Konzeptionierung und Validierung eines nationalen Bezugsnormals zur Darstellung der physikalischen Einheit Newton

Abstract

Jedes Nationale Metrologieinstitut (NMI) ist verpflichtet, für die gesetzlichen Maßeinheiten (entsprechend der SI-Einheiten) den nationalen Etalon der Messnormale bereit zu halten, dessen internationale Vergleichbarkeit und Anerkennung sicherzustellen und die Maßeinheiten durch Kalibrierungen von Bezugs- und Arbeitsnormalen für Wirtschaft und Industrie weiterzugeben. Dazu wurde für die Realisierung der Maßeinheit Newton eine Anlage entwickelt und umgesetzt, die die Einheit der Kraft direkt aus der Masse ableitet und realisiert. In dieser Arbeit werden zuerst allgemeine und spezielle Vorgaben und Rahmenbedingungen beschrieben, die für die Schaffung einer Totlastanlage im Bereich weniger N bis MN als primäre Kraftnormalanlage und nationales Normal der Kraft notwendig sind. Ein Vergleich der Vorgaben mit bestehenden Anlagen zeigt eine Reihe von zunächst unvereinbaren Problemstellungen. Es erfolgt daraus Schritt für Schritt die Analyse der Vorgaben und mittels grundlegender Betrachtung der Messunsicherheit die Erstellung eines detaillierten Anforderungskataloges. Zur Lösung der Diskrepanzen wurde zum Teil auf Methoden zurückgegriffen bzw. wurden Lösungen ausgearbeitet, die, verglichen mit bestehenden Realisierungsmöglichkeiten der Kraft, Modifikationen enthalten und Weiterentwicklungen darstellen. Dabei wurden vor allem systematisch alle Beiträge zur Messunsicherheit betrachtet und daraus die Grenze des technisch Möglichen ausgelotet. Basierend auf der Umsetzung des entwickelten Leistungskataloges wurde ein Konzept zur Realisierung einer derartigen Anlage erstellt. Dabei wurden Lösungsansätze analysiert, weiterentwickelt und daraus dieses Konzept zur Umsetzung abgeleitet. Damit ist, bezogen auf die Größe der Anlage, eine beachtenswerte Verbesserung im Messumfang und auch der erzielten Genauigkeit der Messergebnisse erreicht worden. In Kooperation zwischen dem Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV) und dem Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik (IFT) der Technischen Universität Wien konnte das entstandene Konzept umgesetzt und für das BEV als österreichisches nationales Metrologieinstitut eine primäre Kraftnormalanlage zur Darstellung der Kraft realisiert werden. Als primäres Bezugsnormal kann diese Anlage aber nur dann herangezogen werden, wenn für die internationale Anerkennung der Messergebnisse gesorgt wird. In dieser Dissertation wurde eine auf den Bedarf abgestimmte Methode definiert, verfolgt und dokumentiert, die für diese internationale Anerkennung die notwendigen Grundlagen liefert. Durch gezielte Untersuchungen und deren Dokumentationen werden die entwickelten Erweiterungen und Lösungen beschrieben und messtechnisch belegt. Die Verifizierung des erstellten Pflichtenheftes, dessen Validierung zur Einsatztauglichkeit und die messtechnische Beweisführung der Prozessbeherrschung sind Basis dieser Arbeit. Es wird detailliert gezeigt, wie die bei herkömmlichen und gleichwertigen Anlagen auftretenden Störgrößen kompensiert worden sind, so dass man auf die Berücksichtigung dieser Störgrößen, wie sie durch internationale Kalibrierrichtlinien geregelt sind, bei der Auswertung und der dazugehörenden Messunsicherheitsbetrachtung verzichten kann. Mittels systematischer Testreihen wurde diese Methodik der Vergleiche dargelegt und veranschaulicht. Somit wurde jene Nachweisführung erbracht, die in der Metrologie anerkannt ist. Kernteil dieser Beweisführung sind die im Rahmen einer wissenschaftlichen Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) durchgeführten Vergleichsmessungen. Dabei wurde durch Transfer-Normale auf die nationalen Normale der Kraft der PTB zurückgegriffen. Diese Messungen bilden eine der Grundlagen der Validierung dieser Anlage und des gesamten Prozesses zur Realisierung der Kraft im BEV und sind somit die notwendige Beweisführung über die Prozessbeherrschung. Durch Zusammenführung und Interpretation der Messergebnisse wird die Prozessfähigkeit und Eignung der neuen Anlage belegt und ihre Einsatzfähigkeit nachgewiesen. Mit der Darlegung dieser Nachweisführung wurde die Grundlage für die im Rahmen des CIPM-MRA-Abkommens internationale Anerkennung der Messergebnisse und der vom BEV ausgestellten Zertifikate erbracht. Somit konnte durch die Arbeit aufgezeigt werden, dass durch eine methodische Vorgehensweise zur Analyse von Kraftnormalanlagen über einen alternativen Lösungsweg ein Konzept entwickelt und die Tauglichkeit der Umsetzung durch die Validierung bestätigt werden kann.

