Uncertainty of a calibration device for heat flux sensors - uncertainty of the temperature difference :
Messunsicherheit einer Kalibriereinrichtung für Wärmestromsensoren - Unsicherheit der Temperaturdifferenz. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 0 (2024), 0, S. 1-10
Wärmestromsensoren werden in den verschiedensten Applikationen eingesetzt. Dabei ist eine Kalibrierung der Sensoren unumgänglich. In diesem Beitrag wird die Bedeutung von Wärmestromsensoren und die Notwendigkeit einer Kalibrierung aufgezeigt. Zu diesem Zweck wurde am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der Technischen Universität Ilmenau ein Kalibrierstand entwickelt und aufgebaut, der die rückführbare Kalibrierung von Wärmestromsensoren ermöglicht. Mit dieser Einrichtung können Wärmestromsensoren durch einen Vergleich gegenüber einem Referenzwärmestromsensor, basierend auf Wärmeleitprozessen, kalibriert werden. Vor diesem Hintergrund wird der Aufbau der Kalibriereinrichtung sowie der enthaltenen Sensorik diskutiert und eine umfassende Unsicherheitsbetrachtung zum eingeprägten Wärmestrom angestellt. Der Schwerpunkt dieser Unsicherheitsbetrachtung liegt auf der Messung von Temperaturdifferenzen innerhalb der Einrichtung, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Unsicherheit des rückführbaren Wärmestroms haben. Aus der umfassenden Unsicherheitsbetrachtung resultiert für den bereitgestellten Wärmestrom in der Kalibriereinrichtung eine um ( k = 2) erweiterte relative Messunsicherheit von 2,9%.
https://doi.org/10.1515/teme-2024-0034
A novel magnet system - which enables uniformity of radial flux density by means of a parabolic yoke - applied in the Planck-Balance. - In: Measurement science and technology, ISSN 1361-6501, Bd. 35 (2024), 10, 105004, S. 1-9
A uniform magnetic flux density that is effective in the movement range of the coil is essential for accurate Kibble balance experiments. By utilizing Hopkinson’s law and Kirchhoff’s circuit laws, basic formulas have been derived, providing a method to calculate the magnetic flux density distribution in the airgap of a cylindrical magnet system. A parabolic outer contour of the inner yoke has been found to be a suitable solution to achieve uniformity. Experiments show, that this approach results in a relative change of magnetic flux density in the order of 3 &hahog; 10^-4 per 8 mm movement range, using a magnet system with a mass of only 2.3 kg. Therefore, the system will be integrated into the upgraded version of PTB’s Planck-Balance - a compact variant of a Kibble balance - aiming for sub 1 &hahog; 10^-6 accuracy level determination of the geometric factor. The solution described provides a comparatively easy means to design a cylindrical magnet system, using only one permanent magnet disc, without the use of complex simulation software.
https://doi.org/10.1088/1361-6501/ad52b6
Uncertainty of surface temperature measurement in coordinate measuring machines :
Unsicherheit der Oberflächentemperaturmessung in Koordinatenmessgeräten. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 0 (2024), 0, S. 1-10
In der Präzisionslängenmesstechnik ist die Werkstücktemperatur aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Materialeigenschaften eine wichtige Einflussgröße und liefert einen Beitrag zur Messunsicherheit. Neben den Einflüssen der Umgebung wie Temperaturschwankungen oder Bodenschwingungen auf das Koordinatenmessgerät selbst spielen auch die Einflüsse der Umgebung auf das Werkstück eine wichtige Rolle. Hierzu zählt neben den Temperaturschwankungen im Raum auch die jeweilige Vortemperierung der Werkstücke. Insbesondere führen die vorherige Bearbeitung und die Lagerung des Werkstücks zu Unterschieden zwischen der Oberflächen- und der Innentemperatur. Je größer die Genauigkeit der Temperaturbestimmung ist, desto kleiner sind die Messabweichungen. Deshalb wird zum Beispiel in Koordinatenmessgeräten während der Längenmessung die Temperatur im Messraum überwacht sowie die Temperaturen an der Oberfläche der Längenmesssysteme an den Messachsen und an der Oberfläche des Werkstücks erfasst und zur Onlinekorrektur der Messwerte verwendet. Zur Bestimmung der Werkstückoberflächentemperatur und der Kompensation dieser Temperatureinflüsse werden sowohl an den Werkstücken statisch, durch Magnete, befestigte Werkstücktemperatursensoren (Magnetfühler) verwendet als auch vor der Längenmessung automatisch einwechselbare Werkstücktemperatursensoren (Taster). Die Messunsicherheit dieser Temperatursensoren wird meist durch Kalibrierung in Flüssigkeitsbädern bestimmt. Dabei werden jedoch die Messunsicherheitsanteile, die durch das Aufsetzen auf die Oberfläche entstehen, nicht berücksichtigt. Diese Messunsicherheitsanteile wurden umfassend untersucht und werden im Beitrag vorgestellt.
