Kalibrierung mechanischer Messgrößen

Die Laborbereiche für Druck, Waagen/ Gewichte (Masse), Kraft, Vibration, Schock, Beschleunigung und Drehmoment decken weitere Messbereiche industrieller Technik ab.

Wie groß, wie schwer, wie stark, wie schnell? Diese Fragen klärt esz mit höchster Präzision.

Auf der Basis der Grundgröße der Masse der SI-Einheit Kilogramm werden Messobjekte, Normale und Normalmesseinrichtungen kalibriert, mit denen die Messskalen für alle relevanten mechanischen Messgrößen, wie Masse, Kraft, Drehmoment, Beschleunigung, Durchfluss von Gasen und Flüssigkeiten oder (Schall-)druck, mit höchster Genauigkeit dargestellt und an Anwender weitergegeben werden können. Darüber hinaus beraten die esz-Mitarbeiter in allen Fragen der einschlägigen Messtechnik, begutachten ständig Messergebnisse und –Verfahren und sind in nationalen Gremien aktiv.

Kalibrierung anfragen

Kraftkalibrierung

Ob im Bereich Schwingungstechnik oder im Maschinenbau: Die Messung von Kräften und Momenten ist Grundlage zahlreicher Anwendungen in Industrie und Forschung, wie zum Beispiel der Materialprüfung. Bei quasistatischer Belastung erfolgt die Kalibrierung von Kraftmessgeräten, Kraftsensoren oder Kraftmessdosen in Zug- und Druckrichtung im vollautomatischen Ablauf.

Bei fünf Tonnen auf ein halbes Tausendstel genau

Genaueste Kräfte (0,05 % vom Messwert und besser) können mit einer außergewöhnlich hohen Spreizung von 50 N bis 50 kN erzeugt werden. Die Kraft - Normalmesseinrichtung erzielt damit Leistungsdaten, die denen mit direkter Massewirkung durch die Gewichtskraft von Belastungskörpern im Schwerefeld der Erde gleich kommen. Die Verfahren sind dabei an die Anforderungen der DIN EN ISO 376 angepasst.

Die Norm erlaubt zwei Möglichkeiten für die Durchführung der Kalibrierung:

• Mit Umkehrspannenmessung für den Fall, dass die Kraftmessgeräte für zunehmende und abnehmende Kräfte verwendet werden.
• Ohne Umkehrspannenmessung für den Fall, dass die Kraftmessgeräte nur für zunehmende Kräfte verwendet werden.

Im ersten Fall, das heißt bei der Verwendung von Kraftmessgeräten mit Umkehrspannenmessungen, wird die Kalibrierung mit zunehmenden und abnehmenden Kräften durchgeführt, um die Hysterese des Kraftmessgeräts bestimmen zu können. Die elektrischen Signale werden bei der Kalibrierung über einen Bezugsnormalmessverstärker dargestellt, dessen Unsicherheiten kleiner 60 nV/V liegen.

Kalibrierung von Drehmoment

Drehmoment ist definiert als das Produkt einer wirkenden Kraft und dem senkrechten Abstand zum gewählten Drehpunkt. Damit wird die Einheit des Drehmomentes abgeleitet aus den Einheiten der Kraft (dem Newton) und der Länge (dem Meter). Das Newton wiederum wird auf die SI-Basiseinheiten Kilogramm, Meter und Sekunde zurückgeführt. Die Weitergabe dieser abgeleiteten Messgröße für beispielsweise Drehmomentschlüssel und Drehmomentschraubwerkzeuge wird durch Schriften wie DIN EN ISO 6789, DIN 51309 oder DKD-R 3-8 beschrieben. Die Kalibriereinrichtung dient der Kalibrierung von anzeigenden elektronischen Drehmomentschlüsseln, die in der Regel mit einer Messunsicherheit von einem Prozent spezifiziert sind.

Zentrale Drehmomenteinleitung

Die Handhabung (Einbaulage und Anordnung) entspricht den Vorgaben der ISO 6789. Die Drehmomenteinleitung erfolgt zentral am Drehmomentschlüsselabtrieb und auch die Abstützung des Handgriffes wird analog der ISO durchgeführt.

