Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Rolf Kumme, Jens Illemann, Vladimir Nesterov, Uwe Brand

Bei zahlreichen Anwendungen in der Forschung und in der Industrie ist die Messung von Kräften erforderlich, die auf die nationalen Normale in der PTB rückgeführt sind. Thema dieses Beitrags ist die Messung statischer Kräfte – dynamische Kräfte werden im Beitrag „Dynamische Kalibrierung von Kraftaufnehmern“ (dieses Heft) behandelt. Während in der Vergangenheit hauptsächlich die Rückführung für Kräfte größer 1 Newton gefordert wurde, entsteht zunehmend der Bedarf nach der Rückführung für kleinere Kräfte im Milli-, Mikro- und Nanonewtonbereich.

Der vorliegende Beitrag gibt zunächst einen Überblick über die klassischen Anwendungen der Kraftmessung und die Prinzipien der Kraft-Normalmesseinrichtungen der PTB, mit denen der Messbereich von 1 N bis 16,5 MN abgedeckt wird.

Um der Nachfrage nach der Rückführung für kleinere Kräfte bis in den nN-Bereich gerecht zu werden, wurden und werden derzeit neue Messeinrichtungen entwickelt, die im Anschluss in einem Abschnitt über den mN-Bereich und einem Abschnitt über den nN-Bereich beschrieben werden. Die Anwendungen für diese kleinen Kräfte werden in den entsprechenden Abschnitten erläutert.

Michael Kobusch, Thomas Bruns, Rolf Kumme

Mit der Zunahme dynamischer Anwendungen in der Praxis und gestiegenen Anforderungen an die Messgenauigkeit hat die Messung zeitveränderlicher Kräfte mittlerweile eine sehr große Bedeutung erlangt. In vielen Bereichen der Industrie ist es erforderlich, dynamische Kräfte genau zu messen, beispielsweise in der Fertigungstechnik, bei der zerstörenden Materialprüfung, in der Automatisierungs- und Handhabungstechnik, in der Raumfahrtindustrie wie auch bei Vibrationstests für Satelliten, schließlich in der Automobilindustrie bei Crashtests und Bauteilprüfungen. Je nach Anwendungsfall ist der zeitliche Kraftverlauf sehr verschieden. So werden periodische Kräfte bei Ermüdungstests appliziert, sprungförmige und kontinuierliche Kraftänderungen bei der zerspanenden Fertigung und stoßförmige Kräfte bei Crashtests.

Kraftaufnehmer sind elektromechanische Messgrößenwandler, bei der ein im Kraftfluss eingebrachtes Sensorelement ein von der Eingangsgröße Kraft abhängiges elektrisches Ausgangssignal erzeugt. Das Kraftsignal ist dabei im Allgemeinen proportional zur elastischen Deformation des Aufnehmers. Bei dynamischen Kräften werden im Inneren des Aufnehmers infolge von Materialelastizitäten und der an das Sensorelement angekoppelten Massen der Krafteinleitungen und der ggf. benötigten Adaptionsteile frequenzabhängige Inertialkräfte erzeugt, die sich der zu messenden Eingangskraft störend überlagern können. Es dürfte daher prinzipiell ein frequenzabhängiges Messverhalten auftreten, das wesentlich durch den inneren mechanischen Aufbau des Kraftaufnehmers bestimmt wird. Darüber hinaus müssen die dynamischen Eigenschaften der elektrischen Signalverarbeitungskette zusätzlich berücksichtigt werden.

Die Problematik einer Messwertverfälschung bei dynamischen Kraftmessungen durch auftretende Störkomponenten ist inzwischen weitgehend bekannt. So spezifizieren aktuelle Standards zur Instrumentierung von Crashtests (ISO 6487, SAE J211/1) zwar allgemein einzuhaltende Fehlerschranken für den Amplitudengang von Messaufnehmern, merken jedoch an, dass für Kraftaufnehmer noch keine zufrieden stellenden Methoden zur dynamischen Kalibrierung bekannt sind. Denn während die statische Kalibrierung von Kraftaufnehmern durch internationale Standards (DIN EN ISO 376) festgelegt ist, fehlen derzeit noch entsprechende Normen zur Kalibrierung dynamisch belasteter Aufnehmer. Es ist daher eine gängige Praxis, dynamisch eingesetzte Kraftaufnehmer nur statisch zu kalibrieren. Bestenfalls erfolgen dann noch weitergehende dynamische Messungen in dafür geeigneten Belastungseinrichtungen. Derartige Tests sind für vergleichende Prüfungen gut geeignet und in der Industrie daher weit verbreitet, geben sie doch weitgehend Aufschluss darüber, ob und wie weit sich das dynamische Messverhalten eines Kraftaufnehmers im Laufe der Zeit verändert hat und ob der Aufnehmer ersetzt werden muss.

