von 0,3 m und ein Gesamtreaktionsvolumen von etwa 1,1 m3. Der Gaseintrag erfolgt über Sinterplatten am Boden der Gegenstromblasensäule. In dieser Begasungssäule strömt die Flüssigkeit in entgegengesetzter Richtung zu den aufsteigenden Gasblasen und reichert sich durch den am Säulenfuß vorliegenden hydraulischen Druck zunehmend mit gelöstem Gas an. Die Säule, in die das Eduktgas am Säulenboden eingetragen wird, ist in Abbildung 1 auf der rechten Seite dargestellt und befindet sich auf der Saugseite einer Pumpe. Bei einer etwa 9,5 m hohen Wassersäule erhöht sich der Absolutdruck am Säulenboden auf etwa 1,95 bar, womit sich die Löslichkeit einer beliebigen Gaskomponente im Vergleich zum Atmosphärendruck bei konstanter Temperatur im Gleichgewicht gemäß dem Henry’schen Gesetz näherungsweise verdoppelt. Dieser Effekt wird genutzt, um die Verfügbarkeit von gelöstem Wasserstoff für die bei der biologischen Methanisierung katalytisch wirkenden hydrogenothrophen Archaeen zu erhöhen. Durch die Zirkulation der Flüssigkeit und den damit erreichten Druckwechsel wird auf der Seite des Entgasungs-Reaktors ein Ausgasen der relativ zum Atmosphärendruck übersättigten Gaskomponente ermöglicht. Durch die Zirkulation der Flüssigkeit über zwei Säulen wird außerdem die räumliche Trennung des Eduktgaseintrages und der Produktgasabtrennung erreicht.
Die in-situ Methanisierung wurde in der Machbarkeitsstudie bis zu einer organischen Beladungsrate von 0,94 kg m-3 d-1 realisiert. Die erwartete Biogasbildungsrate (BGBR) bei vollständiger Umsetzung des Glucose/Fructose-Substrates zu Methan und CO2 lag bei ca. 0,686 m3 m-3 d-1. Die gemessene BGBR erreichte 0,61 ± 0,03 m3 m-3 d-1. Die geringe Abweichung kann auf eine zusätzliche Nutzung des Substrates für den Erhaltungsstoffwechsel des gesamten biologischen Systems zurückgeführt werden. Der maximale volumetrische H2-Eintrag betrug während der in-situ Methanisierung 0,785 m3 m-3 d-1 und ist dabei bezogen auf das gesamte Reaktionsvolumen von ca. 1,1 m3 in beiden Reaktorkolonnen. Das eingesetzte H2:CO2-Verhältnis lag bei 2,3, um einen vollständigen CO2-Umsatz und eine damit verbundene Verschiebung des pH-Wertes in den alkalischen Bereich bei der in-situ Methanisierung zu vermeiden. Die Produktgaszusammensetzung lag stabil bei ca. 80 Vol.% CH4, 18 Vol.% CO2 und geringen Mengen an Stickstoff, die im Wesentlichen aus der manuellen Entnahme der Gasproben resultieren, und entsprach der erwarteten Zusammensetzung bei dem vorgegebenen H2:CO2-Verhältnis.
Im Anschluss an die Untersuchungsphase der in-situ Methanisierung wurde der Prozess auf die ex-situ Methanisierung umgestellt. Dazu wurde die OLR schrittweise reduziert und gleichzeitig der Eintrag von CO2 aus einer Druckgasflasche erhöht. Die ex-situ Methanisierung wurde im Rahmen der Machbarkeitsstudie bis zu einem volumenspezifischen CO2-Eintrag bezogen auf das Gesamtreaktionsvolumen von 1,1 m3 von 0,563 m3 CO2 m-3 d-1 durchgeführt.
Der maximale volumetrische H2-Eintrag betrug während der ex-situ Methanisierung 2,168 m3 m-3 d-1. Das eingesetzte H2:CO2-Verhältnis lag bei 3,6 bis 3,9. Die Produktgaszusammensetzung lag stabil bei ca. 91 Vol.% CH4, 8 Vol.% CO2 und geringen Mengen an Stickstoff, und entsprach der erwarteten Zusammensetzung bei dem vorgegebenen H2:CO2-Verhältnis.
Besonders bemerkenswert war, dass sowohl bei der in-situ als auch der ex-situ Methanisierung und den jeweils in der Machbarkeitsstudie eingesetzten maximalen volumetrischen H2-Einträge weder im austretenden Produktgas am Entgasungsreaktor noch im rezirkulierten Gas am Kopf des Begasungsreaktors Wasserstoff nachzuweisen war. Damit besteht großes Potenzial für eine weitere Steigerung der Methanbildungsrate. Aus diesem Grund sollen die Arbeiten zur biologischen Methanisierung in einem Innovationsprojekt fortgeführt werden. Die Anlage soll hinsichtlich ihrer Eignung in einer relevanten Einsatzumgebung zur Methanisierung von in Biogas enthaltenem CO2-bewertet werden. Dazu soll die Anlage außerdem mit einem preiswerten alkalischen Elektrolyseur kombiniert werden, um das Verfahren so kostengünstig wie möglich zu gestalten. Dieser Elektrolyseur soll in Anlehnung an die fluktuierende Energiebereitstellung Erneuerbarer Energien zyklisch betrieben werden und dabei vor allem zu Zeiten günstiger Spotmarktpreise in Betrieb sein.
In dieser Arbeit werden Untersuchungen an einem neuartigen Sensorkonzept zur Erfassung von Winkelbeschleunigungen durchgeführt. Ziel dieser Arbeit war es, die Möglichkeit, eine Miniaturisierung des Prototyps zu untersuchen. Hierfür wurde eine analytische und experimentelle Untersuchung durchgeführt. Für die analytische Betrachtung erfolgte eine Fehlerfortpflanzung nach Gauß, welche die Fertigungstoleranzen, Dimensionsfehler des Accelerometers, Rauschen und Messabweichungen von Accelerometer und Gyroskop berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Verwendung der hochwertigen Inertial Measurment Units (IMUs) eine theoretische Verkleinerung bis auf 21mm eine höhere Genauigkeit bietet als die numerischen Differentiationen der Winkelgeschwindigkeit.
Für die Verifizierung unter realen Bedingungen wurden verschiedene Prüfkonzepte verglichen.
Dabei erwies sich ein Pendelprüfstand als vielversprechender Ansatz. Durch die Verwendung von Kugellagern kann ein breites Spektrum an Winkelbeschleunigungen abgebildet werden. Die kontinuierliche Erfassung reflektierender Marker auf der Pendelstange ermöglicht die Ermittlung der Winkel, die als Grundlage für ein Modell dienen, wodurch sich reale Winkelbeschleunigungen mit den Messdaten des Sensors vergleichen lassen. Dabei stellt die Modellierung der Verlustterme eine zukünftige Herausforderung dar.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine Miniaturisierung des Sensorprototyps möglich ist und das der Pendelprüfstand eine Methode zur Verifizierung darstellt. Dies trägt dazu bei, die Anwendungsmöglichkeiten des Sensorkonzepts in der Praxis zu erweitern.
A smart energy concept was designed and implemented for a cluster of 5 existing multi-family houses, which combines heat pumps, photovoltaic (PV) modules and combined heat and power units (CHP) to achieve energy- and cost-efficient operation. Measurement results of the first year of operation show that the local power generation by PV modules and CHP unit has a positive effect on the electrical self-sufficiency by reducing electricity import from the grid. In winter, when the CHP unit operates continuously for long periods, the entire electricity for the heat pump and 91 % of the total electricity demand of the neighborhood are supplied locally. In summer, only 53 % is generated within the neighborhood. The use of a specifically developed energy management system EMS is intended to further increase this share. CO2 emissions for heating and electricity of the neighborhood are evaluated and amount to 18.4 kg/(m2a). Compared to the previous energy system consisting of gas boilers (29.1 kg/(m2a)), savings of 37 % are achieved with electricity consumption from the grid being reduced by 65 %. In the second construction stage, an additional heat pump, CHP unit and PV modules will be added. The measurement results indicate that the final district energy system is likely to achieve the ambitious CO2 reduction goal of -50% and further increase the self-sufficiency of the district.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Bauteile, bei dem aus einem pulverförmigen Ausgangswerkstoff (1), der mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist, wobei die Komponenten einen unterschiedlichen Dampfdruck bei gleicher Temperatur aufweisen, durch ein additives Strahlfertigungsverfahren ein Bauteil hergestellt wird. Mindestens ein Prozessparameter zum Betrieb mindestens eines zweidimensional auslenkbaren Energiestrahls wird derart eingestellt, dass sich der Dampfdruck mindestens einer der Komponenten ändert, so dass der Anteil dieses chemischen Elements oder dieser Legierung im Bauteilvolumen lokal definiert im Bauteil variiert wird.
Bei der Vorrichtung zum Verdampfen einer Flüssigkeit ist eine offenporöse Struktur (1) in einem Gehäuse (8) angeordnet, die zumindest bereichsweise als eine Heizvorrichtung ausgebildet oder mittels einer externen Heizvorrichtung oder Bereiche der offenporösen Struktur (1) auf eine Temperatur, die mindestens der Siedetemperatur der jeweiligen Flüssigkeit entspricht, erwärmbar ist. Die Flüssigkeit ist in einem außerhalb des Gehäuses (8) angeordneten Reservoir (4), mit einer Menge aufgenommen, die während des Betriebs eine kontinuierliche Verdampfung von Flüssigkeit ermöglicht. Das Reservoir ist über mindestens eine Leitung (3) für Flüssigkeit mit dem Gehäuse (8) verbunden und in der mindestens einen Leitung (3) ist/sind ein Ventil und/oder eine Pumpe oder ein Verdichter (5) angeordnet. Die Leitung (3) mündet in mindestens eine Öffnung mindestens einer Düse (2) oder mindestens eine Austrittsöffnung und die Düse (2), deren Öffnung(en) und/oder die mindestens eine Austrittsöffnung der Leitung (3) ist/sind so angeordnet, dass Flüssigkeit auf Oberflächenbereiche der offenporösen Struktur (1) auftrifft und/oder in Poren der offenporösen Struktur (1) eintritt, wenn Flüssigkeit durch die eine Leitung (3) strömt.
In der Studie "Technisch-wissenschaftliche Analyse zur Energieeffizienz unterschiedlicher Trinkwasser-Erwärmungssysteme im Vergleich" im Auftrag der Viega GmbH & Co. KG werden verschiedene Trinkwasser-Erwärmungssysteme hinsichtlich ihrer Energieeffizienz in Wärmepumpensystemen vergleichend untersucht. Neben Aufbau und Parametrierung eines Simulationsmodells sowie Integration von Lastreihen nach Norm umfasst die Studie eine detaillierte Abbildung aller untersuchten Systeme. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Einordnung des Energieeinsparpotenzials durch eine Warmwassertemperaturreduktion mit dem Viega AVS Trinkwasser Management System. Die untersuchten Varianten sind: Referenzsystem 1: Durchflusstrinkwassererwärmer DTE (1 stufig) mit Rücklaufeinschichtung. System 2: Viega DTE (2 stufig). System 3: Viega AVS Trinkwasser Management System mit DTE (2 stufig) und Ultrafiltrationsmodul im Zirkulationsrücklauf UFC. System 4: Wohnungsstation, 4-Leiter-System. System 5: Wohnungsstation, 2-Leiter-System. System 6: Elektrischer Durchlauferhitzer. Die Studie ergab, dass sich bei Einsatz einer Niedertemperatur-Wärmepumpe mit maximaler Vorlauftemperatur von 58 °C das Viega AVS System mit DTE und UFC, dezentrale elektrische Durchlauferhitzer sowie das 4-Leiter-System bei einer Trinkwassertemperatur von 45°C im Vergleich als energetisch am besten erweisen. Bei einer Wärmepumpe mit einer höheren maximalen Vorlauftemperatur von 64 °C kann auch das 4-Leiter-System bei einer Trinkwassertemperatur von 50°C sinnvoll eingesetzt werden. Die Ergebnisse zeigten auch, dass je höher die durch die Wärmepumpe bereitgestellte Temperatur (maximale Vorlauftemperatur), desto besser lassen sich auch die anderen Systeme einsetzen, da sich dadurch der Einsatz des Backup-Systems minimieren lässt. Das Viega Aqua VIP System mit Temperaturabsenkung schneidet im Vergleich sehr gut hinsichtlich des Einsatzes der Endenergie und der zu erreichenden Jahresarbeitszahl ab. Der Einsatz dieses Systems in Kombination mit einer Wärmepumpe bietet Potenzial für den Einsatz erneuerbarer Energien.
LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden ("LowEx-Bestand Analyse")
(2023)
Der vorliegende Abschlussbericht fasst die Ergebnisse der wissenschaftlichen Querspange »LowEx-Bestand Analyse« des thematischen Projektverbunds »LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden (LowEx-Bestand)« zusammen. In diesem Verbund arbeiteten drei Forschungsinstitute mit Herstellern von Heizungs- und Lüftungstechnik und mit Unternehmen der Wohnungswirtschaft zusammen. Gemeinsam wurden Lösungen entwickelt, analysiert und demonstriert, die den effizienten Einsatz von Wärmepumpen, Wärmeübergabesystemen und Lüftungssystemen bei der energetischen Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden zum Ziel haben. LowEx-Systeme arbeiten durch geringe Temperaturdifferenzen zwischen Heizmedium und Nutzwärmebesonders effizient. Wärmepumpen haben dabei erhebliches Potenzial zur Absenkung der spezifischen CO2-Emissionen bei der Wärmebereitstellung. Für die energetische Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden ist der Einsatz solcher Systeme mit besonderen Herausforderungen und Anforderungen an die Übergabe der Raumwärme, die Warmwasserbereitung und die Nutzung von Umweltwärme verbunden. Diese Herausforderungen werden in LowEx-Bestand adressiert.
Optimization of energetic refurbishment roadmaps for multi-family buildings utilizing heat pumps
(2023)
A novel methodology for calculating optimized refurbishment roadmaps is developed in this paper. The aim of the roadmaps is to determine when and how should which component of the building envelope and heat generation system be refurbished to achieve the lowest net present value. The integrated optimization approach couples a particle swarm optimization algorithm with a dynamic building simulation of the building envelope and the heat supply system. Due to a free selection of implementation times and refurbishment depth, the optimization method achieves the lowest net present value and high CO2 reduction and is therefore an important contribution to achieve climate neutrality in the building stock.
The method is exemplarily applied to a multi-family house built in 1970. In comparison to a standard refurbishment roadmap, cost savings of 6–16 % and CO2 savings of 6–59 % are possible. The sensitivity of the refurbishment roadmap measures is analyzed on the basis of a parametric analysis. Robust optimization results are obtained with a mean refurbishment level of approx. 50 kWh/m2/a of the building envelope. The preferred heat generation system is a bivalent brine-heat pump system with a share of 70 % of the heat load being covered by the electric heat pump.
Elektrische Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie für klimafreundliche Gebäude. In Mehrfamilienhäusern ist ihr Einsatz noch eine Herausforderung und entsprechend wenig verbreitet. Im Rahmen des Verbundprojekts "HEAVEN" haben Forschende nun ein Mehrquellen-Wärmepumpensystem entwickelt, das an die Anforderungen größerer Wohngebäude angepasst ist. Getestet wurde es im Rahmen des Verbundprojekts "Smartes Quartier Durlach" in einem Karlsruher Gebäude. Daten zum ersten Betriebsjahr liegen nun vor.
