Messunsicherheiten von Messketten aus ... · 2 GPa NIMJ, Japan 1980 Existiert nicht mehr 2,5 GPa Shanghai Meas. Inst.; China 1981 Ohne BIPM CMC Eintrag 1,5 GPa VNITRI, Russland 1973

Messunsicherheiten von Messketten aus Dehnungsmessstreifenbasierten

Aufnehmern und Präzisionsverstärkern Anforderungen der Industrie den realisierbaren Messunsicherheiten gegenübergestellt

308. PTB-Seminar:

Berechnung der Messunsicherheit –

Empfehlungen für die Praxis

Durchgeführt an der PTB Berlin

Dr.-Ing. André Schäfer

Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH

Business Development Manager

High-Precision Measurement Chains

2

Agenda

Erläuterung der Motivation von Firma HBM

Rückführung von Kräften, Drehmomenten und Drücken

DMS-Aufnehmer für Kräfte, Drehmomente und Drücke

Handhabung Genauigkeitskl., Beiträge z. Messunsicherheit

Präzisionsmessgeräte: weltw. genauester DMS-Verstärker

Zusammenfassung

- 1 -

- 2 -

- 3 -

- 4 -

- 5 -

- 6 -

HBM: public 22.03.2018 Dr. A. Schäfer Hottinger Baldwin Messtechnik ( HBM)

HBM Präzisionsmesstechnik: Die Entstehung eines Bedarfs

Qualitätssicherung in der

Wägezellen - Produktion von HBM

(um 1970)

HBM: public


3

4

Motivation aus der Geschichte der Firma HBM

1977 war HBM das erste Kalibrierlaboratorium im Deutschen

Kalibrierdienst (DKD), Messgröße Kraft war die erste Größe

1980iger: Der Markt erweitert sich deutlich. HBM besitzt bereits

ein breites Druckmesstechnik-Programm inklusive

Referenzdruckaufnehmern

Bis 1992/1993 spielte die in Darmstadt beheimatete 20 kNm-

HBM-Kalibrieranlage für die Messgröße Drehmoment quasi die

Rolle eines nationalen Normals.

Seit 2010: ständig steigender Bedarf für die Rückführung

größerer Kräfte & Drehmomente.

HBM ► Projektteilnahme an EU Metrologie-Projekten

Heute: Einer der Marktführer bei hochgenauen Test &

Measurement Anwendungen

MN

MN∙m


Sub-Modelle für die Messunsicherheitsbetrachtung z. DMS-Technik

BNME Präzisionsverstärker

Aufnehmer

)(4

4321

0

k

U

U

))101000(101000)101000(101000(4

2 6666

0

U

U

VmVU

U/2

0

Die Wheatstonebrücke wandelt die Widerstandsänderung in

eine messbare Spannung um. In vielen Fällen ist die

Dehnung 1000 µm/m, dann gilt:

Bei Einleitung einer Kraft entsteht eine Dehnung, die von

den DMS in eine Widerstandsänderung gewandelt wird

Calibration machine

Uncertainty components taken into

consideration for calculating the

overall uncertainty W

Transducer Amplifier Band Pass Demodulator Low Pass Filter

Oscillator

Trägerfrequenzverstärker

Induktiver Spannungsteiler

Funktionsprinzip Kraftaufnehmer


5

Messgröße Kraft DAkkS Bestmögliche Messunsicherheit

Bereich Zugbelastung Druckbelastung

2,5 N – 200 N x 0,008 % 0,005 % (*)

50 N – 2,5 kN x 0,008 % 0,005 % (*)

500 N – 25 kN x 0,008 % 0,005 % (*)

5 kN – 240 kN x 0,01 % 0,01 %

50 kN – 1 MN x 0,02 % (600 kN) 0,01 %

100 kN – 5 MN x 0,02 % 0,02 %

6

Überblick über Kraftkalibriereinrichtungen bei HBM

(*) Höchste Genauigkeit im DAkkS (0.005%) durch Direktbelastungsanlagen


7

5 MN Kraft-Kalibrieranlage bei HBM

Kraftkalibrieranlage für Kalibrierungen

in Zug- und Druckrichtung bis 5 MN,

ging 2009 in Betrieb.