Every National Metrology Institute (NMI) is obliged to keep the national etalon of measurement standards for the legal units of measurement according to the SI units, to ensure its international comparability and recognition, and to make the units of measurement available for business and industry by calibration of reference and working standards. For the purpose of the realization of the unit 'Newton' a system has been developed and implemented in several comprehensive projects, which derives the unit of force directly from the mass. In the beginning of this dissertation general and specific requirements and conditions are described, which are necessary for the creation of a Deadloadmachine in the range from N to MN as a primary system and national standard. A comparison of the requirements with existing systems shows a series of contradictory problems. An analysis of the requirements enables gradually the preparation of a detailed catalogue of requirements. To resolve the discrepancies in the requirements, methods and solutions have been developed, which, compared to existing realization possibilities, contain modifications and represent further developments. Based on the conversion of the developed catalogue of requirements a concept for the realization of such a system has been prepared. Systematically all contributions to the measurement uncertainty have been regarded and analysed. From this point of view the limit of the technical possibility has been detected. These possibilities have been analysed, developed and a concept for the implementation has been derived from these solutions. Thus, related to the size of the machine, a remarkable improvement in the measurement range and also the obtained accuracy of the results of measurement was reached. In cooperation between the Federal Office of Metrology and Surveying (BEV) and the Institute for Production Engineering (IFT) of the University of Technology in Vienna, the final concept has been realized as a primary force standard for the BEV as the Austrian National Metrology Institute. Based on this primary force standard and with the necessity to provide the international recognition of the measurement results, in this dissertation a method has been defined, the procedure has been carried out and has been documented, which provides the necessary basis for this international recognition. The developed extensions and solutions are described in an extensive documentation and they are proved by a series of measurements. The verification of provided product requirement specifications, its validation to the operational fitness and the proof of the well controlled process carried out by measurements are the basis of this paper. It is shown in detail, how in conventional and equivalent systems occurring disturbances are compensated, so that it is possible to work without considering these disturbances, as they are regulated by international calibration guidelines for the evaluation and the associated measurement uncertainty analysis. By means of numerous tests this methodology of comparisons was presented and demonstrated. Thus the furnishing proof verification was performed, which is accepted in Metrology. The central part of this argumentation consists of comparative measurements carried out within the framework of a scientific cooperation with the Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB). By measuring the transfer standards of the PTB the traceability of the system has been achieved by resorting to the national standard of the force of the PTB. These measurements form the base of the validation of this system and the entire process for the realization of the force in the BEV, and are thus the necessary evidence of the process control. By compilation and interpretation of the measurement results the process capability and suitability of the new system are documented and its measurement capabilities are proved. This proof is the basis of the international acknowledgment of the measurement results as given by the CIPM MRA (CIPM Mutual Recognition Arrangement) and the certificates issued by the BEV, and thus the purpose of the thesis has been achieved by proving that this method of validation is correct.