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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Mehrwellenlängeninterferometrie für geodätische Längen

Arbeitsgruppe 5.42

Messeinrichtungen

Zur Kalibrierung von Maßverkörperungen und Längenmesssystemen kommen in der Arbeitsgruppe 5.42 der Opens internal link in current window50m-Komparator und die Opens internal link in current window600m-Pfeilerstrecke zum Einsatz.

50m-Komparator50m-Komparator

Die geodätische Basis ist ein Komparator zur Kalibrierung von Maßverkörperungen und Längenmesssystemen bis zu einer Länge von 50 Metern. Der Komparator besteht aus einem Komparatorbett, auf dem Messbänder oder Maßstäbe aufgelegt werden können und einem auf dem Komparatorbett fahrenden Messwagen.

Abb. 1: Ansicht der geodätischen Basis (50m-Komparator)

Die Längenmessung erfolgt mit einem HeNe-Laserinterferometer. Anstelle eines üblicherweise in einem Interferometer verwendeten Tripelspiegels (drei Spiegel in Form einer Würfelecke) besteht der Reflektor aus drei Einzelspiegeln, die auf der Oberfläche eines gedachten Würfels liegen.

Eine zu prüfende Maßverkörperung (z.B. ein Messband) liegt im Zentrum des Reflektors auf der Messachse des Interferometers, wodurch Abbe-Fehler minimiert werden. Zur Kalibrierung von Messbändern und Maßstäben ist auf dem Messwagen je ein optisches und ein fotoelektrisches Mikroskop zur Erfassung der Strichpositionen angebracht.

Wesentlichen Einfluss auf die erreichbare Messunsicherheit haben der Brechungsindex der Luft und ggf. die Körpertemperatur des Messguts. Die Brechungsindex wird mit Hilfe der Edlen-Formel aus Lufttemperatur, -druck und -feuchte berechnet.

Zur Bestimmung der Umweltparameter werden folgende Sensoren eingesetz

  • 21 Lufttemperatursensoren im Abstand von 2,5 m auf dem Komparatorbett  (PT 100 - Thermometer)
  • 21 Materialtemperatursensoren im Abstand von 2,5 m auf dem Messband  (PT 100 - Thermometer)
  • ein Barometer zur Messung des Luftdrucks
  • ein Hygrometer zur Messung der relativen Luftfeuchte

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 Abb. 2: Eine Auswahl typischer Prüflinge auf dem 50m Komparator

Kalibriermöglichkeit für:

  • Messbänder (aufliegend): Messbänder werden auf dem Komparatorbett reibungsarm auf Rollen in Abstand von ca. 50 cm gelagert. Die erforderliche Spannkraft des Messbandes wird durch eine Masse vorgegeben, die über ein Stahlband und zwei Rollen angebracht wird. Bänder bis zu 50 m Länge können in einem Stück gemessen werden. Es besteht auch die Möglichkeit, längere Bänder in mehreren Teilstücken zu vermessen.
  • Strichmaßstäbe: Maßstäbe werden nach Entfernen der Auflagerollen für Messbänder üblicherweise auf ihre Bessel-Punkte aufgelegt. Da der Komparator für große Längen ausgerichtet ist, kann bei Maßstäben keine konkurrenzfähige Messunsicherheit geleistet werden.
  • Entfernungsmessgeräte: Bei Entfernungsmessgeräten sind zwei Typen zu unterscheiden. Viele Systeme arbeiten mit planen Reflektoren (spezielle Reflektorfolien oder einfach eine weiße Fläche), die aufgrund ihrer Größe oben auf dem Messschlitten befestigt werden müssen. Die Messachse liegt damit oberhalb der Messachse des Interferometers, was die Abbe-Fehler vergrößert. Einige Entfernungsmessgeräte arbeiten mit Tripelreflektoren, die zum Teil auf der Messachse des Interferometers angebracht werden können.
  • Laserinterferometer: Durch Einsetzen eines weiteren Messwagens mit einem großen (vollständigen) Tripelreflektor lassen sich Laserinterferometer kalibrieren. Durch Einsatz eines Wärmebads und einer Druckkammer kann das Komplettsystem aus Interferometer und Wetterstation über einen sinnvollen Bereich verschiedener äußerer Bedingungen kalibriert werden.

Weitergehende Details finden sich auch in dem Übersichtsartikel Opens internal link in current windowPTB-Mitteilungen 2/2010

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600m-Pfeilerstrecke

Zur Kalibrierung und Verifizierung von sowie der Forschung und Entwicklung an Längenmessmitteln mit Reichweiten über 50 m steht in der PTB eine 600 m Pfeilerstrecke zur Verfügung, die in den Jahren 2010 und 2011 mit einer aufwändigen Wetterüberwachung ausgestattet wurde.

Die Pfeilerstrecke befindet sich an der nördlichen Grenze des Geländes der PTB entlang eines Radwegs (Abb. 3). Sie wird gen Süden durch ein Waldstück und gen Norden durch den mit Laser-dichter Folie verblendeten Außenzaun begrenzt. Sie besteht aus acht Pfeilern, mit denen sich alle Distanzen zwischen 50 und 600 Metern in Schritten von 50 Metern darstellen lassen. Die Referenz‑Pfeilerdistanzen sind auf die SI-Definition des Meters rückführbar.


Abb. 3:  Erstes Teilstück der ausgebauten 600 m Pfeilerstrecke der PTB. 

Kritisch für eine Kalibrierung eines optischen Entfernungsmessers unter Freiluftbedingungen ist eine genaue Kenntnis der Umgebungsbedingungen, da diese die Brechzahl und somit die Skala dieser optischen Geräte definieren. Zur Ermittlung dieser Umgebungsbedingungen ist die Pfeilerstrecke mit einem dichten Netz an kalibrierten Umweltsensoren ausgestattet. So wird die Temperatur alle zehn Meter in Strahlhöhe, die Luftfeuchte alle hundert Meter sowie der Luftdruck durch wenigstens zwei Barometer entlang der Strecke ermittelt. Die Wetterdaten werden per Glasfaser simultan zur Messung zentral ausgelesen und die relevanten Effektivwerte bestimmt. Aus der ermittelten Standardabweichung lassen sich Rückschlüsse auf die konkret an diesem Tag erreichbare Messunsicherheit ziehen. Die Kontrolle erfolgt über ein einfach zu steuerndes Computerprogramm (vgl. Abb. 4), das per Laptop auf der ganzen Strecke kontrolliert werden kann.


Abb. 4:  Screenshot der Wetterstation der 600m Pfeilerstrecke. 

Für Forschungs- und Entwicklungszwecke steht ein klimatisiertes Außenlabor am ersten Pfeiler zur Verfügung (Abb. 5). Auf dem gesamten Gelände kann ein Laserschutz der Klasse 4 aufrechterhalten werden.


Abb. 5:  Außen- und Innenansicht auf das klimatisierte Außenlabor am Nullpfeiler.

Bei der Durchführung von Prüfungen gemäß des Festpunktfelderlasses und der Verwaltungsvorschrift zu Liegenschaftsvermessungen (LiegVermErlaß) arbeiten wir mit dem Institut für Geodäsie und Photogrammetrie der Opens external link in new windowTU Braunschweig zusammen.

Kalibrierung von Tastern

Auf Anfrage werden Kalibrierungen in spezieller Geometrie für Taster entwickelt und angeboten.

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