Diese Metadaten wurden zur Verfügung gestellt von der Literaturdatenbank RSWB®plus
Am 1. Juli 2022 trafen sich im Rahmen des Abschlusskolloquiums des Projekts ACA-Modes rund 60 Teilnehmende aus Forschung, Lehre und Industrie zu einer internationalen Konferenz an der Hochschule Offenburg. Hier wurden die Projektergebnisse rund um die erfolgreiche Implementierung modellprädiktiver Regelstrategien vorgestellt, aktuelle Fragestellungen diskutiert und Entwicklungspfade hin zu einem netzdienlichen Betrieb von Energieverbundsystemen skizziert.
Heat pumps play a central role in decarbonizing the heat supply of buildings. However, in this article, implementing heat pumps in existing buildings, a significant challenge is still presented due to high temperature requirements. In this article, a systematic analysis of the effects of heat source temperatures, maximum heat pump condenser temperatures, and system temperatures on the seasonal performance of heat pump (HP) systems is presented. The quantitative performance analysis encompasses over 50 heat pumps installed in residential buildings, revealing correlations between the building characteristics, observed temperatures, and heat pump type. The performance of an HP system retrofitted to a 30-dwelling multifamily building is presented in more detail. The bivalent HP system combines air and ground as heat sources and achieves a seasonal performance factor of 3.25 with a share of the gas boiler of 27% in its first year of operation. In these findings, the technical feasibility of retrofitting heat pumps is demonstrated in existing buildings and insights are provided into overcoming the challenges associated with high temperature requirements.
Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie der Wärmewende. Durch die Nutzbarmachung von Umweltwärme und den Antrieb mit Elektrizität, die zunehmend aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, kann die CO2-Intensität der Wärmeversorgung gesenkt werden. Eine Herausforderung besteht in der Anwendung in größeren Mehrfamilienbestandsgebäuden. Lösungsansätze und beispielhafte Umsetzungen werden hierzu vorgestellt.
Die Arbeit beinhaltet die Konzeption und den Aufbau eines Prüfstandes für den Elektromotor sowie den Antriebsstrang des Hocheffizienzfahrzeugs "Schluckspecht S6" der Hochschule Offenburg. Neben Beschreiben des Vorgehens bei dem Entwerfen von benötigten CAD-Modellen wird auch auf die Auswahl und Implementierung elektronischer Komponenten sowie die Programmierung des verwendeten Mikrocontrollers eingegangen. Die Ergebnisse eines ersten Tests des Prüfstandes werden außerdem aufgezeigt und diskutiert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das elektrisch / elektronische System des Hocheffizienzfahrzeugs „Schluckspecht 6“ hinsichtlich seiner Übersichtlichkeit und Modularität optimiert. Essenziell war die Vernetzung der durch verschiedene Projektgruppen erstellten Teilsysteme mittels des neu integrierten CAN-Bus. Im Zuge der Überarbeitung des E/E-Systems wurde auch ein neuer Gesamtfahrzeugschaltplan angefertigt.
Im Rahmen der Optimierung des E-Antriebsstrangs wurde eine neue Motorsteuerung entwickelt, die aufgrund des verbauten Vierquadrantenstellers neben einem zuverlässigen Antrieb des Schluckspecht 6 zukünftig auch die Steuerung und Regelung von Lastmaschinen in – für den Schluckspecht 6 neu entwickelten – Testständen erlaubt. Für die Messdatenerfassung, während Test- und Rennläufen sowie in den Testständen, wurden diverse Messsysteme realisiert. Dazu gehören die Messung des Motorstroms, der Zwischenkreisspannung und der Motordrehzahl. Basierend auf der Motorstrommessung und Zwischenkreisspannungsmessung wurde eine Stromregelung implementiert, um die Bedienfreundlichkeit und Effizienz des S6 im Rennbetrieb zu erhöhen.
The aim of this bachelor thesis is to introduce a product data management (PDM) system to reduce the current difficulties in the project team workflow. The main objective is to reduce or prevent problems in the project team's collaboration processes by establishing a centralized, structured data repository.
The process to achieve this goal was to first talk to the project team and monitor professors to find the most effective strategies. Early research on PDM/PLM (Product Lifecycle Management) was conducted through literature reviews, online searches, thesis reviews, and video resources.
In order to gain a comprehensive understanding of PDM systems, the thesis used a combination of group discussions and literature reviews. The emphasis was on the practical application, which included the customization of configurations.
Im Automobilbau bietet der Einsatz der Multimaterialbauweise ein signifikantes Potenzial zur Gewichtsreduktion. Zugleich erfordert diese Bauweise eine große Anzahl von Fügeverfahren für die Verbindung der unterschiedlichen Werkstoffe und Werkstoffklassen. Dabei muss eine Vielzahl an konstruktiven und materialseitigen Anforderungen berücksichtigt werden. Um in diesem Auswahlprozess den Aspekt des Leichtbaus beim Fügeverfahren selbst systematisch zu integrieren, wurde eine Methodik entwickelt, welche die Fügeverfahren im Hinblick auf ihr jeweiliges Leichtbaupotenzial bewertet.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von H2 und CO und/oder CO2, die eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne, jeweils mit einer Bodenseite und einer der Bodenseite gegenüberliegenden oberen Seite, ein in der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen, eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H2 enthaltenden Gases in das Medium der Begasungskolonne, eine Abführeinrichtung zum Abführen eines CH4 enthaltenden Gases aus der Entgasungskolonne, eine Verbindungsleitung zwischen Begasungskolonne und Entgasungskolonne im Bereich der Bodenseiten, eine Pumpe zum Überführen von Medium über die Verbindungsleitung von der Begasungskolonne in die Entgasungskolonne, und eine Rückführleitung zwischen der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne im Bereich der oberen Seiten zum Rückführen von Medium aus der Entgasungskolonne in die Begasungskolonne aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 in einer Vorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in der Vorrichtung bereitgestellten Mediums, wobei das Medium in einem Kreislauf über eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne geführt wird, wobei die Kolonnen jeweils über eine Verbindungsleitung im Bereich ihrer Bodenseiten und über eine Rückführleitung im Bereich der den Bodenseiten gegenüberliegenden oberen Seiten miteinander verbunden sind, worin das Medium sich in der Begasungskolonne absteigend und in der Entgasungskolonne aufsteigend bewegt, worin dem Medium in der Begasungskolonne ein H2 enthaltendes Gas zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von H2und CO und/oder CO2, die eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne, jeweils mit einer Bodenseite und einer der Bodenseite gegenüberliegenden oberen Seite, ein in der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen, eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H2enthaltenden Gases in das Medium der Begasungskolonne, eine Abführeinrichtung zum Abführen eines CH4enthaltenden Gases aus der Entgasungskolonne, eine Verbindungsleitung zwischen Begasungskolonne und Entgasungskolonne im Bereich der Bodenseiten, eine Pumpe zum Überführen von Medium über die Verbindungsleitung von der Begasungskolonne in die Entgasungskolonne, und eine Rückführleitung zwischen der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne im Bereich der oberen Seiten zum Rückführen von Medium aus der Entgasungskolonne in die Begasungskolonne aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2in einer Vorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in der Vorrichtung bereitgestellten Mediums, wobei das Medium in einem Kreislauf über eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne geführt wird, wobei die Kolonnen jeweils über eine Verbindungsleitung im Bereich ihrer Bodenseiten und über eine Rückführleitung im Bereich der den Bodenseiten gegenüberliegenden oberen Seiten miteinander verbunden sind, worin das Medium sich in der Begasungskolonne absteigend und in der Entgasungskolonne aufsteigend bewegt, worin dem Medium in der Begasungskolonne ein H2enthaltendes Gas zugeführt wird.
In the framework of electro-elasticity theory and the finite element method (FEM), a model is set up for the computation of quantities in surface acoustic wave (SAW) devices accounting for nonlinear effects. These include second-order and third-order intermodulations, second and third harmonic generation and the influence of electro-acoustic nonlinearity on the frequency characteristics of SAW resonators. The model is based on perturbation theory, and requires input material constants, e.g., the elastic moduli up to fourth order for all materials involved. The model is two-dimensional, corresponding to an infinite aperture, but all three Cartesian components of the displacement and electrical fields are accounted for. The first version of the model pertains to an infinite periodic arrangement of electrodes. It is subsequently generalized to systems with a finite number of electrodes. For the latter version, a recursive algorithm is presented which is related to the cascading scheme of Plessky and Koskela and strongly reduces computation time and memory requirements. The model is applied to TC-SAW systems with copper electrodes buried in an oxide film on a LiNbO3 substrate. Results of computations are presented for the electrical current due to third-order intermodulations and the displacement field associated with the second harmonic and second-order intermodulations, generated by monochromatic input tones. The scope of this review is limited to methodological aspects with the goal to enable calculations of nonlinear quantities in SAW devices on inexpensive and easily accessible computing platforms.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von H2 und CO und/oder CO2, die eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne, jeweils mit
einer Bodenseite und einer der Bodenseite gegenüberliegenden oberen Seite, ein in der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen, eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H2 enthaltenden Gases in das Medium der Begasungskolonne, wobei die Zuführeinrichtung im Bereich der Bodenseite der Begasungskolonne angeordnet ist, eine Abführeinrichtung zum Abführen eines CH4 enthaltenden Gases aus der Entgasungskolonne, eine Verbindungsleitung zwischen Begasungskolonne und Entgasungskolonne im Bereich der Bodenseiten, eine Pumpe zum Überführen von Medium über die Verbindungsleitung von der Begasungskolonne in die Entgasungskolonne, und eine Rückführleitung zwischen der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne im Bereich der oberen Seiten zum Rückführen von Medium
aus der Entgasungskolonne in die Begasungskolonne aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 in einer Vorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in der Vorrichtung bereitgestellten Mediums, wobei das Medium in einem Kreislauf über eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne geführt wird, wobei die Kolonnen jeweils über eine Verbindungsleitung im Bereich ihrer Bodenseiten und über eine Rückführleitung im Bereich der den Bodenseiten gegenüberliegenden oberen Seiten miteinander verbunden sind, worin das Medium sich in der Begasungskolonne absteigend und in der Entgasungskolonne aufsteigend bewegt, worin dem Medium im Bereich der Bodenseite der Begasungskolonne ein H2 enthaltendes Gas zugeführt wird.
Um den Prozess der Direktreduktion von Eisenerz computergestützt zu simulieren, werden mathematische Modelle, zur Beschreibung von Gas-Feststoff-Reaktionen, in Python implementiert. In der vorliegenden Arbeit wird ein einzelnes Pellet aus Eisenerz, welches sich in einem Gasstrom aus reinem Wasserstoff befindet, betrachtet. Es werden mehrere Modellansätze aus der Literatur miteinander verglichen und davon geeignete zur recheneffizienten Implementierung ausgewählt. Die entwickelte Simulationssoftware besitzt eine grafische Oberfläche und bietet die Auswahl aus drei Modellen mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad. Diese sind vollständig parametriert und die meisten Parameter werden temperaturabhängig bestimmt oder sind frei wählbar. Die Durchführung von Parameterstudien ist über die lineare Variierung eines beliebigen Parameters möglich. Die Ergebnisse der Simulation können dann in Abhängigkeit der Zeit dargestellt oder im CSV-Format exportiert werden. Die Rechenmodelle sind in einem separaten Python-Modul zusammengefasst und können einfach in eine übergeordnete Modellierung eingebaut werden. Zur Validierung erfolgt ein Abgleich mit experimentellen Literaturdaten. Abschließend werden die Stärken und Schwächen der implementierten Modelle gegenübergestellt und bewertet.
The paper compares different anti-windup strategies for the current control of inverter-fed permanent magnet synchronous machines (PMSM) controlled by pulse-width modulation. In this respect, the focus is on the drive behavior with a relatively large product of stator frequency and sampling time. A requirement for dynamically high-quality anti-windup measures is, among other things, a sufficiently accurate decoupling of the stator current direct axis and quadrature axis components even at high stator frequencies. Discrete-time models of the electrical subsystem of the PMSM are well suited for this purpose, of which the method found to be the most accurate in a preliminary investigation is used as the basis for all anti-windup methods examined. Simulation studies and measurement results document the performance of the compared methods.
Novel approaches for the design of assistive technology controls propose the usage of eye tracking devices such as for smart wheelchairs and robotic arms. The advantages of artificial feedback, especially vibrotactile feedback, as opposed to their use in prostheses, have not been sufficiently explored. Vibrotactile feedback reduces the cognitive load on the visual and auditory channel. It provides tactile sensation, resulting in better use of assistive technologies. In this study the impact of vibration on the precision and accuracy of a head-worn eye tracking device is investigated. The presented system is suitable for further research in the field of artificial feedback. Vibration was perceivable for all participants, yet it does not produce any significant deviations in precision and accuracy.
In this paper we report on further success of our work to develop a multi-method energy optimization which works with a digital twin concept. The twin concept serves to replicate production processes of different kinds of production companies, including complex energy systems and test market interactions to then use them for model predictive optimizing. The presented work finally reports about the performed flexibility assessment leading to a flexibility audit with a list of measures and the impact of energy optimizations made related to interactions with the local power grid i.e., the exchange node of the low voltage distribution grid. The analysis and continuous exploration of flexibilities as well as the exchange with energy markets require a “guide” leading to continuous optimization with a further tool like the Flexibility Survey and Control Panel helping decision-making processes on the day-ahead horizon for real production plants or the investment planning to improve machinery, staff schedules and production
infrastructure.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Beantwortung der Frage, wie sich eine individuelle Fußbettung auf die Druckverteilung im Fuß und das körperliche Wohlbefinden im Allgemeinen auswirkt. Zu Anfang stehen die Nullhypothesen, dass durch eine solche Einlage keine Veränderungen in der Druckverteilung zu erwarten sind.
Um die Forschungsfrage zu beantworten, wurde eine experimentelle interventionelle Pilotstudie mit einer Kohorte von neun Probanden ohne orthopädische Probleme durchgeführt, die alle eine individuelle Schuheinlage erhielten. Die plantare Druckverteilung im Schuh wurde einmal ohne und einmal mit der Einlage sowohl statisch als auch dynamisch erfasst. Die Ergebnisse wurden anschließend verglichen. Die dynamische Datenerfassung beinhaltete die folgenden Konditionen: geradeaus Gehen, Gehen im Kreis (links- und rechtsherum), Stehen und der Transfer einer Kiste mit sich drehendem Oberkörper. Gleichzeitig wurde das Wohlbefinden der Probanden mit verschiedenen Fragebögen erfasst.
Die Anwendung einer individuellen Einlage zeigte im Bereich des medialen Mittelfußes einen Druckanstieg von über 100%, der Rückfuß wurde während des Stehens und Gehens entlastet. Der Vorfuß wurde während des Stehens teilweise mehr belastet. Diese Veränderungen können unter Umständen auf das Einführen der Längsgewölbestütze in der Einlage zurückgeführt werden. Die Auswertung der Fragebögen zu dieser Studie ergab, dass sich speziell für die Füße das Wohlbefinden leicht zum Schlechteren änderte, andere Bereiche, welche in den Fragebögen eruiert wurden, zeigten keine nennenswerten Veränderungen auf.
Daraus wird geschlossen, dass eine Schuheinlage die Druckverteilung in der Fußsohle stark verändern kann. Weiterführende Studien könnten den Einfluss der Einlage im Allgemeinen und der Wirkungsweise einer Längsgewölbestütze im Besonderen mit kinematischen Daten weiter belegen. Längerfristige Studien könnten die Langzeitwirkung von Einlagen auf das Wohlbefinden genauer erforschen.