In Anbetracht der vielfältigen dynamischen Anwendungen mit sehr unterschiedlichen Kraftsignalen stellt sich die Frage, ab wann oder unter welchen Bedingungen dynamische Effekte berücksichtigt werden müssen? Es interessiert hierbei insbesondere, ob eine dynamische Kraftmessung noch mit statisch kalibrierten Kenndaten durchgeführt werden kann, oder ob die geforderte Messunsicherheit schon durch störende Inertialkräfte überschritten wird. Eine realistische Angabe der wirkenden dynamischen Kräfte und der Messunsicherheiten ist nicht einfach und erfordert Kenntnis über die dynamischen Eigenschaften des Aufnehmers und des Messaufbaus. Ein erster Schritt zur Auswahl und Beurteilung von dynamisch eingesetzten Kraftaufnehmern ist häufig die Kenntnis der Grundresonanzfrequenz. Diese für die Dynamik relevante Kenngröße ist in der deutschen Richtlinie VDI/VDE 2638 über Kenngrößen für Kraftaufnehmer entsprechend genannt. Zusätzliche Anhaltspunkte für eine dynamische Eignung eines Kraftaufnehmers bieten Angaben zur Steifigkeit und Masse.

Motiviert durch die zunehmende Bedeutung dynamischer Kalibrierungen und der derzeit metrologisch unbefriedigenden Situation sind in den zurückliegenden Jahren in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) verstärkte Forschungsanstrengungen zur Entwicklung wissenschaftlich fundierter Verfahren für die dynamische Kalibrierung von Kraftaufnehmern und zur Übertragung der Ergebnisse in die Industrie unternommen worden. Verschiedene Mess- und Kalibriereinrichtungen mit unterschiedlichen Wirkprinzipien, Dynamik- und Messbereichen wurden aufgebaut und daran Aufnehmer unterschiedlicher Funktionsweise und Bauart beispielhaft untersucht. Mit all diesen Aktivitäten nimmt die PTB auf dem Gebiet der dynamischen Kraftmessung zur Zeit eine internationale Vorreiterrolle ein.

Dirk Röske

Drehmomente werden in der täglichen Praxis so häufig angewandt, dass man sich darüber kaum noch Gedanken macht. Einfachste Beispiele sind das Drehen des Schraubverschlusses einer Flasche oder das Öffnen einer gewöhnlichen Tür. Häufig muss man dabei das benötigte Drehmoment weder messen noch seine genaue Größe kennen. Anders sieht es aus, wenn es sich zum Beispiel um sicherheitsrelevante Schraubverbindungen handelt, wie das bei Kfz-Radverschraubungen der Fall ist, die bei der halbjährlichen Umstellung zwischen Winter- und Sommerbereifung gelöst und angezogen werden müssen. Hier ist es von enormer Wichtigkeit, zu wissen, mit welchem Drehmoment die Verschraubungen festgezogen wurden. Dieses Wissen setzt eine Messung voraus – am besten mit einem kalibrierten Drehmomentschlüssel. Natürlich wird erwartet, dass man dem Ergebnis der Messung auch trauen kann – egal welche Autowerkstatt in welchem Land der Welt den Radwechsel durchgeführt hat. Diese Erwartung kann nur erfüllt werden, wenn es für diese Messungen eine metrologische Infrastruktur gibt und diese von der Werkstatt auch genutzt wird. Dabei kommt es nicht nur auf die verwendeten Messgeräte an, sondern zu einem Großteil auch auf die Erfahrungen und die Expertise der Anwender dieser Geräte.

Drehmomentmessgeräte werden auf Einrichtungen untersucht, die das Drehmoment hochgenau erzeugen. Einige Industriefirmen unterhielten Drehmomentmesseinrichtungen bis etwa 1994 ohne die Möglichkeit, diese Anlagen rückzuführen, das heißt sie an ein „höherwertiges“ Gerät, ein so genanntes „Normal“ anzuschließen oder sie mit ihm zu vergleichen, da ein solches Normal nicht verfügbar war. Die PTB hat diese Herausforderung erkannt und nutzte die Gunst der Stunde, mit der Übernahme eines Teiles der Mitarbeiter des „Amtes für Standardisierung, Messwesen und Warenprüfung“ der DDR am 1. Januar 1991 unter anderem ein Drehmomentlabor einzurichten. Die von den Mitarbeitern vorher auf dem Gebiet der Darstellung und Weitergabe der Größe Kraft gewonnenen Erfahrungen und Fertigkeiten konnten Gewinn bringend in das neue Arbeitsgebiet einfließen. Zusammen mit neuen oder bereits erprobten Lösungen für spezielle Problemstellungen wurde die Darstellung der Einheit des Drehmoments auf höchstem Niveau, d.h. mit minimaler Messunsicherheit, über einen großen Messbereich realisiert. Heute gehört das Drehmomentlabor der PTB zur Weltspitze auf diesem Gebiet.

