Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Forschung und Entwicklung: Realisierung der Druckskala

Projekt 1 GPa - Messsysteme  (GPa = Giga Pascal)

Im Messbereich oberhalb einiger hundert Megapascal hängt die Unsicherheit von Druckmessungen mit Kolbenmanometern entscheidend davon ab, wie zuverlässig die elastische Verformung der Kolben-Zylinder Messsysteme berechnet werden kann. Da sich experimentell die besten Ergebnisse mit zweischalig aufgebauten Zylindern mit Hartmetallkern erzielen lassen, deren Mantelfläche mit einem Stützdruck beaufschlagt wird, hat man es mit komplizierten Systemen zu tun, deren Verhalten im Rahmen eines Forschungsprojektes mit internationaler Beteiligung untersucht wird.

Zielsetzung

• Bestimmung des Druckverformungskoeffizienten von 1 GPa Kolben-Zylinder-Druckmesssystemen , mit denen die Druckskala im Bereich von 400 MPa bis 1 GPa realisiert wird. 
• Entwicklung eines Verfahrens zur Unsicherheitsabschätzung des Druckverformungskoeffizienten 
• Verringerung der Unsicherheit bei der Darstellung und Weitergabe der Druckskala im Bereich bis 1 GPa.

Methode

Der Druckverformungskoeffizient wird mit Hilfe der Dadsonschen Theorie [ 6 ] bestimmt, die es erlaubt, bei bekannter Form des Kolbens und der Zylinderbohrung sowie bekanntem Druckverlauf im Kolben-Zylinder-Spalt die wirksame Querschnittsfläche des Systems auszurechnen. Die Form des unter Druckeinwirkung elastisch deformierten Kolbens und Zylinders lässt sich nach der Methode der Finiten Elemente (FEM) bestimmen. Dafür benötigt man neben der Kenntnis der Abmessungen des Systems und der elastischen Werkstoffeigenschaften - beschrieben durch Elastizitätsmodul und Querkontraktionszahl - Informationen über die Randbedingungen an den Oberflächen des Kolben und Zylinders. Zu diesen Randbedingungen zählt unter anderem der Druckverlauf im Spalt, der aus den hydrodynamischen Berechnungen für den verformten Spalt gefunden wird. Somit sind die Probleme der elastischen Verformung des Kolbens und Zylinders und der Druckverteilung im Spalt voneinander abhängig und werden durch Anwendung eines iterativen Verfahrens gelöst, in dem die FEM- und die hydrodynamischen Berechnungen abwechselnd durchgeführt werden, bis eine nicht mehr veränderbare Form des Kolbens und Zylinders sowie ein stabiles Druckprofil im Spalt erreicht sind. Ergebnisse der Berechnungen werden durch zahlreiche experimentelle Untersuchungen überprüft, bei denen vor allem die Konsistenz der Druckverformungskoeffizienten unterschiedlicher Drucknormale kontrolliert wird. 

Die Bestimmung des Druckverformungskoeffizienten der in der PTB verwendeten 1 GPa-Kolben-Zylinder-Druckmesssysteme wird auch von anderen metrologischen Staatsinstituten unternommen, die an dem EUROMET Projekt 463 teilnehmen.

Kontakt

Arbeitsgruppenleiter		Dr. Wladimir Sabuga  Tel.: 0531-592-3230  E-Mail: wladimir.sabuga@ptb.de
		Dipl.-Phys. Alexander Gluschko  Tel.: 0531-592-3117  E-Mail: alexander.gluschko@ptb.de
Sekretariat		Karin Tietz Tel.: 0531-592-3201 Fax: 0531-592-3209 E-Mail: karin.tietz@ptb.de
Anschrift		Physikalisch-Technische Bundesanstalt  Arbeitsgruppe 3.33  Bundesallee 100  D-38116 Braunschweig