Mechanik und Akustik Abteilung 1 - Physikalisch-Technische ...
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Physikalisch-Technische Bundesanstalt Nationales Metrologieinstitut Abteilung 1 Mechanik und Akustik Abteilungsbericht 2018
Abteilung 1
Mechanik und Akustik
Dr. Prof. h. c. F. Härtig
Telefon: (0531) 592-1010
E-Mail: frank.haertig@ptb.de
Fachbereich 1.1
Masse – Weitergabe
der Einheit
Dr. D. Knopf
Telefon: (0531) 592-1100
E-Mail: dorothea.knopf@ptb.de
Fachbereich 1.2
Festkörpermechanik
Dr. R. Kumme
Telefon: (0531) 592-1200
E-Mail: rolf.kumme@ptb.de
Fachbereich 1.3
Geschwindigkeit
Dr. R. Wynands
Telefon: (0531) 592-1300
E-Mail: robert.wynands@ptb.de
Fachbereich 1.4
Gase
Dr. H. Többen
Telefon: (0531) 592-1400
E-Mail: helmut.toebben@ptb.de
Fachbereich 1.5
Flüssigkeiten
Dr. C. Kroner
Telefon: (0531) 592-1500
E-Mail: corinna.kroner@ptb.de
Fachbereich 1.6
Schall
Dr. C. Koch
Telefon: (0531) 592-1600
E-Mail: christian.koch@ptb.de
Fachbereich 1.7
Akustik und Dynamik
Dr. T. Bruns
Telefon: (0531) 592-1700
E-Mail: thomas.bruns@ptb.de
Fachbereich 1.8
Masse – Darstellung
der Einheit
Dr. H. Bettin
Telefon: (0531) 592-1800
E-Mail: horst.bettin@ptb.de Titelseite: Strömungsfeld in der Messstrecke der neuen
Windkanalmesseinrichtung des Kompetenzzentrums für
Auszug aus dem PTB-Organigramm Windenergie für rückgeführte Vergleichsmessungen mit
(Dezember 2018) dem bistatischen PTB-Lidar.
Abteilungsbericht 2018 – Mechanik und Akustik
Die Aufgaben der Abteilung 1 sind den drei Themen- Das EMPIR-Projekt AWICal wurde im Sommer 2018
bereichen Masse und abgeleitete Größen, Durchfluss erfolgreich abgeschlossen. Im Ergebnis des Projektes
sowie Akustik, Ultraschall, Beschleunigung zuge- wurden Kalibrierleitfäden für drei Kategorien selbst-
ordnet. Projekte wie das erfolgreich durchgeführte tätiger Waagen (SWs) entworfen und im Rahmen von
Avogadroprojekt zur Neudefinition der SI-Einheit Vergleichsmessungen erprobt. Selbsttätige Waagen
Kilogramm, das im ersten Bauabschnitt fertiggestellte unterliegen zu großen Teilen den Anforderungen des
„Kompetenzzentrum für Windenergie“ und die Vor- gesetzlichen Messwesens. Die dafür geltenden nor-
entwicklungen zur Einführung der E-Akte im Bereich mativen Dokumente beschreiben aber ausschließlich
der Konformitätsbewertung standen im Vordergrund die Prüfung solcher Geräte. Insofern war die Diffe-
abteilungsübergreifender Aktivitäten. Entwicklungen renzierung zwischen den Notwendigkeiten und Mög-
zur Festlegung eines internationalen Datenformates lichkeiten für die Kalibrierung solcher Geräte von
für den Austausch metrologischer Daten auf der Basis den Anforderungen an Messgeräte bei der Eichung
der SI-Einheiten sowie die Entwicklung eines ma- eine Herausforderung für alle Teilnehmer. Der FB 1.1
schinenlesbaren Kalibrierscheins sind darüber hinaus der PTB war bei der Entwicklung und Erprobung des
von globaler strategischer Bedeutung. Hierbei werden Leitfadens zur Kalibrierung von selbsttätigen Waagen
ganzheitlich technische, monetäre und rechtliche für Einzelwägungen (catchweighing instruments)
Fragestellungen von der Grundlagenentwicklung bis beteiligt. In Zusammenarbeit mit einem Industrie-
hin zur Markteinführung erörtert. Es erfolgt eine enge partner wurde die zugehörige Vergleichsmessung
anwenderorientierte Abstimmung innerhalb der PTB am Beispiel einer Kontrollwaage organisiert und
sowie mit nationalen und internationalen Partnern ausgewertet. Die Ergebnisse der Teilnehmer stimmten
aus Industrie, Kalibrierlaboratorien, Verbänden, bei verschiedenen künstlichen und realen Testmassen
Metrologieinstituten und wissenschaftlichen Einrich- sehr gut überein.
tungen.
Die Einführung der elektronischen Aktenführung
Nachfolgend werden wichtige Arbeiten und Schwer- („E-Akte“) hat insbesondere Auswirkungen auf die
punkte sowie aktuelle Entwicklungen in Abteilung 1 Arbeitsgruppen Waagen und Kommunikationstechnik
vorgestellt. von Waagen, weil davon auszugehen ist, dass der Pro-
zess der Ausstellung von nationalen, europäischen und
internationalen Zertifikaten für Waagen und Module
1.1 Masse und abgeleitete Größen von Waagen und deren elektronische Veraktung we-
sentlich von den veränderten Abläufen betroffen sein
Im Themenbereich Masse und abgeleitete Größen wird. Daher wurden bereits frühzeitig die internen
wird in den Fachbereichen 1.1, 1.2, 1.3, 1.7 und 1.8 – Prozesse im Rahmen der Konformitätsbewertung an
basierend auf dem Einheitengesetz, dem Mess- und die erwarteten Abläufe der „E-Akte“ angepasst, ohne
Eichgesetz, den zugehörigen Verordnungen sowie den normalen Ablauf des Tagesgeschäfts mit unseren
dem Beschussgesetz – an der Darstellung und Weiter- Kunden zu beeinträchtigen. Der Bereich Waagen
gabe der mechanischen Einheiten für die Masse, die im Sektor 2 der Konformitätsbewertungsstelle der
Kraft, das Drehmoment und den dynamischen Druck PTB, der durch die oben genannten Arbeitsgruppen
gearbeitet. repräsentiert wird, wird im kommenden Jahr die Um-
setzung der „E-Akte“ als Pilot für die Konformitätsbe-
Zu den Aufgaben des Fachbereichs 1.1 gehören in den wertungsstelle begleiten.
