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Die größte Kraft-Normalmesseinrichtung der PTB durch Modernisierung substantiell verbessert

25.11.2014

Die 16,5 MN Kraft-Normalmesseinrichtung wurde bereits 1974 in der PTB aufgebaut und 1991 steuerungs- sowie regelungstechnisch erneuert. Ab 2011 wurde eine neue hochmoderne Steuerung und Regelung implementiert, die jetzt erstmals einen vollautomatischen Betrieb über den gesamten Messbereich ermöglicht. Das Steuerungs- und Regelungsprinzip der Anlage ist in Bild 1 dargestellt. Die Position des Messkolbens wird hochauflösend mit digitalen Reglern geregelt, um auf der Messseite ein Kräftegleichgewicht zwischen der hydraulisch erzeugten Kraft und der Gewichtskraft der Belastungskörper zu realisieren. Der sich dabei einstellende Öldruck wirkt auch auf die großen Kolbenzylindersysteme auf der Arbeitsseite und verstärkt die Kraft um das Übersetzungsverhältnis Q. Dieses Übersetzungsverhältnis wurde bereits früher wissenschaftlich untersucht, und jetzt zunächst theoretisch analysiert. Der ermittelte Wert beträgt Q = 1029,475.

Bild 1: Prinzip der Steuerung und Regelung der 16,5 MN-Kraft-Normalmesseinrichtung.

Zur Absicherung wurde das Übersetzungsverhältnis zusätzlich messtechnisch mit Krafttransfernormalen durch Vergleiche mit der 2 MN-Kraft-Normalmesseinrichtung mit direkter Massewirkung und später mit der 5 MN-Kraftnormalmesseinrichtung mit hydraulische Übersetzung der PTB abgesichert und bestätigt. Dazu wurde die Kraft F2 auf der Arbeitsseite der 16,5 MN-K-NME mit Krafttransfernormalen gemessen und die Kraft F1 auf der Messseite der 16,5 MN-K-NME aus den Massewerten der neu durchgeführten Massebestimmung und den Schwerewerten gloc unter Berücksichtigung der Luftauftriebskorrektur ermittelt. Das so experimentell bestimmte Übersetzungsverhältnis Q = F2 / F1 bestätigt den theoretischen Wert [1]. Aber auch die Abhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses vom Öldruck und von der Temperatur wurde untersucht. Zusätzlich wurden die optimalen Arbeitsbedingungen für den Betrieb der Anlage ermittelt.

Bei der 16,5 MN-K-NME wird eine binärer Massestapel aus 8 Belastungskörpern eingesetzt, mit denen Kraftstufen von 100 kN, 200 kN, 400 kN, 800 kN, 1 MN, 2 MN, 4 MN, 8 MN sowie alle möglichen Kombinationen dieser Werte im Messbereich von 100 kN bis 16,5 MN realisert werden können. Messtechnisch wurde mit 3 Transfernormalen mit Nennkräften von 500 kN, 1 MN und 2 MN ein Vergleich mit der 2 MN-K-NME und mit einem 5 MN Transfernormal ein Vergleich mit der 5 MN-K-NME der PTB durchgeführt. Ein 10 MN Krafttransfernormal wurde abschließend eingesetzt, um auch die 8 MN Stufe in der 16,5 MN Maschine messtechnisch zu vergleichen. Dazu wurde zunächst die Kraft von 8 MN nur mit dem Belsatungskörper für 8 MN realisiert und dann im Wechsel mit der Kombination aus den Körpern für 4 MN, 2 MN, 1 MN, 800 kN und 200 kN.  In Bild 2 sind die mit den unterschiedlichen Krafttransfernormalen erzielten relativen Abweichungen dargestellt.  Auf diese Weise wurde die relative Messunsicherheit von < 1 × 10-4 (k = 2)  über den gesamten Bereich bestätigt.

Bild 2: Mit 5 unterschiedlichen Krafttransfernormalen ermittelten relative Abweichungen zwischen der 16,5 MN-K-NME und der 2 MN- bzw. 5 MN-K-NME sowie bei 8 MN durch internen Vergleich in der 16,5 MN-K-NME.

Die 16,5 MN-K-NME wird aber nicht nur für Kalibrierungen von Kraftmessgeräten eingesetzt, sondern auch für Forschungsprojekte, wie z. B. das EMRP-SIB63 "Force Metrology", in dem insbesondere auch große Build-up Systeme bis 50 MN untersucht werden, um zukünftig eine messtechnische Rückführung dieser Kraftmaschinen bis 50 MN zu realisieren (Opens external link in new windowhttp://www.ptb.de/emrp/forcemetrology.html).

Literatur:

[1] Kumme, R.; Köhler, F.: PTB´s 16.5 MN hydraulic amplification machine after modernization. Proceedings of IMEKO 22nd TC3, 15th TC5 and 3rd TC22 International Conferences, Feb. 2014, Cape Town, Republic of South Africa.
Opens external link in new windowhttp://www.imeko.org/publications/tc3-2014/IMEKO-TC3-2014-028.pdf

Ansprechpartner:

Rolf Kumme, FB 1.2, AG 1.21, E-Mail: rolf.kumme@ptb.de