Messunsicherheiten als Basis der Konzeptionierung für das ... · Seite 6 Entwicklung einer...

Seite1 Berlin 15. März 2018 Messunsicherheitbetrachtung Kraft; Christian Buchner

Messunsicherheiten als Basis der Konzeptionierung für

das Verfahren der Darstellung der Kraft

Dipl. Ing. Dr. Christian Buchner MSc

BEV- Bundesamt für Eich- und

Vermessungswesen,

Wien

Basierend auf einer detaillierten Messunsicherheitsbetrachtung:

Entwicklung einer komplexen Apparatur zur

Maßverkörperung der SI-Einheit Newton

Seite 2

Kraftmessung erfolgt

relativ zu einer Referenz

Wozu ist die Kraft darzustellen?

Wie erfolgt Kraftmessung:

Berlin 15. März 2018 Messunsicherheitbetrachtung Kraft; Christian Buchner

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Referenz: Kraft- Bezugsnormal Die physikalische Einheit Newton darstellen um zu messen

Hierarchieschema Erdschwere

Hierarchieschema Masse

Luftdichte BIPM 1981/91

CIPM 2007

Bestimmung Erdschwere Kalibrierung Masse Nat

ion

ales

No

rmal

Hierarchieschema Länge

Hierarchieschema Frequenz

10 N Anlage

Bez

ugs

no

rmal

e

1 kN Anlage 10 kN Anlage 100 kN Anlage … kN Anlage

Kalibrierung Kraftmessgeräte

Kraftsensor bis 10 N

Geb

rau

sno

rmal

e,

Mes

sger

äte

erw. rel. Unsicherheit: ≤ 2∙10-5




Kraftsensor bis 1 kN



Kraftsensor bis … kN


Gegenüberstellung: Darstellung der Kraft Kraftmessungen

Gleichsetzung: zweite Newton´schen Gesetz Hook´sche Gesetz

F = m · a F = D · Δl Kalibriert,

Darstellung aus Masse, Länge und Zeit

Gemessen

F = D · Δl

Zugeordnet


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1

6

5

4

3

2 Joch

Kraftaufnehmer

Oberes Einspanngehänge

Zugmessbereich

Druckmessbereich

Grundrahmen

7 Unteres Einspanngehänge

4

2

3

1

10

7779

7

12

11

8

9

8 Lastgehänge

Belastungskörper

10 Gewichtskorb

5

6

11 Arbeitszylinder

12 Verspannzylinder

Bezugsnormale zur Darstellung der physikalischen Einheit Newton

Stand der Technik: Prinzip einer Totlastanlagen: F = m · a F = D · Δl

m·g

F

m·g

m·g m·g


Seite 5

Entwicklung einer neuartigen Referenzanlage zur Darstellung der

Kraft im BEV

Teil 1: Konzeptionierung eines Bezugsnormals der Kraft

• Analyse der Voraussetzungen und des Bedarfes

• prinzipielle Gestaltung der Referenz-Kraftanlage als Bezugnormal

• „Zerlegen“ des Grundkonzeptes in Einzelkomponenten

• Betrachtung der Einzelkomponenten auf Ihre zu erwartenden

Einflüsse /Unsicherheitsbeiträge

• Gegenüberstellung des Bedarfes mit den Einzelkomponenten und die

Entwicklung von Lösungen

• Konzeptionierung und Konstruktion der Referenz-Kraftanlage

Teil 2: Umsetzung und Validierung des Bezugsnormals

• Umsetzung des Anlagensystem

• Verifizierung des Anlagensystems während der Umsetzung

• Validierung des Anlagensystems - Wissenschaftliche Vergleichsmessungen


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Entwicklung einer neuartigen Referenzanlage zur Darstellung der

Kraft im BEV

Teil 1: Konzeptionierung eines nationalen Bezugsnormals der Kraft

• Analyse der Voraussetzungen und des Bedarfes

• prinzipielle Gestaltung der Referenz-Kraftanlage als Bezugnormal

• „Zerlegen“ des Grundkonzeptes in Einzelkomponenten

• Betrachtung der Einzelkomponenten auf Ihre zu erwartenden

Unsicherheitsbeiträge

• Gegenüberstellung des Bedarfes mit den Einzelkomponenten und die

Entwicklung von Lösungen

• Konzeptionierung und Konstruktion der Referenz-Kraftanlage

Teil 2: Umsetzung und Validierung des nationalen Bezugsnormals

• Umsetzung des Anlagensystem

• Verifizierung des Anlagensystems während der Umsetzung

• Validierung des Anlagensystems - Wissenschaftliche Vergleichsmessungen

Was bedeutet das?