Arbeitsgruppen Waagen und Kommunikationstechnik
von Waagen die Prüfung und Konformitätsbewertung Neben der Etablierung von Silizium-Kugeln zur
von nichtselbsttätigen und selbsttätigen Waagen sowie Realisierung des Kilogramms nach der Neudefinition
Waagenmodulen. Die Arbeitsgruppe Metrologie in der Einheiten ist die „Planck-Waage“, als industrie
der Wägetechnik untersucht neue Möglichkeiten zur taugliche Variante der Kibble-Waage, sicherlich das
Weitergabe der Einheit Kilogramm nach einer Neude- wissenschaftlich anspruchsvollste und spannendste
finition auf der Grundlage der Planck-Konstanten. Projekt der PTB zur zukünftigen Weitergabe der
Einheit Kilogramm. Das vom BMBF im Rahmen
1
Abteilungsbericht 2018 – Abteilung 1
des VIP+-Programms geförderte Projekt, in dem Rahmen einer Projektverlängerung um vier Monate
gemeinsam mit der TU Ilmenau zwei Varianten werden weitere Untersuchungen mit Aluminiumoxid-
dieser Waage mit unterschiedlichen Genauigkeiten Federn durchgeführt. Dieses Material zeigte bei den
entwickelt werden, ist im Januar 2017 gestartet. Ziel Untersuchungen ein weitaus günstigeres Verhalten,
sind Messsysteme zur primären Darstellung eines weil sowohl die Verformungsänderung als auch die
Massewertes auf der Grundlage des erwarteten neu beobachtete Zeitkonstante deutlich verringert sind
definierten Kilogramms, die in Anlehnung an die Ge- (Faktor ≈ 1/10 ... 1/100).
nauigkeitsklassen von Gewichtsstücken E1 und E2 die
Bezeichnungen Planck-Balance 1 (PB1) und 2 (PB2)
1.2 Festkörpermechanik
tragen. Dabei sollen möglichst kontinuierliche Dar-
stellungen von Massewerten zwischen 1 mg und 100 g
Der Fachbereich 1.2 Festkörpermechanik besteht aus
(PB2) und 1 mg und 1 kg (PB1) erreicht werden.
den Arbeitsgruppen „Darstellung Kraft“, „Darstellung
Drehmoment“ und „Kraftmesstechnik“ und realisiert die
Im Rahmen des Ende 2016 gestarteten TransMeT-
Normale für Kraft, Drehmoment und periodische Kräf-
Projekts „Si-Kilogramm“ sind große Fortschritte beim
te. Mit Kraft-Normalmesseinrichtungen werden Kräfte
Transfer des PTB-Know-hows zu Industriepartnern
von 500 mN bis 16,5 MN und mit Drehmoment-Nor-
erreicht worden. Einer der Projektpartner hat auf dem
malmesseinrichtungen Drehmomente von 1 mN · m bis
IMEKO-Weltkongress im September 2018 bereits alle
1,1 MN · m und mit den dynamischen Messeinrichtun-
wesentlichen Handhabungswerkzeuge und Trans-
gen periodische Kräfte mit Frequenzen bis zu 2000 Hz
portzubehör vorstellen können. Der zweite Industrie-
realisiert. Die Weitergabe dieser Einheiten erfolgt über
partner hat eine erste Silizium-Kugel der geforderten
die Kalibrierung von Kraft- und Drehmomentmessge-
Qualität (Rundheit besser als 80 nm und Rauheit
räten in den Normalmesseinrichtungen.
kleiner als 1 nm) herstellen können. Es gilt nun, die
Produktionsprozesse durch den Einsatz produktions-
In der Arbeitsgruppe Darstellung Kraft wird die
begleitender Messprozesse wiederholbar zu etablie-
Kraftskale für den statischen Fall mit insgesamt zehn
ren. Beides war nur mit Unterstützung der Kollegen
Kraft-Normalmesseinrichtungen (KNME) dargestellt.
aus den PTB-Fachbereichen 1.8 Masse – Darstellung
Um auch zukünftig die Darstellung und Weiterga-
der Einheit und 5.5 Fertigungsmesstechnik möglich.
be der Krafteinheit sicherzustellen, müssen diese
Das Ziel, von der PTB unabhängige Bezugspartner
Maschinen von Zeit zu Zeit gewartet und zum Teil
für qualitativ hochwertige Kugeln aus natürlichem
erneuert werden. So wurden drei dieser Anlagen (mit
Silizium und das zugehörige Equipment zu etablieren,
Messbereichen von 2 kN, 20 kN und 100 kN) mit neu-
ist nach wie vor erreichbar.
en Steuerungen versehen. In diesem Zusammenhang
wurde die Bediensoftware auf eine browserbasierte
Im Projekt „Ceraforce“, das vom BMBF gefördert
Version umgestellt. Weitere Optimierungen für alle
wird, wurden keramische Federn untersucht, die in
Anlagen betrafen die Erfassung und Verarbeitung der
Waagen oder Gravimetern eingesetzt werden können.
Messwerte sowie die Erstellung der Kalibrierscheine,
Vom Projektkonsortium wurden dazu Federn aus
was vor allem im Hinblick auf digitalisierte Abläufe
unterschiedlichen Materialien (ZrO2 und Al2O3) her-
wichtig ist.
gestellt, die an der PTB und an der Bundesanstalt für
Materialforschung und -prüfung (BAM) untersucht
Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsge-
wurden. Dabei wurden unerwartete Materialeigen-
meinschaft (DFG) geförderten Gemeinschaftsprojek-
schaften bei den Zirkonoxid-Federn festgestellt. Es
tes von PTB und dem Institut für Produktionsmess-
geht insbesondere um eine reversible Langzeitverfor-
technik (IPROM) der TU Braunschweig wurde die
mungsänderung mit Zeitkonstanten > 10 Stunden,
Charakterisierung von Mehrkomponentensensoren
die mechanischem Kriechen ähnelt und die bisher
zur Messung von überlagerten Kräften und Momen-
für diese Materialgruppe nicht bekannt war. Dieses
ten erforscht. Nach Untersuchungen an der statischen
Ergebnis schränkt leider die Materialauswahl für
Referenzmesseinrichtung (siehe Abteilungsnach-
die gesuchten Federn ein, da ein solches Verhalten
richten 2017) stand nun die dynamische Anregung
bei Waagen und Gravimetern unerwünscht ist. Im
von Kräften und Momenten im Mittelpunkt. Hierzu
2
Abteilungsbericht 2018 – Mechanik und Akustik
wurde ein vorhandener Versuchsaufbau mit einem
elektrodynamischen Schwingerreger um ein photo-
grammetrisches Messsystem erweitert, welches die
Verschiebung eines Körpers mit sechs Freiheitsgraden
im Raum erfassen kann (Bild 1).
