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Kraftmesstechnik

Arbeitsgruppe 1.23

Profil

In der Arbeitsgruppe 1.23 werden neue Technologien bei der Weitergabe der Einheit der Größe Kraft erforscht. Die Einheit Newton, für die die Arbeitsgruppe 1.21 hochgenaue Normale zur Verfügung stellt, soll mit geringstmöglichen Unsicherheiten in die industriellen Anwendungen übertragen werden. Dabei werden in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern aktuelle Problemstellungen bei der Weitergabe der Einheit der Kraft erforscht und praxistaugliche Lösungen aufgezeigt. Aktuell benötigen z. B. Zukunftstechnologien wie erneuerbare Energien und der konstruktive Ingenieurbau auf das Normal der PTB rückgeführte Kalibrierungen spezieller Prüfeinrichtungen im größten Kraftbereich von über 20 MN mit wesentlich geringeren Messunischerheiten als gegenwärtig möglich.

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Forschung/Entwicklung

Größte Kräfte bis 50 MN

In der AG 1.23 werden im Rahmen des EMRP-Projektes SIB63 neue Möglichkeiten bei der Weitergabe der Einheit Kraft erforscht. Um noch größere Einrichtungen zur Erzeugung von Kräften kalibrieren zu können als es das derzeitig größte Normal mit 16,5 MN erlaubt, werden in dem Forschungsprojekt Möglichkeiten zur Parallelschaltungen von Kraftaufnehmern untersucht. Sollen dabei Messunsicherheiten von unter 0,1% erreicht werden, dann müssen die elastischen Verformungen in den Maschinen, den Einbaukonstruktionen und den Kraftaufnehmern berücksichtigt werden. Viele neue Zukunftstechnologien, wie der konstruktive Ingenieurbau und der Bereich der erneuerbaren Energien, vor allem der Windenergie, benötigen Kalibrierungen im Bereich bis 50 MN (entsprechend der Gewichtskraft von etwa 5000 Tonnen). Dafür werden konstruktiv optimierte Parallelschaltungen von Kraftmessgeräten, entsprechende Kalibrierprozeduren und Messunsicherheitsmodelle benötigt. Die PTB erforscht dazu ein 50 MN Kraftmesssystem, in dem 5 einzelne Aufnehmer parallelgeschaltet werden.

Mechanische Spannungsberechnungen mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente

Die Spannungszustände geometrisch komplexer Strukturen können mit analytischen Mitteln nicht hinreichend genau berechnet werden. Deshalb wird das zu analysierende Objekt durch eine Vielzahl von einfachen Elementen dargestellt. An ihren Eckpunkten, den Knoten, werden die Verformungen berechnet und aus der Verformung lassen sich Spannungen und Dehnungen ableiten. Die Methode der finiten Elemente ist ein mächtiges Analysewerkzeug das gut geeignet ist, um das Verhalten von Kraftmessgeräten vorherzusagen und Optimierungen durchzuführen.

Erforschung und Reduzierung von Störeinflüssen bei der Weitergabe der Einheit Newton

In der derzeitig im Aufbau befindlichen 200 kN-Kraft-Normalmesseinrichtung können durch neuartige konstruktive Merkmale auch zukünftige Anwendungen der Kraftmesstechnik wie kontinuierliche Kraftverläufe, Berücksichtigung klimatischer Einflüsse und das Durchfahren des Übergangs von Druck- zu Zugkräften untersucht werden. Dazu werden nach Fertigstellung der neuartigen Maschine umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt. Die genannten Themenberieche werden zudem in einem europäischen Forschungsvorhaben (EMRP-SIB 63) untersucht und auch hier unter Mitwirkung der Arbeitsgruppe 1.23 Methoden zur Reduzierung der Messunischerheiten bei der Weitergabe der Einheit Newton entwickelt.