• Das Ergebnis (Genauigkeit) ist vorgegeben: U= 2·10-5, k=2

• die Methode ist vorgegeben: Totlastanlage,

• der Bedarf ist vorgegeben: 10 N bis 250 kN als Totlastanlage,

• die Voraussetzungen sind vorgegeben: Infrastruktur

• Konzeption von Einzel-Teilen deren Beiträge und Ausführungen

in Summe die Gesamtleistung erbringen

• Abschätzung und Simulation jedes Messunsicherheitsbeitrages

von jedem Bauteil und jeden Prozess-Schrittes


Seite 7

Bedarf und Voraussetzung für ein Totlastanlagensystem

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 realisierbare Laststufen in kN

5 MN-K-NME

2 MN-K-NME

1 MN-K-NME

100 kN-K-NME

20 kN-K-NME

2 kN-K-NME

200 N-K-NME

Forderung des BEV 2013: Ein Totlastanlagensystem:

• Messbereich 10 N bis 5 MN ( 250 kN als Totlastanlage);

• erweiterte relative Messunsicherheit U= 2·10-5 bei k=2 Stand der Technik: mehrere Totlastanlagen über den Messbereich Entsprechende Infrastruktur vorausgesetzt Voraussetzung im BEV: Verfügbare Laborfläche: ein Raum, 65 m2

Sehr überschaubares Budget


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Auswirkung auf die Entwicklung

eines nationalen Bezugsnormals zur Darstellung der Kraft

Forderung: Totlastanlagensystem mit

Messbereich 10 N bis 250 kN, erweiterte rel. Messunsicherheit U= 2·10-5

Verfügbare Laborfläche 65 m2

Bedeutung: Stand der Technik: keine verfügbaren Systeme oder Lösungen

keine Änderungsmöglichkeit der Darstellungsmethode; m und g „fix“

Bedeutung für die Konzeptionierung:

Ausgehend von bekannten Systemen, Methoden entwickeln die:

• den Messbereich drastisch erweitern

• die Messgenauigkeit des Systems wesentlich erhöhen

• das Anlagenprinzip (Darstellungsverfahren) modifizieren

• ein alternatives Messverfahren bzw.

• einen alternativen Verfahrensablauf entwickeln

• die zu erwartenden Störgrößen/Messunsicherheitsbeiträge detailierter

erkennen, besser analysieren und in der Größe bestimmen bzw.

• die Störgrößen/Messunsicherheitsbeiträge möglichst konstruktiv zu

eliminieren (vermeiden), kompensieren und damit zu reduzieren

Bedeutung:


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Voraussetzung zur Validierung

eines nationalen Bezugsnormals zur Darstellung der Kraft

Durch die Entwicklung eines neuartigen Totlastanlagensystems:

keine anerkannten Verfahren, die die Prozessbeherrschung belegen.

Bedeutung für die Verifizierung und die Validierung:

Entwicklung eines Konzeptes zur Beweisführung für die Anerkennung

Folgerung für die Verifizierung:

• messtechnische Beurteilung der technischen Lösungen offenlegen sowie

• die Eignung von gesetzten Maßnahmen begründen

• Offenlegung der Messunsicherheitsbetrachtung nach anerkannter Methode

• Offenlegung des gesamten Messverfahrens und

• die Erbringung des Beleges der Gleichwertigkeit zu anerkannten Systemen

Folgerung für die Validierung:

• messtechnisches Nachweisverfahren der Tauglichkeit entwickeln und

erbringen

• durch Vergleichsmessungen für die metrologische Anerkennung zu sorgen

Bedeutung


Seite 10

Konzeptionierung der Darstellung der Kraft

Grundlegende Betrachtung der Einflussgrößen

Normalkraftmaschine:

Umgebungsbedingte Einflüsse

rea

lis

iert

e

Kra

ft

Zustandsgrößenänderung durch

Kraftaufbringung/ Messung

Hydraulik

Druckübersetzer

Rückwirkung

Rohrverluste

Temperaturänderung

Oberflächen Massen

Magnetische Eigenschaften

Verfahrenstechnische Komponenten

Gewichte Auflage

Handling

Zentrierung

Pendeln

Verzug

nicht planparallele Auflageflächen

Momentbeaufschlagung (Drehbewegung)

Thermischer Verzug

Sicherheitseinrichtungen

Gewichte Gehänge Wahl des Kraftbereiches

Messbereichsumfang

Leergewichts-Kompensation

Gegengewichte

Reibung Lager

Schwingungsdämpfung

Kriechverhalten

Pendelbewegung

Reibung

Krafthaltung

Verlauf der Krafthaltung

Konstruktion

Krafteinleitung

Steuertechnische

Einrichtungen

Sensoren

Messauflösung

Nullpunktabweichung Balken

Gewicht

Einspannteile

Erdbschwere

Gezeiten

Temperaturänderung

Wärmeabfuhr

Verformung

Deformationskorrektur

Rückstellkraft


Steifigkeit

Durchbiegung

Konvektionsströmungen

Störfelder (Magnetische Felder)

