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Erstellt: Sun, 20 Jun 2021 14:05:15 +0200 in 0.0917 sec


Marin, Sebastian; Pätz, Joachim; Fröhlich, Thomas;
Self-heating of resistance thermometers for air temperature measurements with pulsed current supply :
Eigenerwärmung von Widerstandsthermometern für Lufttemperaturmessungen bei Impulstromspeisung. - In: Technisches Messen. - Berlin : De Gruyter, ISSN 2196-7113, (2021), insges. 6 S.
- Ahead-of-Print, Just-Accepted

Sehr präzise Lufttemperaturmessung in der Meteorologie oder in klimatisierten Innenräumen sind herausfordernd, weil Strahlungseinflüsse und die Eigenerwärmung der Widerstandsthermometer teilweise erhebliche Störeinflüsse sind. In unserem Artikel betrachten wir eine spezielle Stromspeisung und weisen nach, dass diese die Eigenerwärmung auf unter ein Millikelvin reduzieren kann. Für einen typischen, für den Außeneinsatz in meteorologischen Wetterstationen geeigneten und üblichen Fühleraufbau erfolgen Simulationen der durch den gepulsten elektrischen Messstrom auftretenden statischen und dynamischen Eigenerwärmung. Der transiente Verlauf der Eigenerwärmung hängt stärker vom inneren Aufbau des Fühlers als vom Wärmeübergangskoeffizienten zur umgebenden ruhenden Luft ab. Die mittlere statische Eigenerwärmung aus einem stark vereinfachten Modell passt gut zum simulierten transienten Verlauf. Die Methode der Impulsstromspeisung hat sich durch die beschriebenen Simulationen als sehr effektiv zur Verringerung der Eigenerwärmung von Widerstandsthermometern erwiesen.



https://doi.org/10.1515/teme-2021-0032
Sommer, Klaus-Dieter; Fröhlich, Thomas; Schnelle-Werner, Olaf;
Measurement uncertainty 2020 :
Messunsicherheit 2020. - In: Technisches Messen : tm ; Sensoren, Geräte, Systeme ; Organ des AMA Fachverbands für Sensorik e.V. und der NAMUR, Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regelungstechnik der Chemischen Industrie.. - Berlin : De Gruyter, ISSN 2196-7113, Bd. 88 (2021), 2, S. 59-60
- Editorial

https://doi.org/10.1515/teme-2021-0003
Schienbein, Ralf; Fern, Florian; Theska, René; Supreeti, Shraddha; Füßl, Roland; Manske, Eberhard;
Fundamental investigations in the design of five-axis nanopositioning machines for measurement and fabrication purposes. - In: Nanomanufacturing and metrology. - [Singapore] : Springer Singapore, ISSN 2520-8128, (2021), insges. 9 S.
- Published: 20 April 2021

The majority of nanopositioning and nanomeasuring machines (NPMMs) are based on three independent linear movements in a Cartesian coordinate system. This in combination with the specific nature of sensors and tools limits the addressable part geometries. An enhancement of an NPMM is introduced by the implementation of rotational movements while keeping the precision in the nanometer range. For this purpose, a parameter-based dynamic evaluation system with quantifiable technological parameters has been set up and employed to identify and assess general solution concepts and adequate substructures. Evaluations taken show high potential for three linear movements of the object in combination with two angular movements of the tool. The influence of the additional rotation systems on the existing structure of NPMMs has been investigated further on. Test series on the repeatability of an NPMM enhanced by a chosen combination of a rotary stage and a goniometer setup are realized. As a result of these test series, the necessity of in situ position determination of the tool became very clear. The tool position is measured in situ in relation to a hemispherical reference mirror by three Fabry-Pérot interferometers. FEA optimization has been used to enhance the overall system structure with regard to reproducibility and long-term stability. Results have been experimentally investigated by use of a retroreflector as a tool and the various laser interferometers of the NPMM. The knowledge gained has been formed into general rules for the verification and optimization of design solutions for multiaxial nanopositioning machines.



https://doi.org/10.1007/s41871-021-00102-w
Fern, Florian; Füßl, Roland; Manske, Eberhard; Schienbein, Ralf; Theska, René; Ortlepp, Ingo; Leineweber, Johannes;
Measurement uncertainty analysis on a five-axis nano coordinate measuring machine NMM-5D following a vectorial approach :
Messunsicherheitsbetrachtungen an einem fünfachsigen Nano-Koordinatenmessgerät NMM-5D nach einem vektoriellen Ansatz. - In: Technisches Messen : tm ; Sensoren, Geräte, Systeme ; Organ des AMA Fachverbands für Sensorik e.V. und der NAMUR, Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regelungstechnik der Chemischen Industrie.. - Berlin : De Gruyter, ISSN 2196-7113, Bd. 88 (2021), 2, S. 61-70

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 × 5mm 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=1).



https://doi.org/10.1515/teme-2020-0092
Sachs, Sebastian; Fröhlich, Thomas; Schumacher, Jörg;
Suppression of free convection effects for spherical 1 kg mass prototype. - In: International journal of heat and mass transfer. - Amsterdam [u.a.] : Elsevier, ISSN 1879-2189, Bd. 170 (2021), 121037, insges. 13 S.

We investigate the free convection processes in the vicinity of a spherical 1 kg mass standard by two- and three-dimensional direct numerical simulations using a spectral element method. Our focus is on the determination and suppression of updraft forces in a high-precision mass comparator which are caused by temperature differences between mass standard and its environment in the millikelvin range - a source of systematic uncertainties in the high-precison mass determination. A two-dimensional model is presented first, which obtains a good agreement with previous laboratory measurements for the smaller temperature differences up to 15 mK. The influence of different boundary conditions and side lengths of the square domain is discussed for the mass standard positioned in the center of the chamber. The complexity is increased subsequently in configurations with additional built-ins for counter heating in form of planar plates or hemispherical shells above the mass standard. The latter ones lead to a full compensation of the updraft force. Three-dimensional simulations in a closed cubic chamber confirm the two-dimensional findings and additionally reveal complex secondary flow patterns in the vicinity of the mass standard. The reduction of the heat transfer due to the built-ins is also demonstrated by a comparison of the Nusselt numbers as a function of the Rayleigh number in the chosen parameter range. Our simulations suggest that such additional constructive measures can enhance the precision of the mass determination by suppression of free convection and related systematic uncertainties.



https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121037
Sasiuk, Taras; Fröhlich, Thomas; Theska, René; Oliveira, Rafael Soares;
A novel approach to generate a static torque in the range from 1 mN&hahog;m to 1 N&hahog;m :
Ein neuartiger Ansatz zur Erzeugung eines statischen Drehmoments im Bereich von 1 mN&hahog;m bis 1 N&hahog;m. - In: Technisches Messen : tm ; Sensoren, Geräte, Systeme ; Organ des AMA Fachverbands für Sensorik e.V. und der NAMUR, Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regelungstechnik der Chemischen Industrie.. - Berlin : De Gruyter, ISSN 2196-7113, Bd. 88 (2021), 2, S. 103-113

Drehmomentsensoren mit einem kleinen Messbereich bis zu 1 N&hahog;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&hahog;m bis 1 N&hahog;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.



https://doi.org/10.1515/teme-2020-0090
Vasilyan, Suren; López, Marco; Rogge, Norbert; Pastuschek, Marcel; Lecher, Holger; Manske, Eberhard; Kück, Stefan; Fröhlich, Thomas;
Revisiting the limits of photon momentum based optical power measurement method, employing the case of multi-reflected laser beam. - In: Metrologia : international journal of pure and applied metrology.. - Sèvres : Bureau, ISSN 1681-7575, Volume 13 (2021), number 1, 015006, Seite 1-13

