Konzeptionierung einer Totlastanlage zur Darstellung der Kraft auf Basis der Messunsicherheitsbetrachtung

Zusammenfassung

Jedes Nationale Metrologieinstitut ist verpflichtet, für die gesetzlichen Maßeinheiten (entsprechend der SI-Einheiten) den nationalen Etalon der Messnormale bereit zu halten, dessen internationale Vergleichbarkeit und Anerkennung sicherzustellen und die Maßeinheiten durch Kalibrierungen von Bezugs- und Arbeitsnormalen für Wirtschaft und Industrie weiterzugeben. Basierend auf den Vorgaben und Rahmenbedingungen des Bundesamtes für Eich- und Vermessungswesen (BEV) wurde für die Realisierung der Maßeinheit Newton eine Anlage entwickelt und umgesetzt, die die Einheit der Kraft direkt aus der Masse ableitet und realisiert. In Kooperation mit dem Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik (IFT) der Technischen Universität Wien wurde eine Totlastanlage im Bereich weniger N bis MN als primäre Kraftnormalanlage als nationales Normal der Kraft geschaffen. Im Rahmen einer Dissertation [1] wurde dabei Schritt für Schritt die Analyse der Vorgaben und mittels grundlegender Betrachtung der zu erwarteten Messunsicherheit die Erstellung eines detaillierten Anforderungskataloges beschrieben. Basierend auf einer detaillierten Messunsicherheitsbetrachtung des Verfahren selbst wurde ein Konzept einer Anlage abgeleitet, das geeignet ist, eine derartige Konstruktion zu schaffen, die alle anlagenspezifischen Messunsicherheitsanteile minimiert. Dabei wurden systematisch alle Beiträge zur Messunsicherheit betrachtet und daraus die Grenze des technisch Möglichen ausgelotet. Als übergeordnetes Ziel wurde dabei angestrebt, die Kraft rein linear in Messachse darzustellen, und jegliche Störeinflüsse wie z. B. Querkräfte, Einflüsse von Umgebungsbedingungen oder dergleichen zu minimieren. Zur Erreichung des Zieles der Umsetzung einer derartigen Kraftnormalanlage wurde zum Teil auf Methoden zurückgegriffen bzw. wurden Lösungen ausgearbeitet, die, verglichen mit bestehenden Realisierungsmöglichkeiten der Kraft, Modifikationen enthalten und Weiterentwicklungen darstellen. Bereits in [1] und [2] konnte detailliert gezeigt werden, wie abweichend von herkömmlichen und gleichwertigen Anlagen auftretende Störgrößen kompensiert oder in ihrer Messunsicherheit reduziert werden konnten, so dass man auf die Berücksichtigung dieser Störgrößen, wie sie durch internationale Kalibrierrichtlinien geregelt sind, bei der Auswertung und der dazugehörenden Messunsicherheitsbetrachtung verzichten kann. Durch Zusammenführung und Interpretation der Messergebnisse wurde bei internationalen Vergleichsmessungen [3] die Prozessfähigkeit und Eignung der neuen Anlage belegt und ihre Einsatzfähigkeit nachgewiesen. Mit der Darlegung dieser Nachweisführung wurde die Grundlage für die im Rahmen des CIPM-MRA-Abkommens [9] internationale Anerkennung der Messergebnisse und der vom BEV ausgestellten Zertifikate erbracht.