Aus der Verschiebung konnten die Beschleunigung
einer bekannten Lastmasse und daraus die auf den
Sensor wirkenden Kraft- und Momentkomponenten
berechnet werden. In Kombination mit speziell kon-
struierten Adaptern und Belastungsmassen konnte
ein vorhandener Sensor mit Kraft- und Moment-
komponenten in unterschiedlichen Orientierungen
bei Frequenzen bis zu 1000 Hz belastet werden. Die
Ergebnisse der Untersuchung können dabei helfen,
die Eignung von Mehrkomponentensensoren bei
dynamischen Anwendungen z. B. in Werkzeugma-
schinen oder Fahrzeugprüfständen zu ermitteln.
Im Rahmen des europäisch geförderten EMPIR-
Projekts „MN m Torque“ wurde erstmals die
Drehmomentmessung in einem Windenergieanlagen-
Prüfstand (Bild 2) auf das nationale Normal zurück-
geführt. Dafür wurde ein eigens für diese Kalibrierung
beschaffter Drehmomentaufnehmer als Transfer-
normal etabliert und ein neuer Kalibrierablauf für
Bild 1: Elektrodynamischer Schwingerreger mit installiertem Drehmomentmessungen unter Rotation entwickelt.
Aufbau zur Belastung mit Querkräften und photogrammetrischem
Messsystem
Bisher konnte das Drehmoment in Windenergieanla-
gen-Prüfständen nicht zuverlässig gemessen werden,
Bild 2: Trans-
fernormal zur
Rückführung von
Drehmomenten in
Windenergieanla-
gen-Prüfständen
3
Abteilungsbericht 2018 – Abteilung 1
da meist lediglich auf Antriebswellen applizierte Deh- eine zuverlässige Wirkungsgradbestimmung von
nungsmessstreifen verwendet werden, deren Dreh- Windenergieanlagen auf Prüfständen. Mit der neu
momentmessung nicht auf ein nationales Normal entwickelten Kalibriermethode können nun Wind-
zurückgeführt ist. Mittels der Kalibrierung können energieanlangen-Prüfstände weltweit kalibriert wer-
nun die Anzeigeabweichung und die dazugehörige den. Dazu stellt die Arbeitsgruppe 1.22 der PTB das
Messunsicherheit bestimmt werden. Drehmomenttransfernormal gerne zur Verfügung.
Die Kalibriermethode inklusive der Verwendung des
Eine präzise Drehmomentmessung ist besonders Transfernormals ist in einem „Good Practice Guide“
wichtig für die Wirkungsgradbestimmung von erläutert.
Windenergieanlagen und einzelnen Komponenten
auf einem Prüfstand. Aber auch für beschleunigte Das Projekt „MN m Torque“ wurde 2018 erfolgreich
Lebensdauertests elektrischer und mechanischer abgeschlossen und die Ergebnisse auf einem Stakehol-
Komponenten und zur Verifikation von Simulationen der-Treffen mit namhaften Vertretern aus Industrie
sind genaue Drehmomentsignale von großer Wichtig- und Wissenschaft (Bild 3) vorgestellt. Zur weiteren
keit. All diese Tests dienen letztendlich dem Nachweis Bekanntmachung der Ergebnisse wurde auf dem
einer guten Effizienz und Zuverlässigkeit von neu 22. IMEKO World Congress in Belfast, Nordirland,
entwickelten Windenergieanlagen und Komponenten der Anfang September 2018 stattfand, eine Special
unter realen Bedingungen. Session veranstaltet.
Die Ergebnisse des Projekts erlauben eine fundierte Um die Drehmomentskala zu noch größeren Dreh-
Bewertung der Drehmomentmessung und damit momenten zu erweitern, baut die PTB eine 5-MN · m-
Bild 3: Teilnehmer
am Abschlusstref-
fen des EMPIR-
Projekts „MN m
Torque“, das am
30. August 2018 in
der PTB stattfand.
4
Abteilungsbericht 2018 – Mechanik und Akustik
Bild 4a: Funda-
mentgrube am
25.5.18
Bild 4b: Messhalle
am 17.8.18
Normalmesseinrichtung im Kompetenzzentrum für werden präzise gefertigte Aufspannplatten auf dem
Windenergie auf. In der Entwicklung und Konstruk- Fundament befestigt, die erst mit einer funktionieren-
tion dieser neuen Normalmesseinrichtung hat es im den Klimatisierung im Oktober 2019 auf dem Fun-
vergangenen Jahr erhebliche Fortschritte gegeben. Die dament ausgerichtet und montiert werden können.
Konstruktion der Messseite ist fertiggestellt worden Danach erst wird die eigentliche Messeinrichtung
und bedarf nur noch kleinerer Anpassungen an der errichtet. Das Ziel ist eine Inbetriebnahme der neuen
gegenüberliegenden Aktorseite. Die Reduktion von 5-MN ∙ m-Drehmoment-Normalmesseinrichtung im
drei auf zwei Säulen zur Abstützung der Messstränge Oktober 2020.
geht mit einer deutlichen Kosteneinsparung einher.