In recent years, the demand for reliable power, driven by sensitive electronic equipment, has surged. Even minor deviations from the nominal supply can lead to malfunctions or failure. Despite technological advancements, power quality issues persist due to various factors like short circuits, overloads, voltage fluctuations, unbalanced loads, and non-linear loads.
This thesis extensively explores power quality anomalies in industrial and commercial sectors, using power system data as the primary analytical resource. It addresses the critical need for power supply reliability in today's evolving power grid industry, affected by non-linear loads, renewable energy integration, and electric vehicles. This field of study is paramount for ensuring power supply reliability and stability in the evolving power grid industry.
The core of this thesis involves a comprehensive investigation of power quality, with a focus on frequency, power, and harmonics in voltage and current signals. The research employs Python programming for advanced data analysis, utilizing techniques such as advanced Fast Fourier Transformation (FFT) analysis. The primary objective is to provide valuable insights aimed at elevating power supply quality and enhancing reliability in both industrial and commercial environments.
Turbocharger housings in internal combustion engines are subjected to severe mechanical and thermal cyclic loads throughout their life-time or during engine testing. The combination of thermal transients and mechanical load cycling results in a complex evolution of damage, leading to thermo-mechanical fatigue (TMF) of the material. For the computational TMF life assessment of high temperature components, the DTMF model can provide reliable TMF life predictions. The model is based on a short fatigue crack growth law and uses local finite-element (FE) results to predict the number of cycles to failure for a technical crack. In engine applications, it is nowadays often acceptable to have short cracks as long as they do not propagate and cause loss of function of the component. Thus, it is necessary to predict not only potential crack locations and the corresponding number of cycles for a technical crack, but also to determine subsequent crack growth or even a possible crack arrest. In this work, a method is proposed that allows the simulation of TMF crack growth in high temperature components using FE simulations and non-linear fracture mechanics (NLFM).
A NLFM based crack growth simulation method is described. This method starts with the FE analysis of a component. In this paper, the method is demonstrated for an automotive turbocharger housing subjected to TMF loading. A transient elastic-viscoplastic FE analysis is used to simulate four heating and cooling cycles of an engine test. The stresses, inelastic strains, and temperature histories from the FEA are then used to perform TMF life predictions using the standard DTMF model. The crack position and the crack plane of critical hotspots are then identified. Simulated cracks are inserted at the hotspots. For the model demonstrated, cracks were inserted at two hotspot locations. The ΔJ integral is computed as a fracture mechanics parameter at each point along the crack-front, and the crack extension of each point is then evaluated, allowing the crack to grow iteratively. The paper concludes with a comparison of the crack growth curves for both hotspots with experimental results.
Cast aluminum cylinder blocks are frequently used in gasoline and diesel internal combustion engines because of their light-weight advantage. However, the disadvantage of aluminum alloys is their relatively low strength and fatigue resistance which make aluminum blocks prone to fatigue cracking. Engine blocks must withstand a combination of low-cycle fatigue (LCF) thermal loads and high-cycle fatigue (HCF) combustion and dynamic loads. Reliable computational methods are needed that allow for accurate fatigue assessment of cylinder blocks under this combined loading. In several publications, the mechanism-based thermomechanical fatigue (TMF) damage model DTMF describing the growth of short fatigue cracks has been extended to include the effect of both LCF thermal loads and superimposed HCF loadings. This approach is applied to the finite life fatigue assessment of an aluminum cylinder block. The required material properties related to LCF are determined from uniaxial LCF tests. The additional material properties required for the assessment of superimposed HCF are obtained from the literature for similar materials. The predictions of the model agree well with engine dyno test results. Finally, some improvements to the current process are discussed.
One of the main problematics of the seals tests is the time and money consuming they are. Up to now, there are few tries to do a digitalisation of a test where the seals behaviour can be known.
This work aims to digitally reproduce a seal test to extract their behaviour when working under different operation conditions to see their impact on the pimp’s efficiency. In this thesis, due to the Lomaking effect, the leakage and the forces applied on the stator will be the base of analysis.
First of all, among all the literature available for very different kind of seals and inner patterns, it has been chosen the most appropriate and precise data. The data chosen is “Test results for liquid Damper Seals using a Round-Hole Roughness Pattern for the Stator” from Fayolle, P. and “Static and Rotordynamic Characteristics of Liquid Annular Seals with Circumferentially/Grooved Stator and Smooth Rotor using three levels of circumferential Inlet-Fluid” from Torres J.M.
From the literature, dimensions of the test rig and the seals will be extracted to model them into a 3D CAD software. With the 3D CAD digitalisation, the fluid volumes for a rotor-centred position, meaning without eccentricity, will be extracted, and used. The following components have been modelled:
- Smooth Annular Liquid Seal (Grooved Rotor)
- Grooved Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Round-Hole Pattern Annular Liquid Seal (𝐻𝑑=2 𝑚𝑚) (Smooth Rotor)
- Straight Honeycomb Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Convergent Honeycomb Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Smooth Rotor / Smooth Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
As there is just one test rig, all the components have been adapted to the different dimensions of the seals by referencing some measures. This allows to test any seal with the same test rig.
Afterwards a CFD simulation that will be used to obtain leakage and stator forces. The parameters that will be changed are the rotational velocity of the fluid (2000 rpm, 4000 rpm, and 6000 rpm) and the pressure drop (2,068 bar, 4,137 bar, 6,205 bar, and 8,274 bar).
Those results will be compared to the literature ones, and they will determine if digitalisation can be validated or not. Even though the relative error is higher than 5% but the tendency is the same and it is thought that by changing some parameters the test results can be even closer to the literature ones.
To date, many experiments have been performed to study how the internal geometrical shapes of the annular liquid seal can reduce internal leakage and increase pump efficiency. These can be time-consuming and expensive as all rotordynamic coefficients must be determined in each case.
Nowadays, accurate simulation methods to calculate rotordynamic coefficients of annular seals are still rare. Therefore, new numerical methods must be designed and validated for annular seals.
The present study aims to contribute to this labour by providing a summary of the available test rig and seals dimensions and experimental results obtained in the following experiments:
− Kaneko, S et al., Experimental Study on Static and Dynamic Characteristics of Liquid Annular Convergent-Tapered Seals with Honeycomb Roughness Pattern (2003) [1] − J. Alex Moreland, Influence of pre-swirl and eccentricity in smooth stator/grooved rotor liquid annular seals, static and rotordynamic characteristics (2016) [2]
A 3D CAD simulation with Siemens NX Software of the test rig used in J. Alex Moreland’s experiment has been made. The following annular liquid seals have also been 3D modelled, as well as their fluid volume:
− Smooth Annular Liquid Seal (SS/GR) (J. Alex Moreland experiment)
− Grooved Annular Liquid Seal (GS/SR)
− Round-Hole Pattern Annular Liquid Seal (𝐻𝑑=2 mm) (GS/SR)
− Straight Honeycomb Annular Liquid Seal (GS/SR)
− Convergent Honeycomb Annular Liquid Seal (No. 3) (GS/SR)
− Smooth Annular Liquid Seal (SS/SR) (S. Kaneko experiment)
In the case of the seals used in S. Kaneko’s experiments, the test rig has been adapted to each seal, defining interpart expressions which can be easily modified.
Afterwards, it has been done a CFD simulation of the Smooth Annular Liquid Seal using Ansys CFX Software. To do so, the fluid volume geometry has been simplified to do a first approximation. Results have been compared for an eccentricity 𝜀0=0.00 for the following ranges of rotor speeds and differential of pressure:
− Δ𝑃= 2.07, 4.14, 6.21, and 8.27 bar,
− 𝜔= 2, 4, 6 and 8 krpm.
Even results obtained have the same trend as the one proportionated by the literature, they cannot be validated as the error is above 5%. It is also observed that as the pressure drop increases, the relative error decreases considerably.
In this paper, the performance of different continuous-time and discrete-time models of the electrical subsystem of induction machines and permanent-magnet synchronous machines as well as methods based on them for decoupling the direct and
quadrature axis components of the stator current are investigated and compared. The focus here is on inverter-fed, pulse width modulated drives when operated with a relatively large product of stator frequency and sampling time, where significant
differences between the models and decoupling methods used come to light. Recommendations for a discrete-time model to be used uniformly in the future are made, as well as statements on whether feedforward or feedback decoupling structures are better suited and whether state controllers improve decoupling measures for very steep speed ramps. Simulation studies and measurement results support the statements made above.
In dieser Bachelorarbeit wurde eine Studie zum Dehnungsverhalten von Schuhen mit elastischem Obermaterial beim Gehen und Laufen bei verschiedenen Geschwindigkeiten durchgeführt. Aktuell gibt es auf diesem Gebiet keine belastbaren Daten. Hierfür wurde von 33 Probandinnen und Probanden mit vier verschiedenen Schuhgrößen die Dehnung des Schuhobermaterials durch markerbasiertes Motion Capturing aufgenommen. Hierzu wurde eine Markerkette von insgesamt 6 Markern über dem Mittelfußbereich angebracht. Auf einem Laufband wurden im Gehen drei Geschwindigkeiten zwischen 1,0 m/s und 1,5 m/s und im Laufen sieben Geschwindigkeiten zwischen 1,5 m/s und 4,5 m/s aufgenommen. Die Datenauswertung erfolgte zum Großteil mittels von Matlab. Die Ergebnisse zeigen für die maximale Dehnung des Obermaterials im Gehen signifikante Unterschiede von p < 0,001. Auch das Laufen zeigt diese Signifikanz jedoch ausschließlich in den Vergleichen der niedrigen Laufgeschwindigkeiten. Die Dehnungsgeschwindigkeit zeigt im Gehen und in den meisten Bereichen des Laufens eine Signifikanz von p < 0,001. Die Ergebnisse der Dehnungsbeschleunigung weisen ebenfalls eine Signifikanz von p < 0,001 auf. Die Betrachtung der Teilbereiche der Markerkette zeigt in der Dehnung und der Dehnungsgeschwindigkeit Signifikanzen von p < 0,001. Die größte Dehnung entstand im mittleren Markerbereich, wohingegen die Randbereiche signifikant weniger gedehnt wurden. Die Dehnungsgeschwindigkeit zeigt jedoch eine signifikant höhere Geschwindigkeit in den Randbereichen im Vergleich zu dem mittleren Bereich. Im direkten Vergleich zwischen Gehen und Laufen zeigt sich keine Signifikanz. Nicht signifikant sind außerdem die verschiedenen Schuhgrößen im Vergleich zueinander. Die Ergebnisse zeigen, dass die Laufgeschwindigkeit einen Einfluss auf das Dehnungsverhalten bezüglich Dehnung, Dehnungsgeschwindigkeit und Dehnungsbeschleunigung hat.
Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) hat einen festen Platz im deutschen Bildungssystem gefunden. BNE setzt sich die Ziele, Lernende zu informierten und verantwortungsbewussten Konsumenten zu befähigen sowie sie darauf vorzubereiten und das eigene Verhalten sowie das Verhalten anderer kritisch zu reflektieren. Der Nachhaltigkeitsbegriff von BNE orientiert sich hierbei an den drei Perspektiven, Soziales, Ökonomisches und Ökologisches, und an deren Wechselwirkungen untereinander.
Um Lernenden Nachhaltigkeitsthemen nach der Definition von BNE zu vermitteln, bieten sich Photovoltaik-Systeme (PV), vor allem in Off-Grid-Ausführungen, an, da sie aufgrund ihrer Eigenschaften als erneuerbare Energieerzeuger einen rücksichtsvolleren Umgang mit den vorhandenen Ressourcen fordern, Reflexion des eigenen Verhaltens anregen und sich in verschiedenen Situationen unter den drei Perspektiven der Nachhaltigkeit betrachten lassen.
Für eine Projektarbeit an allgemeinbildenden sowie beruflichen Schulen wurde außerhalb dieser Arbeit ein Off-Grid-PV-System entworfen, anhand dessen Lernende Fragestellungen der elektrischen Energieerzeugung aus Sonneneinstrahlung sowie allgemeine Nachhaltigkeitsthemen erforschen. Das didaktische Konzept zur Begleitung des PV-Systems wurde anhand von den Anforderungen der BNE entwickelt und gliedert sich in die Bereiche einleitende Workshops, Lern- und Arbeitsmaterial, weiterführendes Material sowie einen abschließenden Workshop zur Reflexion des erlernten. Die getroffenen Entscheidungen im Bereich der Technik sowie des Lehr-Lern-Materials werden jeweils didaktisch begründet.
Zur ergonomischen Unterstützung von Industriearbeitern werden zunehmend Exoskelette eingesetzt. Studien über die Wirkung und den Einfluss von Exoskeletten auf den Körper sind jedoch rar. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Wirkung des Rückenexoskeletts BionicBack des deutschen Exoskelett Herstellers hTRIUS auf die Wirbelsäulenkrümmung bei industriellen Hebearbeiten. Im Speziellen wird die Wirbelsäulenkrümmung beim Umpalettieren aus drei verschiedenen Hebehöhen (91 cm, 59 cm, 15 cm) mit Hilfe eines markerbasierten 3D Motion Capture Systems untersucht. Um den Versuchsaufbau alltagsnah und realistisch zu gestalten, wurde diese Pilotstudie in Kooperation mit der Firma Zehnder am Standort Lahr durchgeführt, die sowohl die Probanden als auch den Versuchsaufbau zur Verfügung stellte. Vier gesunde männliche Probanden mit einem durchschnittlichen Alter von 39,5 Jahren (SD = 6,5), einem durchschnittlichen Körpergewicht von 72,75 kg (SD = 7,1) und einer durchschnittlichen Körpergröße von 175 cm (SD = 2,6) wurden in zwei Schichten eingeteilt. Mit den Probanden wurden vor und nach der Schicht sowie an zwei aufeinander folgenden Tagen Messungen durchgeführt, wobei an einem Tag das BionicBack während der Arbeit und der Messung getragen wurde und am an-deren Tag nicht. Während einer Messung nahmen die Testpersonen ein Paket mit einem Gewicht von 21,1 kg dreimal von jeder Hebehöhe von einer Palette auf und legten es auf einer anderen ab. Anschließend wurde die Krümmung der Wirbelsäule am tiefsten Punkt der Hebebewegung untersucht, wobei die Gesamtkrümmung in dieser Position durch die Addition von drei repräsentativen Segmentwinkeln dargestellt wird. Die Abweichung dieser Gesamtkrümmungen in der tiefsten Beugeposition von der individuellen neutralen Wirbelsäulenstellung der Probanden im Stehen ergeben die Werte, die zwischen den einzelnen Versuchsbedingungen verglichen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das BionicBack den Abstand zur Neutralstellung bzw. die Gesamtkrümmung des Rückens im Vergleich zu ohne BionicBack bis zu -11,5° (Median: -11,5° (SD = 5,2); Mittelwert: -8,4° (SD = 6,4)) entsprechend -30% vor der Schicht und bis zu -5,6° (Median: -5,6° (SD = 3,5); Mittelwert: -4,1° (SD = 5,4)) ent-sprechend -17% nach der Schicht reduzieren kann. Die Betrachtung der einzelnen Segmentwinkel zeigt, dass die Reduzierung des Abstandes von der Neutralstellung hauptsächlich im Lendenwirbelbereich stattfindet. Der Vergleich der Wirbelsäulen-krümmung vor und nach der Schicht ohne BionicBack zeigt, dass die Wirbelsäulen-krümmung nach der Schicht, mit Ausnahme der tiefsten Hebehöhe, eine größere Abweichung von der Neutralstellung aufweist als vor der Schicht. Der Vergleich mit BionicBack zeigt, dass die Wirbelsäulenkrümmung nach der Schicht mit Ausnahme der niedrigsten Hubhöhe nicht bzw. weniger von der Neutralstellung abweicht als vor der Schicht. Aufgrund der Ergebnisse wird vermutet, dass das BionicBack durch die Unterstützung einer neutraleren Rückenhaltung das Verletzungsrisiko reduzieren kann. Des Weiteren wird vermutet, dass die Muskelermüdung während einer Arbeitsschicht einen Einfluss auf die Wirbelsäulenkrümmung beim Heben hat. Es wird angenommen, dass dieser Einfluss durch das BionicBack reduziert werden kann. Allerdings dürfen die Grenzen dieser Pilotstudie nicht außer Acht gelassen werden. Sei es die Anzahl der Versuchspersonen, die keine Aussage über die Allgemeingültigkeit zu-lässt und keine effektive statistische Analyse erlaubt, oder systematische Fehler, die aufgrund der Modellvereinfachung und der Methodik auftreten können. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Ergebnisse zu validieren. Diese Arbeit soll die Grundlage für weitere Studien mit einer weiterentwickelten Methodik und einer größeren Anzahl von Probanden bilden.
AI-based Ground Penetrating Radar Signal Processing for Thickness Estimation of Subsurface Layers
(2023)
This thesis focuses on the estimation of subsurface layer thickness using Ground Penetrating Radar (GPR) A-scan and B-scan data through the application of neural networks. The objective is to develop accurate models capable of estimating the thickness of up to two subsurface layers.
Two different approaches are explored for processing the A-scan data. In the first approach, A-scans are compressed using Principal Component Analysis (PCA), and a regression feedforward neural network is employed to estimate the layers’ thicknesses. The second approach utilizes a regression one-dimensional Convolutional Neural Network (1-D CNN) for the same purpose. Comparative analysis reveals that the second approach yields superior results in terms of accuracy.
Subsequently, the proposed 1-D CNN architecture is adapted and evaluated for Step Frequency Continuous Wave (SFCW) radar, expanding its applicability to this type of radar system. The effectiveness of the proposed network in estimating subsurface layer thickness for SFCW radar is demonstrated.
Furthermore, the thesis investigates the utilization of GPR B-scan images as input data for subsurface layer thickness estimation. A regression CNN is employed for this purpose, although the results achieved are not as promising as those obtained with the 1-D CNN using A-scan data. This disparity is attributed to the limited availability of B-scan data, as B-scan generation is a resource-intensive process.
In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer Methode zur Messung von Bodenreaktionskräften bei menschlicher Lokomotion auf variablen Untergründen behandelt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, unter realistischen Bedingungen eine Ganganalyse in einem Biomechaniklabor durchführen zu können.
Bisher ist es nicht möglich in einem Biomechaniklabor verschiedene Untergründe nach einer bestimmten Methode auszutauschen, womit Szenarien im Alltag besser simuliert werden können.
Um dieses Ziel zu erreichen wurde ein geeignetes Konzept für die Fertigung der benötigten Bodenplatten und Bodenbeläge erstellt. Darauffolgend wurden die Komponenten angefertigt oder schon vorhandene modelliert. Die Anwendung der entwickelten Methode wurde unter realen Bedingungen einer Ganganalyse erfolgreich untersucht. Hierbei konnten exemplarisch die durchschnittlichen Bodenreaktionskräfte in z-Richtung für die Untergründe Kunstrasen, Kunststoffbahn (Tartanboden) und Steinboden untersucht werden. Das größte Optimierungspotential bei diesem Funktionstest zeigte sich bei der Anpassung der geeigneten An- und Ablaufstrecken mit den jeweiligen Untergründen.
Mit dieser entwickelten Methode können in einem Biomechaniklabor besser die Bedingungen die alltäglich benötigten Ganganpassungen an verschiedene Untergründe simuliert werden. In Kombination mit weiteren Messmethoden, wie die Messung der Muskelaktivität (EMG) und der Gangkinematik, kann so ein tieferes Verständnis des menschlichen Gangbildes gewonnen werden.
Estimation and projecting total steel industry production costs from 2019 to 2030 for Germany
(2023)
This thesis analyses the total production cost of the German steel industry from 2019 to 2022, as well as a projection of the German steel industry's total production cost until 2030. The research separates the costs of steel production into their primary components, such as raw materials, energy, CO2 cost, capital expenses and operating expenses. The cost of steel production is determined separately for primary steelmaking with the blast furnace and basic oxygen furnace (BF-BOF) and secondary steelmaking with the electric arc furnace (EAF).
The analysis indicates that, following the COVID-19 disaster and the fuel crisis, the overall cost of producing steel in Germany has progressively risen over the previous few years, reaching its peak in the first half of 2022. In addition, there are considerable disparities between the production costs of primary and secondary steelmaking processes, with primary steelmaking generally being more expensive.
In this analysis, the total cost of production for the German steel industry in the year 2030 has been estimated by taking into account historical trends as well as other predictions that are currently available.
This thesis provides overall insights on the economics of the German steel sector. By giving thorough information on production costs and changes over time, this research can assist guide crucial future investment decisions in this essential industry. To ensure long-term success, our findings emphasize the significance of investing in more sustainable and ecologically friendly steel production processes.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, zwei unterschiedliche Bewegungserfassungssysteme zu vergleichen. Dabei wird die neue Technologie der markerlosen Bewegungserfassung mit der gängigen markerbasierten Methode verglichen. Es sollen Aspekte wie Aufbau, Vorbereitung, Durchführung, Nachbearbeitung und Messergebnisse analysiert und gegenübergestellt werden.
Im Rahmen einer Querschnittsstudie wurden insgesamt 27 Probanden bei Richtungswechsel mit unterschiedlichen Winkeln in drei verschiedenen Geschwindigkeiten gemessen. Dabei nahmen beide Systeme gleichzeitig in Verbindung mit zwei Kraftmessplatten die Bewegung auf. Von jeder Geschwindigkeit wurden drei gültige Durchläufe aufgezeichnet und anschließend das Knieabduktionsmoment betrachtet. Über das maximale und minimale Knieabduktionsmoment hat für jeden Winkel und Geschwindigkeit ein Vergleich der beiden Systeme stattgefunden.
Aufbau, Vorbereitung und Durchführung des markerlosen Systems erwiesen sich als deutlich einfacher und reibungsloser. Bei dem markerbasierten System ging viel Zeit für die Systemkalibrierung, das Aufkleben von Markern oder das Wiederholen der Messung durch abfallende Marker verloren. Auch die Datennachbearbeitung ist bei dem markerbasierten System deutlich zeitaufwendiger. Die markerlosen Daten werden allerdings fix ausgegeben und können bei auftretenden Fehlern nicht bearbeitet werden.
Die beiden Systeme wurden zum Schluss anhand des gemessenen Maximums und Minimums des Knieabduktionsmoments verglichen. Insgesamt messen die beiden Systeme durchschnittlich ein unterschiedliches Maximum von 0,2 +- 0,33, bei dem Minimum lag die gesamte durchschnittliche Differenz der beiden Systeme bei -0,34 +- 0,65. Das markerlose System zeigte durchschnittlich höhere Maxima und niedrigere Minima als das markerbasierte System auf. Durch die teilweise starken Messunterschiede und auftretenden Messfehler des markerlosen Systems, sollten die Messergebnisse des Knieabduktionsmoments zur Beurteilung von Rupturen des vorderen Kreuzbandes kritisch hinterfragt werden.
To improve the building’s energy efficiency many parameters should be assessed considering the building envelope, energy loads, occupation, and HVAC systems. Fenestration is among the most important variables impacting residential building indoor temperatures. So, it is crucial to use the most optimal energy-efficient window glazing in buildings to reduce energy consumption and at the same time provide visual daylight comfort and thermal comfort. Many studies have focused on the improvement of building energy efficiency focusing on the building envelope or the heating, ventilation, and cooling systems. But just a few studies have focused on studying the effect of glazing on building energy consumption. Thus, this paper aims to study the influence of different glazing types on the building’s heating and cooling energy consumption. A real case study building located under a semi-arid climate was used. The building energy model has been conducted using the OpenStudio simulation engine. Building indoor temperature was calibrated using ASHRAE’s statistical indices. Then a comparative analysis was conducted using seven different types of windows including single, double, and triple glazing filled with air and argon. Tripleglazed and double-glazed windows with argon space offer 37% and 32% of annual energy savings. It should be stressed that the methodology developed in this paper could be useful for further studies to improve building energy efficiency using optimal window glazing.
Vergleich eines iOS-basierten zu einem markerbasierten System zur dreidimensionalen Bewegungsanalyse
(2023)
Die iOS-basierte Methode zur dreidimensionalen Bewegungsanalyse wird mithilfe von OpenCap durchgeführt. OpenCap ist eine Open-Source-Software, die laut Hersteller eine gute Alternative zu herkömmlichen Methoden der Bewegungsanalyse sein soll. Durch eine verständliche Menüführung, geringe Anschaffungskosten und ohne Notwendigkeit von Fachpersonal, soll hiermit eine großflächigere Anwendung von dreidimensionalen Bewegungsanalyse gegeben werden. (Uhlrich et al., 2022) Um diese Hypothese zu belegen wurde im Rahmen dieser Bachelorthesis eine kleine Studie mit 12 Probanden durchgeführt. Diese waren hauptsächlich Freiwillige der Hochschule Offenburg und sowohl männlich (7/12 Probanden) als auch weiblich (5/12 Probanden). Das Alter lag bei 25,76 ±5,08 Jahre, die Größe betrug 1,73 ±0,08 Meter und das Gewicht 69,38 ±7,12 Kilogramm. Die Probanden wurden zum Vergleich mit zwei verschiedenen Methoden zur dreidimensionalen Bewegungsanalyse (OpenCap und markerbasierter) und bei zwei verschiedenen Sprungformen, aufgenommen.
Anschließend wurden die Ergebnisse der Gelenkwinkel für Hüfte und Knie der rechten Körperhälfte der Probanden betrachtet. Dabei fiel auf, dass die gemessenen Werte von OpenCap, für Hüfte und Knie verschieden stark von den markerbasierten Werten abwichen. Die Differenz der Hüftflexionswinkel, zwischen den beiden Messmethoden, war um einiges größer als die ermittelte Differenz der Knieflexionswinkel. Diese lag beim Counter Movement Jump (CMJ) für die Hüfte bei 8,01° ±10,89° und für das Knie bei -0,9° ±3,22°. Beim Drop Jump (DJ) ergaben die Differenzen für die Hüfte 15,91° ±12,35° und für das Knie 3,03° ±2,59°. Außerdem wichen die Ergebnisse auch von der Studie der OpenCap Erfinder ab, die mit einem mittleren absoluten Fehler von 4,5°, die App anpriesen. (Uhlrich et al., 2022)
Der Vergleich zeigte somit das OpenCap eine gute Alternative zur Messung offensichtlicher Körpersegmente oder Bewegungen, wie beispielsweise dem Knie, sein kann. Für Messungen der Hüftpartie eignet es sich derzeitig, aufgrund seiner Ungenauigkeit, weniger.
Cloud computing is a combination of technologies, including grid computing and distributed computing, that use the Internet as a network for service delivery. Organizations can select the price and service models that best accommodate their demands and financial restrictions. Cloud service providers choose the pricing model for their cloud services, taking the size, usage, user, infrastructure, and service size into account. Thus, cloud computing’s economic and business advantages are driving firms to shift more applications to the cloud, boosting future development. It enlarges the possibilities of current IT systems.
Over the past several years, the ”cloud computing” industry has exploded in popularity, going from a promising business concept to one of the fastest expanding areas of the IT sector. Most enterprises are hosting or installing web services in a cloud architecture for management simplicity and improved availability. Virtual environments are applied to accomplish multi-tenancy in the cloud. A vulnerability in a cloud computing environment poses a direct threat to the users’ privacy and security. In our digital age, the user has many identities. At all levels, access rights and digital identities must be regulated and controlled.
Identity and access management(IAM) are the process of managing identities and regulating access privileges. It is considered as a front-line soldier of IT security. It is the goal of identity and access management systems to protect an organization’s assets by limiting access to just those who need it and in the appropriate cases. It is required for all businesses with thousands of users and is the best practice for ensuring user access control. It identifies, authenticates, and authorizes people to access an organization’s resources. This, in turn, enhances access management efficiency. Authentication, authorization, data protection, and accountability are just a few of the areas in which cloud-based web services have security issues. These features come under identity and access management.
The implementation of identity and access management(IAM) is essential for any business. It’s becoming more and more business-centric, so we need more than technical know-how to succeed. Organizations may save money on identity management and, more crucially, become much nimbler in their support of new business initiatives if they have developed sophisticated IAM capabilities. We used these features of identity and access management to validate the robustness of the cloud computing environment with a comparison of traditional identity and access management.
Um den Erfolg einer Operation zu beurteilen, werden in klinischen Untersuchungen häufig Fragebögen genutzt. Ziel dieser Arbeit ist es, herauszufinden, ob es einen Zusammenhang zwischen subjektiven Outcome-Scores der Fragebögen und biomechanischen Parametern gibt. Die Forschungsfrage lautet: „Reicht ein Fragebogen zur Beurteilung des Operationserfolges oder sind weitere objektive Untersuchungen von Nutzen.
Um dies zu beantworten, wurde eine Querschnittsstudie mit elf Probanden durchgeführt. Diese mussten vor zwölf Monaten mit einer Hüft-Totalendoprothese versorgt worden sein. Die Probanden mussten verschiedene Fragebögen ausfüllen, anschließend wurde eine Ganganalyse mittels Optogait durchgeführt und die Maximalkraft mit dem Multifunktionalen Diagnostikgerät ermittelt. Die Ergebnisse der Fragebögen wurden mit den biomechanischen Parametern auf eine statistische Korrelation überprüft.
Die Studie hat gezeigt, dass es zwischen einigen Unterkapiteln der Fragebögen und den biomechanischen Parameter moderate bis starke statistisch signifikante Korrelation gibt. Jedoch nicht mit allen Parametern und nicht in der Gesamtbetrachtung der Fragebögen.
Dies zeigt, dass es zwar Zusammenhänge zwischen subjektiven Outcome-Scores und biomechanischen Parametern gibt, diese aber nur einen groben Eindruck des Operationserfolges widerspiegeln. Für eine Beurteilung reicht ein Fragebogen alleine damit nicht aus, und man sollte biomechanische Parameter zusätzlich nutzen.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist das netzdienliche Betreiben einer Wärmepumpe. Um diese Netzdienlichkeit zu erreichen, wird ein modellprädiktiver Regler entwickelt und implementiert, dessen Ziel es ist die Stromkosten einer Wärmepumpe zu senken. Dazu werden die Variablen Stromkosten und ein simulierter Heizbetrieb betrachtet.
Die Entwicklung eines modellprädiktiven Reglers setzt zunächst eine Modellierung der Komponenten des Heizsystems voraus. Ebenfalls muss eine Kostenfunktion formuliert werden, die es zu minimieren gilt. In einem Optimierungsproblem werden die Modelle als Randbedingungen und die Kostenfunktion als Zielfunktion der Optimierung formuliert. Dazu müssen gewisse Vereinfachungen getroffen werden, um das Optimierungsproblem zuverlässig und ohne enormen Rechenaufwand in einer Regelungsschleife lösen zu können.