Auf der Kalibriereinrichtung können ebenso Drehmoment-Messketten, bestehend aus Sensorik und Anzeigegerät, kalibriert werden. Hierzu dient ein mechanischer Aufsatz, welcher zentral über der Antriebseinheit aufgesetzt wird. In diesen können Sensoren mit An- und Abtriebsvierkanten (1/4“, 3/8“, ½“, ¾“; 1“) aufgenommen werden, die dann mit einem entsprechenden Drehmoment belastet werden. Als Antriebssystem wird eine leicht gängige Mechanik mit entsprechenden Getrieben eingesetzt und damit das Drehmoment direkt am Referenznormal und Prüfling über Ausgleichskupplungen eingekoppelt. Der Drehmomentabtrieb ist dabei in einem Luftlager gegen auftretende Querkräfte gelagert, um Stördrehmomenteinflüsse auszuschalten.

Kalibrierung von Beschleunigung

Die Kalibrierung von Beschleunigungssensoren und –aufnehmern wird über ein Mittelfrequenz-Beschleunigungskalibriersystem realisiert. Dieses ermöglicht die Kalibrierung bei Frequenzen bis 10 kHz mit geringsten Messunsicherheiten.

Mit 30facher Erdbeschleunigung durchs Labor

Gemäß den Anforderungen aus ISO 16063-21 sind Beschleunigungskalibrierungen bis 300 m/s² und 250 g beschleunigter Masse möglich. Kernstück ist ein Schwingerregersystem mit zwei Back-to-Back Bezugsnormalen, so dass die Sekundärkalibrierung von Sensoren der Klasse 1 nach ISO 16063 unabhängig von piezoresistiver und piezoelektrischer Bauform aller gängigen Typen und Hersteller kalibriert werden können. Die hochgenauen Mess- und Prüfmöglichkeiten der Normalmesseinrichtungen werden vor allem für Kalibrierungen von Messmitteln für den praktischen Einsatz genutzt, wenn besondere Anforderungen an Genauigkeit und Zuverlässigkeit gestellt sind. Eingesetzt wird das System darüber hinaus für die Vergleichskalibrierung von Ladungs-, ICP®-, Spannungs-, Kapazitiven- und piezoresistiven Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- und Schwingwegaufnehmern mit Sinusanregung bei höchster Genauigkeit.

Kalibrierung von Masse, Waagen und Gewichten

Kalibrierte Messgeräte setzen kalibrierte Prüfmittel voraus. Bei Waagen z.B. sind dies kalibrierte Prüfgewichte bzw. Massestücke, auch „Normale“ genannt. Denn jede Waage liefert nur dann korrekte Ergebnisse, wenn sie regelmäßig überprüft, d.h. richtig kalibriert und bei Bedarf justiert wird. Erst durch die dokumentierte Kalibrierung wird eine Waage zum verlässlichen Mess- und Prüfmittel. Die Vorgaben hierfür regelt die Richtlinie EURAMET cg18 Rev, 4. Ziel ist es dabei, die Einflussgrößen der Messunsicherheit zunächst zu bestimmen, um danach die Qualität der Wägeergebnisse abschätzen zu können.

Große Herausforderungen bei kleinsten Stoffmengen

Wie wichtig richtige Wägungen in der Industrie sind, zeigt sich beispielsweise in der Medizintechnik, in der es um kleinste Stoffmengen geht. Auch in der Halbleiterproduktion entscheiden Dotierungen im Mikrogrammbereich über wesentliche Materialeigenschaften. Die Kalibrierungen werden dazu im Labor oder am besten natürlich am Aufstellort selbst mit Kalibriergewichten der besten Klassen durchgeführt, so dass sowohl die Anforderungen von DKD als auch von OIML vollumfänglich abgedeckt werden. Die Wägeverfahren im Vergleich mit den Normalen müssen dabei unter zugfreien Bedingungen durchgeführt werden, da bereits kleinste Luftdruckschwankungen zu abweichenden Ergebnissen führen können.

Kalibrierung von Druck

Der Druck ist ein Maß für den Widerstand, den Materie einer Verkleinerung des zur Verfügung stehenden Raumes entgegensetzt. Druck ist eine intensive, skalare physikalische Größe mit der SI-Einheit Pascal. Das übliche Formelzeichen p lehnt sich an das englische Wort für Druck (pressure) an. Druck kann in den meisten Fällen mit dem Quotienten aus Kraft F und Fläche A gleichgesetzt werden. Genau auf diesem Prinzip basieren auch Kalibriersysteme und Druckkolbenmanometer zur Darstellung der Messgröße. Ein genau definierter Druck in einer Flüssigkeit oder einem Gas wird erzeugt, indem auf einen Kolben mit bekanntem Querschnitt eine definierte Kraft ausgeübt wird. In der Praxis werden dazu auf den Kolben Gewichte aufgelegt (der Kolben steht senkrecht, sog. Druckwaage oder Kolbenmanometer).

