Academic literature on the topic 'Kraftkompensation'

Zusammenfassung Die intramolekulare Kraftkompensation stellt ein neuartiges Verfahren dar, mit dem die Ansprechzeit von chemischen Sensoren auf Hydrogelbasis verkürzt werden kann. Bei dieser Art der Kraftkompensation sind sowohl Sensor- als auch Aktorfunktion in einem einzigen Hydrogel kombiniert. Dieser Beitrag legt die Messmethode, das hierzu notwendige bisensitive Hydrogel und einen entsprechenden Sensoraufbau dar. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die gewünschte Bisensitivität des Sensors als auch eine Verkürzung der Ansprechzeit erreicht werden konnten.

Zusammenfassung Bei Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation wird die auf eine Waagschale wirkende Gewichtskraft eines Wägegutes durch eine elektromagnetische Gegenkraft kompensiert. Nach dem Stand der Technik wird der Zusammenhang zwischen dem, die Gegenkraft erzeugendem Aktorstrom durch eine Spule und der Gewichtskraft des Wägegutes durch Kalibrierung mit Massenormalen hergestellt. Mit der für 2018 zu erwartenden Neudefinition der SI-Einheit der Masse durch Festlegung eines Wertes der Planck-Konstanten wird ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den mechanischen und elektrischen Größen geschaffen, so dass das aus Fundamentalexperimenten bekannte Wattwaagenprinzip zur Kalibrierung von Massen eingesetzt werden kann. Im vorliegenden Artikel wird eine darauf aufbauende Methode zur Bestimmung des Kraftfaktors Bl einer kommerziellen EMK-Wägzelle vorgestellt. Dies geschieht durch die simultane Messung der Spannung über der im Magnetfeld bewegten Spule und deren Geschwindigkeit. Dabei wird im vorgestellten Verfahren die Spule gleichzeitig zur Erzeugung der Bewegung mit einem harmonischen Wechselsignal bestromt. Die Frequenz der harmonischen Bewegung hat hierbei maßgeblichen Einfluss auf die Unsicherheit des resultierenden Kraftfaktors. Eine Trennung der Spannungsanteile über der Spule erfolgt durch simultane Messung von Strom und Spannung an der Spule und Auswertung unter Berücksichtigung der vorliegenden Amplituden und Phasenlagen. Die Spule ist hierbei, wie bei kommerziellen EMK-Wägezellen üblich, über ein mechanisches Hebelwerk angekoppelt. Durch diese Hebelübersetzung ist es möglich, mit einem kompakten elektrodynamischen Aktuator (Spule–Permanentmagnetsystem), einen großen wirksamen Kraftfaktor zu realisieren. Im Ergebnis können mit dem System Kräfte in beliebiger Raumrichtung gemessen bzw. erzeugt werden, wobei die Massebestimmung einen Spezialfall darstellt, für den zusätzlich die lokale Fallbeschleunigung bekannt sein muss. Unter Nutzung der gleichen Methodik kann durch Vertauschung von Eingangs- und Ausgangsgrößen des Formalismus, die EMK-Wägezelle auch als Positionssensor eingesetzt werden. Hierbei erfolgt unter Zuhilfenahme eines Referenzgewichtes (Justiergewichtes) und der Ausgangsspannung des Positionssensors des Wägesystems eine Kalibrierung der Auslenkung des Koppelstücks. Für beide Verfahren werden im Gegensatz zu Fundamentalexperimenten industriell relevante Messunsicherheiten im ppm-Bereich angestrebt. Es werden Messungen für beide Messmodi auf Basis kommerziell verfügbarer EMK-Wägezellen und elektrischer Messtechnik vorgestellt und diskutiert.

ZusammenfassungGegenstand dieses Beitrages ist die präzise physikalisch motivierte Modellierung einer EMK-Waage mit dem Ziel des späteren Reglerentwurfes.Die aus dem Modell resultierende Kenntnis der statischen und dynamischen Parameter des Systems erlaubt es, zusätzliche Informationen (wie z. B. Geschwindigkeit und Beschleunigung der Hebelauslenkung, Änderung der Masse) über den Systemzustand aus den messbaren Größen zu gewinnen. Im Zuge der Systemidentifikation wurde die Reaktion des Systems auf unterschiedliche Eingangssignale untersucht. Neben der Anregung mit Hilfe des Magnetsystems der Waage wurde ein zweiter Magnet auf der Waagschale platziert, um das System auch dort anregen zu können. Diese Messungen ermöglichen die Modellierung des Zusammenhangs zwischen der Hebelauslenkung und der Kraft auf der Waagschale. Im Anwendungsfall ist diese Kraft unbekannt und die zu bestimmende Größe. Daher ist die Kenntnis des Übertragungsverhaltens zwischen diesen Größen sehr nützlich, um die Kraft, welche auf die Waagschale wirkt, möglichst schnell zu bestimmen. Ausgehend von den detaillierten experimentellen Untersuchungen wurde ein Zwei-Balken-Modell erstellt, welches das Systemverhalten der EMK-Waage nachbildet. Dieses Modell erreichte trotz seiner Einfachheit eine relativ hohe Übereinstimmung mit dem beobachteten Verhalten. Für die Untersuchungen wurde ein FPGA-basiertes Signalverarbeitungssystem verwendet, welches die synchrone Datenausgabe und Datenaufnahme bei hohen Abtastraten erlaubt.

This paper presents the design, simulation, assembly and testing of a force-compensated hydrogel-based pH sensor. In the conventional deflection method, a piezoresistive pressure sensor is used as a chemical-mechanical-electronic transducer to measure the volume change of a pH-sensitive hydrogel. In this compensation method, the pH-sensitive hydrogel keeps its volume constant during the whole measuring process, independent of applied pH value. In order to maintain a balanced state, an additional thermal actuator is integrated into the close-loop sensor system with higher precision and faster dynamic response. Poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) with 5 mol% monomer 3-acrylamido propionic acid (AAmPA) is used as the temperature-sensitive hydrogel, while poly (vinyl alcohol) with poly (acrylic acid) (PAA) serves as the pH-sensitive hydrogel. A thermal simulation is introduced to assess the temperature distribution of the whole microsystem, especially the temperature influence on both hydrogels. Following tests are detailed to verify the working functions of a sensor based on pH-sensitive hydrogel and an actuator based on temperature-sensitive hydrogel. A miniaturized prototype is assembled and investigated in deionized water: the response time amounts to about 25 min, just half of that one of a sensor based on the conventional deflection method. The results confirm the applicability of the compensation method to the hydrogel-based sensors.