Die Schwere g in metrologischen Anwendungen

Projekt: Die Schwere g in metrologischen Anwendungen

Forschende: M.Sc. Manuel Schilling, Dr.-Ing. Ludger Timmen

Projektidee: Bestimmung der Schwere g innerhalb von Prüfeinrichtungen durch Messung und Modellierung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig stellt in so genannten Kraft-Normalmesseinrichtungen (K-NME) die nationale Kraftskala für Kräfte bis zu 16,5 MN dar. Diese werden z.B. dazu genutzt Kraftmesseinrichtungen in Forschung und Industrie zu kalibrieren. Die Kräfte, die solche K-NME erzeugen, werden unter anderem durch direkte Massewirkung erzeugt. Bei dieser Methode werden Massen von wenigen Kilogramm bis zu mehreren Tonnen Gewicht genutzt, um eine Druck- oder Zugkraft auf ein zu kalibrierendes Messgerät zu geben.  Diese Massen wirken direkt über ein Gehänge, ohne weitere mechanische Übersetzungen, auf den Prüfling (vgl. Abbildung 1). Neben den Massen der Belastungskörper ist die erzeugte Kraft von der Schwerebeschleunigung g im Inneren der Maschine abhängig. Eine Messung von g ist somit nur vor dem Aufbau einer K-NME möglich. Die Maschine selbst verändert durch ihre Masse jedoch das Schwerefeld, das zuvor gemessene g.

Mit modernen Gravimetern kann die Schwere g bis auf wenige µGal (1 µGal = 10 nm/s²) bestimmt werden. Am Beispiel der im Jahr 2016 neu errichteten 200KN K-NME an der PTB in Braunschweig wurde zum einen ein Modellansatz getestet, g unter Berücksichtigung der Masse in die Maschine zu übertragen, und zum anderen dieses Modell durch Messungen außerhalb der Maschine zu verifizieren. Zu diesem Zweck wurde in zwei Messkampagnen g an verschiedenen Punkten im Kraftmesslabor gemessen. Diese Punkte lagen am Standort der Maschine selbst, wo nur vor Aufbau gemessen wurde, in unmittelbarer Nähe der Maschine sowie in einer Entfernung von 7 m und 30 m. An den letztgenannten Orten ist nur ein sehr geringer oder gar kein Einfluss der Maschine messbar.

Anhand eines auf Polyedern basierenden Modells der K-NME kann der Einfluss der Masse nun an beliebigen Punkten modelliert werden (vgl. Abbildung 2). Das Modell enthält alle 16 Belastungskörper mit einem Gesamtgewicht von 20 t. Die einzelnen Körper haben ein Gewicht zwischen 5 kg und 5000 kg. Die Rahmenkonstruktion, deren Einzelteile bis zu 7.5 t wiegen, hat ein Gesamtgewicht von über 25 t. Die zahlreichen gleichförmigen Strukturen in der unteren Hälfte in Abbildung 2 zeigen die Belastungskörper; die einzelnen breiten Strukturen in der unteren Hälfte sowie die Strukturen in der oberen Hälfte sind Teile des Rahmens. Es wird deutlich, dass Aufgrund der Massen der K-NME das vor dem Aufbau am Standort (x = 0 m, Höhe = -5 m)  gemessene g um  etwa 150 µGal korrigiert werden muss. In einer Entfernung von 2 m ist der Einfluss der Masse ebenfalls noch ausreichend groß, so dass ein Vergleich mit den Messungen möglich ist. Ein Vergleich der zwei Messkampagnen zeigt den Einfluss der K-NME auf g. Das Modell stimmt an allen gewählten Standpunkten bis auf etwa 1 µGal mit dem Vergleich der Messkampagnen überein. Dies liegt innerhalb der Messunsicherheit moderner Gravimeter.