Optimierung und Entwicklung eines kostengünstigen und energieeffizienten induktiven Leitfähigkeitssensors für präzise Salzgehaltsmessungen im Meer

Betreuer/in:            Julius Harms           
Dekanat/Institut:   M-4 Mechatronik im Maschinenbau           

E-Mail:   Julius.harms@tuhh.de

Für die Meeres- und Klimaforschung ist die Vermessung von Meeresströmungen von essentieller Bedeutung. Die Strömungsgeschwindigkeiten werden von der Dichte des Wassers, also dem Salzgehalt und der Temperatur stark beeinflusst. Die hochpräzisen Messinstrumente, welche in der Ozeanographie für die Bestimmung der Dichte verwendet werden, sind häufig teuer und aufwändig einzusetzen. Im Institut für Mechatronik wird an einer einfachen, kostengünstigen Sensor Boje gearbeitet, welche eine hohe Quantität von Messungen ermöglichen und damit Messdaten mit höherer räumlicher Auflösung liefern soll. Eine der größten Hürden ist die Langzeit zuverlässige Bestimmung der Salinität durch Leitfähigkeitssensoren.

Induktive Leitfähigkeitssensoren bieten gegenüber kontaktbehafteten Messverfahren einen großen Vorteil in der langfristigen Stabilität der Messergebnisse. Die Herstellung ist jedoch kosten intensiver und der Energieverbrauch höher. Im Rahmen dieser Masterarbeit soll an die bestehende Forschung und Sensorkonzepte des Instituts für Mechatronik angeschlossen werden und basierend auf umfangreichen Voruntersuchungen aus verschiedenen Arbeiten ein produktionsreifer induktiver Leitfähigkeitssensor mit besonderen Stärken in Herstellungskosten, Energieeffizienz und Langzeiteinsatz entwickelt werden.

Zu Beginn der Masterarbeit erfolgt hierfür zunächst die thematische Einarbeitung und das Verständnis der bestehenden Konzepte und Sensormodelle. Aufbauend auf einer Analyse der Sensoren soll ein optimierter Aufbau gefunden werden. Hierfür müssen verschiedene Konzepte erarbeitet und auf einem existierenden Meerwasser-Sensor-Prüfstand (Abb. 1) gegeneinander getestet werden. Parameter der Untersuchung stellen mögliche Messunsicherheiten und der Energieverbrauch dar. Die Untersuchungen sollten Ergebnisse zur optimalen Arbeitsfrequenz,  Wicklungsanzahlen der Spulen, verwendete Materialien und mögliche Fehlerquellen liefern. Ausgehend von den gewonnen Erkenntnissen erfolgt dann die Entwicklung eines Analysekonzepts und die Konstruktion des Endprodukts. Neben der Fertigung des Sensors gilt es, das Konzept aufbauend auf einer existierenden Analyse-Elektronik umzusetzen und zu programmieren. Außerdem soll der Entwurf hinsichtlich einer Massenfertigung bewertet werden. Abschließend wird der optimierte Sensor auf Grundlage der gestellten Anforderungen im Prüfstand validiert.

Anforderungen:

  • Messbereich Leitfähigkeit: 1mS/cm bis 100mS/cm
  • Angestrebter Energieverbrauch kleiner als 100mW
  • Messunsicherheit von 1 uS/cm
  • Einsatzdauer: 1 Jahr
  • Maximale Abweichung: < 1% pro Monat
  • Maximaler Bauraum: 10x10x10cm
  • Geeignet für größere Produktionszahlen

Abb. 1 Prüfstand für Meerwasser-Sensoren


Abb. 2 Sensorprototyp in Prüfstand


Abb. 3 Variation an Prototypen für induktive Leitfähigkeitsmessung

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