Jahresbericht 2003 - BEV

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Der neu errichtete Maßbandkomparator Maßbänder sind recht einfache Längenmessgeräte, haben jedoch auch in Zeiten von elektronischen Distanzmessgeräten (EDM), GPS-Systemen oder Laserinterferometern ihre Daseinsberechtigung. So erreichen EDM schon heute Messunsicherheiten von etwa 1 mm über gängige Längen. Selbst wenn dieser Wert noch halbiert werden könnte, wäre ein (gutes) Maßband immer noch überlegen. Überdies wird bei einem EDM die gemessene Länge durch einen meist nicht zugänglichen Nullpunkt auf der einen Seite sowie einem Laserrefl ektor auf der anderen Seite realisiert. Es ist daher bei verschiedenen Aufgaben nicht immer einfach die gemessene Länge auf ein Werkstück zu übertragen (oder umgekehrt). Wie alle Messgeräte müssen auch Maßbänder kalibriert (unter bestimmten Umständen auch geeicht) werden. Obwohl die Prüfl inge sehr einfach aufgebaut sind, gilt das nicht für die Kalibriereinrichtung, den Maßbandkomparator. Die Investitionen in den Bau und den Betrieb sind allerdings so hoch, dass nur wenige Organisationen bereit sind, einen Maßbandkomparator in Betrieb zu halten. Der „alte“ Maßbandkomparator des BEV wurde im Jahre 1957 errichtet und mit unwesentlichen Änderungen bis 2002 verwendet.(Abbildung 1). Aus baulichen Gegebenheiten ist der Messbereich auf 30 m beschränkt, längere Prüfl inge müssen abschnittsweise kalibriert werden. Das eigentliche Normal war ein Präzisionsmaßband aus Stahl, das in Abständen von 10 Jahren bei der PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt, Braunschweig) kalibriert wurde. Dabei wurden nur die beiden Marken bei 15 m sowie bei 30 m von der PTB gemessen, die übrigen Metermarken wurden im BEV durch das überaus zeit- und personalaufwändige „Durchziehverfahren“ mit Hilfe eines zweiten Bandes bestimmt. Ab dem Jahr 2000 wurden alle Längenmessungen im BEV an das nationale Normal der Länge (Iod-stabilisierter HeNe-Laser) angeschlossen. Die einzige Ausnahme waren die Kalibrierungen (und Eichungen) von Maßbändern. Weiters ist die Methode des Vergleichs der Teilstriche zweier nebeneinander liegender Maßbänder nicht für alle Prüflinge einwandfrei anwendbar. Typische Beispiele dafür sind Peilbänder mit fest angebrachten Senkeln oder Messlatten für Nivelliere, wo die Teilung nicht nahe genug an diejenige des Normals gebracht werden kann. Zur Beseitigung dieser Restriktionen wurde mit dem Umbau des alten Maßbandkomparators begonnen. Wesentlich war dabei, das neue Gerät im bisherigen Labor aufzubauen und trotzdem die Ausfallszeit so kurz als möglich zu halten. Die Methode der Wahl ist natürlich die Verwendung eines Laserinterferometers als Normalgerät. Bei einem solchen Gerät darf allerdings die Bewegung des Messwagens mit dem Ablesemikroskop höchstens einen Seitenschlag von ± 1 mm aufweisen, aus Gründen der Messunsicherheit ist sogar ± 0,1 mm anzustreben. Die alten Schienen (Warmgewalzter rundkantiger T-Stahl, Flanschoberseite gehobelt) konnten nicht mehr verwendet werden. Zusätzlich war der Abstand der Wandkonsolen so groß, dass alleine durch das Gewicht des Messwagens die Durchbiegung in lotrechter Richtung bereits die angestrebten 0,1 mm erreichte. Aus Zeitgründen wollte man vorerst auf eine Neukonstruktion verzichten. Das Hauptaugenmerk lag daher in Veränderungen der eigentlichen Messbahn. Die Wahl fi el auf handelsübliche sogenannte breite I-Träger die von einer spezialisierten Firma nach den BEV-Spezifi kationen angefertigt wurden: eine Flanschoberseite ist feingeschliffen mit einer erlaubten Ebenheitsabweichung von 100 µm und einer Toleranz für die Breite von 50 µm über die gesamte Länge von je 5 m (Die erste und die letzte Teilschiene sind je 5,5 m lang). Es war auch notwendig, die zweite Flanschseite feinzuschleifen, um Verziehungen durch die Walzhaut zu vermeiden. In die Flanschoberseite wurde eine Nut zur Abbildung 1 zeigt das Gerät auf einer Fotographie aus dem Jahre 1960. Abbildung 2: zeigt einen Überblick des neuen Komparators. Aufnahme eines magnetisch-inkrementalen Längen mess systems eingefräst (mehr dazu weiter unten). Die Stoßstellen der einzelnen Schienenab- Æ 6 Leistungsbericht 2003 Mess- und Eichwesen
