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INHALTE

Kraftmess- und Wägetechnik

Die Forschungen auf dem Gebiet der Kraftmess- und Wägetechnik haben folgende Schwerpunkte:

  • Hochauflösende Komparatorwaagen,
  • Präzisionswägetechnik,
  • Dynamische Kraftmess- und Wägetechnik,
  • Dynamische Testanlagen,
  • Laserinterferometrische Mikrowägetechnik,
  • FEM für mechanische Spannungs- und Dehnungsfelder.

1 kg-Massekomparator

In einem gemeinsamen Projekt des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik und der Sartorius AG wurde ein 1 kg-Komparator für die Weitergabe der Masseneinheit entwickelt, womit eine bisher nicht erreichte Präzision - eine Standardabweichung von weniger als 50 ng im Vakuum - nachgewiesen werden konnte.
Im “Avogadroprojekt“ zur Darstellung der Masseeinheit  wird mittels des hochgenauen 1kg-Prototypkomparators, der sowohl Kugeln als auch Zylinder erstmals wägetechnisch höchstpräzise vermessen kann, eine Si-Kugel an das Urkilogramm angeschlossen und damit die Avogadrokonstante bestimmt. Mit der Kenntnis von Volumen dieser Kugel und der Materialreinheit, ist somit zukünftig die Massedefinition hochgenau – unabhängig vom Urkilo – möglich.

Gewichtswägeautomat

In Zusammenarbeit mit der Firma Sartorius und der SIOS Meßtechnik GmbH wurde ein vollautomatisches Robotersystem zur Massebestimmung von Gewichten entwickelt.
Mit herkömmlichen Verfahren ist die Massebestimmung von Gewichten ein mühsames und zeitaufwändiges Unterfangen. Das neu entwickelte Robotersystem ermöglicht die Massebestimmung sehr viel einfacher, präziser und schneller. Es besteht aus zwei Komparatoren, die von einem Roboter vollautomatisch mit den zu prüfenden Gewichten bestückt werden. Der Anwendungsbereich für Gewichte reicht von einem Milligramm bis zu einem Kilogramm bei Auflösungen von 0,1 µg bis 1µg. Das Gerät eignet sich für alle Genauigkeitsklassen von Gewichten bis hin zur genauesten Klasse E1.  Das gesamte Procedere ist vollautomatisch bis zur automatischen Erstellung von Kalibrierzertifikaten.

Laserinterferometrische Mikrowägetechnik

Die Mikrowaage arbeitet nach dem laserinterferometrischen Messprinzip, das am Institut für Prozessmess-und Sensortechnik der TU Ilmenau entwickelt wurde.
Erstmals wurde ein vollständig lichtwellenleitergekoppeltes, elektronikfreies Wägesystem geschaffen, dessen integriertes Krafteinleitungs-Wandlerkonzept in Verbindung mit der optischen Signalwandlung eine hohe Auflösung bei kurzen Messzeiten garantiert. Dabei wird die von der Masse des Wägegutes abhängige Verformung einer Quarzglasfeder mit Hilfe eines Interferometers auf wenige Millionstel Teile eines Millimeters genau gemessen und ausgewertet.

EMK-Wägetechnik

Die Innoprofile-Projekte "Innovative Kraftmess- und Wägetechnik durch Anwendung mechatronischer Konzepte (IKWI)“ (2006-2011) und „Neuartige Anwendungsfelder innovativer Kraftmess- und Wägetechnik“ (2011-2017) ermöglichen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der EMK-Wägetechnik. Die Arbeiten der Initiative IKWI Transfer sollen neue Anwendungsfelder bzw. potenzielle Produkte hervorbringen, welche den bisherigen Funktionsumfang und den Einsatzbereich klassischer EMK-Waagen (Elektromagnetische Kraftkompensation) deutlich erweitern. Beispielsweise werden Konzepte für hochgenaue Neigungsmessungen oder auch die Kalibrierung der Kraft-Weg-Kennlinie sowie Empfindlichkeit von Mikrokraftsensoren entwickelt.

Dynamische Test- und Kalibrieranlage

Wieviel Stück pro Minute und wie genau kann ich mit dieser Waage wiegen? Diese typische Frage eines Anwenders ist gar nicht einfach zu beantworten.
Die dynamische Test- und Kalibrieranlage bewegt ideales Wägegut mit frei wählbaren Geschwindigkeiten zwangskräftefrei über eine Waage.
Die Verweilzeit der Kugel auf der Waage kann kleiner als 0,08 s sein. Der Belastungsvorgang kann beliebig oft wiederholt werden. Eine ideale Waage zeigt unabhängig von der Geschwindigkeit der Kugel immer die gleiche exakte Kugelmasse an. Reale Waagen zeigen in Abhängigkeit der Kugelgeschwindigkeit eine Streuung der Messergebnisse und oft auch eine Abweichung des Mittelwertes vom wahren Wert. Diese Parameter erlauben den objektiven Vergleich von Waagen. 

FEM-Analyse an einer Wägezelle

Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation "EMK-Waagen" sind komplexe mechatronische Systeme. Sie stellen zum aktuellen Stand der Forschung das Verfahren zur Massebestimmung mit der höchst möglichen Präzision dar. Mit kommerziell erhältlichen Waagen dieser Form können bis zu 60 Millionen Schritte aufgelöst werden.
Das Hauptanwendungsgebiet stellten daher bis dato Präzisionsanwendungen dar. Immer häufiger nehmen EMK-Waagen jedoch auch Einzug in dynamischen Anwendungen, beispielsweise in Verpackungsanlagen.
Dazu bedarf es nicht nur separat optimierter Einzelkomponenten, sondern einer Optimierung des Gesamtsystems und damit einer Abstimmung der Komponenten mit Hinblick auf die globale Funktion.