@phdthesis{Berndt, author = {Berndt, Dominik}, title = {Thermische Wasserstoffsensoren f{\"u}r den Automobilbereich}, address = {Regensburg}, abstract = {F{\"u}r den sicheren Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs sind Sensoren wichtig, welche die Wasserstoffkonzentration im Fahrzeuginterieur kontinuierlich {\"u}berwachen, um m{\"o}glichen Entz{\"u}ndungen bzw. Explosionen vorzubeugen. Daf{\"u}r wurden von verschiedenen nationalen und internationalen Instanzen bestimmte Kriterien definiert, die Wasserstoffsensoren f{\"u}r einen Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen erf{\"u}llen m{\"u}ssen. Im Jahr 2020gab es noch keinen einzigen kommerziell erh{\"a}ltlichen Sensor, der alle diese Kriterien bedienen konnte. In der vorliegenden Arbeit wurde f{\"u}r zwei verschiedene Sensoren die Eignung des thermischen Wirkprinzips f{\"u}r die Detektion von Wasserstoff im Kontext dieser Sicherheitskriterien untersucht. Dabei wurden mit einem MEMS-Sensor und einem Mikrodrahtsensor zwei vergleichsweise einfache Geometrien herangezogen, welche den eindimensionalen und zylindersymmetrischen Fall abbilden sollen. F{\"u}r zwei dynamische Operationsmodi (gepulste Str{\"o}me und 3ω-Methode) wurden darauf aufbauend analytische Modelle basierend auf vereinfachten Sensorgeometrien entwickelt, um die Temperaturentwicklung des Sensorelements in Abh{\"a}ngigkeit der Zeit zu charakterisieren. Diese Studien wurden anschließend anhand von detaillierteren Modellen mithilfe von FEM-Simulationen erg{\"a}nzt und spezifiziert. Darin konnte gezeigt werden, dass f{\"u}r den gepulsten Betrieb sowohl die Pulsh{\"o}he als auch die Zeitkonstante des gemessenen Widerstands- bzw. Temperaturpulses als Messgr{\"o}ße herangezogen werden kann. Beim 3ω-Betrieb konnte zudem eine starke Frequenzabh{\"a}ngigkeit dieser Widerstands- bzw. Temperaturcharakteristik beobachtet werden. Die analytischen und numerischen Studien wurden anschließend durch experimentelle Ergebnisse best{\"a}tigt. Im Hinblick auf die zuvor definierten Kriterien stellte sich heraus, dass die Auswertung der Zeitkonstante beim gepulsten Betrieb im Hinblick auf Sensitivit{\"a}t und Aufl{\"o}sungsgrenze der Auswertung der Pulsh{\"o}he deutlich unterlegen ist. Beim 3ω-Betrieb k{\"o}nnen durch die hochintegrierte Messumgebung deutlich h{\"o}here Genauigkeiten und Aufl{\"o}sungsgrenzen erzielt werden. F{\"u}r den MEMS-Sensor wurde bei einer Anregungsfrequenz von 1 Hz mit 55 ppm die bislang geringste in der Literatur berichtete Aufl{\"o}sungsgrenze f{\"u}r einen thermischen Wasserstoffsensor erreicht. Der Leistungsverbrauch ist dabei im Vergleich zum Pulsbetrieb entsprechend des jeweiligen Tastgrads leicht bis m{\"a}ßig erh{\"o}ht, die Ansprechzeit wird bei beiden Operationsmodi maßgeblich durch die Sensorgeometrie beeinflusst. Die geometrischen Parameter der jeweiligen Sensoren haben ferner einen starken Einfluss auf die Sensitivit{\"a}t, womit die Divergenz in der Performance von MEMS-Chip und Drahtsensor erkl{\"a}rt werden kann. Es besteht ferner eine starke Temperatur- und Feuchtigkeitsabh{\"a}ngigkeit des Sensorsignals, welches bei beiden Operationsmodi indirekt proportional zur W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit des betrachteten Gasgemischs ist. Die Abh{\"a}ngigkeit vom definierten Umgebungsdruck ist lediglich f{\"u}r die Zeitkonstante relevant, bei der Pulsh{\"o}he besteht keine Druckabh{\"a}ngigkeit. Es konnte eine grunds{\"a}tzliche Eignung des thermischen Messprinzips f{\"u}r den Einsatz eines Wasserstoffsensors im Automobilbereich festgestellt werden. F{\"u}r eine Anwendung m{\"u}ssen allerdings Referenzsensoren f{\"u}r Temperatur, Feuchtigkeit und Druck implementiert werden und eine Kalibrierung in Abh{\"a}ngigkeit dieser Gr{\"o}ßen erfolgen. Der 3ωBetrieb ist aufgrund der h{\"o}heren Genauigkeit zu bevorzugen. W{\"a}hrend der MEMSSensor im Hinblick auf Sensitivit{\"a}t, Ansprechzeit und Leistungsaufnahme gut abschneidet, liegen die Vorteile des Mikrodrahtsensors in seiner Robustheit und der vergleichsweise einfachen Realisierbarkeit}, subject = {Kraftfahrzeugtechnik}, language = {de} } @phdthesis{Hoeller, author = {H{\"o}ller, Christoph}, title = {Indirect methods of obtaining activity and mobility of structure-borne sound sources}, publisher = {University of Liverpool}, address = {Liverpool}, abstract = {The work reported in this thesis focuses on the development of indirect methods for the experimental determination of important source parameters for structure-borne sound source characterization. In the first part of the thesis, matrix inversion methods for the determination of blocked forces are investigated. A simplified measurement procedure is proposed which offers a solution to the two major challenges to these methods, namely the acquisition of the FRF matrix and the problems associated with matrix inversion. The proposed procedure involves a free, low-mobility receiver plate which is modelled numerically. Calculated FRFs are used together with measured velocity responses to inversely determine the blocked forces. It is found that while the method has great potential in principle, in practice the accurate modelling of the receiver plate is of critical importance. In the second part of the thesis, three formulations are considered for the indirect determination of source mobility. Instead of performing measurements on the source in the free state, the source mobility is obtained from measurements made in-situ. This approach is beneficial if the source is difficult to suspend, or if it contains non-linear structural elements. The three formulations are validated numerically and experimentally. It is found that the methods can quantify source mobilities of single-contact and multi-contact sources from in-situ measurements. However, typical measurement errors, such as background noise or inaccuracies in sensor positioning, can significantly reduce the accuracy and reliability of the methods. In the final part of the thesis, the reception plate method for the determination of the power injected by a high-mobility source into a low-mobility receiver is reviewed, and a source substitution method proposed as a development. The substitution method circumvents problems that may arise when the reception plate method is applied to coupled walls and floors. A special focus of investigation is on the calibration of the receiver structure. It is found that the calibration can be performed with shaker or hammer, and that an average calibration factor may be used. The source substitution method thus offers a potential alternative to the reception plate method, for application with coupled plates.}, language = {en} }