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Software-Werkzeuge für die Berechnung von Messunsicherheiten bei der Kraftmessung

15.08.2016

Höhenrekorde bei Gebäuden und Windenergieanlagen, Längenrekorde bei Brücken – immer häufiger werden steigende Anforderungen an die Belastbarkeit von Baumaterialien gestellt. Das ist auch eine Herausforderung für die Materialprüfung, bei der zuweilen Kräfte im zweistelligen Meganewtonbereich auftreten. Die Anlagen, die solche Kräfte erzeugen, müssen rückgeführt und kalibriert werden. Im Fachbereich Festkörpermechanik sind deshalb Methoden zur besseren Rückführung der Kraftmessung, insbesondere im Meganewton-Bereich, entwickelt und untersucht worden. Die Arbeiten fanden im Rahmen des Europäischen Metrologie-Forschungsprogramms EMRP unter dem Thema „SI Broader Scope II“ (Projekt SIB63) statt und die Ergebnisse sind online verfügbar.

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden Methoden der Rückführung im erweiterten Messbereich, unter anderem mit Hilfe von Build-Up-Systemen und Extrapolationen, aber auch Verfahren zur Berechnung von Korrekturen für verschiedene Einflussgrößen und die zugehörigen Messunsicherheiten entwickelt. Dabei wurden die Einflussgrößen unterteilt in
-    Geometrische (in Build-up-Systemen, Exzentrizität)
-    Mechanische (Dreh- und Biegemomente, Querkräfte, Mehrkomponentenbelastungen)
-    Zeitabhängige (Kriechen, Lagerung, Drift)
-    Elektrische (Speisespannung) und
-    Umwelteinflüsse (Temperatur, relative Feuchte und Druck der umgebenden Luft).
Es stellte sich heraus, dass die meisten Effekte mit Hilfe sehr ähnlicher Modelle beschrieben werden können. Daraus leiten sich Verfahren ab, nach denen die Einflüsse messtechnisch zu berücksichtigen sind. Wenn der Effekt bekannt und reproduzierbar ist, kann in der Regel ein besseres Ergebnis berechnet werden. Zusätzlich ist es möglich, dem neuen Ergebnis eine Messunsicherheit beizuordnen, die nach Standardverfahren bestimmt werden kann.

Um dem Anwender die Nutzung dieser Ergebnisse mit wenig Einarbeitungs- und Schulungsaufwand zu ermöglichen, wurden im Projekt Werkzeuge entwickelt, mit deren Hilfe es möglich ist, die Berechnungen online oder offline durchzuführen. Zu diesem Zweck haben die Projektpartner entsprechende Eingabemasken entwickelt (Bild 1), in die alle zur Berechnung benötigten Werte in die weißen Felder einzutragen sind. Über die Schaltfläche „Evaluation“ wird die Berechnung angestoßen. Die Ergebnisse erscheinen in den farblich hinterlegten Feldern und umfassen neben den korrigierten Werten deren Messunsicherheiten, die zur Gesamtmessunsicherheit beitragenden Anteile als Varianzen in absteigender Reihenfolge sowie eine Erläuterung. Mit Hilfe der Schaltfläche „Reset“ werden die Ergebnisse ausgeblendet, wobei die Ausgangsdaten erhalten bleiben. Es ist leicht möglich, einen Zahlenwert zu ändern und die Berechnung erneut durchzuführen.

 

Bild 1: Beispiel der Berechnung eines korrigierten Messwertes (Result) mit beigeordneter Messunsicherheit,
Einzelbeiträgen (Variance) und Erläuterung

Für Berechnungen, die ohne Zugriff auf den Browser und das Internet durchgeführt werden sollen, kann auch eine Excel-Datei heruntergeladen werden, die im Wesentlichen denselben Zweck erfüllt und einen vergleichbaren Funktionsumfang aufweist.

 

Literatur:

[1] Website des EMRP SIB63 Projekts: Opens external link in new windowhttp://www.ptb.de/emrp/forcemetrology.html

 

Ansprechpartner:

Dirk Röske, FB 1.2, AG 1.21, E-Mail: Opens window for sending emaildirk.roeske(at)ptb.de

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