Nun wird das Optimierungsproblem mit externen Modulen verknüpft, die eine Kommunikation mit der realen Wärmepumpen, Strompreisprognosen und Wettervorhersagen ermöglichen. Der dabei entwickelte Algorithmus wird auf einem Raspberry Pi Einplatinencomputer gespeichert und dort in einem regelmäßigen Zeitintervall von 15 Minuten ausgeführt, um den Betrieb der Wärmepumpe zu regeln.
Schließlich wird der modellprädiktive Regler in Betrieb genommen. Anschließend kann der modellprädiktive Betrieb mit dem konventionellen Betrieb verglichen werden. Aus dem Vergleich wird deutlich, dass eine modellprädiktive Regelung tatsächlich die Netzdienlichkeit einer Wärmepumpe verbessern kann. Andererseits werden auch die Entwicklungspotentiale identifiziert.
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Konstruktion eines Testgerätes zur Untersuchung der Schuh-Fuß und Schuh-Bodeninteraktion beim Speerwurf. Zu Beginn wird eine kurze Einleitung zu den Grundlagen des Speerwurfs gegeben, sowie ein vergleichbares Gerät der technischen Universität Dänemark vorgestellt. Anschließend werden verschiedene Möglichkeiten zum Antrieb der Aktuatoren vorgestellt und diskutiert. Der finale Entwurf besteht aus einer Rahmenkonstruktion aus Aluminiumprofilschienen, einer Boden- und Kraftmessplatte, einer Schuhleiste, welche an mehreren Gelenken gelagert ist und so verschiedene Stellungen des Fußes nachahmen kann, einem Normzylinder, der einen Stoß auf die zu untersuchende Schuhleiste ausführt, und einem Linearantrieb, der die Schuhleiste auf die Kraftmessplatte drückt und so für Halt sorgt.
The current thesis conducts the study on the integration of digitalization techniques aimed at improving energy supply efficiency in off-grid energy systems. The primary objective is to fortify the security of energy supply in remote areas, particularly in instances of adverse weather conditions, unanticipated changes in load and fluctuations in the performance of renewable energy systems. This objective is to be achieved through the implementation of a smart load management strategy in stand-alone photovoltaic systems (SAPVS). This strategy involves deployment of forecasting algorithms on an edge device that operates with limited processing resources in an environment characterized for the lack of internet connection. The edge device is designed to interact with a smart home gateway that prioritizes, and schedules smart appliances based on the forecasted state of charge (SOC) in the 36-hours ahead of the SAPVS operation (the implementation of the loads schedule deployed on the Home Assistant device is out of the scope of the tasks implemented for this project).
The edge device, developed using a Raspberry Pi 3B+, was specifically intended for being implemented along with a SAPVS, in remote areas such as health stations in Africa and tropical islands, providing communities with a reliable source of electrical energy. The deployment of the strategy was carried out in four phases. The first phase involved the implementation of an Extraction-Transformation-Load (ETL) pipeline, where data was gathered from various heterogeneous hardware sources of an implemented test system that served as the enabler and testbench of this research, this test stand is composed of power electronics components such as an inverter, a MPPT solar charge controller, a smart meter, and a BOS LiFePo4 battery prototype. In the transformation stage, a data model was developed to identify the most critical parameters of the energy system, and to eliminate outliers and null values. In the load stage, a local SQL database was established for saving and structuring the data gathered and to ensure high-quality data with defined units and casting.
The second phase involved data analysis to identify the relevant features and potential exogenous variables for the forecasting model to implement. In the third phase, an Auto Regressive Moving Average (ARMA) model with two selected exogenous variables was implemented to forecast the AC load consumption profile for the 36- hours ahead of the off-grid system operation. The final phase involved the information exchange with the Home Assistant device, by transferring to it from the edge device the battery SOC present value and the predicted 36-hour ahead AC load profile information for prioritization and scheduling of loads; this through an MQTT interface.
The outcome of the experiment was a successful deployment of a data engineering and data forecasting approach that enabled data quality strategy implementation, local database storage, and forecasting algorithms on a processing and internet-constrained edge device. The interface with a home assistant implementation resulted in the successful execution of smart load management endeavors in an off-grid system, thereby enhancing the energy security of supply and contributing to the advancement of data-driven strategies in the rural electrification sector.
This thesis emphasizes the significance of digitalization strategies in smart SAPVS and highlights the potential of edge computing solutions in achieving seamless energy management in smart homes.
This paper presents a framework for numerical building validation enhancement based on detailed building specifications from in-situ measurements and evidence-based validation assessment undertaken on a detached sustainable lightweight building in a semi-arid climate. The validation process has been undergone in a set of controlled experiments – a free-float period, and steady-state internal temperatures. The validation was conducted for a complete year with a 1-min time step for the hourly indoor temperature and the variable refrigerant flow (VRF) energy consumption. The initial baseline model was improved by three series of validation steps per three different field measurements including thermal transmittance, glazing thermal and optical properties, and airtightness. Then, the accurate and validated model was used for building energy efficiency assessment in 12 regions of Morocco. This study aims to assess the effect of accurate building characteristics values on the numerical model enhancement. The initial CV(RMSE) and NMBE have improved respectively from 14.58 % and −11.23 %–7.85 % and 1.86 % for the indoor temperature. Besides, from 31.17 % to 14.37 %–20.57 % and 9.77 % for energy consumption. The findings demonstrate that the lightweight construction with the use of a variable refrigerant flow system could be energy efficient in the southern regions of Morocco.
The variable refrigerant flow system is one of the best heating, ventilation, and air conditioning systems (HVAC) thanks to its ability to provide thermal comfort inside buildings. But, at the same time, these systems are considered one of the most energy-consuming systems in the building sector. Thus, it is crucial to well size the system according to the building’s cooling and heating needs and the indoor temperature fluctuations. Although many researchers have studied the optimization of the building energy performance considering heating or cooling needs, using air handling units, radiant floor heating, and direct expansion valves, few studies have considered the use of multi-objective optimization using only the thermostat setpoints of VRF systems for both cooling and heating needs. Thus, the main aim of this study is to conduct a sensitivity analysis and a multi-objective optimization strategy for a residential building containing a variable refrigerant flow system, to evaluate the effect of the building performance on energy consumption and improve the building energy efficiency. The numerical model was based on the EnergyPlus, jEPlus, and jEPlus+EA simulation engines. The approach used in this paper has allowed us to reach significant quantitative energy saving by varying the cooling and heating setpoints and scheduling scenarios. It should be stressed that this approach could be applied to several HVAC systems to reduce energy-building consumption.
Energy efficiency and hygrothermal performance of hemp clay walls for Moroccan residential buildings
(2023)
Hemp-based building envelopes have gained significant popularity in developed countries, and now the trend of constructing houses with hemp-clay blocks is spreading to developing countries like Morocco. Investigating the hygrothermal behavior of such structures under actual climate conditions is essential for advancing and promoting this sustainable practice. This paper presents an in-depth experimental characterization of a commercial hemp-clay brick that has been exposed to the outdoor environment for four years, in addition to field measurements on a building scale demonstration prototype. Additionally, the study simulates 17 representative cities to assess the hygrothermal performance and energy-saving potential in each of Morocco's six existing climate zones, using the EnergyPlus engine. The experimental campaign's findings demonstrate excellent indoor air temperature and relative humidity regulation within the hemp-clay wall building, leading to satisfactory levels of thermal comfort within hemp-clay wall buildings. This is attributed to the material's good thermal conductivity and excellent moisture buffering capacity (found to be 0.31 W/mK and 2.25 g/m2%RH), respectively). The energy simulation findings also point to significant energy savings, with cooling and heating energy reductions ranging from 27.7% to 47.5% and 33.7% to 79.8%, respectively, as compared to traditional Moroccan buildings.
Given the looming threats of climate change and the rapid worldwide urbanization, it is a necessity to prioritize the transition towards a carbon-free built environment. This research study provides a holistic digital methodology for parametric design of urban residential buildings with regard to the Mediterranean semi-arid climate zone of Morocco in the early design phase. The morphological parameters of the urban residential buildings, namely the buildings’ typology, the distance between buildings, the urban grid’s orientation, and the window-towall ratio, are evaluated in order to identify the key combinations of passive and active solar design strategies that determine the high energy performing configurations, based on the introduced Energy Performance Index (EPI), which is the ratio between solar BIPV production to maximum available installed BIPV capacity and the normalized thermal energy needs. Through an automated processing of 2187 iterations via Grasshopper, we simulate daylight autonomy, indoor thermal comfort and solar rooftop photovoltaic and building integrated photovoltaic (BIPV) energy potential. Then, we analyze the conflicting objectives of energy efficiency measures, active solar design strategies, and indoor visual comfort in the decision-making process that supports our goal of getting closer to net zero urban residential buildings. The digital workflow showed interesting trends in reaching a balanced equilibrium between performance metrics influenced by the contrasting impact of solar exposure on indoor daylight autonomy and thermal energy demand. Furthermore, the study’s findings indicate that it is possible to achieve an annual load match exceeding 66,56 % while simultaneously ensuring an acceptable visual indoor comfort (sDA higher than 0.4). The findings also highlight the important role of the BIPV system in shifting towards the net zero energy goal, by contributing up to 30 % of the overall solar energy output and covering up to 20 % of the yearly self-consumption. Moreover, the energy balance evaluation on an hourly basis indicates that BIPV system notably enhances the daily load cover factor by up to 5.5 %, particularly in the case of slab SN typology, throughout the different seasons. Graphical representations of the yearly, monthly and hourly load matches and the hourly energy balance of the best performing configurations provide a thorough understanding of the potential evolution of the urban energy system over time as a result of the gradual integration of active solar electricity production.
Self-sufficient enzymes belong to the cytochrome P450 (CYP) group and are known for their superior hydroxylation catalytic activity. In the pursuit of identifying new pesticides to combat antimicrobial-resistant pathogens, we employed BM3 wild type (BM3-WT), the fastest monohydroxylating CYP, along with its seven homologs, to investigate the production of potential hydroxylated derivatives from the established pesticide, 4-oxocrotonic acid using high-pressure liquid chromatography (HPLC) method. Following the recombinant production of BM3-WT and three other homologs in E. coli, and their subsequent purification using Immobilized Metal Affinity Chromatography (IMAC), a novel enzyme assay approach was developed as a substitute for the carbon monoxide (CO) assay. This new method relied on the measurement of NADPH consumption at 340 nm by BM3-WT for palmitic acid. Leveraging this established technique, we explored the substrate specificity of BM3-WT and its homologs not only on palmitic acid but also on other structurally similar compounds, including 4-oxocrotonic acid. The results obtained from the established NADPH assay indicate that all tested enzymes displayed greater catalytic activity on 4-oxocrotonic acid in comparison to other substrates with similar structures. However, the impact of BM3-WT and its homologs on 4-oxocrotonic acid varied in terms of product specificity. Enzymes such as Poh, Trr and Bas-CYP D exhibited specificity in producing solely monohydroxylated products, while others tended to yield dehydroxylated and ketol metabolites.
Rupturen des vorderen Kreuzbandes werden meist mit einer Kreuzbandplastik-Operation wiederhergestellt. Bei einer gängigen OP-Methode wird hierbei Sehnenmaterial am Semitendinosus-Muskel entnommen, und mit diesem gewonnenen Sehnenmaterial das Kreuzband rekonstruiert. Dies hat zur Folge, dass es zu neuromuskulären Defiziten und dem Verhalten der Co-Kontraktion von Quadrizeps und Hamstrings kommen kann. Weitere Folgen sind Muskelschwäche und ein weniger flektiertes Verhalten in der Stützphase beim Gehen am operierten Bein. Das Auftreten von Co-Kontraktion beim Laufen ist im Zusammenhang mit einer expliziten Co-Kontraktionsberechnung noch nicht ausreichend untersucht worden. Auch ist unklar, welchen Einfluss die Kraftfähigkeiten auf Co-Kontraktion und Gelenkwinkel haben. In dieser Studie soll untersucht werden, inwieweit diese Effekte auch bei der Bewegung des Laufens auftreten. Mögliche Zusammenhänge zwischen Kraft/Co-Kontraktion und Kraft/Kniegelenkswinkel werden ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse sollen einen Beitrag zum Verständnis der Mechanismen und damit auch zur Verbesserung der Rehabilitationsprozesse leisten. Im Rahmen von „Return to Sport“ Messungen wurden im IFD Colgone über einen Zeitraum von zwei Jahren „Return to Sport“ Messungen durchgeführt und relevante biomechanische Parameter erfasst. Die Untersuchungen fanden im Durchschnitt sieben Monate nach der Kreuzbandoperation statt. Innerhalb der Studie wurden 26 Patientendaten ausgewertet. Die Co-Kontraktion wurde durch Auswertung der EMG-Daten mit Hilfe einer Formel bestimmt. Die Patienten zeigten unabhängig vom Geschlecht signifikant erhöhte Co-Kontraktionswerte, reduzierte Kniegelenkswinkel und reduzierte Kraftfähigkeiten am operierten Bein. Dabei konnten die erhöhten Co- Kontraktionswerte als auch weniger flektierte Kniewinkel nicht bei allen Patienten der Stichprobe auf deren schlechte Kraftfähigkeit zurückgeführt werden. Hier gab es leichte Zusammenhänge aber keine signifikanten Ergebnisse. Da Co-Kontraktion als auch reduzierte Kniegelenkswinkel mit unterschiedlichsten Problemen in Verbindung gebracht werden können, sollte daran mit Hilfe von angepassten Reha- Maßnahmen gearbeitet werden. Rehabilitationsprozesse sollten verschiedene Kraft- und Koordinationsfähigkeiten fördern, mit dem Ziel, das neuromuskuläre Zusammenspiel zu verbessern.
Ziel dieser Studie war es, Zusammenhänge zwischen Kinematik und Kraftanforderungen an den Ringen im Gerätturnen zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurde das Schwung- und Krafthalteelement Stemme rückwärts zum Kreuzhang gewählt und analysiert.
Die Datenerhebung erfolgte im Rahmen der Europameisterschaften 2022 in München. Für die Analyse der Kraftanforderungen wurde die vertikale Kraft in den Aufhängungen der Ringe mit eindimensionalen Kraftsensoren gemessen und für die Analyse der Kinematik ein markerloses Bewegungserfassungssystem eingesetzt.
Insgesamt wurden die Ausführungen von 17 professionellen Turnern untersucht. Für die Analyse der Kinematik wurden vier Ausführungsparameter bestimmt und deren Einfluss auf den Kraftbedarf statistisch analysiert, wobei die Kraftdaten auf das jeweilige Körpergewicht normiert wurden und das relative Kraftmaximum als Bezugspunkt für den Kraftbedarf gewählt wurde. Bei den vier Ausführungsparametern handelte es sich um die maximale Körpervorneigung während des Rückschwungs vor der Stemmbewegung des Elementes, den minimalen Arm-Rumpf-Winkel (ARW) während des Elementverlaufs, die höchste Position des Körperschwerpunktes (KSP) während des Elementverlaufs und die Distanz, um die der KSP von der höchsten Position in den Kreuzhang absinkt.