Extreme Genauigkeitsanforderungen

Für Präzisionsmessungen ist weiterhin zu berücksichtigen, dass die Gewichtskraft auf eine Masse von der Erdbeschleunigung abhängt und diese ortsabhängig ist. Für die extremen Genauigkeitsanforderungen werden sogar die Verformungen des Kolbens und Zylinders unter Druck und auch der Auftrieb der Gewichte in Luft berücksichtigt. Um Messfehler durch die Haftreibung zwischen Kolben und Zylinder auszuschließen, wird der Kolben samt den darauf befindlichen Gewichten um seine Achse gedreht. In derselben Genauigkeitsklasse arbeiten oft auch die eingesetzten Druckcontroller, die vor allem bei Kalibrierungen mit dem Druckübertragungsmedium Stickstoff Anwendung finden und Messunsicherheiten bis zu 60 ppm vom Messwert erzielen. Das übliche Medium für Druckwaagen ist dagegen Hydrauliköl, so dass mit diesen zwei Messverfahren sehr große Messbereiche zwischen Vakuum und 700 bar Überdruck abgedeckt werden können.

Durchflusskalibrierung

Das LaminarMasterFlow®-Messsystem der esz AG ist in seiner Anwendung zur Kalibrierung von Luftvolumen- und Massenstrommessgeräten vorgesehen. Das System wird mit annähernd atmosphärischen Drücken betrieben und ist als Vielfachmessstrecke mit manueller Umschaltung ausgeführt. Die Umschaltung auf die jeweils gewünschte Messstrecke erfolgt durch manuelles Umstecken der entsprechenden Sensoren sowie manuelles Adaptieren der entsprechenden LFE Strecke. Die vier LFE Messstrecken sind auf einer gemeinsamen Grundplatte montiert. Kern des LMF ist ein Digitalsystem mit USB Datenerfassungshardware zur Analogwertverarbeitung und Ausgabe der Messwerte. Die Sensorversorgung befindet sich in einem 19"-Einschub, Messstrecke und Sensorik sind separat aufgebaut. Daneben werden Volumeter der Modellserie BIOS DryCal ML-800-xx betrieben, die auswechselbare Durchfluss-Messzellen besitzen und jeweils ein dynamisches Spektrum 1:100 abdecken. Die Kolbenmessysteme (Volumeter) sind mit fast reibungslosen Druckkolben sowie photo-optischer Sensortechnologie ausgerüstet, um die Anzeige des Durchflusses genau und schnell zu generieren. Integriert sind eine atmosphärische Druckkorrektur sowie eine anwenderdefinierte Temperaturkorrektur.

Durchflusskalibrierungen mit kleinsten Messunsicherheiten

Die Korrekturen werden mittels eingebauter Präzisionssensoren realisiert und dienen dazu standardisierte Durchflussraten, z.B. Normal-Bedingungen (0 °C, 1013,25 mbar abs.) anzuzeigen. Dieses Leistungsmerkmal lässt sich idealer Weise in Kombination mit Massedurchflussmessgeräten einsetzen. Daneben ermöglichen die Geräte dem Anwender die Anzahl der Messzyklen zur Mittelwertbildung festzulegen. Vor allem Betreiber aus Medizintechnik und Pharmatechnologie sind im Bereich Durchfluss auf Kalibrierungen kleinster Messunsicherheiten angewiesen. Auch Kunden der Gasversorgungstechnik, Lebensmittel- und Haustechnik kann hier die nötige Präzision und Genauigkeit geliefert werden. Die Messeinrichtungen sind seit dem Jahr 2012 akkreditiert.

Der Fachbereich ist spezialisiert auf die Kalibrierung typischer Messgeräte wie:

Waagen und Gewichte / Druckmessgeräte / Gewebespannungsmessgeräte und Siebspannung/ Beschleunigungsmessgeräte / Kraftmessgeräte / Drehmomentmessgeräte / Durchflussmessgeräte / Schwebekörperdurchflussmesser