Volume 88, Issue 12

In this paper we present the progress in development of a table-top version of the Kibble balance under the name Planck-Balance 2 (PB2). The PB2 is developed as a collaboration effort between the Technische Universität Ilmenau (TU Ilmenau) and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) aiming for automatized mass calibration of the set of weights in the range from 1 mg to 100 g within the required uncertainties as stated by OIML recommendation R111 for weights of E2 class. We describe the design and the operational performance of the PB2 system in detail, the results of rigorous investigations of the error sources and subsequent improvements made since the beginning of the project in early 2017, the measurement data with the corresponding relative uncertainties and the preliminarily obtained uncertainty budget.

Zusammenfassung Zur Kibble-Kalibrierung von EMK-Systemen (sogenannte Planck-Waagen) muss die induzierte Spulenspannung, sowie die Geschwindigkeit der Aktorspule während der Bewegung relativ zum Magnetfeld erfasst werden. Die Bestimmung der Geschwindigkeit erfolgt anhand der, über die Zeit, gemessenen Position. Als Alternative zur interferometrischen Messung wird in diesem Artikel ein Verfahren zur faseroptischen Kalibrierung der, bei EMK-Systemen weit verbreiteten, optischen Positionssensoren vorgestellt. Der eigens entwickelte faseroptische Sensor, sowie die theoretisch beschriebene Kalibrierung wurden an einer Planck-Waage messtechnisch validiert. Im direkten Vergleich mit einem kommerziellen Interferometer wurden Kennlinienabweichungen von unter 60 nm über einem Bewegungsbereich von ± 12 µm\pm 12\hspace{0.1667em}\text{\textmu m} erzielt.

Zusammenfassung Hochpräzise Wägesysteme nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK), wie Massekomparatoren, finden trotz Neudefinition der Einheit Kilogramm weiterhin Anwendung bei der Realisierung sowie Weitergabe einer praktischen Masseskale, indem sie metrologische Massevergleiche anhand des elektrischen Stromes als Zwischengröße ermöglichen. Gleichzeitig haben Quanteninterferometer auf Basis einer supraleitenden Hochgeschwindigkeitselektronik das Potential, kleinste Änderungen des magnetischen Flusses im Femtotesla-Bereich aufzulösen und eröffnen somit einen alternativen Ansatz zum Erfassen kleinster Stromdifferenzen. Die Kombination dieser bislang größtenteils nur für Fundamentalexperimente in der elektrischen Metrologie ausgenutzten quantenelektrischen Effekte mit Systemen der Präzisionskraftmessung ist eine neuartige Ausgangsbasis zur Verbesserung der Messgenauigkeit dieser Referenzsysteme. Insbesondere bietet die Anwendung eines quantenbasierten Analog-zu-Digital-Wandlers ein deutliches Potential zum Erschließen bisher unerreichter Genauigkeiten. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse erster experimenteller Arbeiten zum Nachweis des grundlegenden Funktionsprinzips präsentiert. Darüber hinaus erfolgt eine Abschätzung der Leistungsfähigkeit sowie des Entwicklungspotentials des vorgestellten quantenbasierten Stromsensors für hochpräzise EMK-Wägesysteme.

Measuring chlorophyll fluorescence is an important tool in plant research, since it is a reliable non-invasive method for capturing photosynthetic efficiency of a plant and, hence, an indicator of plant stress/health. The principle of chlorophyll fluorometry is based on the optical illumination of a plant’s leaf at a certain wavelength, while simultaneously measuring the emitted fluorescence light intensity at a different optical wavelength. By relating the fluorescence light energy at small and large excitation power, conclusions on the efficiency of the photosystem and, therefore, on the plant’s photosynthesis capability can be drawn. Current mobile chlorophyll fluorometers are either (i) compact and energy efficient but limited in functionality and accuracy by omitting modulated measurement signals or (ii) sophisticated and precise with respect to the measurement, but with the drawback of extended weight, size, energy consumption and cost. This contribution presents a smaller, lighter and cheaper sensor device that can be built with sufficiently low energy consumption to be powered by energy harvesting while being light enough to be attached nearly anywhere such as tree branches. With a device cost below 250 €, the performance of the developed device is similar to more expensive commercial devices considering measurements of the relative variable fluorescence. Moreover, the sensor device provides a wireless interface in the European 868 MHz SRD band with up to 10 km of range in free space while just consuming 150 µW in receiving mode due to a custom duty cycling technique.

