Frank Härtig

Article Mit Intelligenz von der Messung zur Information – VDI-Zukunftsforum in Ettlingen – was published on November 24, 2023 in the journal tm - Technisches Messen (volume 0, issue 0).

Zusammenfassung: Mit dem Kompetenzzentrum für Windenergie (CCW) hat die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) eine Infrastruktur zur hochgenauen Messung großer dreidimensionaler Bauteile mit Abmaßen bis 5 m × 4 m × 2 m sowie großer Drehmomente bis 5 MN⋅m geschaffen. Die Drehmomenten-Normalmesseinrichtung ist bereits für die Erzeugung und Messung von Drehmomenten bis 20 MN⋅m ausgelegt. Zusätzlich verfügt das CCW über eine Einrichtung, mit der sich Wind-LIDAR-Systeme quantitativ erfassen lassen. Diese Messeinrichtungen mit ihren zugehörigen Messverfahren sind in ihrer Messgenauigkeit weltweit bisher unerreicht. Wie sich heute zeigt, zahlt es sich aus, dass die PTB bereits vor der Energiewende mit diesen Entwicklungen begonnen hat, um auf die bestehenden messtechnischen Herausforderungen Antworten auf die wirtschaftlichen, politischen und gesellschaftlichen Fragen zu geben. Alle drei Messverfahren werden in diesem Beitrag zusammenfassend angesprochen. Ausführliche Erläuterungen finden sich in weiteren Beiträgen dieser Ausgabe.

Zusammenfassung: Koordinatenmessgeräte (KMG) sind universell einsetzbare Längenmessgeräte zur Erfassung dreidimensionaler Objekte. Bei einer Messung unterliegen die einzelnen Messpunkte individuellen Einflüssen, die zur Messunsicherheit der Messergebnisse beitragen. Sind alle signifikanten Einflüsse erfasst, kann ein Messprozess mit dem sogenannten Virtuellen Koordinatenmessgerät (VCMM) vollständig simuliert werden. Ein wesentliches Ziel des VCMM ist die automatische Berechnung eines Messergebnisses unter Angabe eines Messwertes und seiner zugehörigen Messunsicherheit. Dies ist insbesondere für die noch in der Entwicklung befindlichen Rückführung für dimensionelle Messaufgaben an Großbauteilen für die Windenergie von Bedeutung, da materielle Normale in der erforderlichen Größe oftmals nicht zur Verfügung stehen. Für derart neue metrologische Herausforderungen werden Digitale Metrologische Zwillinge (D-MT), die wie das VCMM einen Messprozess vollständig abbilden, von zentraler Bedeutung. Dieser Beitrag beschreibt erstmalig die Definition für einen D-MT und die daraus resultierenden grundlegenden Anforderungen. An Messaufgaben wird gezeigt, welche Kriterien für vertrauenswürdige Eingangsdaten eines D-MT erfüllt sein müssen. Darüber hinaus wird auf die wichtige Unterscheidung zwischen systematisch bekannten, systematisch unbekannten und zufälligen Abweichungen eingegangen. Abschließend wird beschrieben, wie die zuverlässige Nutzung eines D-MT validiert und quantifiziert werden kann.

Zusammenfassung Mit der ganzheitlichen Modellierung neuartiger Transferkörper aus monokristallinem Silizium wird die erforderliche Basis für hochgenaue Kalibrierungen von Massenormalen mit einer Nennmasse von einem Kilogramm unter atmosphärischen Bedingungen geschaffen. Hergeleitet werden die grundlegenden Gleichungen für eine materialunabhängige Auslegung. Dabei werden alle signifikanten physikalischen Randbedingungen sowie die Voraussetzungen für eine nutzergerechte Handhabbarkeit berücksichtigt. Berechnet werden die Parameter für zwei Sorptionskörper, einen Duplexkörper, der sowohl als Sorptions- als auch Auftriebskörper eingesetzt werden kann, sowie zwei Auftriebskörper mit Hohlkammer oder Inlay.

A virtual experiment simulates a real measurement process by means of a numerical model. The numerical model produces virtual data whose properties reflect those of the data observed in the real experiment. In this work, we explore how the results of a virtual experiment can be employed in the context of uncertainty evaluation for a corresponding real experiment. The uncertainty evaluation was based on the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM), which defines the de facto standard for uncertainty evaluation in metrology. We show that, under specific assumptions about model structure and variance of the data, virtual experiments in combination with a Monte Carlo method lead to an uncertainty evaluation for the real experiment that is in line with Supplement 1 to the GUM. In the general case, a GUM-compliant uncertainty evaluation in the context of a real experiment can no longer be based on a corresponding virtual experiment in a simple way. Nevertheless, virtual experiments are still useful in order to increase the reliability of an uncertainty analysis. Simple generic examples as well the case study of a virtual coordinate measuring machine are presented to illustrate the treatment.