Dirk Röske

Die Größen Kraft F und Moment M sind Vektoren und werden als solche nicht allein durch einen Zahlenwert (Skalar) und eine Einheit bestimmt, sondern immer auch durch eine Richtung im Raum oder in der Ebene und einen zugehörigen Richtungssinn, zum Beispiel Zug- oder Druckkraft, Rechts- oder Linksdrehmoment. Zur Beschreibung eines Vektors kann man seinen Betrag und beispielsweise über geeignet definierte Winkel seine Richtung bezüglich eines gegebenen Koordinatensystems heranziehen. Eine andere Vorgehensweise besteht darin, den Vektor in einzelne Bestandteile, so genannte Komponenten, zu zerlegen, die den „Anteil“ des Vektors entlang der Koordinatenachsen enthalten. Bei Bewegungen spricht man beispielsweise von Längs- und Querbewegung bezüglich einer definierten Richtung, bei Kräften von Axial- und Querkraft. Die Zerlegung des Vektors erfolgt dadurch, dass man dessen Projektionen auf die Koordinatenachsen bestimmt. Die Werte der so gefundenen Komponenten sind Skalare. Als Gruppe beschreiben sie den Vektor eindeutig, das heißt, man benötigt in der Ebene zwei und im Raum drei Werte für die Komponenten des Vektors.

Aus Sicht der Theorie sind die verschiedenen Komponenten gleichrangig, weshalb für ihre Benennung in der Regel die Namen der Koordinatenachsen x, y und z verwendet werden. Man spricht dann von der x-Komponente der Kraft (F^x) und so weiter. Häufig tritt aber der Fall auf, dass eine der Komponenten wichtiger ist, vielleicht weil sie das Messergebnis stärker beeinflusst als die beiden anderen. Eventuell ist sie auch durch die geometrische Form des damit belasteten Körpers, zum Beispiel durch dessen Symmetrieachse, herausgestellt. In diesem Fall spricht man bei der Kraft von der Axialkraftkomponente (oder kurz Axialkraft), beim Moment vom Drehmoment. Beide bestimmen üblicherweise die z-Richtung.

Die in den vorherigen Beiträgen behandelten Größen Kraft und Drehmoment sind als derart definierte Komponenten zu verstehen, wobei vorausgesetzt wird, dass die Beträge der jeweils beiden anderen Komponenten – der Querkraft- bzw. Biegemomentkomponenten, die man in diesem Fall zusammengefasst auch als Störkomponenten bezeichnet – im Idealfall Null sind.

Wladimir Sabuga

Der Druck ist nicht nur eine der wichtigsten Zustandsgrößen, er zählt zu den meistgemessenen physikalischen Größen in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens und zu den wesentlichen Prozessparametern in vielen industriellen Verfahren. Heizungs-, Klima-, Kraftwerks-, Bio- und chemische Verfahrenstechnik; Gas- und Energieversorgung; Automobil-, Maschinen-, Apparaten- und Anlagenbau; Luftfahrt, Verkehr, Medizin, Verteidigung und naturwissenschaftliche Forschung sind nur einige der unzähligen Anwendungsgebiete, wo die Druckmessung unverzichtbar ist. Allein in Deutschland liegt die Zahl der neu hergestellten und installierten Druckmessgeräte bei mehreren Millionen jährlich. Speziell müssen Druckmessgeräte, die bei den im Eichgesetz definierten Messaufgaben (Reifendruckmessung an Kraftfahrzeugen, Druckmessung bei der Herstellung von Arzneimitteln, geschäftlicher oder amtlicher Verkehr u. a.) eingesetzt werden, einer Bauart-Musterprüfung unterzogen und zur Verwendung im eichpflichtigen Bereich zugelassen werden.

Karl Jousten

Unter Vakuum wird häufig ein Raum ohne jegliche Materieteilchen verstanden. Dies nennt man genauer das ideale oder absolute Vakuum. Obwohl es in unserem Universum einen gänzlich leeren Raum nicht geben kann, – Energie ist überall präsent und Energie enthaltende Leere entsteht nur aus dem Gleichgewicht von Materie und Antimaterie –, gäbe es beim idealen Vakuum wirklich nicht viel für Metrologen zu messen. Anders sieht es bei dem für technische Zwecke definierten Vakuumbegriff aus (DIN 28400): Vakuum ist der Zustand eines Gases, wenn dessen Druck niedriger als der kleinste, auf der Erdoberfläche vorkommende Druck von 300 hPa ist. Die zu messende Skala reicht von diesem Druck herunter bis 10^–12 Pa.