In this work, we review the viability and precision of the photon-momentum-based optical power measurement method that employs an amplification effect caused by a multi-reflected laser beam trapped in an optical cavity. Measuring the total momentum transfer of the absorbed and re-emitted photons from a highly reflective surface (reflection of the laser beam from an optical mirror) as a force provides the possibility of measuring the optical power with direct traceability to SI units. Trial measurements were performed at two different metrology laboratories: the laboratory for mass/force at the Technical University of Ilmenau, and the clean room laser radiometry laboratory at PTB, with a portable force measurement setup consisting of two electromagnetic force compensation balances. We compared the results of the optical power measurements performed with the force measurement setup, via the photon-momentum-based method, with those performed using a calibrated reference standard detector traceable to PTB's primary standard for optical power, the cryogenic radiometer. The comparison was carried out for an optical power range between 1 W and 10 W at a wavelength of 532 nm, which corresponds to a force of approximately 2000 nN at the upper limit, yielding approximately 2.3% relative standard uncertainty in the case of 33 reflections. Thus, conflating the high-precision force metrology technique at [my]N to nN levels with the optical setup required to achieve specular multi-reflection configuration of the laser beam, where a macroscopic optical cavity with ultra-high reflective mirrors (>99.995%) can adjustably be suspended from the force sensors, depending on required geometry of reflections, we show that the uncertainty of the optical power measurements upon further increase of the nominally applied optical power, the number of laser beam reflections, or the reflectivity coefficient of the mirrors can be markedly reduced.



https://doi.org/10.1088/1681-7575/abc86e
Fern, Florian; Füßl, Roland; Eichfelder, Gabriele; Manske, Eberhard; Kühnel, Michael;
Coordinate transformation and its uncertainty under consideration of a non-orthogonal coordinate base. - In: Measurement science and technology : devoted to the theory, practice and application of measurement in physics, chemistry, engineering and the environmental and life sciences from inception to commercial exploitation.. - Bristol : IOP Publ., ISSN 1361-6501, Volume 32 (2021), number 4, 045001, Seite 1-6

Nanopositioning and nanomeasuring machines are 3D coordinate measuring systems with nanometer precision at measurement volumes in the cubic centimeter range. The coordinate base is formed by an interferometer system with a common mirror corner. The orthogonality deviations of the mirror corner require a coordinate transformation of the measuring axes. The uncertainty of the coordinate transformation must be taken into account in the overall measurement uncertainty budget. Starting from a complete transformation model, the result of model simplications on the transformation behaviour is analysed and discussed.



https://doi.org/10.1088/1361-6501/aba3f5
Rogge, Norbert; Vasilyan, Suren; Fröhlich, Thomas;
Selbstkalibrierende Präzisionswaagen für den industriellen Einsatz : Abschlussbericht Projekt VIP+ Planck-Waage : Berichtszeitraum: 01.01.2017-31.12.2019. - [Ilmenau] : [Technische Universität Ilmenau]. - 1 Online-Ressource (11 Seiten, 769,99 KB). - Förderkennzeichen BMBF 03VP02851

https://doi.org/10.2314/KXP:1756259070
Vasilyan, Suren; Rogge, Norbert; Manske, Eberhard; Fröhlich, Thomas;
Generation of static and dynamic small calibration forces and their measurements by electromagnetic force compensation balance. - In: Acta IMEKO : the e-Journal of the International Measurement Confederation (IMEKO).. - Braunschweig, ISSN 2221-870X, Bd. 9 (2020), 5, S. 113-117

The paper presents some of the results of the static and dynamic force measurements at 100 nN to sub-10 [my]N ranges which are generated due the photon-momentum. The force sensor with resolution about 20 nN and operating in differential measurement mode is developed by two electromagnetic force compensation balances. In order to generate these calibration forces, CW lasers with different operational modes, power levels, and wavelengths are used. Multi-reflection configuration of the laser beam inside the macroscopic cavity with highly reflective mirrors are used to test and variate the total amount of the forces.



https://doi.org/10.21014/acta_imeko.v9i5.951