Höhenkorrektur der Erdbeschleunigung

Luftauftrieb Massen

Wasserhaut Massen

Verschmutzung Massen

Gravitation der Massen

Verformung

Temperaturänderung

Querkräfte

Trägerkonstruktion

Gewichte

Bediener

Krafthaltung

Koppelelemente

Exzentrizität der Krafteinbringung

ungleichmäßige Belastung

Verformung

Krafthaltung

Regelung


Viskosität Öl

Meniskus Öl

Messunsicherheitsrelevante Einflussgrößen der Kraftnormalanlagen bei der

Realisierung einer Kraft


Seite 11

Transfernormal

Langzeitstabilität Kalibrierschein Auflösung

Interpolationsabweichung

Umkehrspanne

Wiederholpräzision Vergleichspräzision (Rotation)

Temperaturänderung

Nullpunktabweichung

Kraftaufnehmer Anzeigegerät

Kontinuierliche Belastung im Dauerbetrieb

Einspannteile

Kalibrierschein

Langzeitstabilität

Temperaturänderung

Temperaturänderung

Temperaturänderung Temperaturänderung

Temperaturabweichung zur Kalibrierung

Kriechverhalten

Konstruktive Einflüsse

Verfahrenstechnische Einflüsse

Kriechverhalten

Langzeitstabilität

Umgebungsbedingte Einflüsse

Konvektionsströmungen Störfelder (Magnetische/ elektrostatische Felder) Gravitation der Massen Höhenkorrektur der Erdbeschleunigung Pendelbewegung Reibung

Luftauftrieb Massen Oberflächen Massen Wasserhaut Massen Verschmutzung Massen Erdbeschleunigung Gezeiten

Störkräfte durch ungleichmäßige Belastung, Exzentrizität der Krafteinbringung, nicht planparallele Auflageflächen Momentbeaufschlagung (Drehbewegung) Schwingungsdämpfung

Kontinuierlich wechselnde Belastung Normalkraftmaschine

Zustandsgrößenänderung durch Kraftaufbringung/ Messung

Verformung

Temperaturänderung

Gem

esse

ne

K

raft

Messunsicherheitsbeiträge bei der Ermittlung des

angezeigten Messwertes eines Kraftmessgerätes

Konzeptionierung der Darstellung der Kraft

Grundlegende Betrachtung der Einflussgrößen


Seite 12

Theorie der Kraftmessung:

F

FSt

FQ

FA

Kraftmesszelle

Kraftübertragung

Masse

F

FQ

FG

FA FSt

realisierte Kraft

FG

Konzeptionierung eines Bezugsnormals zur Darstellung der Kraft


Seite 13

F

FSt

FQ

FG

m

F G + FSt

S

h

F

FSt

FQ

FG

S

h

m

Δx

F

FSt

FQ

FG

m

S

h

F G + FSt F G + FSt

Δz

Fall 1 Fall 2 Fall 3

b

Theorie der Kraftmessung: Ursache von Querkräften



Seite 14

Theorie der Kraftmessung:

F´ FDef

FRS

FQ

FQS

gemessene Kraft

tatsächlich gemessene Auswirkung

ΔL

F

FSt

FQ

FA

Kraftmesszelle

Kraftübertragung

Masse

F

FQ

FG

FA FSt

realisierte Kraft

FG



Seite 15

Größe F m WA VG rL g FSt FQ

an

ge

no

m

me

ne

La

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fiktive

s

Erg

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Rech

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Gre

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Wert

200 kN

20000,0 kg 2,918 kg 2,5157 m3 1,16 kg/m³ 9,80841262 m/s² 0 N 0 N

Standardmessunsicherheit 0,0106 kg 0,00617 kg 0,005 m3 0,000837 kg/m³ 5,77·10-6 m/s² 1,99 N 5,77 N

Freiheitsgrad 50 50

Sensitivitätskoeffizienz 9,8 -11 -25 20000 1,0 0,0

Unsicherheitsbeitrag 0,10 N -0,057 N -0,021 N 0,12 N 2,0 N 0,0

berechnetes Ergebnis 196,1396 kN Unsicherheit

(u) = 2,00 N

sich ergebende, erweiterte Messunsicherheit U = ± 4 N

Relative erweiterte Messunsicherheit W = ±2,0•10-5

Wert

20 kN

2000,0 kg 0,2918 kg 0,25157 m3 1,16 kg/m³ 9,80841262 m/s² 0 N 0 N


Freiheitsgrad 50 50

Sensitivitätskoeffizienz 9,8 -11 -2,5 2000 1,0 0,0

Unsicherheitsbeitrag 0,017 N -0,0057 N -0,0021 N 0,012 N 0,20 N 0,0 N


(u) = 0,197 N

sich ergebende, erweiterte Messunsicherheit U = ± 0,4 N


Wert

2 kN

20,0 kg 0,02918 kg 0,025157 m3 1,16 kg/m³ 9,80841262 m/s² 0 N 0 N

Standardmessunsicherheit 0,0004 kg 0,000118 kg 0,0001 m3 ±0,00837 kg/m³ 5,77·10-6 m/s² 0,0191 N 2,89 N

Freiheitsgrad 50 50

Sensitivitätskoeffizienz 9,8 -11 -2,5 200 1 0

Unsicherheitsbeitrag 0,0039 N -0,0011 N -0,00021 N 0,0012 N 0,019 N 0 N


(u) = 0,0195 N



Wert

200 N

20,0 kg 0,02918 kg 0,002516 m3 1,16 kg/m³ 9,80841262 m/s² 0 N 0 N


Freiheitsgrad 50 50


Unsicherheitsbeitrag 0,00039 N -0,00057 N -0,000021 N 0,00012 N 0,0018 N 0,0 N

berechnetes Ergebnis 19,6136

N

Unsicherheit

(u) = 0,00198 N



Wert

20 N

2,0 kg 0,02918 kg 0,0002516 m3 1,16 kg/m³ 9,80841262 m/s² 0 N 0 N


Freiheitsgrad 50 50


Unsicherheitsbeitrag 0,000049N -0,00011 N -0,0000021 N 0,000012 N 0,00015 N 0,0 N

berechnetes Ergebnis 1,9614

N

Unsicherheit

(u) 0,000195 N



GUM-Work-Bench: erw. relative Messunsicherheit gefordert U= 2·10-5

Konzeptionierung eines Bezugsnormals zur Darstellung der Kraft Analyse des Messbereich 10 N bis 250 kN


Seite 16

Messumfang 20 N bis 250 kN;

erweiterte relative Messunsicherheit: gefordert U= 2·10-5 bei k=2

0

1

2

3

4

F m WA VG rL g FSt FQ

Un

sich

erh

eit

sbe

itra

g [

N]

Einflussgröße

200 kN-Laststufe

0

0,1

0,2

0,3

0,4


Un

sich

erh

eit

sbe

itra

g [

N]

Einflussgröße

20 kN-Laststufe

0

0,01

0,02

0,03

0,04


Un

sich

erh

eit

sbe

itra

g [

N]

Einflussgröße

2 kN-Laststufe

0

0,001

0,002

0,003

0,004


Un

sich

erh

eit

sbe

itra

g [

N]

Einflussgröße

200 N-Laststufe

0

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004


Un

sich

erh

eit

sbe

itra

g [

N]

Einflussgröße

20 N-Laststufe

Messbereich:

kleinste Masse: 2 kg

größte Masse: 25000 kg

Messunsicherheit: für U= 2·10-5

Unsicherheitsbeitrag Max. 0,4 mN

Konstruktion: FSt max= 0,15 mN

Fazit:

Gehängekonstruktion für 25t:< 2kg

Streubereich der Wägewerte < 15 mg


Unsicherheitsbeiträge bei kleiner werdenden Laststufen im Vergleich

mit der max. zulässigen relativen Unsicherheit Änderung des Konzeptes: kleinsten Massen alternativ darstellen


Seite 17

F

FSt

FQ

FA Gehä

FG

Kraftmesszelle

Kraftübertragung

Masse m

F

ΣFQ

FG

ΣFA ΣFSt

F´ FDef

ΣFStör gemessene Kraft

realisierte Kraft

tatsächlich gemessene Auswirkung

ΔL

FQ C

FSt C FQ D

FSt D

F (mGeGew) F(mGehä)

F mGehä F mGeGew

FA Gehä

Konzeptionierung eines nationalen Bezugsnormals zur Darstellung

der physikalischen Einheit Newton

Messbereichserweiterung:

Kompensierung der Gehängemasse Balkenwaage

F


5

6 Justagebehälter

Biegelager seitlich

1

4

3

2 Zentrales Biegelager

Querhaupt

Ausgleichsgewicht

Waagebalken

2 153

4

6

5

1

6

5

4

3

2 Gehängestangen

Kraftaufnehmer Steuerung

Querhaupt- Krafthaltung

Koppelstelle Hebesystem

Montageflansch

Querhaupt

7 Verstrebung

9

8 Belastungskörper 50 N bis 100 kN

Querhaupt- Anbindung 50 N bis 1 kN

10 Schwingungsdämpfer

11 Gehängestange 50 N bis 1 kN

5

3

1

4

2

7

11

9

10

6

8

Seite 18

0

1

2

3

4

5

F m

WA

VG V0 rL g

FD

A

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FS

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Uns

iche

rhei

tsbe

itra

g [N

]

Einflussgröße

200 kN-Laststufe auf der 250 kN-Anlage

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

F m

WA

VG V0 rL g

FD

A

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VG

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g [N

]

Einflussgröße


0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

F m

WA

VG V0 rL g

FD

A

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VG

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t

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iche

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tsbe

itra

g [N

]

Einflussgröße

2 kN-Laststufe auf der 250kN-Anlage

0

0,002

0,004

0,006

0,008

F m

WA

VG V0 rL g

FD

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t

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Uns

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rhei

tsbe

itra

g [N

]

Einflussgröße

200 N-Laststufe auf der 250 kN-Anlage

0

0,002

0,004

0,006

0,008

F m

WA

VG V0 rL g

FD

A

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Uns

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rhei

tsbe

itra

g [N

]

Einflussgröße


Grenzwert W = 2 · 10-5





Mit Massenkompensation des Gehänges: Umsetzung / GUM- Betrachtung


Masse der

Gehängekonstruktion:

1300 kg, Sensitivität des

Balkensystem: 2g

ausgeglichener Zustand: 0 kg

Messbereich:



Messunsicherheit:

für U= 2·10-5

Unsicherheitsbeitrag Konstruktion: FSt max = 0,15 mN

Fazit:

Gehängekonstruktion effektiv für 25t: << 2kg

Unsicherheitsbeitrag Konstruktion: FSt max = 6 mN

Unsicherheitsbeiträge bei kleiner werdenden Laststufen im Vergleich

mit der max. zulässigen relativen Unsicherheit Änderung des Konzeptes: große Gehängemassen entfernen


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0

1

2

3

4

5

F m

WA

VG V0 rL g

FD

A

mG

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VG

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iche

rhei

tsbe

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Einflussgröße


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

F m

WA

VG V0 rL g

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A

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]

Einflussgröße


0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

F m

WA

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Uns

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g [N

]

Einflussgröße

2 kN-Laststufe auf der 250kN-Anlage

0

0,002

0,004

0,006

0,008

F m

WA

VG V0 rL g

FD

A

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]

Einflussgröße


0

0,002

0,004

0,006

0,008

F m

WA

VG V0 rL g

FD

A

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VG

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FS

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C

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p0 aV

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FS

t

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Uns

iche

rhei

tsbe

itra

g [N

]

Einflussgröße







Mit Massenkompensation des Gehänges: Umsetzung / GUM- Betrachtung


Masse der

Gehängekonstruktion:

1300 kg, Sensitivität des

Balkensystem: 2g

ausgeglichener Zustand:

0 kg

Messbereich:



Messunsicherheit:

für U= 2·10-5


Fazit:


Unsicherheitsbeitrag Konstruktion: FSt max = …….

Teilung des Messbereiches bei der Darstellung: 2kN (250kN-2kN; 2kN-10N)


Seite 20

Massenkompensation des Rahmens: Teilung des Messbereiches bei der

Darstellung: 2kN


Masse der

Gehängekonstruktion

50 kg

Sensitivität des

Balkensystem: 0,5 g

ausgeglichener Zustand: 0 kg

Messbereich:

kleinste Masse: 0,5 kg


Messunsicherheit: für U= 2·10-5


Fazit:



0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

F m

WA

VG

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sich

erh

eit

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g [

N]

Einflussgröße


0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

F m

WA

VG

V0 rL g

FD

A

mG

ehä

VG

ehä

rL3

g1

FS

tC

FQ

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t0

FS

t

FQ Z

Un

sich

erh

eit

sbe

itra

g [

N]

Einflussgröße


0

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

0,0005

F m

WA

VG

V0 rL g

FD

A

mG

ehä

VG

ehä

rL3

g1

FS

tC

FQ

C

mG

eG

ew

VG

eG

ew

ä

rL4

g2

FS

tD

FQ

D k p

p0

aV

t

t0

FS

t

FQ Z

Un

sich

erh

eit

sbe

itra

g [

N]