Zudem ist die Struktur schlanker gestaltet worden
1.3 Masse und abgeleitete Größen
bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Steifigkeit der
Messseite. Der Fokus der Konstruktion liegt derzeit
Im Umfeld des Waffenrechts sind die Auftragszahlen
auf dem Aktorrahmen. Die Zylinder zur Erzeugung
unverändert hoch (> 400 pro Jahr). Zur Sicherheit
des Biegemoments sind neu angeordnet worden,
des Anwenders wird z. B. die Einhaltung der vor-
sodass jetzt sowohl Biegemomente um die x- als auch
geschriebenen Maximalenergie von Paintball- oder
um die y-Achse erzeugt werden können. Hierdurch
Luftgewehrgeschossen geprüft. Die technische
wird auch die Aufbringung eines rotierenden Biege-
Beratung aller interessierten Kreise hat einen hohen
momentvektors möglich. Für die Kompensation der
Stellenwert. National besteht ein intensiver Austausch
Querkräfte in x-Richtung sind unterhalb des Hebels
mit den Beschussämtern der Länder und dem BMI.
zusätzliche Querkraftzylinder vorgesehen. Durch
International wird durch die Mitarbeit in verschie-
diese Anordnung ist der Aktorrahmen schlanker und
denen Gremien wie der Ständigen Internationalen
so die Konstruktion insgesamt leichter und damit
Kommission zur Prüfung von Handfeuerwaffen
kostengünstiger geworden.
(C. I. P.) deren Mission gefördert, Handelshemmnisse
abzubauen, z. B. durch die gegenseitige Anerkennung
Seit dem Baubeginn des Euler-Baus II Anfang 2018
von Prüfungen.
ist das Gebäude stetig gewachsen (Bild 4a und b).
Mittlerweile sind die Wände an der Messhalle hoch-
Die Expertise bei der Verkehrsmesstechnik bleibt
gezogen worden, sodass nur noch die letzten Wände
stark nachgefragt. Die fachlich fundierten Aussagen
im Obergeschoss fertiggestellt werden müssen, um
der PTB als neutraler und unabhängiger Einrichtung
den Hallenkran zu montieren und im Anschluss das
sind nach wie vor für Ordnungswidrigkeitsverfahren
Dach zu errichten. Mit der geschlossenen Halle kann
hoch geschätzt: Wieder wurden mehrere hundert An-
das Schwingfundament ab Januar 2019 innerhalb von
fragen beantwortet. Zusätzlich wurden Tausende von
zwei Monaten gegossen werden, sodass nach einer
externen Zugriffen auf die PTB-Webseite mit Grund-
Trocknungsphase von einigen Monaten das Maschi-
satzstellungnahmen verzeichnet. Neuregelungen für
nenfundament Mitte des Jahres fertiggestellt sein soll-
Messgeräte für Mietwagen mit gestelltem Fahrer und
te. Die Schwingisolierung des Fundaments wird im
für Taxis haben einen massiven Beratungsbedarf
September angebracht. Zur Befestigung der Maschine
5
Abteilungsbericht 2018 – Abteilung 1
ausgelöst. Bei all dem wurde die Konformitätsbewer- 1.4 Gase
tungstätigkeit für Verkehrsmessgeräte nach Modul B
natürlich nicht vernachlässigt. In der Arbeitsgruppe Strömungsmesstechnik erfolgten
PTB-übergreifende Arbeiten zur Weitergabe der
Ein großer Erfolg war das PTB-Seminar „Neue Einheit Strömungsgeschwindigkeit durch die Mitwir-
Entwicklungen auf dem Gebiet der Verkehrsüber- kung an einem EURAMET-Guide zur Kalibrierung
wachungsgeräte – 60 Jahre PTB-Zulassungen“ am von Staurohren, die Teilnahme an EURAMET-
7. November 2018 mit etwa 130 Teilnehmern (Bild Vergleichsmessungen und die Betreuung eines DKD-
5). Gerätehersteller, Eichbehörden, Polizei, Justiz, Ringvergleichs mit unterschiedlichen Anemometern
Sachverständige, universitäre Forscher und PTB und 14 Teilnehmern einschließlich der PTB.
informierten sich gegenseitig anhand von Vorträgen,
Diskussionen und Geräteausstellungen über den Zur messtechnischen Rückführung von Laser-Dopp-
aktuellen Stand. Ein Beitrag zur abwechslungsreichen ler-Anemometern mit größeren Arbeitsabständen
Geschichte der Verkehrsüberwachung rundete die (0,8 m bis ca. 1,5 m) wurde eine neue LDA-Kalibrier
Veranstaltung ab. einrichtung in Betrieb genommen, an der erste
Vergleichsmessungen mit dem im TransMeT-Projekt
Die wissenschaftlichen Untersuchungen insbeson- „Rückgeführte Messung von 3D-Geschwindigkeits-
dere zur Verbesserung der Referenzanlagen für die vektoren in Großwindkanälen“ entwickelten und nä-
Geschwindigkeitsmessung wurden fortgeführt. Auch her zu analysierenden Referenzstrahl-LDA-Messkopf
für ein Kooperationsprojekt mit der Polizeiakademie durchgeführt werden konnten.
Hessen wurde ein erster Abschluss erreicht: Nachge-
wiesen wurde, dass ein satellitengestütztes Geschwin- Bei den F&E-Arbeiten zum „Transfer-Wind-LIDAR“
digkeitsmessgerät fahrzeugunabhängig einsetzbar und bildete weiterhin der angestrebte autonome System-
technisch grundsätzlich für die amtliche Geschwin- betrieb mittels MicroTCA-System zur Signalverar-
digkeitsüberwachung geeignet ist. Gleichzeitig konn- beitung und Steuerung des Wind-LIDAR-Systems
ten Prüfszenarien für zukünftige Bauartprüfungen einen Schwerpunkt, dessen Bearbeitung mit PtJ/
entwickelt und getestet werden. BMWi-Fördergeldern fortgesetzt wird. Das inzwi-
schen in Betrieb genommene MicroTCA-System
Bild 5: Teilnehmer
am 307. PTB-
Seminar „Neue
Entwicklungen
auf dem Gebiet
der Verkehrsüber
wachungsgeräte
– 60 Jahre PTB-
Zulassungen“
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Abteilungsbericht 2018 – Mechanik und Akustik
konnte bereits zur LIDAR-Systemsteuerung bei einer einhalten, jedoch für kleine Abgabemengen noch
zweiwöchigen Messkampagne (Vergleich LIDAR – Verbesserungen erforderlich sind. Ferner wurden
Ultraschallanemometer) mit dem Karlsruher Institute erstmalig für Wasserstoffmessungen bei Drücken bis
of Technology und ForWind / Universität Oldenburg 1000 bar Coriolisgaszähler nach Modul B der MessEV
erfolgreich eingesetzt werden. konformitätsbewertet. Dieses modulare Vorgehen
ist hinsichtlich einer Aufwandsminimierung für die
Im „Kompetenzzentrum für Windenergie“ der PTB Konformitätsbewertung der neu zu errichtenden
wurde der Windkanal mit LDA-Messeinrichtung zur Wasserstoff-Tankstellen von Vorteil.