8

Überblick über Drehmomentkalibriereinrichtungen bei HBM

Bereich DAkkS Messunsicherheit

0,2 N·m – 20 N·m - 0,4 %

2 N·m – 200 N·m X 0,04 %

5 N·m – 1000 N·m X 0,01 %

100 N·m – 25 kN·m X 0,008 %

250 N·m – 20 kN·m X 0,02 %

500 N·m – 50 kN·m - 0,2 %

3 kN·m – 400 kN·m X 0,1%


9

400 kNm- Drehmoment-Kalibrieranlage bei HBM

Referenz-

drehmoment-

aufnehmer

Testobjekt (DUT)

Basisteil mit zentraler

Aufnahme

Rotierender Teller

Verstellbare Traverse

mit flexibler

Kupplung

Elektromotoren


Kalibrieranlage für Drehmoment-Kalibrierungen

bis 400 kNm, ging 2017 in Betrieb.

10

Messung großer Kräfte, Drehmomente & Drücke: Lange vermieden

Messgröße

Kraft

Messgröße

Drehmoment

Messgröße

Druck

Anwendung Motivation Anwendung Motivation Anwendung Motivation

MN kN·m MPa

Bauwesen

Bauwerks-

sicherheit

Schiffbau-

anwendungen

Umwelt,

geforderte

Reduzierung

d. Abgaswerte

Wasserstrahl-

schneiden

Kompromiss

aus

Empfindlich-

keit & Lebens-

dauer finden

MN MN·m GPa Railroad/

Aerospace

Infrastruktur-

Sicherheit

Windenergie-

Anwendungen

Wirkungsgrad

von Getrieben

und

Generatoren

von WEAs

Autofrettage Kompromiss

aus

Empfindlich-

keit & Lebens-

dauer finden


11

Rückführung v. Kräften, Drehm. & Drücken bis in höchste Bereiche

Messgröße

Kraft

Messgröße

Drehmoment

Messgröße

Druck

Größenordnung Möglichkeit Größenordnung Möglichkeit Größenordnung Möglichkeit

Vorhanden:

Quelle: PTB, Braunschweig



16,5 MN

Realisiert an

der PTB

1,1 MN·m Realisiert an

der PTB

1,2 (1,4) Gpa Realisiert an

der PTB

Messun-

sicherheit:

2·10-4

Messun-

sicherheit:

1·10-3

Messun-

sicherheit:

4·10-4

Mittelfristiges Ziel

30 MN… 50

MN

Absicht z. Er-

weiterung der

Kapazität PTB

5 MN·m /

20 MN·m

Begonnenes

Vorhaben an

der PTB

1,6 GPa Begonnenes

Vorhaben an

der PTB

Zielstellung für

die Mess-

unsicherheit:

TBD Zielstellung für

die Mess-

unsicherheit:

5·10-3

wenn möglich

1·10-3

Zielstellung für

die Mess-

unsicherheit:

8·10 -5


12

Überblick über Hochdruckkalibriereinrichtungen

Bereich NMI Entwickelt Status

2,6 GPa NIST, USA 1967 Existiert nicht mehr

2 GPa NIMJ, Japan 1980 Existiert nicht mehr

2,5 GPa Shanghai Meas. Inst.; China 1981 Ohne BIPM CMC Eintrag

1,5 GPa VNITRI, Russland 1973 CMC Eintrag vorhanden

2,6 GPa VNITRI, Russland 1974 Existiert nicht mehr

2,6 GPa INRIM, Italien s. 1999 Forschung abgebrochen

(1) Quelle: W. Sabuga, A. Gluschko, T. Konszak; 1.6 GPa Pressure Standards, PTB-Bericht Th-6, Nov. 2015

Über 1 GPa weltweit, chronologisch geordnet (1):

In Deutschland:

Bereich NMI Messunsicherheit

1,2 GPa PTB, Braunschweig 4·10-4

1,0 GPa Fa. TECSIS, Offenbach 3,1 ·10-4 ·pe

0,5 GPa Zentrum für Messen und Kalibrieren

(ZMK), Bitterfeld-Wolfen

1,5 ・ 10–4 ・ pabs

+ 3,0 mbar

0,5 GPa Fa. Europascal, Hanau 5,5 ・ 10-5 ・ pe

+1,0 ・ 10-8 ・ pe2/bar


13

Metrologieprojekt zur Rückführung Ultrahochdruck bis 1,6 GPa

HBM wirkte als Collaborator im EMRP-Metrologie-

projekt “High pressure metrology for industrial

applications” mit:

Short Name: HighPRES

Project Number: IND03

Quelle Bilder 1 und 2 : Wladimir Sabuga, Alexander Gluschko, Thomas Konczak

Development of 1.6 GPa pressure standards, High-Pressure Workshop ;Bruno, Check

Republic, 2014

Quelle Bilder 3 und 4 : W. Sabuga, R. Haines ; Development of 1.6 GPa pressure-

measuring multipliers , ACTA IMEKO June 2014, Volume 3, Number 2, S. 54 – 59

www.imeko.org

Funktionsprinzip Gesamtaufbau

Spannungszustände stark druckabhängig


14

Aufbau von Kraftaufnehmern

HBM nimmt an verschiedenen Forschungsprojekten zur Force - Metrology teil

Z4a

U15

Radialsymmetrischer Doppelbiegebalken: Wenn eine Kraft

auf den Messkörper wirkt, kommt es zu einer s-förmigen an

Deformation. Dehnungsmesstreifen sind an den Stellen mit

den dünnsten Querschnitten angebracht.


15

Aufnehmer für große Kräfte

U15 jetzt bis 2.5 MN C18 bis 5 MN

Z4A bis 500kN KDB 2 MN


16

Beispiel zu Anwendung im MN-Kraftbereich

Dehnzylinder zur Prüfung von Beton-

Prüfmaschinen vom Typ „KDB“

• zur Durchführung des Dehnzylinder-

Prüfverfahrens für Druckprüfmaschinen für

Beton nach DIN 51302-2 bzw. EN 12390-4

geeignet ist.

• der Aufnehmer ist mit Nennkraft 2MN (= 2000

kN) erhältlich, da die Norm für 2 MN gilt


17

Transfernomale zum

Einsatz als

Referenzsensorik für

Kalibriereinrichtungen

(z.B. für Ringversuche,

Anschlussmessungen)

Anwendungen für sehr große Kräfte (über 10 MN)

Arbeitssensoren zur

Machinensteuerung

(Eingangssignal für

Maschinensteuerung, z.B.

bei Prüfmaschinen)

Build-up System BU18/3MN Build-up System BU18/6MN

Quellen (1,2 )

18

Build-up Systeme

Quelle (1): Kleckers,Schäfer Force Calibration with Build-Up Systems 18th International Metrology Congress CIM Paris, 2017

Quelle (2): PTB, Braunschweig

Build-up Systeme wurden entwickelt, um große Druckkräfte zu messen oder zu

kalibrieren.

Das System besteht aus drei parallel angeordneten Referenzkraftaufnehmern.

• Vorteile: Größe, Kosten, Portabilität

• Klasse 00 bis ISO 376 (in Verbindung mit DAkkS-Kalibrierschein)


Dreh-

moment

Drehmomentaufnehmer

19 HBM: public

HBM nimmt an verschiedenen Forschungsprojekten zur Torque - Metrology teil

20

Drehmomentaufnehmer für ein breites Einsatzspektrum

Standardprodukte für Nenndrehmomente

von 0,1 N·m bis 300 kN·m.

Kundenspezifische Aufnehmer für den

MN·m - Bereich.

TB2 Referenz-

aufnehmer

TN Referenzaufnehmer

als Transfernormal

in NMIs und Kalibrierlaboren

TTS zur

Kalibrierung v.