Einflussgröße


Grenzwert

W = 2 · 10-5

Grenzwert

W = 2 · 10-5

Grenzwert

W = 2 · 10-5

Messbereichserweiterung 10 N bis 250 kN durch Massenkompensation ist möglich

bei Teilung des Messbereiches bei der Darstellung in zwei Totlastanlagenbereiche


Seite 21

Ausgeglichenes System ohne

Belastung

FSt

Kraftmesszelle

Masse m

F (mGeGew) F(mGehä)

r l

Ausgelenktes System mit Belastung

F

realisierte Kraft

Frad

φ

FR

FR

FSt

FG

Masse m

F (mGeGew)

F(mGehä)

φ

FRv

Δl

Δl

r

l

Zusätzliche Störkräfte:

Prinzip der Rückstellkraft bei der Sensordeformation einer Totlastanlage mit Kompensation

der Gehängemasse:

Warum wurde bis dato die Massenkompensation des Gehänges nur ansatzweise

eingesetzt? Prozessanalyse! „Ein Messsystem ist nur beherrscht, wenn es während der Messung im messenden System

selbst zu keiner Veränderung kommt.“



Seite 22

Masse

Gehänge

[kg]

resultierende

Kraft

F [N]

Deformation

Auslenkung

Δl [mm]

Auslenk-

winkel

φ [ °]

Abstand

Drehpunkt

r [mm]

relevante

Balkenlänge

l [mm]

Rückstellkraft

FR [N]

Achsen-

Drehmoment

M [Nm]

Vertikale

Rückstellkraft

FRv [mN]

1000 10000 3 0,1719 3 1000 30 0,900 900

50 500 3 0,1719 3 500 1,5 0,045 90

Berechnete Beispielhafte Rückstellkräfte zweier Waagebalkenpositionen mit einer angenommenen

Auslenkung von 3 mm

FRv ist ein Teil von FSt

250 kN-Totlastanlage: FRv = 900 mN; FSt zul.= 14 mN

2 kN-Totlastanlage: FRv = 90mN; FSt zul.= 0,17 mN

Schlussfolgerung:

• die Kompensation der Gehängemasse ist zwingend notwendig

• die Verformung des Kraftsensors ist nicht zu vermeiden

• die Ursache der Störgröße kann nicht vermieden werden

• Daher ist die Auswirkung der Deformation des Kraftsensors

systematisch zu kompensieren (eleminieren der Störgröße)

Auswirkung der Massenkompensation des Rahmens Zusätzliche Störkräfte



Seite 23

Konzeptionierung des nationalen Bezugsnormals zur Darstellung

der Kraft

Lasermesssystem : Die Messauflösung:10 mm.

Kugelumlaufspindeln: Hubauflösung: bei der 2 kN-Totlastanlage: 2 mm,

bei der 250 kN-Totlastanlage: 6 mm.

Störkraft: bei der 2 kN-Anlage: < 0,12 mN FSt zul.= 0,17 mN

bei der 250 kN-Anlage: <10 mN FSt zul.= 14 mN

Erhöhung der Messgenauigkeit:

Zusätzliche Störkräfte durch Verformung Kompensation der Verformung


Seite 24

Verifizierung des nationalen Bezugsnormals zur Darstellung der

Kraft

[N] [N]

[mm]

[mm]

Protokollierung des

Steuerprogrammes einer

Lastreduzierung eines

Zugtransfernormals

Rückstellkraft (Störkraft) bei der Auslenkung des Balkensystemes von 1,56 mm etwa

0,5 N (Unsicherheit des Sensors etwa U= 1·10-2)

Verformung unter Last 2000N : 1,556 mm;

Signal DMP40: 1,999352 mV/V

Deformationskorrektur auf Ausgangsstellung:

Signal DMP40: 1,999868 mV/V: D: ~ 0,0005 mV/V ≈ 0,5 N

Zusätzliche Störkräfte durch Verformung: Wirksamkeit der Kompensation der

Gehängemasse: Deformationskorrektur


Seite 25

Konzeptionierung eines nationalen Bezugsnormals zur Darstellung der

physikalischen Einheit Newton

Gehänge Masse [kg] Dichte [kg/m3] Volumen [m3] Masse verdrängte Luft [kg]

Kreuze Massiv 600,57096 7855,0 0,0764572 0,09060

Arbeitsbrücke 261,66660 7950,0 0,0329140 0,03900

Gestänge hohl 330,67043 5410,0 0,0611221 0,07243

Gewichtauflagen 2,34525 950,0 0,0024687 0,00293

Knotenelemente 139,53866 7900,0 0,0176631 0,02093

Justage Gewicht 0,00500 7900,0 0,0000006 0,00000

Summe 1334,79690 7002,2 0,1906257 0,22589

Massen mit Auftrieb 1334,57101 Wägewert [kg]

Gegengewicht Masse [kg] Dichte [kg/m3] Volumen [m3] Masse verdrängte Luft [kg]

