Optimierung der Steuerung des nationalen Bezugsnormals zur Darstellung der Kraft im nationalen Metrologieinstitut in Österreich

Abstract

Dem Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV) unterliegt als nationales Metrologieinstitut (NMI) Österreichs die Darstellung der Kraft und die korrekte Weitergabe der Einheit Newton an Wirtschaft und Industrie. Das BEV verfügt hierzu über eine primäre Kraftanlage, welche für die Kraft im Bereich weniger Newton bis in den Meganewton-Bereich das österreichische Normal darstellt. Durch die langjährige Nutzung der Kraftanlage treten Abnutzungserscheinungen auf, welche die Qualität der Messung negativ beeinflussen. Die auftretenden Störungen in Form von Stößen und Schwingungen beim mechanischen Form- und Kraftschluss bei der Belastung des Prüflings können insbesondere im Bereich kleinerer Kräfte zu Lastspitzen führen, welche Kraftaufnehmer überlasten oder in ihr Hystereseverhalten bringen können. Somit werden die Messwerte verfälscht und die Genauigkeit der Messung wird verringert. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Konzept für die Regelung der Anlagensteuerung und die dabei auftretende Probleme sowie deren Lösungen erarbeitet. Anschließend sollen die gefundenen Ansätze realisiert und in der bestehenden Anlage implementiert werden. Dazu wurde das Verhalten der Anlage bei verschiedenen Messbereichen und Kraftaufnehmern analysiert und anschließend mittels verschiedener Optimierungsverfahren geeignete Regelparameter entwickelt. Außerdem wurde die Möglichkeit der Definition verschiedener Regelparameter auf Basis mathematischer Funktionen untersucht. Die Validierung der Optimierung der Regelparameter erfolgte durch interne Vergleichsmessungen mit Transfernormalen des Physikalisch-technischen Prüfdiensts über den gesamten Messbereich der Kraftanlage. Die Messdaten wurden entsprechend der Vorgaben für die Kalibrierung von Kraftaufnehmern ausgewertet und dargestellt. Anschließend wurde anhand von definierten Kriterien die Qualität der Optimierungen bewertet. Dazu wurde auch ein Messunsicherheits-Budget für die Kraftanlage erstellt und mit dem aktuellen Anlagenzustand verglichen. Somit wurde ein umfangreicher Nachweis der Funktionalität der Kraftanlage erbracht. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Verwendung von optimierten Regelparametern bei dem Betrieb der Kraftanlage des BEVs eine deutliche Verbesserung der Wiederholpräzession und der Messgenauigkeit erreicht werden konnte und die Messunsicherheit der Kraftmessung dabei verringert wurde.

As Austria's national metrology institute (NMI), the Federal Office for Calibration and Surveying (BEV) it is tasked with providing the national etalon of force and to correctly transfer the unit Newton to business and industry. For this purpose, the BEV has a primary force machine representing the Austrian standard for the force in the range of a few Newtons up to the Meganewton range.Due to the long-term use of the force machine, signs of wear appear. These cause disruptions that occur in the form of impacts and vibrations during the measurement and affect the quality of the measurement. Especially in areas of lower force the occurring peaks in force can overload the force transducer or show its hysteresis behavior. As a result, the measured values are falsified and the accuracy of the measurement is reduced.As part of this work, a concept for the improvement of the control system parameters is developed in order to reduce the effects caused by the occurring disturbances. The approaches found are then to be implemented in the existing system. In addition, the possibility of defining various control parameters on the basis of mathematical functions was examined.The optimization of the control parameters was validated by internal comparison measurements using transfer standards provided by the Physikalisch-technischer Prüfdienst (PTP) to validate the behavior of the force machine over its entire measuring range. The measurement data was evaluated and presented in accordance with the specifications for the calibration of force transducers. The quality of the optimizations was then evaluated using defined criteria. Furthermore, a budget of measurement uncertainty was created for the force machine. Thus, extensive proof of the functionality of the force machine was provided. It was shown that the use of optimized control parameters during measurements could achieve a significant improvement in the repeatability and the measurement accuracy, therefore reducing the measurement uncertainty of the force measurement.