Anschlussverfahren für Werkstoffprüfmaschinen

Mit neuen Werkstoffen und der Prüfung von kompletten konstruktiven Baugruppen sowie neuen Anforderungen aus dem Bereich der Windenergie steht der Bereich der Werkstoffprüfmaschinen heute vor neuen Aufgabenstellungen.
Unsicherheiten durch Krafteinleitungseffekte, daraus resultierende Störkomponenten, die mehraxiale Kraftdarstellung, dynamische Kraftverläufe - all das sind Forschungsgebiete, in denen die PTB durch die Arbeit der AG 1.23 dazu beiträgt, neuen Anforderungen mit geeigneten Messwerkzeugen und normativer Begleitung gerecht zu werden.

Mitarbeit bei der nationalen und internationalen Normung sowie Zusammenarbeit mit der Deutschen Akkreditierungsstelle (DAkkS)

Die Normung ist notwendig, um die Gleichartigkeit der Prüfverfahren und die Vergleichbarkeit und Gleichwertigkeit der auf verschiedenen Anlagen gewonnenen Messergebnisse zu gewährleisten. Dazu bringt die AG 1.23 in verschiedenen Institutionen die Erfahrung der PTB auf dem Fachgebiet der Kraftmesstechnik ein. Die auf dem Fachgebiet Kraft/Werkstoffprüfmaschinen akkreditierten Laboratorien erfahren im Fachausschuss "Werkstoffprüfmaschinen" des Deutschen Kalibrierdienstes (DKD) fachliche Beratung und messtechnische Unterstützung. Die AG 1.23 betreut im Rahmen der Qualitätssicherung auch Ringvergleiche im Bereich der Werkstoffprüfmaschinen. Mitarbeiter der Arbeitsgruppe sind  als Fachbegutachter für die Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS) tätig.

Internationale Vergleichsmessungen

Internationale Vergleichsmessungen werden in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe 1.21 zur Sicherstellung einer weltweit einheitlichen Kraftskala mit Krafttransferaufnehmern durchgeführt. Die Arbeitsgruppe 1.23 fokussiert die Arbeiten dabei nicht auf Vergleichsmessungen mit anderen NMI sondern insbesondere auf Messungen mit internationalen Industriepartnern im Rahmen der durchgeführten Forschungsprojekte.

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Dienstleistungen

Die Arbeitsgruppe 1.23 ist sehr stark auf den Bereich Forschung ausgerichtet. Nach dem Abschluss des EMRP-Projektes und einer anhand der Ergebnisse erfolgten Überarbeitung des 50 MN Build-Up Systems soll der Anschluss von Prüfmaschinen bis 50 MN mit einer Messunsicherheit kleiner 0,02% in das Leistungsverzeichnis aufgenommen werden. Weitere Forschungsergebnisse z.B. werden fortlaufend in den Dienstleistungsbereich aufgenommen.

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Informationen

30 MN / 50 MN Build-Up-System

Das System besteht aus fünf Präzisionskraftaufnehmern mit einer Nennkraft von je 10 MN. Es kann mittels zweier Sätze von Adaptionsteilen zu einem 3 × 10 MN System oder einem 5 × 10 MN System aufgebaut werden.

 

 

 

 

 

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60 kN und 6 MN Build-Up-Systeme

Das große System besteht aus drei 2 MN Präzisionskraftaufnehmern. Durch die Wahl der Nennlast der Einzelaufnehmer von 2 MN kann dieses System auch genutzt werden, um in der 2 MN Kraft-Nomalmesseinrichtung kalibriert zu werden mit dem Ziel der optimalen Ausnutzung des Messbereichs der hochpräzisen Direktbelastungseinrichtung. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens wird das Verhalten dieses System gesondert untersucht. Dazu existiert ein kleines Modell mit einer Nennlast von 60 kN. Es ist auf dem Bild neben dem 6 MN System der PTB und einem bauartgleichen 3 MN System eines Projektpartners zu sehen. 

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