Es zeigte sich eine signifikante Korrelation zwischen der höchsten KSP-Position und dem Kraftmaximum. Für die anderen Ausführungsparameter konnten Tendenzen ermittelt werden. Darüber hinaus konnten die Korrelationen der Parameter untereinander zu zwei Ausführungsvarianten zusammengefasst werden. Dabei führt eine Ausführungsvariante zu einem größeren relativen Kraftmaximum und zu größeren Abzügen als die anderen. Die biomechanische Betrachtung dieser Ausführungsvarianten ergab jedoch, dass die Ausführungsvariante mit dem größeren mittleren Kraftmaximum dennoch leichter auszuführen ist, während die andere Ausführungsvariante in der Durchführung anspruchsvoller ist und besser bewertet wird.
Das Ziel dieser Arbeit war es zu prüfen, ob bei der Verwendung von Perturbationen in einem Laufschuhvergleich eine Adaptations-Phase im Voraus durchgeführt werden sollte, um den Einfluss potenzieller Adaptationseffekte zu reduzieren. Dafür absolvierten die acht Probanden insgesamt 15 Perturbationen auf einem Laufband, welche sich durch die kurzzeitige Beschleunigung des Laufbands von 2,5 𝑚/𝑠 auf 3,5 𝑚/𝑠 kennzeichneten. Anschließend wurden aus den normalisierten Daten die initialen Gelenkswinkel bei Bodenkontakt im Knie und Sprunggelenk, die minimale bzw. maximale Bodenreaktionskraft in x- bzw. z-Richtung und die Bodenkontaktzeit bestimmt. Um sowohl potenzielle Vorwärtssteuerungen als auch Feedbackbezogene lokomotorische Anpassung zu berücksichtigen, wurden die zwei Schritte vor der Perturbation, der perturbierte Schritt und die drei Schritte nach der Perturbation analysiert. Neben deskriptiver Statistik wurden die einzelnen Schritte mittels Varianzanalyse und paarweisen t-Tests aufeinanderfolgender Trials untersucht. Der initiale Sprunggelenkswinkel zeigt zwar einen Einfluss der Perturbationen im zweiten und dritten Schritt nach der Perturbation, aber es lässt sich keine Anpassung im Verlauf der Messung feststellen. Auch bei der Bodenkontaktzeit lassen sich Unterschiede in den Messwerten und zwischen den Schritten finden, diese können allerdings ebenfalls nicht der Adaptation zugeordnet werden. Die Entwicklung der Mittelwerte und signifikante Ergebnisse in ANOVA und t-Tests deuten beim initialen Kniewinkel für den zweiten und dritten Schritt nach der Perturbation auf eine sukzessive Anpassung des Parameters an den Einfluss der Störung hin, welche nach acht Perturbationen abgeschlossen ist. Für die minimale Bodenreaktionskraft in x-Richtung (Bremskraft) befinden sich die Daten dagegen bereits nach einem Trial auf einem stabilen Niveau, wobei die Abweichungen hier ebenfalls im zweiten Schritt nach der Beschleunigung des Laufbands auftreten. Die maximale vertikale Bodenreaktionskraft (z-Richtung) zeigt Tendenzen zu einer fortschreitenden Anpassung im ersten und zweiten Schritt nach der Perturbation. Hier lassen sich aufgrund des Verlaufs der Mittelwerte und signifikanter Unterschiede beim ersten Schritt sechs Trials als Mindestanzahl für eine Adaptations-Phase ausmachen. Somit konnten in drei von fünf analysierten Parameter Merkmale von Adaptationseffekten gefunden werden, die sich alle in den Schritten nach der Perturbation zeigten und somit Feedbackbezogener Anpassung zuzuordnen sind. Sofern alle Parameter in der anschließenden Messung verwendet werden, sollten in der Adaptations-Phase mindestens acht Perturbationen durchgeführt werden, damit der Einfluss von Anpassungseffekten im Vergleich vernachlässigbar ist.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Kopplungskoeffizienten (KK) zwischen der Calcaneus Inversion/Eversion und der Tibia Innen-/Außenrotation zu ermitteln. Dabei wurde die Bewegung beim Barfußlaufen ohne Tape, mit frischem Tape und gebrauchtem Tape verglichen.
Die Durchführung erfolgte mit Hilfe eines markerbasierten Kamerasystems von Qualisys (Qualisys AB, Göteborg, Schweden). Diese Studie wurde mit 10 Probanden (Männer: 5; Frauen: 5, Alter: 24,3 ± 1,49 Jahre) durchgeführt. Zu Beginn wurde die Sprunggelenksstabilität der Probanden getestet, da Probanden mit einer Instabilität nicht miteingeschlossen werden sollten. Die Aufgabe bestand darin, barfuß unter drei Bedingungen (ohne Tape, mit frischem Tape, mit gebrauchtem Tape) mit einer Geschwindigkeit von 4,5 m/s zu laufen. Jede Bedingung hatte drei Durchgänge.
Die Auswertung wurde mit Hilfe von Matlab und statistischer Analyse durchgeführt. Matlab führte die Berechnung des KK zwischen Calcaneus Inversion/Eversion und der Tibiarotation aus. Die statistische Analyse beschrieb die Signifikanz der Werte.
Die Ergebnisse zeigten, dass der KK einen signifikanten Anstieg vom Barfußlaufen ohne Tape zum Laufen mit frischem und gebrauchtem Tape aufwies. Der KK ohne Tape lag bei 0,98 ± 0,38, bei frischem Tape von 1,28 ± 0,42 und bei gebrauchtem Tape bei 1,3 ± 0,42.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass eine signifikante Veränderung des KK bei getaptem Sprunggelenk besteht. Dadurch kann es zu einer verstärkten Rotation der Tibia kommen, was zu einer Überlastung der Strukturen des Kniegelenks und damit zu Knieverletzungen führen kann.
Hintergrund der Studie ist die Annahme, dass das Tragen von Barfußschuhen einen positiven Effekt auf die Gleichgewichtsfähigkeit eines Menschen hat und somit präventiv das Sturzrisiko vermindern kann. Ziel der Studie ist daher, einen Zusammenhang zwischen der Zehenfreiheit und der Gangsicherheit festzustellen. Zu diesem Zweck werden anhand einer Ganganalyse mit dem GRAIL-System, der Firma Motek Medical, das Laufverhalten von 23 Probanden in drei verschiedenen Schuhkonditionen (schmale Barfußschuhe, breite Barfußschuhe und getapte Zehen in Barfußschuhen) untersucht. Pro Perturbationsdurchgang werden jeweils fünf Gangzyklen vor und nach der Perturbation aufgenommen. Betrachtet werden die Kokontraktionswerte ausgewählter antagonistischer Muskelpaare des Ober- und Unterschenkels. Diese werden während der fünf Gangzyklen vor den einzelnen Perturbationen mittels EMG (Elektromyographie )-Sensoren gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass das einmalige Tragen von Barfußschuhen und somit die kurzfristige Veränderung der Zehenfreiheit keinen signifikanten Einfluss auf die Kokontraktionswerte und somit auf die Gleichgewichtsfähigkeit hat. Lediglich beim langfristigen Tragen von Barfußschuhen wiesen die Ergebnisse leichte Tendenzen in Richtung einer Erhöhung der Gleichgewichtsfähigkeit auf. Daraus lässt sich ein Trainingseffekt der Barfußschuhe auf den menschlichen Körper ableiten, der langfristig zu einer Verbesserung der Gangsicherheit führt. Da diese Ergebnisse jedoch nicht signifikant sind, muss diese Annahme erst durch weitere Studien geprüft werden. Einen tatsächlich signifikanten Einfluss hatte hingegen der Lerneffekt, der sich während des Versuchsablaufs bei den Testpersonen einstellte, auf die Kokontraktionswerte. Hierbei zeichnet sich eine annähernd exponentiell fallende Kurve im Verlauf der Messungen ab. Interessant ist dabei, dass dies auch für die Baseline zutraf, also auf die Referenzmessung ohne Perturbationen. Dies deutet darauf hin, dass die Probanden nicht primär wegen der Perturbationen in einer angespannten bzw. vorbereiteten Haltung waren, sondern aufgrund des ihnen unbekannten Untergrunds, dem perturbationsfähigen Laufband. Bei zukünftigen Studien sollte daher für aussagekräftige Ergebnisse eine stärkere Eliminierung des Lerneffekts geachtet werden.
Die vorliegende Pilotstudie untersucht die Anwendbarkeit von Mixed Reality zur Applikation eines externen Fokus während spezifischen Bewegungsaufgaben mit dem Ziel der Verbesserung des Return to Sport Testings. In einem ersten Schritt nahmen daher 9 gesunde FußballerInnen an der Studie teil.
Es wurden Sprünge mittels der speziell entwickelten Mixed Reality Anwendung MotumXR, in drei verschiedenen Bedingungen verglichen. Die erste Bedingung entspricht einem standardisierten vertikalen Sprung ohne spielspezifischen externen Fokus, während die zweite und dritte Bedingung einen Sprung mit spielspezifischem externem Fokus, im Sinne eines simulierten Kopfballs, darstellt. Bedingung zwei und drei unterscheiden sich in der Position der einwerfenden Person, welche den virtuellen Ball leicht versetzt von links oder rechts einwirft. Als Sprungform wurde der Counter Movement Jump gewählt. Es wurden kinetische und kinematische Parameter ermittelt, die es ermöglichen, die Auswirkungen des externen Fokus auf die Sprungbewegung zu erfassen.
Die Ergebnisse zeigen signifikante Unterschiede zwischen den Bedingungen in folgenden biomechanischen Parametern: Absprungzeit, vertikale maximale Bodenreaktionskraft, maximale Kraftanstiegsrate, maximaler Knieflexionswinkel und maximales Knieflexionsmoment. Die Kopfballsituation mit externem spielspezifischem Fokus weißen höhere maximale vertikale Bodenreaktionskräfte und gesteigerte maximale Knieflexionsmomente auf im Vergleich zu der Bedingung des maximalen Sprungs. Diese Befunde deuten darauf hin, dass die Sprungstrategie entsprechend der Aufgabenstellung angepasst wurde und die Kopfballsituation in der Mixed Reality Umgebung eine realitätsnähere Testung ermöglichen könnte. Die Position des Einwerfers zeigt keinen Einfluss auf die Beinsymmetrie. Das deutet darauf hin, dass die Anwendung MotumXR vielversprechende Möglichkeiten für die Weiterentwicklung von RTS-Testungen bietet. Weiterführende Untersuchung, die Personen mit Kreuzbandverletzungen mit einbeziehen, sind nötig, um die Ergebnisse dieser Pilotstudie kritisch zu überprüfen.
Einfluss der Zehenfreiheit auf die dynamische Stabilität bei medio-lateralen Laufbandperturbationen
(2023)
Das Tragen von Barfußschuhen, so die These, führt zu einem natürlichen und damit gesunden Gangbild. Ein Merkmal des Barfußschuhs ist die breite Zehenbox, die eine maximale Zehenfreiheit gewährleistet. In dieser Studie wurde der Faktor Schuhweite hinsichtlich seines Einflusses auf die Gangstabilität untersucht. Mit dem GRAIL-System wurden 28 Probanden in jeweils vier Schuhkonditionen (Wash out = eigene Schuhe, schmal, breit, Tape) und 3 Trials (Baseline, Perturbations, Simulated Inebriation) mittels Motion Tracking erfasst. Die Gangstabilität wurde anhand von 𝑀𝑜𝑆 (𝑀𝑎𝑟𝑔𝑖𝑛 𝑜𝑓 𝑆𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦), 𝑃𝑜𝐼 (𝑃𝑟𝑜𝑏𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦 𝑜𝑓 𝐼𝑛𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦), Schrittbreite und Schrittdauer beurteilt.
Es konnte kein signifikanter Einfluss der Schuhweite auf die Gangstabilität festgestellt werden. Dagegen ist das Alter ein signifikanter Einflussfaktor (ältere Probanden gehen weniger sicher) sowie die Art des Trials (simulated Inebriation ist am unsichersten). Zusätzlich wurden die Probanden in eine BX (Barefoot Experienced) und eine BUX (Barefoot Unexperienced) Gruppe eingeteilt, um zu untersuchen, ob es einen Unterschied macht, ob ein Proband in der Vergangenheit bereits Barfußschuhe getragen hat. Im Vergleich zur BUX-Gruppe war das Gangbild der BX-Gruppe durch folgende Merkmale gekennzeichnet: kürzere Schrittdauer, breitere Schritte und niedrigere 𝑃𝑜𝐼-Werte (in den Barfußschuhen).
Es kann vermutet werden, dass Personen mit Barfußschuherfahrung in einer neuen Schuhkondition sicherer gehen, weil sie unabhängiger vom Schuh sind. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass die BX-Personen durch das Barfußlaufen stärkere Fußstrukturen entwickelt haben, die sich unabhängig vom Schuh positiv auf das Gangbild auswirken. Somit wirken sich Barfußschuhe erst langfristig positiv auf den Gang aus.
Das hocheffiziente Konzeptfahrzeug Schluckspecht VI (S6) hat im Sommer 2022 am Shell Eco Marathon als bestes Neufahrzeug abgeschlossen. Dennoch war die Reichweite von 560km/kWh nicht ausreichend, um sich gegen die anderen teilnehmenden Teams zu behaupten. Daher werden am Fahrzeug die Komponenten und Systeme ermittelt, welche das meiste Optimierungspotential bergen. Hierbei stechen besonders die Aerodynamik, die Motoransteuerung und die Rollreibung hervor. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit der aerodynamischen Optimierung. Zunächst gilt es herauszufinden, welche Bauteile explizit für die Aerodynamik ausschlaggebend sind. Die drei Komponenten, die maßgeblichen Einfluss haben sind: der Grundkörper, die Radkästen und die Fahrwerksflügel. Einen weiteren Einflussfaktor bergen die sich drehenden Räder, da diese jedoch weitestgehend umhaust sind, ist in dieser Hinsicht keine weitere Optimierung erforderlich. Zu Ermittlung der derzeitigen aerodynamischen Werte, vor allem cW, cWA und Geschwindigkeits- und Druckverteilung um das Fahrzeug, wird ein digitales Modell des S6 aufgebaut. An diesem Modell werden Simulationen durchgeführt, die idealisierte Kennwerte liefern. Parallel zur Simulation liefern Versuche am Fahrzeug reale Messdaten. Speziell dafür wird eine neue Versuchsmethode entwickelt: die Konstantfahrtuntersuchung. Bei dieser Untersuchung wird die Vortriebskraft des Fahrzeugs anhand des Motorstroms ermittelt, um so auf die Fahrtwiderstandswerte zu schließen. Zur Erhebung der Messdaten am Fahrzeug wird zudem ein für die Untersuchung angepasster Sensor entwickelt. Diese Untersuchungen liefern plausible Ergebnisse, die jedoch mit denen der Simulation schwer vergleichbar sind. Dies ist bedingt durch die erschwerten Randbedingungen bei der Durchführung der Versuche und beim Aufzeichnen der Messdaten auf der Teststrecke.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, herauszufinden inwiefern der Exopulse Mollii Suit® Auswirkungen auf Menschen mit dem Krankheitsbild Multiple Sklerose hat. Genauer soll ermittelt werden, wie die Symptome Spastik und Schmerz beeinflusst werden und wie sich dies auf die Mobilität und Lebensqualität auswirkt.