Zusammenfassung Kühlschmierstoff (KSS)-strömungen werden in Schleifprozessen eingesetzt, um Schleifbrand am Werkstück zu verhindern. Bislang wurde die KSS-Zufuhr heuristisch optimiert. Um eine zielgerichtete KSS-Strömungsoptimierung zu ermöglichen, wird erstmals die optische schleifscheibennahe Messung von KSS-Strömungsfeldern mittels Particle Image Velocimetry (PIV) und durch Nachverfolgung von Mustern in Schattenwurfbildern untersucht. Als erster Schritt wird an der rotierenden Schleifscheibe, jedoch ohne die Bearbeitung eines Werkstücks, gemessen. Beide Messmethoden liefern vergleichbare Ergebnisse, wobei nahe der Schleifscheibenoberfläche mittels PIV Messwerte mit geringerer Messunsicherheit erzielt werden. Mit dem verwendeten Messaufbau lassen sich mittels PIV Geschwindigkeiten in einem Abstand zwischen 0 cm bis 2 cm und mittels Schattenwurf zwischen 0 cm bis 5 cm zur Schleifscheibenoberfläche messen. Im Ergebnis konnte erstmals der für die Kühlleistung relevante Parameter des Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen KSS-Anströmung und Schleifscheibenoberflächengeschwindigkeit in situ gemessen werden. Es wurde festgestellt, dass eine aus der Literatur bekannte Verringerung der Kühleffizienz ab einem Geschwindigkeitsverhältnis von 0,8 mit einem Abprallen des KSS-Strahls beim Auftreffen auf die Schleifscheibe korreliert. In zukünftigen Untersuchungen ist zu klären, wie sich die hier gewonnenen Erkenntnisse zur Messfähigkeit und zum Strömungsverhalten auf den Schleifprozess mit Werkstück übertragen lassen.

Zusammenfassung Die Effizienzsteigerung moderner Gasturbinen erfordert die stetige Anhebung der Betriebstemperatur. Die derzeitigen Brenngastemperaturen liegen mit über 1400 °C signifikant über der kritischen Temperatur der verwendeten Turbinenstähle. Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit werden die Turbinenschaufeln neben Aktivkühlung durch Beschichtung mit thermischen Schutzschichten, sogenannten thermal barrier coatings (TBC), geschützt. Da es sich bei den TBC um Keramikschichten handelt, ist für die Erhöhung der Haftfestigkeit das Aufbringen eines Haftvermittlers (Verbindungsschicht) notwendig. Da die Eigenschaften dünner Schichten stark von den Eigenschaften des Bulkmaterials abweichen können und zudem von der Herstellungsmethode beeinflusst werden, ist eine Untersuchung der thermischen und infrarot-optischen Eigenschaften der tatsächlichen Schichtstrukturen unumgänglich, insbesondere im Hochtemperaturbereich. Hierfür wurden Proben des reinen Trägerstahls, des Trägerstahls mit Haftvermittlerschicht und des kompletten Schichtsystems aus Trägerstahl, Haftvermittlerschicht und Wärmedämmschicht verschiedener Dicken hergestellt und mittels Laser-Flash-Methode untersucht. Die Auswertung erfolgte dabei analytisch, ausgehend von der Trägerstahl-Einschichtprobe, über die Zweischicht- und Dreischichtsysteme. Vervollständigt wurden diese Untersuchungen durch infrarot-optische Charakterisierungen, mit denen sich die Wärmeausbreitung durch die Schichtsysteme beschreiben lässt. Zusammen mit den Laser-Flash Messungen erlaubt dies eine spätere Quantifizierung der einzelnen, bei Keramiken auftretenden, Wärmetransportmechanismen.