Strukturelle und Methodische Untersuchung von Kraftaufnehmer-Systemen

Wagner, Michael

Durch den zunehmenden Einsatz moderner, hochbelastbarer Werkstoffe werden heutzutage immer leistungsfähigere Strukturen und maschinelle Anwendungen realisierbar. Dieser Umstand macht den Einsatz immer größerer Prüf- bzw. Kalibrierkräfte unumgänglich. Insbesondere bei sehr großen Strukturen wird häufig im Grenzbereich der Belastbarkeit gearbeitet, um das Material so effizient wie möglich auszunutzen. Aus diesem Grund ist eine Optimierung der verfügbaren Messmittel bei der Bestimmung von Prüf- und Kalibrierkräften in Prüfmaschinen und Kalibriereinrichtungen eine wichtige und notwendige Aufgabe. Das Europaweit größte rückgeführte Kraftnormal befindet sich derzeit in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Im Rahmen eines Forschungsprojektes innerhalb des European Metrology Research Project ist die Möglichkeit untersucht worden, eine Rückführung der Kraft im Bereich bis 50 MN durch den Einsatz großskaliger Build-Up Systeme als Transfernormal zu realisieren. BU Systeme sind Parallelschaltungen von Kraftaufnehmern. Übersteigt die Nennlast dieser Geräte die rückgeführte Kraft, ist die Bestimmung ihrer Messunsicherheit in dem hohen Lastbereich eine große Herausforderung. Im Rahmen dieser Arbeit sind Einflüsse auf das Messergebnis von BU Systemen identifiziert und bewertet worden. Auf dieser Grundlage sind konstruktive Methoden sowie verbesserte Auswertemethoden entwickelt worden, die eine Reduzierung der Messunsicherheit von BU Systemen ermöglichen sollen. Dazu ist untersucht worden, wie sich das Zusammenschalten von mehreren Kraftmessgeräten zu einer Einheit auf den jeweiligen Aufnehmer und dessen Messergebnis auswirkt. Numerische Untersuchungen und praktische Versuche liefern Erkenntnisse darüber, wie die Beiträge zur Messunsicherheit erfasst und reduziert werden können. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung eines Prototypen, an dem über den aktuellen Stand der Technik hinausgehende Lasteinleitungs-Gestaltungen realisiert worden sind. Zur Bestimmung der Messunsicherheit ist die Auswertung von Einzelkalibrierungen nach DIN EN ISO 376 entsprechend der Vereinbarungen des „Guide to the expression of uncertainty in measurement“ so erweitert worden, dass sie den charakteristischen Eigenschaften dieser Systeme Rechnung trägt. Als wesentliches Ergebnis der Arbeit gilt die Erkenntnis, dass durch systematisch angepasste Lasteinleitungen die entsprechenden Beiträge zur Messunsicherheit zuverlässig reduziert werden können.

Due to the increasing use of modern, highly resilient materials, increasingly efficient structures and machine applications are becoming feasible today. This circumstance makes the use of ever greater testing and calibration forces inevitable. Particularly in the case of very large structures, work is often carried out at the limit of load capacity in order to utilize the material as efficiently as possible. For this reason, an optimization of the available measuring equipment for the determination of testing and calibration forces in testing machines and calibration equipment is an important and necessary task. Europe's largest traceable force standard is currently located in the ‘Physikalisch-Technische Bundesanstalt’ in Braunschweig. Within the framework of a research project within the European Metrology Research Project, the possibility of realizing a traceability in the range up to 50 MN by using large-scale force transducer build-up systems as a transfer standard has been investigated. BU systems are parallel combinations of force transducers. If the rated load of these devices exceeds the traceability of force, determining their measurement uncertainty in the high load range is a major challenge. In the context of this work, influences on the measurement result of BU systems have been identified and evaluated. On this basis, constructive methods as well as improved evaluation methods have been developed, which shall enable a reduction of the measurement uncertainty of BU systems. For this purpose, it has been investigated how the interconnection of several force transducers into one unit affects the respective transducer and its measurement result. Numerical examinations and practical experiments provide insights into how the contributions to measurement uncertainty can be captured and reduced. These findings form the basis for the development of a prototype, which provides load introduction designs beyond the current state of the art. In order to determine the measurement uncertainty, the evaluation of individual calibrations according to DIN EN ISO 376 has been extended in accordance with the "Guide to the expression of uncertainty in measurement" in such a way that it takes into account the characteristic features of these systems. An essential result of the work is the finding that the corresponding contributions to the uncertainty of measurement can be reliably reduced by systematically adapted load introduction layouts.

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Wagner, Michael: Strukturelle und Methodische Untersuchung von Kraftaufnehmer-Systemen. 2018.

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