https://doi.org/10.1515/teme-2024-0036
Process measurement technology and precision measurement technology :
Prozessmesstechnik und Präzisionsmesstechnik. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 91 (2024), 5, S. 231-232
Editorial
https://doi.org/10.1515/teme-2024-0041
Vergleich von vollständig fasergekoppelten Interferometersystemen unter Vakuumbedingungen :
Comparison of full fiber coupled interferometer systems under vacuum conditions. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 91 (2024), 5, S. 281-289
The PTB built a comparator setup for testing length measuring systems under vacuum conditions. The setup is equipped with a linear stage which is operated in a closed loop using the feedback of a 1.5D encoder system with three encoder heads for length and vertical rotation angle and exhibits a movement range of 150 mm. The main measurement system is a heterodyne interferometer with periodic nonlinearities with amplitudes below 10 pm. The comparator setup was characterized using a mirror mounted on the stage reflecting the measurement as well as the reference beams. By these means, the resolution, the stability of the setup as well as the influence of guiding errors on position-dependent measurement deviations of the fully fiber coupled interferometer were investigated. A position-depending error was observed which was resulting from the variation of the performance of the coupling into the multi-mode fibers used to transfer the superposed beams to the photoreceivers. The measured deviations were 1.5 nm or 0.2 nm over 70 mm travel range depending on the core diameter of the multi-mode fibers of 50 µm and 200 µm, respectively. Three different commercial fiber interferometer systems were analysed under vacuum conditions with the comparator setup. All tested systems are working with light sources with a wavelength of approximately 1535 nm but differ in the amplitude of their periodic nonlinearities in the range between 10 pm and 29 nm. The tests of their resolution and stability were limited by vibrations in the comparator setup and the lack of adequate synchronization capabilities of the data acquisition of these systems.
https://doi.org/10.1515/teme-2024-0011
A new kind of atomic force microscopy scan control enabled by artificial intelligence: concept for achieving tip and sample safety through asymmetric control. - In: Nanomanufacturing and metrology, ISSN 2520-8128, Bd. 7 (2024), 1, 11, S. 1-10
This paper introduces a paradigm shift in atomic force microscope (AFM) scan control, leveraging an artificial intelligence (AI)-based controller. In contrast to conventional control methods, which either show a limited performance, such as proportional integral differential (PID) control, or which purely focus on mathematical optimality as classical optimal control approaches, our proposed AI approach redefines the objective of control for achieving practical optimality. This presented AI controller minimizes the root-mean-square control deviations in routine scans by a factor of about 4 compared to PID control in the presented setup and also showcases a distinctive asymmetric response in complex situations, prioritizing the safety of the AFM tip and sample instead of the lowest possible control deviations. The development and testing of the AI control concept are performed on simulated AFM scans, demonstrating its huge potential.
https://doi.org/10.1007/s41871-024-00229-6
Der Einsatz von Mikrokugeln als Referenzartefakte für die in-situ-Charakterisierung von taktilen 3D-Mikrotastern entlang des Äquators der Tastkugel :
Using micro spheres as reference artifacts for the in-situ characterization of tactile 3D micro probes along the probing sphere’s equator. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 91 (2024), 5, S. 244-254
Nano and micro coordinate measuring machines (CMMs) have been developed for the characterization of small dimensional features. They require a procedure which enables a traceable and precise characterization of probing spheres. In this contribution we explore the use of well characterized micro spheres as reference artifacts for the in-situ characterization of probing spheres along the probing sphere’s equator. The spheres are characterized using a strategy which is based on a set of tactile surface scans in conjunction with a stitching-algorithm. These micro spheres serve as a reference for the in-situ characterization of a tactile 3D micro probe on a nano measuring machine (NMM-1). Our investigations are based on a sample of eight spheres sourced from two different suppliers. Although the sample is small, we could already observe characteristics which seem to be typical for spheres of a certain type (i.e. nominal radius and material). The experiments indicate that micro spheres are a suitable reference artifact for tactile 3D micro probes. We were able to reproduce the measured mean radius of the probing sphere with a standard deviation of 31 nm using reference spheres whose nominal radius covers a range of 89 µm.