Article Frontmatter was published on December 1, 2021 in the journal tm - Technisches Messen (volume 88, issue 12).

Zusammenfassung Monte Carlo Verfahren eignen sich zur Bestimmung der Fertigungsgenauigkeit und Messunsicherheit für die Kalibrierung von Massenormalen unter Verwendung von Sorptions-, Duplex- und Auftriebskörpern, hier Transferkörper genannt. Bestimmt werden die aufgabenspezifischen Messunsicherheiten für die Messgrößen Masse, Oberfläche und Volumen. Die Eingangsgrößenen der Simulationen ergeben sich aus den vorgegebenen Fertigungstoleranzen sowie aus den Messunsicherheiten der verwendeten Längenmessgeräte. Das entwickelte Modell erlaubt es, die vorgestellten Transferkörper mit einem einheitlichen Ansatz nach den Vorgaben des GUM zu berechnen. Ergebnisse zu Transferkörpern aus Silizium mit einer Nennmasse von 1 kg werden vorgestellt und diskutiert.

A table-top version of a Kibble balance called Planck-Balance 1 (PB1) has been developed in a collaboration between the Physikalisch-Technische Bundesanstalt and the Technische Universität Ilmenau. It is aimed for calibrating E1 mass standards for a mass range from 1 mg to 1 kg. This paper gives a brief overview of the concept of the PB1, its measurement setup, and some initial measurements of the force mode and the velocity mode.

ZusammenfassungAm 20. Mai 2019 hat die Generalkonferenz für Maße und Gewichte die Definition zur Darstellung der Einheiten grundlegend erneut. Die Einheit Kilogramm des Internationalen Einheitensystems (SI) stand besonders im Fokus, da vermutet wurde, dass sich die Masse des Internationalen Kilogramm Prototyps (IPK) über die Zeit ändert. Wie auch andere SI-Einheiten wird das Kilogramm nun nicht mehr durch einen weltweit einzigen physikalischen Körper dargestellt, sondern über physikalische Konstante. Auswirkungen auf industrielle oder gesellschaftliche Anwendungen hat die neue Definition nicht, auch wenn sich die Genauigkeit der nationalen Massenormale etwas verschlechtert hat. Die Chancen liegen dagegen in der Vielfalt, mit der das Kilogramm künftig dargestellt werden kann. Grundlage für die neue Realisierung bilden derzeit zwei Experimente, die „Kibble-Waage“ (Kibble-Balance: KB) und die „X-Ray Crystal Density Method“ (XRCD-Methode). Letztere basiert auf Kugeln aus monokristallinem isotopenangereichertem Silizium. Systematische Abweichungen zwischen den beiden Experimenten zeigen, dass eine dreistufige Übergangsphase notwendig ist, um die grundlegende Stabilität für die Weitergabe der Größe Masse zu gewährleisten. Der IPK und ein sogenannter Consensus Value (CV) spielen dabei eine besondere Rolle. Die gute Handhabbarkeit und Stabilität von Silizium haben dazu geführt, dass die in der XRCD-Methode verwendeten Siliziumkugeln in ihrer natürlichen Isotopenzusammensetzung auch als sehr stabile Massenormale eingesetzt werden.

Zusammenfassung: Seit dem 20. Mai 2019 gilt das neue Internationale Einheitensystem SI. Dies stellt eine Zäsur in der Geschichte der Einheiten dar, denn von nun an sind alle 7 Basiseinheiten durch Fundamentalkonstanten definiert. Gerade für die Masse und die daraus abgeleiteten Größen hat das weitreichende Folgen. Das Urkilogramm ist jetzt nur noch ein normales 1 kg-Wägestück. Der Gewinn aber ist enorm. Das Kilogramm lässt sich zukünftig für jeden Massewert darstellen und muss nicht mehr auf das Urkilogramm rückgeführt werden. Da die Kraft bislang über die Masse rückgeführt wurde, öffnen sich aber auch deren Definition neue Wege. In diesem Artikel soll beschrieben werden, wie die prinzipiellen Realisierungen des Kilogramms über die Kibble-Waage und die Röntgenkristalldichtemessungen (XRCD-Methode, oder auf Englisch X-ray-crystal-density method) funktionieren und welche Ideen für die Kraft-Messung bereits umgesetzt wurden.