Im Rahmen der Studie wurde von jedem Probanden eine qualitative Untersuchung mittels eines Fragebogens durchgeführt, um eine subjektive Einschätzung der Beeinträchtigung zu erhalten. Zusätzlich wurde eine quantitative Untersuchung mit vier Assessments durchgeführt, bei denen die Mobilität und Feinmotorik getestet wurden. Der Mollii Suit® wurde daraufhin einmalig angewendet und im Verlauf von 48 Stunden wurden die Untersuchungen wiederholt durchgeführt, um einen möglichen Verlauf und die maximalen Veränderungen zu ermitteln.
Die qualitativen Ergebnisse der Studie ergeben, dass sich bei 22,2 % der Probanden keine Veränderungen zeigten. Bei 77,8 % hingegen zeigten sich positive Auswirkungen in einer großen Variationsbreite. Am häufigsten verbesserte sich die Spastik, gefolgt von der Mobilität. Ebenso berichteten die Probanden, dass sich ihre Beweglichkeit und der Bewegungsablauf verbesserten.
Quantitativ zeigte sich eine durchschnittliche Verbesserung von 21,6 % und einer Range zwischen -1,3 % und 53,4 %.
Aufgrund dieser großen Variationsbreite bei beiden Untersuchungen kann keine genaue Aussage über das Ausmaß der Wirkung und Verbesserung getroffen werden. Es zeigt sich aber das mögliche Potential des Mollii Suit®.
Die bisherige Forschung steht noch an ihrem Anfang und benötigt, um zuverlässige Aussagen treffen zu können, größer angelegte aber auch spezifischere Studien, die die einzelnen Symptome und Wirkweisen genauer untersuchen. Die vorliegende Studie stellt einen Grundstein dar, auf dem zukünftige Studien aufbauen können.
Evaluierung der effektiven Pedalkräfte bei der von dem Smartfit System empfohlenen Sattelhöhe
(2023)
Das Smartfit System unterstützt Bikefitter der Radlabor GmbH bei den grundlegenden Einstellungen am Fahrrad. Unter anderem gibt es eine Empfehlung für die Sattelhöhe an. In dieser Arbeit wird untersucht, ob eine Abweichung von dieser Empfehlung um ± 5° des Kniewinkels in der 90° Kurbelstellung Auswirkungen auf die effektive Pedalkraft hat. Untersucht werden zehn Probanden. Drei 2-minütige Radfahrtests werden bei 90 % der maximalen Leistung gefahren, bei denen alle drei Sattelhöhen getestet werden. Die maximale Leistung wird zuvor in einem Laktat-Stufentest auf dem Ergometer ermittelt. Die effektive Pedalkraft der linken und rechten Seite wird addiert und über den Kurbelverlauf gemittelt. Die gemittelten effektiven Kräfte der drei Sattelhöhen werden anschließend miteinander verglichen. Es gibt keine signifikanten Unterschiede der effektiven Pedalkraft zwischen allen drei Sattelhöhen (p = 0,319). Die effektive Pedalkraft der tiefen Sattelhöhe (- 5° Kniewinkel) ist im Schnitt 1,6 % kleiner als die der Smartfithöhe und die effektive Kraft der hohen Sattelhöhe (+ 5° Kniewinkel) ist im Schnitt 0,16 % größer. Die Empfehlung des Smartfit Systems bietet dem Bikefitter somit Spielraum, um auf individuelle Bedürfnisse des Kunden eingehen zu können.
Aluminiumgussbauteile spielen heutzutage in vielen Branchen, wie der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrtindustrie eine wichtige Rolle. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Steifigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht aus. Bei der Herstellung von Aluminiumgussbauteilen, kommt es prozessbedingt immer zu Defekten im Werkstoff. Mit Computer Tomographie Aufnahmen können diese Defekte zerstörungsfrei detektiert werden. Anschließend sollen die Defekte in Finite-Elemente-Methode Berechnungen berücksichtigt werden. Dies bietet einen entscheidenden Vorteil bei der Schadensvorhersage dieser Bauteile.
In dieser Masterarbeit wurde zwei Programme entwickelt, welche das Mapping von Defekten aus CT-Aufnahmen eines Aluminiumgussbauteils auf ein LS-Dyna Netz ermöglichen. Dadurch können die Defekte und damit die Porosität eines Gussbauteils in der Festigkeitsberechnung berücksichtigt und die Schadensvorhersage verbessert werden. Die Programmierung erfolgte in Python.
Das weiterentwickelte Mapping-Programm benötigt zwei Input Dateien. Zum einen wird die Defektdatei aus den CT-Aufnahmen benötigt und zum anderen ein LS-Dyna Netz. Die komplexen Defektgeometrien werden in dem Mapping-Programm vereinfacht als umschließende Kugeln um den Defekt beschrieben. Diese Vereinfachung ist aufgrund der benötigten Rechenleistung notwendig. Anschließend prüft das Mapping-Programm alle Kollisionen zwischen Elementen des FE-Netzes und den Defekten und ermittelt für jedes Element ein Schnittvolumen. Aus dem Schnittvolumen und dem Elementvolumen wird die Porosität berechnet. Die Rechenzeit für ein Bauteil mit 107379 Elementen beträgt 480 Minuten.
Ein zweites, neu entwickeltes Programm ermöglicht das Mapping der wahren Porengeometrie auf FE-Netze. Durch die optimierte Porenbeschreibung wird eine höhere Genauigkeit beim Mapping der Defekte erreicht. Die Rechenzeit beträgt bei einem Bauteil mit 107379 Elementen lediglich 15 Minuten.
Ziel dieser Masterarbeit ist es, das Mapping-Programm zu optimieren, damit es neben Hexaedern weitere Elementtypen verarbeiten kann. Darüber hinaus sollte die Porenbeschreibung verbessert werden, um genauere Ergebnisse zu erhalten. Dafür wurde ein zweites Programm mit einer verbesserter Porenbeschreibung entwickelt, dass zudem deutlich geringere Rechenzeiten benötigt.
Der Eignungsnachweis von Prüfprozessen ist sowohl für die Industrie, als auch für Forschungszwecke ausschlaggebend. Dabei sind die Genauigkeit, Präzision sowie die Messbeständigkeit der Messergebnisse von der zu untersuchenden Messeinrichtung mit statistischen Methoden auszuwerten. Mit Leitfäden wird unter einer sog. Messsystemanalyse die Fähigkeit einer Messeinrichtung mit den dazugehörigen statistischen Kennwerten beurteilt. Die Messsystemanalyse unterteilt sich in zwei Typen, wobei die Konsistenz bzw. Messdatenstreuung mit den entsprechenden Kennwerten beurteilt werden können. Unter MSA Typ 1 wird anhand Mittelwerte und Standardabweichungen von Wiederholmessungen die Konsistenz und Genauigkeit mit den Cg- bzw. Cgk-Indizes bewertet, die höher als 1,33 sein müssen, um die Messeinrichtung als fähig zu klassifizieren. Durch MSA Typ 2 wird die Präzision mit dem % R&R-Kennwert (Wiederholbarkeit & Reproduzierbarkeit) bewertet. Messeinrichtungen mit einem % R&R-Kennwert unterhalb 20 % liefern Messdaten mit einer ausreichenden Präzision, d.h. dass die Mittelwerte der Messdaten nicht signifikant voneinander unterscheiden. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchte akustische Messeinrichtung weist einen Cg-Index von 1, 58, einen Cgk-Index von 2, 13 und einen % R&R-Wert von 6, 56 % auf, weshalb die Messdaten mit einer hohen Konsistenz und Präzision erfasst werden.
Die vorliegende Bachelor-Arbeit entstand bei der Robert Bosch GmbH und befasst sich mit der Untersuchung elektrischer Antriebe, dessen Leistungsverhalten mithilfe des Rotormagnetfeldes bestimmt werden. Sie ist Bestandteil des Projektes „MagCam - Examination“ und beinhaltet als Hauptaufgabe die Rastmoment (engl. cogging torque) -Messung an elektrischen Antrieben mithilfe des intelligenten Messsystems „MagCam“. Anhand der Messung des Rotormagnetfeldes wurde das Rastmoment des elektrischen Motors quantifiziert und dessen Ursachen auf der Bauteilebene identifiziert.
Erstellung eines Zuverlässigkeitskonzepts für die Welle-Nabe-Verbindung kleiner Elektromotoren
(2023)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erstellung eines Zuverlässigkeitskonzepts für die Welle-Nabe-Verbindung mit gekerbten Wellen, die innerhalb kleiner Elektromotoren für unterschiedliche Anwendungen mit spezifischen Anforderungen eingesetzt werden. Die Arbeit kann in vier Schritte unterteilt werden.
Im ersten Schritt werden die relevanten Schädigungsmechanismen bestimmt, die während der Betriebszeit der Verbindung für ein Ausfall der Baugruppe sorgen können.
Anschließend wurde aus der Baukastenannahme des Geschäftsbereichs Electrical Drives der Robert Bosch GmbH die Anforderungen an die jeweilige Ausführung abgeleitet und aufgeführt.
Um zu überprüfen, ob die eingesetzten Welle-Nabe-Verbindung die entstehenden Belastungen übersteht, wurde anschließend ein Berechnungskonzept durch Anpassungen an die spezielle eingesetzte Welle-Nabe-Verbindung erstellt, wodurch der Anwender die Möglichkeit hat, die zu erwartenden Fügekräfte bei der Herstellung der Verbindung, sowie das jeweilige übertragbare Drehmoment.
Im letzten Schritt werden die gesammelten berechneten Ergebnisse mit bereits vorhandenen Versuchsdaten der Ausführungen mit Einsatz einer 8 mm Welle aus C60 +C und einer Kerbanzahl von 8 symmetrisch angeordneten Kerben und einer Paketlänge von 18 mm , sowie einer Ausführung mit 8 mm Wellen aus C45 +AC, die lokal induktiv vergütet wurden, mit einer Kerbanzahl von 4 symmetrischen Kerben mit einer Paketlänge von 23 mm verglichen und evaluiert.
Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung und Nutzung eines digitalen Zwillings am Beispiel eines realen Tiny-Houses. Dazu werden für die Komponenten der technischen Gebäudeausrüstung Wärmepumpe, thermische Speicher, thermoaktives Bauteilsystem, PVT-Kollektoren und Batterie als Grey-Box-Modelle modelliert und in der Python-Umgebung umgesetzt. In dieser Arbeit wird auf die physikalischen Hintergründe und mathematischen Formulierungen für jede Komponente eingegangen.
In einem automatisierten Programm werden die digitalen Komponenten mit Messwerten aus dem realen Anlagenbetrieb verknüpft. Dieses Skript wird zu Fehlererkennung verwendet. Dabei konnte ein fehlerhafter Betrieb der PVT-Kollektoren bewiesen werden.
Die Verknüpfung der einzelnen Komponenten zum digitalen Zwilling wird zur Betriebsoptimierung verwendet. Hierzu wird die Simulation des Ausgangszustands mit verschiedenen Optimierungsstrategien verglichen. Dabei konnte der Anlagenbetrieb hinsichtlich Komfortbedingungen und Energieeffizienz deutlich optimiert werden. Die finale Optimierungsstrategie basiert auf einereinfachen Wettervorhersage.
Mit der Modellierung und Nutzung eines digitalen Zwillings trägt diese Arbeit dazu bei, innovative Lösungen für die zukünftige Entwicklung und Gestaltung von Gebäuden sowie die Optimierung bereits bestehender Gebäude mithilfe digitaler Zwillinge voranzutreiben.
Decentralized applications (dApp) have proliferated in recent years, but their long-term viability is a topic of debate. However, for dApps to be sustainable, and suitable for integration into a larger service networks, they need to attract users and promise reliable availability. Therefore, assessing their longevity is crucial. Analyzing the utilization trajectory of a service is, however, challenging due to several factors, such as demand spikes, noise, autocorrelation, and non-stationarity. In this study, we employ robust statistical techniques to identify trends in currently popular dApps. Our findings demonstrate that a significant proportion of dApps, across a range of categories, exhibit statistically significant positive overall trends, indicating that success in decentralized computing can be sustainable and transcends specific fields. However, there is also a substantial number of dApps showing negative trends, with a disproportionately high number from the decentralized finance (DeFi) category. Furthermore, a more detailed inspection of time series segments shows a clearly diminishing proportion of positive trends from mid-2021 to the present. In summary, we conclude that the dApp economy might have lost some momentum, and that there is a strong element of uncertainty regarding its future significance.
Eine reine Passwortauthentifizierung, wie sie im Hochschulumfeld eingesetzt wird, bringt Sicherheitsrisiken mit sich. Ziel dieser Arbeit ist es zu analysieren, wie die Sicherheit in der Praxis mittels einer Zwei-Faktor-Authentifizierung erhöht werden kann und in welcher Weise die Einführung eines Single-Sign-On Konzept zum Erreichen dieses Ziels beiträgt. Es konnte gezeigt werden, dass eine Shibboleth IdP Installation als zentraler Zugangspunkt für Single-Sign-On sowie eine daran angebundene privacyIDEA-Instanz die Umsetzung der Zwei-Faktor-Authentifizierung für einige aber nicht alle Dienste ermöglicht.
Das Ziel dieser Arbeit ist die technische Konstruktion eines Prototyps für einen Kopf-und Rumpfsimulator aus dem 3D-Druck mit integriertem Zwei-Kanal-System zur Freifeldmessung akustischer Signale. Die akustischen Eigenschaften sind abhängig von der anatomischen Geometrie eines menschlichen Schädels und des Gehörs, somit soll die Konstruktion des Prototyps möglichst realitätsgetreu nachgeahmt werden. Der Prototyp soll technische Anforderungen wie den Ein- und Ausbau von unterschiedlichen Mikrofonen und Pinna-Modellen gewährleisten.
Plastics are used today in many areas of the automotive, aerospace and mechanical engineering industries due to their lightweight potential and ease of processing. Additive manufacturing is applied more and more frequently, as it offers a high degree of design freedom and eliminates the need for complex tools. However, the application of additively manufactured components made of plastics have so far been limited due to their comparatively low strength. For this reason, processes that offer additional reinforcement of the plastic matrix using fibers made of high-strength materials have been developed. However, these components represent a composite of different materials produced on the basis of fossil raw materials, which are difficult to recycle and generally not biodegradable.
Therefore, this paper will explore the potential for new composite materials whose matrix consists of a bio-based plastic. In this investigation, it is assumed that the matrix is reinforced with a fibrous material made of natural fiber to significantly increase the strength. This potential material should offer a lightweight yet strong structure and be biodegradable after use under controlled conditions. Therefore, the state of the art in the use of bio-based materials in 3D printing is first presented. In order to determine the economic boundary conditions, the growth potentials for bio-based materials are analyzed. Also, the recycling prospects for bio-based plastics will also be highlighted. The greenhouse gas emissions and land use to be expected when using bio-based materials are also estimated. Finally, the degradability of the composites is discussed.
In 4D printing an additively manufactured component is given the ability to change its shape or function under the influence of an external stimulus. To achieve this, special smart materials are used that are able to react to external stimuli in a specific way. So far, a number of different stimuli have already been investigated and initial applications have been impressively demonstrated, such as self-folding bodies and simple grippers. However, a methodical specification for the selection of the stimuli and their implementation was not yet in the foreground of the development.
The focus of this work is therefore to develop a methodical approach with which the technology of 4DP can be used in a solution- and application-oriented manner. The developed approach is based on the conventional design methodology for product development to solve given problems in a structured way. This method is extended by specific approaches under consideration of the 4D printing and smart materials.
