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Darstellung von Kräften zwischen 2 MN und 5 MN verbessert

22.08.2008

In der Vergangenheit stand in der PTB zur Untersuchung von Kraftaufnehmern mit Messbereichen größer 2 MN ausschließlich die 16,5-MN-Kraft-Normalmesseinrichtung (K-NME) zur Verfügung. Dabei kam es immer wieder zu Engpässen, da diese in ihrer Größe und Genauigkeit weltweit einmalige Maschine für Zug- und Druckkräfte auf Grund der starken Nachfrage nach Kalibrierungen in diesem oberen Kraftbereich nicht immer der Anzahl der nachgefragten Messaufgaben entsprechen konnte. Dabei betrug in der Vielzahl der Aufträge der Anteil an Aufnehmern bis zu 5 MN etwa 80%.
Aus diesem Grund hat die PTB beschlossen, eine aus dem früheren ASMW (Amt für Standardisierung, Messwesen und Warenprüfung der DDR) von der PTB übernommene hydraulische K-NME zu nutzen und diese nach einer vollständigen Modernisierung als K-NME bis 5 MN einzusetzen. Ziel war dabei eine Verringerung der Unsicherheit in der Kraftdarstellung dieser Maschine auf 0,01%. Gleichzeitig soll die modernisierte Anlage einen effizienten, automatisierten Betrieb ermöglichen. Bei der Kaskadenregelung und dem Verfahren des Anschlusses der Maschine an die Normale wurden neue Konzepte erforscht und realisiert.

Die erneuerte Messeinrichtung (5-MN-K-NME, Bild 1) arbeitet nach dem Prinzip der hydraulischen Übersetzung. Dabei wirken zunächst die Gewichtskräfte eines 50 kN Massestapels (Schrittweite 500 N) auf der Messseite der Anlage auf ein Kolben-Zylindersystem. Durch ein für diesen Maschinentyp neuartiges Regelverfahren wird ein Kräftegleichgewicht zwischen der Gewichtskraft der Belastungskörper und der hydraulisch erzeugten Kraft hergestellt. Das Regelverfahren besteht dabei aus der Kaskadenschaltung einer Hydraulikdruck-, Restkraft- und Positionsregelung. Aus konstruktiven Gründen ist die Maschine zugunsten geringer mechanischer Unsicherheiten in der Kraftdarstellung ein regelungstechnisch instabiles System. Durch eine aufwendige computergestützte Regelung wird das Gleichgewicht der Kräfte aus Öldruck am Messzylinder und dem Massestapel mit Unsicherheiten kleiner 2·10-5 hergestellt. Der für dieses Kräftegleichgewicht erforderliche Öldruck wirkt gleichzeitig auf zwei parallel angeordnete Kolben-Zylindersysteme auf der Arbeitsseite. Bedingt durch das Verhältnis der Flächen der Kolbenzylindersysteme auf der Arbeitsseite und auf der Messseite werden bei gleichem Druck die Kräfte entsprechend der geometrischen Abmessungen der Kolben-Zylindersysteme hydraulisch um einen Faktor von ca. 100 übersetzt.

Neue Wege wurden auch bei dem Masseanschluss gewählt. In der Vergangenheit wurden die Massen und das Übersetzungsverhältnis exakt bestimmt. Mit zunehmenden Hydraulikdruck werden Kolben und Zylinder jedoch elastisch verformt und das Übersetzungsverhältnis ändert sich in Größenordnungen, die bei der angestrebten Gesamtunsicherheit von 1·10-4 nicht vernachlässigt werden dürfen. Dazu wurden in der Vergangenheit umfangreiche Untersuchungen durchgeführt. Berechnungen ergaben, dass der Anschluss der Maschine besser nicht alleine auf dem Weg der Bestimmung von Masse und Übersetzungsverhältnis geschieht, sondern durch den direkten Anschluss mittels hochpräziser Transferaufnehmer an die 2-MN-K-NME, die als Direktbelastungseinrichtung – also mittels einer Krafterzeugung durch direkte Massewirkung – Unsicherheiten kleiner 2·10-5 ermöglicht. Dabei wird für den Kraftbereich über 2 MN eine Parallelschaltung von 2 Aufnehmern durchgeführt. Mechanische Aufbauten für eine solche Anordnung von Kraftaufnehmern – also z. B. eine große Druckplatte, unter der mehrere Kraftaufnehmer montiert werden – sind durch verschiedene Ursachen aufgrund der zusätzlichen mechanischen Bauteile für den Anschluss der Maschine nicht präzise genug. Deshalb wird an der 5-MN-K-NME die an dieser Maschine seinerzeit realisierte Möglichkeit genutzt, gleichzeitig sowohl einen Zug- als auch einen Druckkraftaufnehmer direkt zu montieren, ohne durch weitere Montageteile zusätzliche Unsicherheiten zu verursachen. In den verschiedenen Einbaustellungen bei einer rotatorischen Drehung der Aufnehmer konnten so durch den Rotationseffekt bedingte Unsicherheitskomponenten von unter 3·10-5 nachgewiesen werden. Die Aufnehmer waren zuvor in der 2-MN-K-NME kalibriert worden. Dabei kam ein Druckkraftaufnehmer bis 3 MN zum Einsatz, dessen Interpolationsfunktion in der 2-MN-K-NME bestimmt und in der 16,5-MN-K-NME bestätigt wurde. Aus der Addition der Messwerte des 3-MN-Druck- und des 2-MN-Zugkraftaufnehmers wurde die Maschine im Bereich von 2 bis 5 MN an die hochpräzise 2-MN-K-NME angeschlossen.

Die 5-MN-K-NME kann nach dem Abschluss letzter Vergleiche als nationales Normal bis 5 MN mit einer Unsicherheit kleiner 1·10-4 den Messbetrieb aufnehmen. Die geringe Unsicherheit der Kraftdarstellung der Maschine wurde besonders eindrucksvoll durch eine Vergleichsmessung mit der 2-MN-K-NME im Bereich von 1 MN bis 2 MN in Schritten von 0,2 MN unter Verwendung eines hochpräzisen 2-MN-Transfernormals gezeigt, bei der die relative Abweichung zwischen beiden Maschinen maximal 7·10-6 betrug. Nicht zuletzt stellt die überarbeitete Anlage im Bereich bis 5 MN doppelt so viele Kraftstufen zur Verfügung wie die 16,5-MN-Anlage.

5-MN-K-NME mit gleichzeitig montiertem Zug- und Druckkraftaufnehmer

Bild 1: 5-MN-K-NME mit gleichzeitig montiertem Zug- und Druckkraftaufnehmer

Ansprechpartner:

Falk Tegtmeier, FB 1.2, AG 1.21, e-mail: Falk.Tegtmeier@ptb.de