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Metrologische Bewertung der 1 N·m Drehmoment-Normalmesseinrichtung abgeschlossen

30.10.2013

Für sehr kleine statische Drehmomente von bis zu 1 N·m wurde in der Arbeitsgruppe Drehmoment eine Normalmesseinrichtung entwickelt, die nach dem etablierten Verfahren mit einem luftgelagerten Hebel und Belastungsmassen funktioniert. Kürzlich wurden die metrologischen Untersuchungen dieser Anlage abgeschlossen, deren Ziel darin bestand, die Einflussgrößen auf das Messergebnis zu bestimmen und die  erreichbaren Messunsicherheiten nachzuweisen.

Für sehr kleine statische Drehmomente von bis zu 1 N·m wurde in der Arbeitsgruppe Drehmoment eine Normalmesseinrichtung entwickelt, die nach dem etablierten Verfahren mit einem luftgelagerten Hebel und Belastungsmassen funktioniert. Kürzlich wurden die metrologischen Untersuchungen dieser Anlage abgeschlossen, deren Ziel darin bestand, die Einflussgrößen auf das Messergebnis zu bestimmen und die  erreichbaren Messunsicherheiten nachzuweisen.

Die Drehmoment-Normalmesseinrichtungen der Arbeitsgruppe Darstellung Drehmoment nutzen für die bestmögliche Realisierung der Einheit des Drehmomentes gelagerte Hebel-Masse-Systeme. Dabei kommen Luftlager zum Einsatz, über die die für die Momenterzeugung benötigten Kräfte („Kraft am Hebelarm“) kompensiert werden, ohne das Drehmoment wesentlich zu beeinflussen. Insgesamt wird mit diesem Verfahren ein Messbereich von 1 mN·m bis 20 kN·m dargestellt. Die kleinste Messeinrichtung hat einen Messbereich bis 1 N·m und es war zu untersuchen, inwieweit verschiedene Einflussgrößen die damit erreichbare Messunsicherheit begrenzen. Von anderen Anlagen ist bekannt, dass die mit Koordinatenmesseinrichtungen gemessene Hebelarmlänge die erreichbare Messunsicherheit auf bestenfalls 0,002% festlegt. Für die 1 N·m-Anlage waren 0,01% angestrebt. Jedoch war hier der Einfluss der Restreibung im Luftlager zu bestimmen, um konkrete Aussagen über die Messunsicherheit im Bereich von 1 mN·m treffen zu können.

Bild 1 zeigt ein Ergebnis dieser Untersuchungen, das deutlich macht, dass mit Hilfe eines entsprechenden Drehmomentaufnehmers eine Änderung des wirkenden Drehmomentes um 1 mN·m nachgewiesen werden kann. Man erkennt aber ebenfalls die Schwankung der Anzeige des Verstärkers sowie eine leichte Drift des Signals. Ersteres liegt daran, dass es enorm schwierig ist, Drehmomentaufnehmer mit diesem kleinen Messbereich zu fertigen, die auch ein hohes Ausgangssignal liefern und gleichzeitig nicht so empfindlich sind, dass sie durch normale Handhabung beim Transport und bei der Montage überlastet werden. Letzteres zeigt, dass die Einflüsse der Umweltbedingungen (Temperatur und relative Luftfeuchte) bei diesen kleinen Aufnehmern deutlich stärker ausgeprägt sind als bei größeren Aufnehmern.

Bild 1: Ausgangssignal eines Drehmomentaufnehmers mit 0,1 N·m Nenndrehmoment bei wiederholter Änderung des wirkenden Drehmomentes um ± 1 mN·m .

In einer Veröffentlichung wurden alle bekannten Einflussgrößen zusammengetragen und bewertet. Unter Nutzung der bekannten, im GUM („Guide to the expression of uncertainty in measurement”) beschriebenen Verfahren wurden die Messunsicherheiten berechnet. Es zeigte sich, dass die kleinste erreichbare Messunsicherheit im unteren Bereich bei 0,1% (von 1 mN·m bis 10 mN·m) liegt und ansonsten 0,02% bzw. sogar 0,01% (von 0,1 N·m bis 1 N·m) erreicht werden. Wie zu erwarten, war der dominierende Einfluss im unteren Bereich die Luftlagerreibung. Im oberen Bereich machte die Unsicherheit der Bestimmung der Hebelarmlänge den Hauptanteil aus. Der Artikel wurde in der wissenschaftlichen Zeitschrift "Metrologia" in Januar 2014 veröffentlicht.

Literatur:

[1] D Röske 2014 Metrologia 51 (2014) 87-96, Opens external link in new windowhttp://iopscience.iop.org/0026-1394/51/1/87/

Ansprechpartner:

Dirk Röske, FB 1.2, AG 1.22, E-Mail: dirk.roeske@ptb.de