Manuel Berglez

• Die Indizierung von Verbrennungskraftmotoren ist eine der wesentlichen Methoden, um die Weiterentwicklung dieser Maschinen voranzutreiben. Dabei werden die im Verbrennungsraum eines Motors herrschenden Drücke gemessen und vorwiegend auf Basis des Kurbelwellenwinkels ausgewertet. Diese Drücke werden mittels piezoelektrischen Sensoren aufgenommen. Piezoelektrische Sensoren geben sehr geringe elektrische Ladungen bei Druckänderung ab. Diese kleinen elektrischen Ladungsmengen können nicht direkt digitalisiert werden, sondern werden zuvor in ein elektrisches Spannungssignal umgewandelt und verstärkt, um anschließend digitalisiert und ausgewertet zu werden. Diese Aufgabe übernehmen sogenannte Ladungsverstärker. Ein besonderes Anwendungsgebiet in der Indiziertechnik stellt der Einsatz der Messtechnik bei Großmotoren dar, wofür der zu entwickelnde Ladungsverstärker eingesetzt werden soll. Damit sind Motoren gemeint, welche in großen Schiffen oder Gaskraftwerken zur Elektrizitätserzeugung eingesetzt werden. Besondere Bedingungen wie beispielsweise hohe Umgebungstemperaturen und eine sehr kleine Bauform werden über den gesamten Verlauf der Entwicklung eine Rolle spielen. Ein Prinzip bedingtes Problem eines solchen Messsytems von Piezokristall und dazugehörigem Ladungs-verstärker ist die kontinuierliche Offsetdrift des generierten Spannungsausgangssignals, die durch elektrische Ladungsbewegungen über die Isolation des Signalpfades zwischen Piezokristall und Ladungs-Spannungs-Wandler verursacht wird. Um dieses Problem zu beheben, wird ein Kompensationsstrom in den Ladungspfad eingespeist, dessen Stärke von einem Mikrocontroller berechnet wird. Ein weiterer Bestandteil der elektronischen Platine ist die analoge Signaltransformation, die das Ladungssignal in ein Strom- sowie in ein Spannungssignal umwandelt. Ergebnis dieser Arbeit ist ein Schaltplan inklusive Definition der zu verwendenden Komponenten und das Konzept der Firmware, das als Kernelemente die Signalminimumdetektion, den Regelalgorithmus und auch eine Fehlerkorrekturwertberechnung beinhaltet. Damit kann der erste Prototyp gefertigt werden.
• Indicating of internal combustion engines is one of the most common practices to promote further development of these machines. At this procedure, the pressure, which occurs due to the combustion in the cylinder of the engine, is measured and evaluated mainly based on the crankshaft angle. These pressures are acquired by a piezoelectric sensor by emitting very small electrical charges when the pressure changes. These small amounts of electrical charge cannot be digitized directly. They must be converted and amplified to a usable electrical voltage by a so-called charge amplifier. A special field of application of indicating is the use of this measuring technology in large scale engines, for which the charge amplifier to be developed is to be used. This refers to engines as they are used in large ships and gas-fired power plants for electricity generation. Special conditions such as high ambient temperatures and a very small form of construction will matter throughout the development process. The measurement principle of a piezoelectric sensor attached to a charge amplifier has a negative side effect in form of a continuous offset drift of the generated voltage output signal. To solve this problem, a compensation current, which strength is calculated by a digital controller, is fed into the charge path. Another component of the electronic board is the analogue signal transformation, which converts the charge signal into a current and a voltage signal. The result of this thesis is a complete package consisting of the circuit diagram including definitions of the components to be used and the concept of the firmware. This allows the first prototype to be manufactured.