Validierung des „Transfer-Wind-LIDAR“-Systems
erfolgreich in Betrieb genommen und die Strömungs- Unter Mitwirkung der Arbeitsgruppe Hochdruck-Gas
qualität analysiert. Eine erste Vergleichsmessung wurde 2018 der harmonisierte Kubikmeter für Hoch-
zwischen dem Transfer-Wind-LIDAR und dem LDA- druck-Erdgas turnusgemäß aktualisiert, der auf der
Bezugsnormal lieferte eine Abweichung der Mittel- Basis umfangreicher Vergleichsmessungen zwischen
werte im Bereich von unter 0,1 % und verdeutlicht den Metrologieinstituten der EuReGa-Gruppe (NL,
die vielversprechende Ausgangsbasis für die noch F, D, Dk) bestimmt wird. Die wesentlichen Informa-
anstehenden weiteren Untersuchungen zur „Transfer- tionen zu der Ermittlung des aktuellen Wertes sind
Wind-LIDAR“-Validierung. in einem Kommuniqué veröffentlicht, welches online
auf der EURAMET-Webseite verfügbar ist (EuReGa
Für die Vergleichbarkeit von Kalibrierergebnissen project page). Parallel dazu ist der Annex 3 „Methods
sind qualitätssichernde Maßnahmen, insbesondere and procedures of unification (harmonization) of re-
Ringvergleiche von großer Bedeutung. So hat die Ar- ference value” überarbeitet worden, der das zentrale,
beitsgruppe Gasmessgeräte sowohl an einem weltweiten gemeinsame Dokument für die Qualitätssicherung
Ringvergleich – CCM.FF-K6 – für kleine Stickstoff- der beteiligten Institute für die Harmonisierung dar-
durchflüsse im Bereich von 10 mL/min bis 10 L/min stellt, s. a. https://doi.org/10.1515/teme-2018-0019.
als auch an einen Ringvergleich mit akkreditierten Zudem hat die Arbeitsgruppe im September 2018 das
Kalibrierlaboratorien in Deutschland erfolgreich teil- Sekretariat der EuReGa-Gruppe übernommen.
genommen. Die Ringvergleiche erfolgten jeweils mit
einem kommerziell verfügbaren Kalibriernormal auf Mit Blick auf die anstehende Erweiterung des
Basis von Laminar-Flow-Elementen. Zudem wurde ein Prüfstandes pigsar mit einer Closed-Loop-Anlage
Ringvergleich zum Einsatz von Mengenumwertern, an bis 25 000 m3/h sind im Jahr 2018 weitergehende
dem auch staatlich anerkannte Prüfstellen teilgenom- metrologische Beratungen erfolgt und das neue Prüf-
men haben, erfolgreich durchgeführt. standdesign zusammen mit dem Kooperationspartner
(Vier Gas Service GmbH) festgelegt worden. Um die
In der Ausgabe 2018 der OIML-Empfehlung R139 Weitergabe der Einheit auch für den zukünftig stark
sind für Wasserstofftankstellen zwei neue Fehlerklas- erweiterten Messbereich mit gleicher Qualität (Mes-
sen vorgesehen. Diese Fehlerklassen wurden unter sunsicherheit) sicherzustellen, wird ein neuartiges vo-
Mitwirkung der Arbeitsgruppe wegen der anspruchs- lumetrisches Primärnormal projektiert, das einen um
vollen Messbedingungen - hoher Druck, geringe den Faktor 5 erweiterten Messbereich (im Vergleich
Dichte des Wasserstoffs - eingeführt und müssen zu dem existierenden Normal) besitzt. Mit einem
noch in das nationale Recht überführt werden. Prototyp konnte 2018 das Technologiekonzept für das
neue Primärnormal erfolgreich getestet werden.
Für die Konformitätsbewertung und Eichung von
Wasserstofftankstellen wurden Prüfnormale in Die Arbeitsgruppe Kalorische Größen, die seit März
Hinsicht auf die erreichbare Messunsicherheit in 2018 neuer Bestandteil des Fachbereiches ist, haben
Zusammenarbeit mit den Herstellern bewertet und im Rahmen des EMPIR-Projekts 17Ind11 „Hi-TRA-
im Rahmen eines europäischen Projekts der FCH-JU CE“ die Arbeiten zum Aufbau eines Messplatzes zur
(Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking) erprobt. Bestimmung der Wärmekapazität von hochtempera-
Die Ergebnisse zeigen, dass bereits errichtete Messan- turfesten Materialien planmäßig begonnen. Ziel ist es,
lagen die Verkehrsfehlergrenzen für Vollbetankungen bis 2021 ein Einwurf-Kalorimeter für den Tempera-
7
Abteilungsbericht 2018 – Abteilung 1
Bild 6: Skalierbares
Batteriekalorime-
ter, bestehend
aus 8 Wiederho-
lungseinheiten à
40 mm × 40 mm
in zwei Ebenen.
1 Akkumulator, 2
Kalibriereinrich-
tung, 3 Wärme-
stromsensor, 4
Wärmesenke, 5
Thermometer. Der
Abstand zwischen
den zwei Ebenen
ist überzeichnet.
turbereich bis 3000 °C bei einer Messunsicherheit von zeigt ein solches Kalorimeter aus acht dieser Wieder-
1,5 % zu entwickeln, aufzubauen, zu validieren und holungseinheiten.
für die Bestimmung thermophysikalischer Kennwerte
einzusetzen.