https://doi.org/10.1515/teme-2023-0164
Performance evaluation approach for accelerating rate calorimeters by means of Joule heat. - In: Thermochimica acta, Bd. 735 (2024), 179719, S. 1-9
Currently, the commonly used performance evaluation approach for accelerating rate calorimeters (ARCs) is based on di‑tert‑butyl peroxide (DTBP). However, DTBP is not a certified reference material that contains untraceable and inaccurate thermodynamic and kinetic parameters. To address this issue, an evaluation approach using Joule heat was proposed. The key point of this approach is the use of Joule heat to simulate the exothermic process of a chemical reaction. First, an evaluation apparatus with reaction rate feedback control was developed. Subsequently, exothermic reaction experiments using the DTBP/toluene solution were simulated. The experimental results indicated that the thermodynamic and kinetic parameters obtained using this approach align with the preset values and exhibit good repeatability. This approach is traceable and can be traced back to the International System of Units, which facilitates reliable performance evaluation of commercial ARCs.
https://doi.org/10.1016/j.tca.2024.179719
Characterization of a parallel kinematics actuated in situ reference measurement system for 5D-nano-measurement and nano-fabrication applications :
Charakterisierung eines parallelkinematisch aktuierten In-situ-Referenzmesssystems für 5D-Nanomess- und Fabrikationsanwendungen. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 91 (2024), 2, S. 102-115
Die stetig voranschreitende Entwicklung im Bereich der Fertigung optischer und elektronischer Elemente auf Basis von Nanotechnologien führt seit Jahren zu einer steigenden Nachfrage nach hochpräzisen Nanomess- und Nanofabrikationsmaschinen (The International Roadmap For Devices And Systems, IEEE, 2020; C. Grant Willson and B. J. Roman, “The future of lithography: SEMATECH litho forum 2008,” ASC Nano , vol. 2, no. 7, pp. 1323-1328, 2008). Als technologisch besonders anspruchsvoll hat sich dabei die Fabrikation auf stark geneigten, gekrümmten, asphärischen und freigeformten Oberflächen herausgestellt (R. Schachtschneider, et al., “Interlaboratory comparison measurements of aspheres,” Meas. Sci. Technol. , vol. 29, no. 13pp, p. 055010, 2018). Aufbauend auf den zukunftsweisenden Entwicklungen der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 1 (NMM-1) (G. Jäger, E. Manske, T. Hausotte, and J.-J. Büchner, “Nanomessmaschine zur abbefehlerfreien Koordinatenmessung,” tm - Tech. Mess. , vol. 67, nos. 7-8, pp. 319-323, 2000) und der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 200 (NPMM-200) (E. Manske, G. Jäger, T. Hausotte, and F. Balzer, “Nanopositioning and Nanomeasuring Machine NPMM-200 - sub-nanometre resolution and highest accuracy in extended macroscopic working areas,” in Euspen’s 17th International Conference , 2017), wird an der Technischen Universität Ilmenau seit mehreren Jahren an Konzepten für NPMM mit erhöhtem Freiheitsgrad geforscht (F. Fern, “Metrologie in fünfachsigen Nanomess- und Nanopositioniermaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020; R. Schienbein, “Grundlegende Untersuchungen zum konstruktiven Aufbau von Fünfachs-Nanopositionier- und Nanomessmaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020). So besitzt der seit 2020 entwickelte Demonstrator NMM-5D (J. Leinweber, C. Meyer, R. Füßl, R. Theska, and E. Manske, “Ein neuartiges Konzept für 5D Nanopositionier-, Nanomess-, und Nanofabrikationsmaschinen,” tm - Tech. Mess. , vol. 37, nos. 1-10, 2022) neben dem kartesischen Verfahrbereich von 25mm × 25mm × 5mm zusätzlich ein Rotationsvermögen des Tools von 360˚ sowie ein Neigungsvermögen von 50˚. Imfolgenden Artikel wird davon ausgehend die mechanische und metrologische Charakterisierung der parallelkinematisch aktuierten Rotationserweiterung präsentiert. Hierbei konzentrieren sich durchgeführte Untersuchungen primär auf die kinematisch verursachten Abweichungen des Tool Center Point (TCP) sowie die Detektierung dieser Abweichungen mit einem interferometrischen In-situ -Referenzmesssystem. Darüber kann perspektivisch eine geregelte Kompensation der auftretenden TCP-Abweichungen erfolgen.
https://doi.org/10.1515/teme-2023-0109
From measurement to information with intelligence - VDI future forum in Ettlingen/Germany :
Mit Intelligenz von der Messung zur Information - VDI-Zukunftsforum in Ettlingen. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 91 (2024), 1, S. 1-3
https://doi.org/10.1515/teme-2023-0154