Drehmoment-

schlüsseln


21

Große Drehmomente ….kNm …bis in den MNm-Bereich

Source: PTB, Braunschweig, Abteilung 1


22

Beispiel zur Anwendung: Gondelprüfstand (MN·n)

Full Nacelle Prüfstand

Source: RWTH Aachen Center of Wind Drives


Source: EMRP Project “Torque Measurement in the MNm range”

HBM ist “Collaborator”

im europäischen

Metrologie-

Forschungsprojekt

“Torque Measurement in

the MN·m range”

23

Kompetenz in Druckmesstechnik

P3TCP Top Class

HBM Messestand

auf der IMEKO TC16

„Pressure & Vacuum“

2011 in Berlin

Druck

HBM: public HBM nimmt an verschiedenen Forschungsprojekten zur High pressure -Metrology teil

Aufnehmer für höchste Drücke

Monolithische Messkörper erfüllen hohe Lebensdaueranforderungen

Hier wählbar: hohe Lastwechselzahl ◄ oder ► geringe Messunsicherheit


24

25

Beispiel zur Anwendung Ultra-Hochdruck

Druck-

übersetzer

10000 bar Druck-

übersetzer

15000 bar

Ultra-Hochdruck-

aufnehmer

Fotos: Prüfstand der Firma Schmitt, Kranz und Co. (Maximator), Nordhausen


26

Genauigkeitsklasse (I)

Die HBM Genauigkeitsklasse ist eine Datenblattangabe für eine bestimmte Typenreihe.

Sie ist als größter Einzelfehler definiert, wird im Allgemeinen in % angegeben.

Basis: kein Standard, kein Regelwerk (Begriffe in Anlehnung an DIN 1319-4)

Die HBM-Genauigkeitsklasse umfasst folgende Eigenschaften:

Messgröße Kraft Messgröße Drehmoment Messgröße Druck

Linearitätsabweichung einschließlich Umkehrspanne/Hysterese (dlh)

Relative Standardabweichung der Widerholbarkeit (σrel)

Temperatureinfluss (bezogen auf 10K) auf das Nullsignal (TK0)

Temperatureinfluss (bezogen auf 10K) auf den Kennwert (TKC)

Ggf. werden relatives Kriechen

Und relative Nullpunktabweichung einbezogen

Bei Aufnehmern mit mehreren elektrischen Ausgängen (Frequenz- und

Spannungsausgang) ist zur Bestimmung der Genauigkeitsklasse der

Ausgang mit der höheren Genauigkeit ausschlaggebend.

Es gilt verschiedene Angaben zu vergleichen:

Typische Nichtlinearität nach Best Fit Straight Line Methode 0,1%

Maximale Nichtlinearität nach Best Fit Straight Line Methode 0,25%

Maximale Nichtlinearität nach Grenzpunkteinstellung 0,5%


Messverstärker

Linearitätsabweichung

Relative Standardabweichung der Widerholbarkeit

Temperatureinfluss (bezogen auf 10K) auf das Nullsignal (TK0)

Temperatureinfluss (bezogen auf 10K) auf den Verstärkungsfaktor (TKC)

27

Für die Praxis gibt die Genauigkeitsklasse

• einen Anhaltspunkt für die Eingruppierung der jeweiligen Typenreihe innerhalb

des HBM-Programms.

• Außerdem hilft Sie den passenden Messverstärker zu einer Aufgabe zu finden.

Aber:

• Aufnehmer verschiedener Hersteller lassen sich nicht mit den entsprechenden

Genauigkeitsklassen vergleichen!

• Die Genauigkeitsklassen sagt nichts über die Gesamt-Messunsicherheit im

praktischen Einsatz aus, denn die verschiedenen Einzeleinflüsse wirken hier

gleichzeitig.

• Die Genauigkeitsklasse kann auch nicht zur Abschätzung der Messgenauigkeit

dienen.

• Besser: Klassifizierung nach Normen und Richtlinien zur Kalibrierung (wie z.B.

ISO 376 und DIN 51309). Die Genauigkeitsklasse darf nicht mit einer Einstufung in

eine solche Klasse verwechselt werden.