1.5 Flüssigkeiten
In Zusammenarbeit mit dem Fachbereich 3.6 der PTB
Im Fachbereich 1.5 „Flüssigkeiten“ beschäftigte sich
wird ein neuartiges, skalierbares Batteriekalorimeter
die Arbeitsgruppe Flüssigkeitsmessgeräte mit Dienst-
entwickelt, um die thermischen Effekte beim Laden
leistungsaufgaben im Rahmen der Mess- und Eichver-
und Entladen eines Lithium-Ionen-Akkumulators
ordnung. Als Teil der Konformitätsbewertungsstelle
für den Einsatz im Automobil quantitativ zu unter-
der PTB konzentrierte sich das Tätigkeitsfeld auf die
suchen. Diese Untersuchungen sollen sowohl unter
Bewertung und Zertifizierung von europäisch gere-
normalen Betriebsbedingungen als auch nach Ver-
gelten Messanlagen für Flüssigkeiten außer Wasser
lassen des zulässigen Betriebsbereichs durchgeführt
und Wasserzähler (Anhänge II und VII der Messgerä-
werden, um zum einen die Leistungsfähigkeit des Ak-
terichtlinie 2014/32/EU) sowie auf national geregelte
kumulators beurteilen und optimieren zu können und
Messgeräte für ruhende Flüssigkeiten, Hochdruck-
zum anderen sicherheitstechnische Anforderungen
Erdgaszapfsäulen und deren Zusatzeinrichtungen.
für einen sicheren Betrieb abzuleiten. Im Gegensatz
zu kommerziellen Kalorimetern erlaubt die spezielle
Die ständige technische Neu- und Weiterentwicklung
Konstruktion, das Kalorimeter mit wenig Aufwand an
von Messgeräten erforderte zudem eine intensive
die Geometrie des Akkumulators anzupassen, ohne
Teilnahme an nationalen und internationalen Gre-
Kompromisse in Hinblick auf den Arbeitsbereich
mien. Auf internationaler Ebene geschah dies in den
oder die kalorimetrische Leistungsfähigkeit eingehen
technischen Komitees der OIML und den Arbeits-
zu müssen. So besteht das Kalorimeter aus einer
gruppen der WELMEC, national in den Arbeitsaus-
Anzahl Wiederholungseinheiten von je 40 mm ×
schüssen der AGME.
40 mm aktiver Fläche, die zu nahezu beliebig großen
Einheiten zusammengefügt werden können. Bild 6
8Abteilungsbericht 2018 – Mechanik und Akustik
Um für zukünftige Herausforderungen vorbereitet zu HDP umfassen, sodass auf der Anlage mittelfristig
sein, hat sich die Arbeitsgruppe aktiv an der Erarbei- auch gegen Volumen als Referenz gemessen werden
tung von Anforderungen für Hochdruck-Wasserstoff- kann.
zapfsäulen und für Selbstbedienungseinrichtungen
für Stromladesäulen beteiligt. Parallel zu den Arbeiten am HDP wurde die
Modernisierung des Mineralölzählerprüfstandes
Tätigkeitsschwerpunkte der Arbeitsgruppe Darstel- (MÖZ) vorangetrieben. In Zusammenarbeit mit
lung Flüssigkeitsmenge lagen auf der Qualitätssiche- einem Gastwissenschaftler vom KRISS wurden die
rung und der Weiterentwicklung der Flüssigkeitsnor- abschließenden Untersuchungen zum erneuerten
malmesseinrichtungen „Hydrodynamisches Prüffeld“ MÖZ vorgenommen und ein bilateraler Vergleich mit
(HDP) und „Mineralölzählerprüfstand“ (MÖZ). dem südkoreanischen metrologischen Staatsinstitut
Das Jahr 2018 war wesentlich vom Abschluss der durchgeführt.
Messungen des Schlüsselvergleichs CCM-FF-K1.2015
„Water Flow“, bei dem die PTB als Pilotlabor agiert, In der Arbeitsgruppe Weitergabe Flüssigkeitsmenge
sowie von der Fortführung des Ringvergleichs DKD war das Jahr 2018 weiterhin vom Ausbau der For-
„Flüssigkeiten“ geprägt. schungsaktivitäten zur realitätsnahen Prüfung von
Durchflussmessgeräten und Wasserzählern geprägt.
Ein letzter Schritt in der Modernisierung des Hydro Gestützt werden die Arbeiten durch ein TransMeT-
dynamischen Prüffeldes (HDP) bestand im Reengi- und ein EMPIR-Projekt (MetroWaMeT), das vom
neering der Belastungsmaschine des Wägesystems Fachbereich koordiniert wird. Im Rahmen des
(Bild 7) einschließlich der Realisierung eines auto- TransMeT-Vorhabens wurden Empfehlungen für
matisierten Betriebs. Damit sind die grundlegenden neue Prüfpunkte von Wasserzählern erarbeitet, die im
Erneuerungsarbeiten der Normalmesseinrichtung Bereich der realen Verbrauchsmengen liegen, im Ge-
abgeschlossen, und die Anlage ist gut für die Zukunft gensatz zu den derzeitig vorgegebenen Prüfpunkten.
aufgestellt. Ein Folgeprojekt wird die Modernisierung Eine detailliertere Untersuchung von Verbrauchs-
und Wiederinbetriebnahme des Proversystems des ganglinien deutscher Haushalte ergab, dass es keine
Bild 7: Wägesys-
tem des Hydro
dynamischen
Prüffeldes
9Abteilungsbericht 2018 – Abteilung 1
geografisch oder jahreszeitlich bedingten metrolo- eines laufenden DFG-Projektes eine kompakte und
gisch relevanten Unterschiede in den Verbräuchen verzerrungsarme Infraschallquelle entwickelt, die
gibt. Es ist also ausreichend, ein repräsentatives unter Verwendung auf dem Markt verfügbarer Kopf-
Verbrauchsreferenzprofil abzuleiten, das dann als hörerkapseln die Präsentation von Infraschall- und
Basis für die Untersuchung von Wasserzählern unter Hörschall-Stimuli bei gleichzeitiger Messung sehr
dynamischen Lasten herangezogen wird. Die metro- kleiner Schalldruckpegel im menschlichen Gehörgang
logische Infrastruktur hierfür wird derzeit im FB 1.5 erlaubt. In der AG Geräuschmesstechnik wurden im
aufgebaut. EMPIR-Projekt EARS2 spezielle Infraschall- und
Ultraschallquellen für den Einsatz in Langzeitstudien
Gleichfalls wurden im Jahr 2018 die grundlegenden zur Wahrnehmung von nichthörbarem Schall entwi-
Untersuchungen zum Einsatz von Kavitationsdüsen ckelt und jeweils eine Serie von Geräten an den Pro-
in der Durchflussmessung von Flüssigkeiten weiter jektpartner ausgeliefert. Sie werden weiterhin betreut.