schnitte wurden besonders sorgfältig durchkonstruiert, damit der Messwagen bei der Überfahrt keine sprunghaften Bewegungen macht. Abbildung 2 zeigt einen Überblick des neuen Komparators. Die Anzahl der Wandkonsolen wurde verdoppelt, durch den kleineren Abstand wie auch durch das höhere Trägheitsmoment der I-Träger konnte die Durchbiegung auf weniger als 10 µm herabgesetzt werden. Die Wandkonsolen wurden neu errichtet und mit einer Reihe von feingängigen Verstell- Abbildung 3: Wandkosole. elementen versehen (Abb. 3). Dies war notwendig, um die einzelnen Schienenteile möglichst geradlinig ausrichten zu können. Die weiteren Umbauarbeiten umfassten: eine Haltevorrichtung und ein Schutzgehäuse für die Laserquelle Abbildung 4: Haltevorrichtung und Schutzgehäuse für die Laserquelle (Abb. 4), eine Justiereinrichtung für das eigentliche Interferometer am Anfang der Schiene, Adaptierungen der Bandspanneinrichtung, eine feinjustierbare Halterung für den Laserrefl ektor am Messwagen und der Einbau eines Able- semikroskops. Zusätzlich wurden über die gesamte Länge elektronische Temperatursensoren installiert. Als letzte Verbesserung wurde ein magnetischinkrementales Längenmesssystem mit batteriebetriebener Anzeige direkt am Messwagen eingebaut (Abb. 5). Abbildung 5: Das magnetisch-inkrementales Längenmesssystem mit batteriebetriebener Anzeige direkt am Messwagen eingebaut. Welche Möglichkeiten bietet nun das neue Gerät? Die für das BEV (als NMI) wohl wichtigste Messmethode ist die absolute Kalibrierung eines Maßbandes mittels Laserinterferometer. Das Laserinterferometer ist direkt an das nationale Normal der Länge angeschlossen und alle notwendigen Sensoren von den entsprechenden Fachlabors des BEV kalibriert. Unter diesen Bedingungen ist auch eine verlässliche Messunsicherheitsberechnung durchführbar. Erstmals sind daher die Maßbandkalibrierungen auf dasselbe nationale Normal (letztlich den Femtosekunden- Kammgenerator) wie alle anderen Längenmessungen rückgeführt. Als angenehmer Nebeneffekt konnte auch die Messunsicherheit deutlich gesenkt werden. Es ist auch weiterhin möglich, zwei Maßbänder direkt zu vergleichen (nur in dieser Betriebsart ist die Bezeichnung „Maßbandkomparator“ eigentlich zutreffend). Diese Vergleichsmessung kann sogar auf zwei unterschiedliche Arten durchgeführt werden: mittels Okularmikrometer (wie bisher) oder über Verschiebung des ganzen Messwagens mittels digitaler Messschraube. Natürlich ist die Messunsicherheit nach dieser Methode immer größer als bei einer absoluten Kalibrierung, muss doch das Normalband einmal absolut kalibriert worden sein. Diese Technik ist hingegen die Methode der Wahl bei der Bestimmung von Längenänderungen (etwa aufgrund thermischer, elastischer oder plastischer Effekte). Für Messungen mit bescheideneren Genauigkeitsanforderungen (etwa Eichungen) wird das inkrementale Messsystem eingesetzt. Die digitale Anzeige am Messwagen zeigt direkt den zurückgelegten Weg von einem willkürlich gewählten Ausgangspunkt an und ist daher sehr bequem und vor allem rasch. Da dieses System ein integrierter Bestendteil des Maßbandkomparators ist, kann es sehr praktisch und relativ genau in situ mit dem Laserinterferometer kalibriert werden. Der Nachteil ist die geringe Aufl ösung von 0,1 mm (0,01 mm bis 10 m) und die damit verbundene hohe Messunsicherheit. Neben Maßbändern können aber auch andere Längenmessgeräte mit dem neuen Komparator kalibriert werden. Mit zusätzlichen optischen Komponenten kann ein zweites Laserinterferometer (als Prüfl ing) unter gleichen Bedingungen mit dem eingebauten (das Normal) verglichen und damit kalibriert werden. Ganz analog können auch EDM und sogar Radar-Füllstandsmessgeräte kalibriert werden. Da EDM (im Gegensatz zu Laserinterferometer) einen fi xen Nullpunkt haben, können mit Hilfe eines Umlenkspiegels sogar Messlängen von über 30 m realisiert werden. • Mess- und Eichwesen Leistungsbericht 2003 7
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