Genauigkeitsklasse (II)

28

Beispiel für die Definition der HBM Genauigkeitsklasse (1)


29

Beispiel für die Definition der HBM Genauigkeitsklasse (2)


Wichtige Einflussgrößen DMS-basierter Messtechnik (I)

Aufnehmer (gilt sowohl für DMS-Aufnehmer für Kräfte, als auch Drehmomente und Drücke):

Messunsicherheit aus dem DAkkS-Kalibrierschein:

• Linearität

• Hysterese

• Relative Standardabweichung der Widerholbarkeit (σrel)

anderenfalls

• Kennwerttoleranz

Ggf. (meist recht klein, ggf. vernachlässigbar)

• Kriechen, Drift , Feuchte

Anwendungsbezogen:

• Temperatureinfluss (bezogen auf 10K) auf das Nullsignal (TK0)

• Temperatureinfluss (bezogen auf 10K) auf den Kennwert (TKC)


31

Besonders wichtig für Kräfte sind (vergl. VDI/VDE/DKD 2638):

• Parasitäre Belastungen Krafteinleitungswinkel ► Querkraft,

Biegemoment, Exzentrizität der Krafteinleitung (Störkomponenten,

welche es zu vermeiden gilt)

• Änderungen der Vorlast während der Messung

Besonders wichtig für Drehmomente sind:

• Einfluss der Einleitung der mechanischen Größe in den Aufnehmer, z.B.

• Parasitäre Belastungen (werden meist in einer „Summe parasitärer

Belastungen zusammengefasst)

• Axialkraft

• Querkraft

• Biegemoment

• Mechanische Remanenz (Auch „Hysterese des Nullpunktes“/ „Toggle-

Effekt“), d.h. die Verschiebung des Nullpunktes, die ein Aufnehmer zeigt,

wenn man die Belastungsrichtung ändert.

• Besonders Wichtig für große Drücke:

• Zeit bis zum „eingeschwungenen Zustand“ sich ergebend aus

• Viskosität der Flüssigkeit (ändert sich mit dem Druck)

• Geringer Durchmesser der Rohre (aus Sicherheitsgründen erforderlich)

• daraus resultierend sehr lange Ausgleichszeit

Wichtige Einflussgrößen DMS-basierter Messtechnik (II)


32

Anforderungen an Messverstärker

Für sehr große Kräfte, Drehmomente und Drücke ist eine hochwertige

Instrumentierung erforderlich

• Die Auflösung, definiert als die kleinste detektierbare Änderung des Wertes eines

Eingangssignals

• Hängt von der ADU-Auflösung ab

• Ist gleichzeitig durch das Signal-Rausch-Verhältnis als physikalische Grenze limitiert

• 7-stellige Anzeige ist ein Muss (vorzugsweise 2 Millionen dig. Schritte),

• dann ist die Auflösung kein wesentlicher Faktor für die Gesamtunsicherheitsberechnung

• Reproduzierbarkeit & Drift sollten niedrig sein.

Der Messverstärker sollte zweckmäßigerweise so

gewählt werden, dass sein Einfluss auf die

Gesamtmessunsicherheit gegenüber dem

Aufnehmer (für den sich keine beliebig kleine

Unsicherheit erreichen lässt) vernachlässigbar ist.

► Es ist heute realistisch, derart hohe

Anforderungen an den Verstärker zu stellen.

in out


Unser „Flaggschiff“- der Höchstpräzisionsverstärker DMP41

33

• Ein DMP41 kann 2 Mio. Ziffernschritte anzeigen.

• Auflösung: 2,5 mV/V/ 1 Mio. = 0,0025 µV/V

HBM: public


34

Wie funktioniert ein DMS-Präzisionsverstärker?

Transducer Amplifier Band Pass Demodulator Low Pass Filter

Oscillator

Trägerfrequenzverstärker

Induktiver Spannungsteiler Quelle: „Is your mV/V calibration SI traceable?, Christian Wüthrich, Metas, CH


Long-Term Stability of the Internal Calibration Method

over 36 years (BN100 with S/N 010 +DMP39 with S/N 001)

„DYNAMIC" IND 09 „IMPACT” 14SIP08

„DYNAMIC” SRT i20

35

Dynamische Kalibrierung – konsequent verfolgtes Thema

“Standards to maximise end user uptake of NMI calibrations

of dynamic force, torque and pressure sensors“

“Development of measurement and calibration techniques

for dynamic quantities”

The research aimed at developing improved measurement

and calibration are of direct relevance to our activities and

those of our industrial customers in research and

development and manufacturing.