vorangetrieben. Wesentliche Themen waren hier
Arbeiten zur Charakterisierung der Düsen sowie Un- In weiteren Arbeiten in EARS2 wurden mit dem
tersuchungen zu Düseneigenschaften und ihrem Ein- großen Scanningsystem der PTB großflächig und
fluss in der Durchflussmessung für die Prüfmedien hochaufgelöst Schallfelder eines Referenzarbeits-
Wasser und Testbenzin. Die Untersuchungen zu den platzes für ultraschallbelastete Industriearbeiten
Kavitationsdüsen erfolgen in Kooperation mit den analysiert (Bild 8). Mithilfe dieser Daten konnte eine
Fachbereichen 1.4 und 5.5. Messmethode entwickelt werden, um an industriellen
Arbeitsplätzen hochfrequente Lärmbelastung sicher
Überaus erfreulich war die gute Resonanz auf das zu erfassen. Die Methode wurde an verschiedenen
310. PTB-Seminar „Metrologie im Fluss“ vom 8. bis realen Arbeitsplätzen der Industrie getestet. Gleich-
9. November 2018 mit fast 50 Teilnehmern. Dass zeitig wurde ein TransMeT-Projekt zur Entwicklung
die Einladung zum PTB-Seminar einen so großen eines ultraschallfähigen Schallpegelmessers für die
Zuspruch erfahren hat und insbesondere viele Ver- Lärmbeurteilung an industriellen Arbeitsplätzen
treter aus der Industrie den Weg nach Braunschweig erfolgreich abgeschlossen.
nicht gescheut hatten, dokumentiert nicht nur die
Bedeutung metrologischer Forschung auf dem Gebiet In der AG Ultraschall wurde im zurückliegenden
der Durchflussmessung, sondern zeigt auch die enge Zeitraum ein neuer Höchststand an Kalibrierungen
Verbundenheit ihrer Kunden mit der PTB.
1.5 Schall
Im Fachbereich Schall wurden verschiedene Arbeiten
zur Charakterisierung audiologischer Geräte und zur
Untersuchung der Wirkung von Infraschall und Luft
ultraschall auf den Menschen durchgeführt. Für den
neu entwickelten circumauralen Audiometriekopf-
hörer RadioEar DD65v2 wurden in der AG Hörschall
Bezugshörschwellen für die Reinton-Audiometrie
und Freifeld-Entzerrungsdaten zur Anwendung in
der Sprachaudiometrie bestimmt. Die Ergebnisse
fließen als wesentlicher Bestandteil in die Erweiterung
der ISO-Normenreihe 389 ein, in welcher Bezugs-
hörschwellen für Audiometerkopfhörer festgelegt
werden.
Bild 8: Die Komponenten des Referenzarbeitsplatzes; links:
dreiachsiges Scannersystem mit reflexionsarmer Umgebung;
Zur Untersuchung der Wirkmechanismen von rechts oben: vierkanaliges Mikrofonarray; rechts unten: Ultraschall-
Infraschall auf den Menschen wurde im Rahmen schweißmaschine.
10Abteilungsbericht 2018 – Mechanik und Akustik
bearbeitet. Zur weiteren Verbesserung des Dienstleis- Weitere aktuelle Arbeitsschwerpunkte im Bereich
tungsangebots wurde intensiv an der Rationalisierung Darstellung Beschleunigung waren dieses Jahr die
der Messplätze zur Hydrophonkalibrierung und zur Kalibrierung von Seismometern und die Entwicklung
Leistungsmessung gearbeitet. Die Baumusterprüfung und Implementierung von Methoden zur mehrachsi-
von Schallkalibratoren konnte in das Aufgabenfeld gen Kalibrierung von Mehrkomponentenaufnehmern.
der Arbeitsgruppe Geräuschmesstechnik übernom- Letzteres war Bestandteil einer Kooperation mit dem
men werden. Durch die Zusammenlegung der Ar- chinesischen nationalen Metrologieinstitut, das dafür
beiten zu Schallpegelmessern und Schallkalibratoren einen Gastwissenschaftler an die PTB entsandte.
konnte die Prüfung der technisch eng verwandten
Messgeräte effizienter gestaltet werden. Eine Kernaufgabe der Arbeitsgruppe 1.72 Angewandte
Akustik ist die Neu- und Weiterentwicklung von
Messverfahren zur Bestimmung des Schallleistungs-
1.7 Akustik und Dynamik
pegels und der wichtigsten bauakustischen Kenngrö-
ßen. Dazu wurden im vergangenen Jahr die Arbeiten
Im Rahmen der Digitalisierungsinitiative hat die PTB
zur Darstellung und Weitergabe der Einheit Watt
neben vielen anderen Aktivitäten auch ein EMPIR-
im Luftschall vorangetrieben. Insbesondere konnte
Forschungsprojekt zum Themenkreis Industrie 4.0
durch eine theoretische Modellierung nachgewiesen
eingeworben. In dem vom Präsidialen Stab koor-
werden, dass die Weitergabe der Einheit durch ein
dinierten Joint Research Project (JRP) „Metrology
Schallleistungs-Substitutionsverfahren in Anwesen-
for the Factory of the Future” (https://www.ptb.de/
heit einer akustisch wirksamen Fläche sichergestellt
empir2018/met4fof) bearbeitet die AG. 1.71 Darstel-
werden kann. Zudem wurde durch umfangreiche
lung Beschleunigung federführend das Work Package
Monte-Carlo-Simulationen gezeigt, dass die Schall-
1 “Calibration Frameworks“. Innerhalb dieses Teil-
emission eines Monopols in einem Raum bei tiefen
projektes sollen Technologien entwickelt werden,
Frequenzen von der Freifeld-Emission abweicht,
um Sensoren mit digitalen Messwertausgaben an
während es bei höheren Frequenzen keine derartigen
konventionellen Kalibriereinrichtungen (mit wenigen
Abweichungen gibt. Daraus wurde der Vorschlag
zusätzlichen Komponenten) dynamisch kalibrieren zu
abgeleitet, die Schallemission einer Quelle generell
können. Hierbei stellt insbesondere die rückführbare
durch den Schallleistungspegel zu beschreiben, den
Kalibrierung der Phasenverschiebung des komplexen
die Quelle in ein Freifeld abstrahlen würde. Dies sind
Übertragungskoeffizienten eine Herausforderung dar.
wertvolle Eckpunkte, um ein metrologisches System
für die Kenngröße Schallleistungspegel aufzubauen
Um die Ergebnisse der digitalen Kalibrierung einer
und den anwendbaren Frequenzbereich auf deutlich
solchen Kalibrierung in Zusammenhang mit Sensor-
unter 100 Hz abzusenken.
netzwerken in industriellen Anlagen optimal nutzen
zu können, soll in einem zweiten Schritt ein „metro-
Ein weiterer Schwerpunkt der Aktivitäten ist die Um-
logisch-smarter“ Sensor entwickelt werden. Dahinter
setzung der erzielten Ergebnisse in der Normung auf
verbirgt sich die Idee eines Sensors mit integrierter
nationaler, europäischer und internationaler Ebene.
