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Erster Ringvergleich eines Autokollimators abgeschlossen (Key Comparison EURAMET.L-K3.2009)

06.12.2017

Die PTB hat als Pilotlabor den weltweit ersten internationalen Maßvergleich mit einem Autokollimator (AK) als Transfernormal durchgeführt und abgeschlossen. AK ermöglichen die berührungslose Messung der Neigungswinkel optischer Flächen und werden vielfältig in der optischen Präzisionsmesstechnik und im Maschinenbau eingesetzt.

Der Maßvergleich wurde zusammen mit der European Association of National Metrology Institutes (EURAMET) unter der EURAMET-Projektnummer 1074 durchgeführt und beim Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) registriert (Key Comparison EURAMET.L-K3.2009). An dem Vergleich haben insgesamt 27 Partner teilgenommen, wovon 25 ihn bis zum Ende durchgeführt haben. Dabei handelte es sich um Metrologieinstitute aus dem europäischen EURAMET-Verbund und dem Asia Pacific Metrology Programme (APMP). Das Transfernormal, ein AK Typ „Elcomat 3000“, wurde vom Hersteller Möller-Wedel Optical für die Vergleichsmessung zur Verfügung gestellt.

Langjährige Erfahrungen bei der Kalibrierung von AK in der PTB zeigen, dass vergleichbare Messergebnisse nur unter gleichen Messbedingungen zu erreichen sind. Hierzu gehören u. a. die Reflektivität und die Größe der angetasteten optischen Fläche (bzw. die Größe der verwendeten AK-Messapertur), sowie der Abstand zwischen AK und Fläche. Aus diesem Grund war es notwendig, die Messbedingungen in einem technischen Protokoll detailliert zu definieren.

Zur Überwachung der über 40 Transporte wurde am AK ein Datenlogger befestigt, mit dem die Transportbedingungen (Temperatur, Luftdruck und -feuchte, sowie die Beschleunigungen in drei Achsen) aufgezeichnet wurden. Aufgrund der hohen Anzahl an Teilnehmern und der damit verbundenen langen Laufzeit des Vergleichs war ein umfangreiches Monitoring der Stabilität des Autokollimators im Pilotlabor notwendig. Ein visuell nicht sichtbarer Transportschaden, der zu Beginn des Maßvergleichs aufgetreten war, konnte aufgrund dieser Messungen zeitnah identifiziert werden. Nach der Reparatur des AK wurde der Vergleich fortgesetzt und der reparierte AK in der Datenauswertung als neues, unabhängiges Transfernormal interpretiert.

Die Teilnehmer realisierten die Messungen des Autokollimators mit zum Teil sehr unterschiedlichen Messverfahren. Am häufigsten wurden die Teilung des Vollkreises (klassische Winkelencoder, wie der Primärwinkelstandard WMT 220 der PTB) und die Winkeldefinition über das Verhältnis zweier Längenmessungen (Sinuslineal, Winkelinterferometer) angewendet.

Der Maßvergleich wurde auf Vorschlag des Pilotlabors in zwei unterschiedlichen Messbereichen und -schritten durchgeführt, über den Gesamtmessbereich des AK (MB1: ± 1000 Winkelsekunden) und in einem zentralen Teilmessbereich (MB2: ± 10 Winkelsekunden). Als Gesamtergebnis für den Vergleich kann zusammengefasst werden, dass im Messbereich MB1 von 25 Teilnehmern 22 das Kriterium EN-Werte < 1 eingehalten haben und im Messbereich MB2 von 21 Teilnehmern 19 (nicht alle Teilnehmer haben im MB2 gemessen).

Der Vergleich diente der Evaluierung der Kalibriermöglichkeiten der Teilnehmer und hat neue Erkenntnisse zu den Einflüssen veränderlicher Umweltbedingungen auf die Winkelmessung mit AK erzielt. Insbesondere stellte sich heraus, dass der Einfluss von Änderungen der Luftbrechzahl auf die Winkelmessung mit AK nicht mehr vernachlässigbar ist. Dabei ist insbesondere der dominante Einfluss des Luftdrucks hervorzuheben, welcher nicht nur natürlichen Schwankungen durch das Wettergeschehen unterworfen ist, sondern auch höhenabhängig ist (siehe Nachricht „Luftdruck – ein unterschätzter Einflussfaktor in der Winkelmessung mit Autokollimatoren“). Beide Einflussgrößen mussten bei der Auswertung des Maßvergleichs berücksichtigt werden. Die PTB und das CMI, Tschechien, haben hierfür geeignete Strategien entwickelt, sowohl die Korrektur der Messergebnisse als auch die Evaluierung der Messunsicherheiten betreffend [1].

So variiert die Höhe der Teilnehmer über dem Meeresspiegel zwischen -2 m und 712 m. Dadurch entstehen Druckdifferenzen von 89 hPa. Wetterbedingte Druckschwankungen sind in Nordeuropa von gleicher Größenordnung. So zeigen Langzeitmessungen von Umweltparametern im Reinraumzentrum der PTB (Braunschweig, Deutschland) im Abstand von 5 min über eine Dekade (2006 - 2016) Luftdruckvariationen von 84 hPa. Für den im Maßvergleich verwendeten AK resultiert daraus am Rande des Messbereichs ( ± 1000 Winkelsekunden) ein Fehler in der Winkelmessung von jeweils ± 0,07 Winkelsekunden multipliziert mit D/f0, wobei D die Distanz des AK zum Reflektor darstellt und f0 = 300 mm die Brennweite des AK ist.

Literatur

[1] Ralf D. Geckeler, Petr Křen, Andreas Just, Matthias Schumann, and Michael Krause (2017), Influence of the air’s refractive index on precision angle metrology with autocollimators, Measurement Science and Technology, submitted