Das Europäische Metrologie-Forschungsprogramm


36

• Für die Rückführung großer Kräfte, Drehmomente und Drücke sind oft hohe

Investitionen notwendig. Sie sind jedoch die Grundlage für die vielfältigen

Anwendungen im Maschinenbau.

• Aus konstruktiver Perspektive gibt es keinen Grund, warum

Dehnungsmessstreifen -Aufnehmer nicht für noch höheren Nennwerte gebaut

werden könnten.

• Diese Aufnehmer erlauben je nach Dimensionierung hohe Dynamik/robuste

Bauweise bzw. geringe Messunsicherheit.

• Für alle Messgrößen sind monolithische Bauweisen zu bevorzugen.

• Präzisionsmessverstärker können heute so gewählt werden, dass ihr

Einfluss auf die Gesamtgenauigkeit der Messkette vernachlässigbar ist.

Zusammenfassung


37

Informationen zu

Präzisionsmessketten:

https://www.hbm.com/de/2315/pre

cision-amplifiers-and-calibration-

instruments/

Zusätzliche Informationen

HBM: public

Informationen zu Kalibrierausrüstung

& -dienstleistungen

• https://www.hbm.com/de/0082/kali

brierung/

https://www.hbm.com/de/2315/precision-amplifiers-and-calibration-instruments/











https://www.hbm.com/de/0082/kalibrierung/

https://www.hbm.com/de/0082/kalibrierung/

38

Seminarinhalte des jüngst von HBM angebotenen

Seminars

„Der praktische Weg zur Ermittlung der

Messunsicherheit (MU)“

• basierend auf dem GUM Leitfaden

• Messunsicherheit - Definition und Bedeutung

• die Rechengänge zur Bestimmung der

Messunsicherheit in anschaulicher Darstellung

• welche Parameter zur Messunsicherheit

beitragen

• Parameter abzuschätzen, die nicht aus einer

Spezifikation abzulesen sind

• wie Sie vorgehen, wenn Sie die

Messunsicherheit berechnen wollen

Von HBM angebotenes Seminar zu Messunsicherheit

Termine: www.hbm.com/seminare

Außerdem:

Termine: www.hbm.com/webinare

Zitat: „Keine Angst, die

Ermittlung einer

Messunsicherheit bedarf keiner

komplizierten Mathematik.

Alles was Sie brauchen ist das

ohnehin schon vorhandene

Wissen um die Messaufgabe“

http://www.hbm.com/seminare

39

19. GMA/ITG-Tagung „Sensoren und Messsysteme“ 26./27.06.2018

Die 19. GMA/ITG-Fachtagung „Sensoren und Messsysteme“

• gibt Einblicke in die neuesten Trends in Sensoren und Sensorsysteme für den

industriellen Einsatz

• ist die bedeutendste deutschsprachige wissenschaftliche Veranstaltung im

Bereich der Sensorik

• HBM arbeitet im Programmkommittee der Veranstaltung mit

• HBM trug maßgeblich zu den Sitzungen „Mechanische Sensoren“ 1 + 2, beide

finden am Dienstag, 26.06.2018 statt

Im NCC Mitte, Messe Nürnberg

Weitere Details:

https://www.sensor-test.de/sensor-test-2018-fuer-kongressteilnehmer/

measure and predict with confidence

www.hbm.com

Dr.-Ing. André Schäfer,

HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH

Business Development Manager

High-Precision Measurement Chains

Im Tiefen See 45

64293 Darmstadt

Tel: +49-6151-803224

Fax: +49-6151-8039224

40

Documents

Messunsicherheiten von Messketten aus ... · 2 GPa NIMJ, Japan 1980 Existiert nicht mehr 2,5 GPa Shanghai Meas. Inst.; China 1981 Ohne BIPM CMC Eintrag 1,5 GPa VNITRI, Russland 1973