23.10.2012
Die präzise Messung von Kräften ist für viele Produktionsprozesse sowie in der Forschung und Entwicklung eine Voraussetzung für beste Arbeitsergebnisse. Neben der Qualität der Kraftmessgeräte ist die exakte Definition der Krafteinheit Newton in den nationalem Metrologieinstituten von großer Bedeutung. Insbesondere aufstrebende Länder wie Indien bauen in den letzten Jahren dazu neue Anlagen auf, mit deren Hilfe bessere Produkte für eine höhere Lebensqualität entstehen sollen. Für das dortige Staatsinstitut wurde von einer deutschen Firma eine neue Kraft-Normalmesseinrichtung entwickelt, die besonders wirtschaftlich mit hoher Genauigkeit einen großen Anwendungsbereich abdeckt. Die Bestimmung der Messunsicherheiten dieser Anlage in Neu-Delhi wurde in einem Forschungsprojekt zusammen mit der PTB durchgeführt.
Zur Bestimmung dieser Unsicherheiten wurde ein mathematisches Unsicherheitsmodell erstellt [1], bei dem die grundsätzliche Vorgehensweise des neuen Euramet Calibration Guide [2] erstmals auf eine sogenannte hebelübersetzte Maschine bezogen wurde. Eine solche Maschine nutzt einen Hebel, um die durch einen Massestapel erzeugte Kraft zu vervielfachen. Die neue Maschine am NPL Indien kann Kräfte bis 100 kN durch die direkte Beaufschlagung mit Hilfe der Gewichtskraft eines Massestapels sowie Kräfte bis 1 MN durch eine Hebelübersetzung dieser Gewichtskraft erzeugen. Bild 1 zeigt eine Fotografie der Einrichtung. Viele neuartige und innovative Konstruktionsprinzipien [3] dieser mechanisch aufwendigen Maschine ermöglichen international geringste Messunsicherheiten bis zu 0,01% auf der Direktbelastungsseite und 0,008% bei der Verwendung der Hebelübersetzung zur Vervielfachung der Kraft. Die geringen Unsicherheiten in der Erzeugung von Kräften zur Kalibrierung von Kraftaufnehmern wurde durch eine Vergleichsmessung zwischen den Einrichtungen der PTB, deren geringe Messunsicherheiten im internationalen Spitzenfeld liegen, und der neuen Einrichtung am NPL Indien bestätigt. Dazu wurden insgesamt 12 Kraftaufnehmer verwendet, die für den Vergleich in einem eigens von der PTB entwickelten Verfahren kalibriert wurden. In der PTB wurden ausschließlich Maschinen mit dem Prinzip der Direktbelastung verwendet, dabei auch die europaweit größte, weltweit zweitgrößte Kraft-Normalmesseinrichtung mit eine maximalen Kraft von 2 MN. Die Ergebnisse (Bild 2) bestätigen die prognostizierten geringen Unsicherheiten.
Bild 1: Von der Fa. Gassmann Testing and Metrology entwickelte 1 MN Kraft-Normalmesseinrichtung
In dem Unsicherheitsmodell von Kraft-Normalmesseinrichtungen spielt der Einfluss der Interaktion zwischen Kraftaufnehmer und Maschine einen entscheidenden Einfluss, der sich allerdings bisher schwer quantifizieren lässt. Durch die Vielzahl der Messungen mit verschiedenartigen Kraftaufnehmern im Zuge dieser Vergleichsmessung wurden Beobachtungen gemacht, aus denen sich eine Theorie zur Bestimmung dieses Unsicherheitsbeitrages ableiten lässt [4].
Bild 2: Ergebnisse der Vergleichsmessung zwischen der PTB und dem NPL Indien im Kraftbereich von 1 bis 1000 kN.
Mit dem Abschluss der Vergleichsmessung und der erfolgreichen Inbetriebnahme der Anlage verfügt die metrologische Infrastruktur in Indien über eine leistungsfähige Anlage. Aber auch das beteiligte Fachlabor der PTB konnte aus dem Forschungsvorhaben viele neue Erkenntnisse sammeln.
Literatur:
[1] Jain, S.K.; Harish Kumar; S.S.K. Titus; Tegtmeier, F.; Prenzlow, N.; Schwind, D.: Metrological characterization of the new 1 MN force standard machine of NPL India, Measurement 45, (2012) S. 590-596, 
dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2011.09.013
[2] Uncertainty of Force Measurements, Calibration Guide, EURAMET/cg-04/v.02, March 2011, Euramet
[3] Jain, S.K.; Titus, S.S.K.; Tegtmeier, F.; Prenzlow, N.; Schwind, D.:
Low uncertainty in force values achieved in a lever multiplication deadweight force standard machine of 1 MN, XX IMEKO World Congress, Metrology for Green Growth, 9. – 14. Sept. 2012, Busan Republic of Korea, IMEKO
Ansprechpartner:
Falk Tegtmeier, FB 1.2, AG 1.21, E-Mail: falk.l.tegtmeier@ptb.de