Haltevorrichtung 132,30220 7900,0 0,0167471 0,01985

Gewichte 1117,95100 7890,0 0,1416921 0,16791

Justierkammer 78,85353 7850,0 0,0100450 0,01190

Justage: Blei 5,66452 11342,0 0,0004994 0,00059

Summe 1334,77125 7898,8 0,1689837 0,20025


Differenz Wägewerte (Massenscheiben mit Auftrieb) [g]: 0,0000

aktuelle Luftdichte [kg/m3]: 1,19

g aktuell (in 2,25 m) [m/s2]: 9,808412623 Ausgleichskraft [N]: 0,0000

Wägewertdifferenz sowie Ausgleichskraft bei der 250 kN-Totlastanlage und geänderter Luftdichte

Erhöhung der Messgenauigkeit: Kompensation von Umgebungseinflüssen:

Änderung der Luftdichte

(DLuftdruck 20 mbar↑)


Kreuze Massiv 600,57096 7855,0 0,0764572 0,08793

Arbeitsbrücke 261,66660 7950,0 0,0329140 0,03785

Gestänge hohl 330,67043 5410,0 0,0611221 0,07029


Knotenelemente 139,53866 7900,0 0,0176631 0,02031

Justagegewicht 0,00500 7900,0 0,0000006 0,00000

Summe 1334,79690 7002,2 0,1906257 0,21922




Gewichte 1117,95100 7890,0 0,1416921 0,16295

Justierkammer 78,85353 7850,0 0,0100450 0,01155

Justage: Blei 5,66452 11342,0 0,0004994 0,00057

Summe 1334,77125 7898,8 0,1689837 0,19433



zu grundeliegende aktuelle Luftdichte [kg/m3]: 1,15

g aktuell (in 2,25 m) [m/s2]: 9,808412623 Ausgleichskraft [N]: 0,0074 FSt zul.= 14 mN



Kreuze Massiv 600,57096 7855,0 0,0764572 0,08793

Arbeitsbrücke 261,66660 7950,0 0,0329140 0,03785

Gestänge hohl 330,67043 5410,0 0,0611221 0,07029


Knotenelemente 139,53866 7900,0 0,0176631 0,02031

Justagegewicht 0,00500 7900,0 0,0000006 0,00000

Summe 1334,79690 7002,2 0,1906257 0,21922




Gewichte 1117,95100 7890,0 0,1416921 0,16295

Justierkammer 78,85353 7850,0 0,0100450 0,01155

Justage: Blei 5,66452 11342,0 0,0004994 0,00057

Summe 1334,77125 7898,8 0,1689837 0,19433





Seite 26

Konzeptionierung eines nationalen Bezugsnormals zur Darstellung der

physikalischen Einheit Newton


Kreuze Massiv 600,570958 7855,0 0,0764572 0,08793

Arbeitsbrücke 261,666600 7950,0 0,0329140 0,03785

Gestänge hohl - offen 330,670426 7920,0 0,0417513 0,04801


Knotenelemente 139,538663 7900,0 0,0176631 0,02031

Justagegewicht 0,005000 7900,0 0,0000006 0,00000

Summe 1334,79690 7794,2 0,1712549 0,19694




Gewichte 1114,951000 7890,0 0,1413119 0,16251

Justierkammer 78,853530 7850,0 0,0100450 0,01155

Gegengewicht Alu 8,000000 2710,0 0,0029520 0,00339

Justage: Blei 0,690004 11342,0 0,0000608 0,00007

Summe 1334,79673 7800,5 0,1711169 0,19678





Wägewertdifferenz mit angeglichenen Materialdichten und Rückstellkraft der 250 kN-Kraftanlage bei

einer Endluftdichte von 1,15 kg/m

Erhöhung der Messgenauigkeit: Kompensation von Umgebungseinflüssen


Seite 27

Konzeptionierung eines nationalen Bezugsnormals der Kraft

Alternative Anlagengestaltung

a)ausgeglichen b) Druck c) ausgeglichen

X

d) Zug e) ausgeglichen f) Zug und Druck

7

6

3

21

5

1

4

1

7

6

5

4

3

2 Spannhülse

Kugel

Kugelpfannen

Griff

Adapterbolzen

Adapterplatte

Grundplatte


Seite 28

Verringerung der Messunsicherheit:

Möglichkeit der Rekalibrierbarkeit der Massen

Konzeptionierung eines nationalen Bezugsnormals der Kraft

Alternativer Weg


Seite 29

Validierung des nationalen Bezugsnormals zur Darstellung der

Kraft

Sensitivität des Waagensystems

Überprüfung des Pendelverhaltens mit

induktiven Wegaufnehmern


Seite 30

Validierung des nationalen Bezugsnormals zur Darstellung der

Kraft

Messanordnung der Verformungsbestimmung der Arbeitsbrücke und

aufgezeichnete Abweichung der Verformung


Seite 31

0

0,5

1

1,5

2F m

m0

m1

m2

m3

m4

WA

VG

V0

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FD

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t2

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t3

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t4

FS

t5

FS

t6

FS

t7

FS

t8

FS

t9

FS

t10

FS

t11

FS

t12

FS

t13

FS

t14

FS

t15

FS

t16

FQ Z

rela

tiver

Uns

iche

rhei

tsbe

itrag

[10-5

]

Einflussgröße

250kN-AnlageLast 200kN

Last 20kN

Last 2kN

0

0,5

1

1,5

2

F m

m0

m1

m2

m3

m4

WA

VG

V0 rL g

FD

A

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VG

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FS

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FS

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FQ

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FS

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FS

t1

FS

t2

FS

t3

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t4

FS

t5

FS

t6

FS

t7

FS

t8

FS

t9

FS

t10

FS

t11

FS

t12

FS

t13

FS

t14

FS

t15

FS

t16

FQ Z

rela

tive

r U

nsi

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hei

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eitr

ag [

10-5

]

Einflussgröße

2kN-Anlage Last 2kN

Last 200N

Last 20N

Relative Unsicherheit und deren Anteile für je drei Laststufen bis 2 kN

Relative Unsicherheit und deren Anteile für je drei Laststufen bis 250 kN

Validierung des nationalen Bezugsnormals zur Darstellung der Kraft

Ergebnis alternativer Anlagengestaltung


Seite 32

-5,0E-05

-4,0E-05

-3,0E-05

-2,0E-05

-1,0E-05

0,0E+00

1,0E-05

2,0E-05

3,0E-05

4,0E-05

5,0E-05

5 50 500 5000

rela

tive A

bw

eic

hu

ng

zu

m R

efe

ren

zwert

realisierte Laststufen [N]

rel. Abweichung Kraftanlage BEV zum PTB-Referenzwert 5 N - 2000 N D 50 N PTB

D 100 N PTB

D 200 N PTB

D 500 N PTB

D 1000 N PTB

D 2000 N PTB

D 50 N BEV

D 100 BEV

D 200 N BEV

D 500 N BEV

D 1000 N BEV

D 2000 N BEV

+U Referenz

-U Referenz

-5,0E-05

-4,0E-05

-3,0E-05

-2,0E-05

-1,0E-05

0,0E+00

1,0E-05

2,0E-05

3,0E-05

4,0E-05

5,0E-05

1 10 100 1000

rela

tive A

bw

eic

hu

ng

zu

m R

efe

ren

zwert

realisierte Laststufe [kN]

rel. Abweichung Kraftanlage BEV zum PTB-Referenzwert 5 kN bis 250 kN D 5 kN PTB

D 10 kN PTB

D 20 kN PTB

D 50 kN PTB

D 100 kN PTB

D 250 kN PTB

D 5 kN BEV

D 10 kN BEV

D 20 kN BEV

D 50 kN BEV

D 100 kN BEV

D 250 kN BEV

+U Referenz

-U Referenz

Validierung des nationalen Bezugsnormals zur Darstellung der Kraft

Ergebnis


Seite 33


0

5

10

15

20

Kal

ibri

er-

kraf

t

Ver

glei

chs-

p

räzi

sio

n

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Tem

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atu

r

Inte

rpo

lati

on

Un

sich

erh

eits

ante

ile u

i in

[N]

mittlere Verteilung der Einflussgrößen der Unsicherheit

auf das Kalibrierergebnis bei einem 200kN-Kraftsensor

Betrachtung der Unsicherheitsfaktoren von Kraftaufnehmern

Folgerung: möglichste Elimination der Einflüsse des Kraftsensors bei der

Kraftbewertung


Vollautomatische Totlastanlage bis 250 kN

Realisiert in 2 Stufen :

2 kN in 5N Schritten und

250 kN in 50 N Schritten

Gekoppelt an hydraulische Maschinen bis

5MN

Realisierung: Kooperationsprojekt:

Implementierung und internationale

Anerkennung:

Kooperation:

Entwicklung und Umsetzung eines neuen Konzeptes zur Darstellung der

Kraft als nationales Normal in Österreich

Realisation:


Christian Buchner

[email protected]

Danke für Ihre

Aufmerksamkeit

Entwicklung und Umsetzung eines neuen Konzeptes zur Darstellung der

Kraft als nationales Normal in Österreich


Messunsicherheiten als Basis der Konzeptionierung für das ... · Seite 6 Entwicklung einer...

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