Neuartige mechanische Konzepte und Justagestrategien für Präzisionswägesysteme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Fröhlich; Professor Dr.-Ing. René Theska
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317441410

Heutige Präzisionswägesysteme und Massekomparatoren arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK). Dabei wird die durch ein Wägestück hervorgerufene Auslenkung eines Waagebalkens hochauflösend detektiert und durch die Bestromung der Spule eines elektromagnetischen Aktors in die ursprüngliche Position geregelt. Der Spulenstrom ist somit ein Maß für die wirkende Gewichtskraft des Massestücks auf der Waagschale. Um die Nachteile ursprünglicher Ausführungen als unterschalige, gleicharmige Balkenwaagen zu überwinden, verfügen moderne Wägezellen, für Massekomparatoren und Präzisionswaagen, zusätzlich über eine nachgiebig ausgeführte Parallelkurbel als Krafteinleitungssystem zur Unterdrückung parasitärer Kräfte und Momente. Im Gegensatz zu gleicharmigen Balkenwaagen besitzen EMK-Wägezellen ein unsymmetrisches Hebelsystem, um die elektrisch erzeugte Kompensationskraft auf den erforderlichen Arbeitsbereich einzuschränken. Restfehlereinflüsse wie Temperaturänderungen, Ecklasten durch exzentrische Aufbringung des Wägegutes und Neigungsänderungen durch verschiedene Ursachen (Wanderlasten in automatischen Lastwechslern, Gebäudeneigung durch Windlasten und seismische Aktivitäten etc.) sind, sowohl in Anwendungen von Präzisionswagen als auch Massekomparatoren, unvermeidlich. Die gezielte Justierung der Wägezelle in Bezug auf Neigungsempfindlichkeit und Ecklastempfindlichkeit ist somit entscheidend für die tatsächlich erreichbaren metrologischen Eigenschaften. Ein weiterer wesentlicher Parameter ist die resultierende Federsteifigkeit der Wägezelle, da diese in Kombination mit der zuvor beschriebenen Positionsregelung die erreichbare Kraftauflösung bestimmt. Im ersten Förderzeitraum wurden, auf der Grundlage der Erstellung eines mechanischen Modells, Voraussetzungen für eine grundlegende Verbesserung der metrologischen Eigenschaften von EMK-Wägezellen in Vakuummassekomparatoren geschaffen. Durch ein darauf basierendes Justierkonzept ist die Möglichkeit einer Steigerung der Auflösung bei gleichzeitiger Minimierung der Messunsicherheit gegeben. Dies konnte durch umfangreiche mechanische Modellbildung bestätigt werden. Bei den experimentellen Untersuchungen an kommerziellen Wägezellen wurden eine Hysterese, ein nichtlinearer Verlauf der Steifigkeitskennlinie, sowie zeitabhängige elastische Nachwirkungen ermittelt. Diese Effekte werden durch das aufgestellte Modell noch nicht abgebildet. Gelingt es die dadurch hervorgerufenen Messunsicherheitsbeiträge durch eine Erweiterung des Modells sowie zusätzliche Maßnahmen zu reduzieren, kann die Leistungsfähigkeit der gezielt justierten Wägezelle für Massekomparatoren und Präzisionswägesysteme weiter gesteigert werden. Hierzu sind eine Automatisierung der Justierung, ein adaptives Regelkonzept sowie eine Schwingungsdämpfung für die hängende Waagschale notwendig.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen