Volume 88, Issue 2 - Messunsicherheit 2020 – Measurement Uncertainty in 2020 / Gastherausgeber: Klaus-Dieter Sommer, Thomas Fröhlich, Olaf Schnelle-Werner

Zusammenfassung Dieser Beitrag zeigt ein Konzept für eine fünfachsige Nano-Koordinatenmessmaschine zur Messung auf stark gekrümmten asphärischen und frei geformten optischen Oberflächen in einem Messvolumen von 25mm×25mm×5mm25\hspace{0.1667em}\text{mm}\times 25\hspace{0.1667em}\text{mm}\times 5\hspace{0.1667em}\text{mm} mit einem maximal möglichen Neigungswinkel von bis zu 60° zur Hochachse und einer maximalen Rotation von 360° um die Hochachse. Dabei wird die Probe translatorisch bewegt und der Sensor in seiner Orientierung verändert. Unter Einhaltung des Abbe-Komparatorprinzips für alle Messachsen wird die Bewegungsabweichung des Sensors bei der Rotation durch ein in-situ-Referenzmesssystem erfasst. Dieses besteht aus drei kartesisch angeordneten Fabry-Pérot-Interferometern mit dem Ursprung im Antastpunktes des Sensors, die den Abstand zu einer hemisphärischen Referenzfläche messen. Die Messunsicherheitsbetrachtung des Gesamtsystems erfolgt nach dem guide to the expression of uncertainty in measurement in einem vektoriellen Ansatz und liefert unter konservativen Annahmen eine Unsicherheit des Antastpunktes von maximal 72 nm (k=1k=1).

The measurement uncertainty characteristics of a measurement system are an important parameter when evaluating the suitability of a certain measurement system for a specific measurement task. The measurement uncertainty can be calculated from observed measurement errors, which consist of both systematic and random components. While the unfavourable influence of systematic components can be compensated by calibration, random components are inherently not correctable. There are various measurement principles which are affected by different measurement error characteristics depending on specific properties of the measurement task, e. g. the optical surface properties of the measurement object when using fringe projection or the material properties when using industrial X-ray computed tomography. Thus, it can be helpful in certain scenarios if the spatial distribution of the acquisition quality as well as uncertainty characteristics on the captured surface of a certain measurement task can be found out. This article demonstrates a methodology to determine the random measurement error solely from a series of measurement repetitions without the need of additional information, e. g. a reference measurement or the nominal geometry of the examined part.

Zusammenfassung Bei der taktilen Erfassung einer Oberfläche lässt sich eine Beeinflussung des Messergebnisses durch die morphologische Filterung infolge der endlichen Größe des Antastelementes und die Wirkung der mechanischen Antastkraft nicht vermeiden. Durch die Simulation dieser Filterung und der zusätzlichen Berücksichtigung der elastischen Abplattung können Modelle für die Simulation von taktilen Koordinatenmessungen bereitgestellt werden. Zur Simulation der Abplattung werden die Oberflächenprofile in die einzelnen Wellen- bzw. Ortsfrequenzbestandteile zerlegt. Jede Wellenamplitude wird entsprechend ihres Anteils an der Verformung reduziert. Das daraus resultierende Profil wird hinsichtlich verschiedener Oberflächenparameter analysiert. Bei der Auswertung der Welligkeit und der Geradheitsabweichungen lassen sich unterschiedliche Effekte für verschiedenen Simulationsparameter und Auswertebedingungen erkennen. Der Einfluss der elastischen Abplattung auf das Ergebnis steht in Abhängigkeit von der betrachteten Werkstückoberfläche und des verwendeten Tastkugelradius. Signifikante Effekte sind bei regelmäßigen Oberflächenstrukturen und der Verwendung kleiner Tastkugelradien zu beobachten. Die aus der Simulation entstehenden Modelle können auch für die Simulation der Messunsicherheit verwendet werden.

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.

Zusammenfassung Drehmomentsensoren mit einem kleinen Messbereich bis zu 1 N·m sind Teil verschiedener Präzisionsgeräte, wie beispielsweise Roboter oder Werkzeuge für medizinische Operationen und Nanofabrikationsgeräte. Die Drehmomentsensoren benötigen häufig eine Kalibrierung, für die eine Rückführbarkeit nachgewiesen werden muss. Gemäß gesetzlichem Auftrag haben die nationalen metrologischen Institute die Aufgabe, die Drehmomenteinheiten zu realisieren und die geforderte Rückführbarkeit zu ermöglichen. Dieser Artikel zeigt, wie nach einem neuen Prinzip statische Drehmomente im Bereich von 1 mN·m bis 1 N·m erzeugt werden können. Ziel der laufenden Arbeiten war die Umsetzung dieser neuen Idee der Drehmomenterzeugung zur Schaffung einer neuen, präziseren Drehmoment-Normalmesseinrichtung. Die Leistungsfähigkeit der neuen Methode wurde mit der Erzeugung von statischen Drehmomenten nach dem Stand der Technik (PTB-Drehmoment-Normalmesseinrichtung) verglichen.

Zusammenfassung Die elektrolytische Leitfähigkeit ist eine wichtige Messgröße zur Kontrolle und Überwachung von Prozessen in wässrigen Medien, die in unterschiedlichen Bereichen der Industrie von Bedeutung sind. In der metrologischen Hierarchie sind die primären Messverfahren allen anderen übergeordnet, d. h. ihnen nachgeordnet sind sekundäre Messverfahren (z. B. mit Standardmesszellen) sowie Messungen mit kommerziellen Leitfähigkeitsmessgeräten mit 2- und 4-Polmesszellen. Die ZMK & ANALYTIK GmbH entwickelte eine Primärmesseinrichtung für die elektrolytische Leitfähigkeit. Die Temperierung wurde durch Durchführung der Messungen in einem Flüssigkeitsbad realisiert. Der folgende Artikel beinhaltet die Aufstellung der Messunsicherheitsbilanz für das primäre Messverfahren. Die kombinierte Messunsicherheit setzt sich aus mehreren Beiträgen zusammen. Als wichtige Beiträge wurden die Widerstandsmessung, die Messung der Temperatur sowie die Verschiebung der Messelektroden um einen definierten Verschiebeweg in der Messunsicherheit berücksichtigt, die sich wiederum aus Einzelbeiträgen zusammensetzen. Die einzelnen Messunsicherheitsbeiträge der elektrischen Messungen (Widerstände), der Messungen der Temperatur, den dimensionellen Messungen sowie weitere Beiträge werden detailliert dargestellt. Die Korrelation einzelner Beiträge untereinander wird berücksichtigt.

Traditionally, instrument transformers are calibrated using bridges. By definition, bridges use the null method of measurement. The traditional calibration programme for instrument transformer bridges characterise namely this null measurement. Many new commercial comparators for instrument transformer use a very different method. They sample the secondary signals of reference and device under test ( dut ) transformer independently. Based on the samples, magnitude and phase of both signals are determined. Ratio error and phase displacement are calculated. Consequently, the significance of their calibration using the traditional calibration programme is limited. Moreover, the operating range of modern comparators is much larger than that of bridges. The additional versatility cannot be used without an adapted calibration programme. This article analyses the calibration programmes for both technologies. An experimental study confirms both the suitability of the new calibration programme and the need to chose the calibration programme depending on the technology of the device to be calibrated. The conclusion is very general and applies to all measurement problems where an operating principle is replaced by another – when changing the operating principle, it is important to check the calibration programme and adapt it if necessary.