To illustrate the developed method, it is implemented in practice using a problem definition in the form of an application example. In this example, which represents the recovery of an object from a difficult-to-access environment, the individual functions of positioning, gripping and extraction are implemented using 4D printing. The material extrusion process is used for additive manufacturing of all components of the example. Finally, the functions are successfully tested. The developed approach offers an innovative and methodical approach to systematically solve technical complex problems using 4DP and smart materials.
Um die Ausmaße des Klimawandels und die Emission von Treibhausgasen zu verringern, wird ein Umschwung auf erneuerbare Energien angestrebt. Dazu zählt unter anderem der Wandel von Öl und Gasheizungen, hin zu Wärmepumpen. Aufgrund seiner guten Beurteilung hinsichtlich Nachhaltigkeit und Umweltbeeinflussung, findet Propan als Betriebsstoff jüngst eine zunehmende Beachtung. Da dieses ein brennbares Kältemittel ist, müssen solche Wärmepumpen aus Sicherheitsgründen genauer untersucht werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es deshalb, den Fall von Propan-Leckagen in den Heizkreislauf einer Propan-Wärmepumpe unter verschiedenen Versuchsbedinungen zu untersuchen. Des weiteren wird untersucht, wie gut das Propan im Leckagefall von einem Gasabscheider abgeschieden werden kann, um das Risiko für den Endanwender zu minimieren.
Um die Auswirkungen einer Propanleckage in den Heizkreis untersuchen zu können, werden unterschiedliche Messungen bei veränderbaren Parametern durchgeführt. Es wird untersucht, wie sich das Propan bei unterschiedlichen Leckagemassenströme Propan, unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers und unterschiedlichen Temperaturen im Heizkreis verhält. Außerdem wird der Gasabscheider evaluiert, um zu untersuchen, unter welchen Bedienungen das meiste Propan abgeschieden werden kann.
Die Auswertung der Messungen zeigen, dass lediglich der Leckagemassenstrom an Propan einen Einfluss auf die Menge des abgeschiedenen Propans und die dafür benötigte Zeit hat. Umso größer die Propanleckage in dem Fall ist, umso mehr Propan wird dementsprechend in kürzerer Zeit abgeschieden. Durch die Variation des Volumenstrom des Wassers verändert sich der Druck im Heizkreis und steigt bei zunehmendem Volumenstrom an. Ab einem bestimmten Druck kann nun auch Propan über ein eingebautes Sicherheitsventil und nicht nur über den Gasabscheider entweichen. Die Temperatur des Heizkreises hat keinen Einfluss auf die Messungen. Des weiteren zeigen die Messungen, dass der Gasabscheider einen Großteil des Propans abscheidet. Die Messungen zeigen außerdem, dass durch eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit des Wassers mehr Propan über den Gasabscheider abgeschieden werden kann.
Sicherheitstechnisch ist bei einer Propan-Wärmepumpe zu Empfehlen, dass im Fall einer Propan-Leckage das abgeschiedene Propan nach dem Gasabscheider direkt nach draußen zu leiten. Eine weitere Möglichkeit wäre es, den Gasabscheider draußen aufzustellen und das Heizwasser erst nach dem Abscheider in das Gebäude zu leiten.
4D printing (4DP) is an evolutionary step of 3D printing, which includes the fourth dimension, in this case the time. In different time steps the printed structure shows different shapes, influenced by external stimuli like light, temperature, pH value, electric or magnetic field. The advantage of 4DP is the solution of technical problems without the need for complex internal energy supply via cables or pipes. Previous approaches to 4D printing with magnetoresponsive materials only use materials with limited usability (e.g. hydrogels) and complex programming during the manufacturing process (e.g. using magnets on the nozzle). The 4D printing using unmagnetized particles and the later magnetization allows the use of a standard 3D printer and has the advantage of being easily reproducible and relatively inexpensive for further application. Therefore, a magnetoresponsive feedstock filament is produced which shows elastic and magnetic properties. In a first step, pellets are produced by compounding polymer with magnetic particles. In a second step, those pellets are extruded in form of filament. This filament is printed using a conventional printing system for Material Extrusion (MEX-TRB/P). Various prototypes have been printed, deformed and magnetized, which is called programming. In comparison to shape memory polymers (SMP) the repeatability of the movement is better. The results show the possibilities of application and function of magnetoresponsive materials. In addition, an understanding of the behaviour of this novel material is achieved.
eLetter zum Artikel "Condiciones neuropsi-quiátricas y probable causa de muerte de Maurice Ravel" von Gómez-Carvajal AM, Botero-Meneses JS, Palacios-Espinosa X und Palacios-Sánchez L., veröffentlicht in Iatreia 35(3), Seite 341-8 (DOI: https://doi.org/10.17533/udea.iatreia.154).
Evaluierung von Kalman Filter Konfigurationen zur Roboterlokaliserung mittels Sensordatenfusion
(2023)
In dieser Arbeit werden drei verschiedene Konfigurationen der von Tom Moore, für das Robot Operating System, entwickelte Kalman-Filter vorgestellt. Diese bilden die Grundlage für eine Lokalisierung mittels Sensorfusion in dem verwendeten ROS-Framework. Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau und die Verifikation einer Lokalisierung für ein mobiles Robotersystem Husky A200 der Firma Clearpath Robotics. Hierzu wurden die Möglichkeiten des bestehenden Systems untersucht und mehrere Versionen von Lokalisierungsfiltern konfiguriert. Am an Ende, wird eine Verifikation der Ergebnisse in verschiedenen Szenarien gegeneinandergestellt. Hierzu werden die Ergebnisse einer Variante des Extended Kalman-Filters in 2D (EKF2D), eine Variante des Unscented Kalman-Filter in 2D (UKF2D) und eine Variante des Extended Kalman-Filters in 3D (EKF3D) verifiziert und verglichen. Die Untersuchungen ergaben das der EKF2D die besten und robustesten Ergebnisse für eine Lokalisierung erbringt, trotz, im Vergleich zu der UKF2D Variante, 17,3 % höhere Endpositionsabweichung aufweist. Die in diesem Projekt gewählte EKF3D Konfigurationsvariante eignet sich, wegen seinen starken Ungenauigkeiten in der Höhenbestimmung nicht für eine aussagekräftige Positionsbestimmung.
Die Positionierung mobiler Systeme mit hoher Genauigkeit ist eine Voraussetzung für intelligentes autonomes Verhalten, sowohl in der Feldrobotik als auch in industriellen Umgebungen. Dieser Beitrag beschreibt den Aufbau einer Roboterplattform und ihre Verwendung für den Test und die Bewertung von Kalman-Filter-Konfigurationen. Der Aufbau wurde mit einem mobilen Roboter Husky A200 und einem LiDAR-Sensor (Light Detection and Ranging) realisiert. Zur Verifizierung des vorgeschlagenen Aufbaus wurden fünf verschiedene Szenarien ausgearbeitet. Mit denen wurden die Filter auf ihre Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Genauigkeit der Positionsbestimmung getestet.
Die akustischen Emissionen von Wasserinstallationsgeräten, insbesondere während der nächtlichen Ruhezeit in angrenzenden Räumen, können erhebliche Störungen verursachen. Die primäre Ursache dieser Belästigungen liegt in der spezifischen Funktionsweise von Wasserarmaturen, welche somit als Hauptquelle der Lärmemissionen identifiziert werden können. Hydrodynamische und -akustische Simulationen erweisen sich in diesem Zusammenhang als wertvolle Werkzeuge zur Identifikation von kritischen Bereichen, welche für die Schallabstrahlung verantwortlich sind.
In dieser vorliegenden Arbeit werden die hydrodynamischen und -akustischen Eigenschaften eines Installationsgeräuschnormals mithilfe numerischer Methoden untersucht, wobei gleichzeitig ein kommerzielles Berechnungswerkzeug zur Vorhersage von akustischen Schallfeldern in Bezug auf ein hybrides Verfahren evaluiert und validiert wird. Das Installationsgeräuschnormal dient dabei als Testfall, um die Leistungsfähigkeit des hybriden Akustikmodells in Verbindung mit einem RANS- sowie RANS/LES-Ansatz zu überprüfen. Es werden verschiedene Varianten des Installationsgeräuschnormals untersucht und mit experimentellen Messdaten validiert.
Die hydrodynamischen Simulationsergebnisse der verschiedenen Varianten zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit den experimentellen Daten bei der Verwendung eines RANS/LES-Ansatzes. Der Einsatz eines solchen Hybrid-Modells zur Turbulenzmodellierung hat gezeigt, dass eine verbesserte Wiedergabe von zeitabhängigen Phänomenen in der Strömung erreicht werden kann, welche in direktem Zusammenhang mit der Vorhersage der Schallausbreitung stehen und somit eine bedeutende Auswirkung darauf haben.
Die akustische Untersuchung der verschiedenen Varianten des Installationsgeräuschnormals zeigt, dass die Schallabstrahlung ausschließlich in breitbandigen Frequenzspektren erfolgt. Im Rahmen des Vergleichs mit den Messdaten lässt sich erkennen, dass eine akustische Analyse auf Basis eines hybriden Modells in Verbindung mit dem Akustikmodell vielversprechende Ergebnisse bezüglich der Vorhersage des Schallfelds liefern kann und dabei im Vergleich zu einfachen RANS-Modellen Vorteile aufweist.
Electrochemical pressure impedance spectroscopy (EPIS) has received the attention of researchers as a method to study mass transport processes in polymer electrolyte mem-brane fuel cells (PEMFC). It is based on analyzing the cell voltage response to a harmonic excitation of the gas phase pressure in the frequency domain. Several experiments with a single-cell fuel cell have shown that the spectra contain information in the frequency range typical for mass transport processes and are sensitive to specific operating condi-tions and structural fuel cell parameters. To further benefit from the observed features, it is essential to identify why they occur, which to date has not yet been accomplished. The aim of the present work, therefore, is to identify causal links between internal processes and the corresponding EPIS features.
To this end, the study follows a model-based approach, which allows the analysis of inter-nal states that are not experimentally accessible. The PEMFC model is a pseudo-2D model, which connects the mass transport along the gas channel with the mass transport through the membrane electrode assembly. A modeling novelty is the consideration of the gas vol-ume inside the humidifier upstream the fuel cell inlet, which proves to be crucial for the reproduction of EPIS. The PEMFC model is parametrized to a 100 cm² single cell of the French project partner, who provided the experimental EPIS results reproduced and in-terpreted in the present study.
The simulated EPIS results show a good agreement with the experiments at current den-sities ≤ 0.4 A cm–2, where they allow a further analysis of the observed features. At the lowest excitation frequency of 1 mHz, the dynamic cell voltage response approaches the static pressure-voltage response. In the simulated frequency range between 1 mHz – 100 Hz, the cell voltage oscillation is found to strongly correlate with the partial pressure oscillation of oxygen, whereas the influence of the water pressure is limited to the low frequency region.
The two prominent EPIS features, namely the strong increase of the cell voltage oscillation and the increase of phase shift with frequency, can be traced back via the oxygen pressure to the oscillation of the inlet flow rate. The phenomenon of the oscillating inlet flow rate is a consequence of the pressure change of the gas phase inside the humidifier and in-creases with frequency. This important finding enables the interpretation of experimen-tally observed EPIS trends for a variation of operational and structural fuel cell parame-ters by tracing them back to the influence of the oscillating inlet flow rate.
The separate simulation of the time-dependent processes of the PEMFC model through model reduction shows their individual influence on EPIS. The sluggish process of the wa-ter uptake by the membrane is visible below 0.1 Hz, while the charge and discharge of the double layer becomes visible above 1 Hz. The gas transport through the gas diffusion layer is only visible above 100 Hz. The simulation of the gas transport through the gas channel
without consideration of the humidifier becomes visible above 1 Hz. With consideration of the humidifier the gas transport through the gas channel is visible throughout the fre-quency range. The strong similarity of the spectra considering the humidifier with the spectra of the full model setup shows the dominant influence of the humidifier on EPIS.
A promising observation is the change in the amplitude relationship between the cell volt-age and the oxygen partial pressure oscillation as a function of the oxygen concentration in the catalyst layer. At a frequency where the influence of oxygen pressure on the cell voltage is dominant, for example at 1 Hz, the amplitude of the cell voltage oscillation could be used to indirectly measure the oxygen concentration in the catalyst layer.
Der Heel-Rise Test (HRT) wird in der Klinik und der Therapie benutzt, um die Funktionsfähigkeit der Wadenmuskulatur einzuschätzen. Eine Orientierung am Normwert von 25 Wiederholungen hilft dabei, die Muskulatur als normal oder anormal einzustufen. Dieser Wert beruht jedoch auf eine älteren und nicht mehr zeitgemäßen Studie. Auch ist fraglich, ob der absolut erreichte Wert eines HRTs eine direkte Aussage über die Funktionsfähigkeit der Plantarflexoren geben kann.
Das Ziel dieser Arbeit ist somit den HRT mit einer Maximalkraftmessung auf dem Isokineten zu vergleichen und diese auf einen möglichen Zusammenhang zu prüfen. Dazu kann folgende Forschungsfrage aufgestellt werden: „Können die Messergebnisse des HRT eine positive Korrelation mit einer Maximalkraftmessung am Isokineten eingehen?“
Für die Beantwortung der Forschungsfrage ist eine quantitative Untersuchung der beidseitigen Wadenkraft von 20 jungen und gesunden Teilnehmer*innen durchgeführt worden. Dabei wurde das Bein, mit dem die Kraftuntersuchung beginnt, randomisiert. Da ein linearer Zusammenhang zwischen den HRT-Messwerten und einer Maximalkraftmessung auf dem Isokineten vermutet wird, wird dieser durch eine Korrelationsanalyse nach Bravais-Pearson geprüft.
Der Vergleich der Kraftmessungen zeigt, dass die HRT-Ergebnisse eine moderate bis hohe positive Korrelation mit den Maximalkraftwerten auf dem Isokineten eingehen. Dabei hat die Beindominanz sowie die Testreihenfolge der Beine keinen großen Einfluss auf die Ergebnisse. Untersucht man Männer und Frauen getrennt, hebt sich jedoch die positive Korrelation auf und es kann ein geringer, bis kein Zusammenhang zwischen dem HRT und der Maximalkraft auf dem Isokineten festgestellt werden. Zudem ist zu erkennen, dass Männer in allen Kraftuntersuchungen höhere Kraftergebnisse erzielt haben. Da die Stichprobe nur junge, gesunde und aktive Menschen umfasst, sind Aussagen über erkrankte Personen, ältere Menschen oder den Einfluss der Leistungsfähigkeit nicht möglich.
Durch die positive Korrelation des HRT mit dem Goldstandard der Kraftdiagnostik, der Isokinetitk, scheint die Kritik am HRT entkräftet zu werden. Jedoch sind die Ergebnisse mit Vorsicht zu betrachten, da sich bei Betrachtung des Geschlechts die positive Korrelation aufhebt. Das Ergebnis der Arbeit soll, im Anbetracht der Limitation, trotzdem ermutigen, den HRT weiterhin für die Kraftdiagnostik der Wadenmuskulatur zu nutzen. Die eingeschränkte Stichprobengröße, eine fehlende Standardisierung der HRT-Durchführung, sowie die vielen Auswahlwahlmöglichkeiten in der Isokinetik machen es kompliziert die Ergebnisse dieser Arbeit auf andere Personengruppen oder Messmethoden zu übertragen. Dennoch gibt die Untersuchung einen ersten Einblick und ermöglicht die Aussagekraft des HRT zu stützen und somit seine Bedeutung und Qualität für die Kraftdiagnostik zu verbessern.