Datenverarbeitung, der neben den eigentlichen Mess-
Neben der Leitung mehrerer Gremien und der Zu-
werten auch Angaben zur verwendeten (SI-)Einheit,
arbeit zu vielen Normungsprojekten hat die AG 1.72
der aktuellen Messunsicherheit der Messwerte, sei-
auch die Federführung bei aktuellen internationalen
nem Kalibrierstatus oder mit erfassten Umgebungsbe-
Normungsvorhaben zur Unsicherheit bei der Mes-
dingungen liefern kann. Bezüglich der Messunsicher-
sung des Schallleistungspegels und der Schallabsorp
heit kann die Arbeitsgruppe dabei auf langjährige
tion im Hallraum übernommen.
Erfahrungen der Messunsicherheitsbestimmung für
dynamische Messungen zurückgreifen. Das Projekt
In der Arbeitsgruppe 1.73 Stoßdynamik wurden die
wurde auch auf dem IMEKO-Weltkongress in Belfast
im Jahr 2016 begonnenen Arbeiten zur dynamischen
im Rahmen des Programms des TC21 „Mathematical
Kalibrierung von Impulshämmern fortgesetzt. Mit
Tools for Measurement“ vorgestellt.
dem Ziel kleinerer Messunsicherheiten sowie besserer
Reproduzierbarkeit bei der Ausführung der Hammer-
11Abteilungsbericht 2018 – Abteilung 1
schläge wurde der Messaufbau um eine Pendelhalte-
rung erweitert (Bild 9). Gegenüber händisch geführ-
ten Hammerschlägen ermöglicht die Pendelhalterung
eine sehr gut definierte Bewegung des Hammers.
Impulshämmer werden in vielen Bereichen der
Industrie und Forschung typischerweise zur Modal
analyse von mechanischen Strukturen eingesetzt.
Ein im Hammer integrierter Kraftaufnehmer misst
den eingeleiteten Kraftstoß, und auf dem Messobjekt
applizierte Beschleunigungssensoren erfassen die
Strukturantwort. Die so ermittelten Übertragungs-
funktionen, Resonanzen und Dämpfungen werden
zum Beispiel für Modellvalidierungen oder Schadens-
untersuchungen benötigt.
Die Impulshammerkalibriereinrichtung verwendet
einen an Fäden pendelnd aufgehängten Massekörper
– beispielsweise von 1 kg Masse – dessen Inertialkraft
(Referenzgröße) während des Stoßvorgangs mithilfe
eines Beschleunigungssensors gemessen und dann mit
dem Ausgangssignal des Impulshammers verglichen
wird. Ein typisches Kalibrierergebnis ist die aus dem
Spitzenwertverhältnis der Pulshöhen im Zeitbereich
bestimmte Empfindlichkeit, oder das entsprechende
Amplitudenverhältnis im Frequenzbereich.
Um den Bewegungsablauf eines von Hand ausge-
führten Hammerschlages möglichst gut nachbilden
Bild 9: Impulshammerkalibriereinrichtung der PTB: Der Vorder-
zu können, wird der zu kalibrierende Impulshammer grund zeigt das Rahmengestell mit dem an Fäden aufgehängten
an seinem Griff in der Pendelhalterung elastisch Massekörper mit Beschleunigungssensor zur Messung der Refe-
renzkraft, dahinter die an einem zweiten Rahmengestell befestigte
eingespannt. Durch Veränderung von Armlänge, Pendelhalterung mit einem eingespannten Impulshammer als
Aufschlagort und Stoßrichtung lässt sich die Ham- Prüfling.
merbewegung für detaillierte Untersuchungen gezielt
ändern. Die für die Stärke des Hammerschlags
maßgebliche Pendelauslenkung wird an einer Skala
1.7 Masse – Darstellung der Einheit
angezeigt. Die Pendelhalterung verwendet zwei Kar-
bonrohre als Arm, die Nabe und Spannvorrichtung
Der Fachbereich 1.8 Masse – Darstellung der Einheit
bestehen aus Kunststoff, um das Massenträgheitsmo-
bereitete im vergangenen Jahr intensiv die Ein-
ment der bewegten Teile klein zu halten. Die Kunst-
führung der neuen Kilogramm-Definition vor. So
stoffteile aus ABS wurden in Zusammenarbeit mit
wurde u. a. eine neue Waage in der Arbeitsgruppe
dem Fachbereich 5.5 Wissenschaftlicher Gerätebau
Darstellung Masse aufgebaut (Bild 10), mit der die
mit einem 3D-Drucker gefertigt.
Silizium-Kugeln im Vakuum gewogen und – ohne
sie in Kontakt mit der Luft zu bringen – zur Messung
Erste Erfahrungen mit der Pendelhalterung bestätigen
der Oberflächenschichten in die XRF/XPS-Apparatur
die gesetzten Erwartungen: eine höhere Reproduzier-
transportiert werden können.
barkeit sowie Messergebnisse mit deutlich kleinerer
Streuung.
Das Kilogramm-2-Projekt zur Beschaffung von
Isotopen-angereichertem 28Si wurde erfolgreich
12Abteilungsbericht 2018 – Mechanik und Akustik
Bild 10: Die neue
Waage für die
Darstellung und
Weitergabe des
neudefinierten
Kilogramm mit
Hilfe von Kugeln
aus Isotopenange-
reichertem Silizium
beendet. Die letzten beiden Si28-Kugeln Si28kg02a Außerdem wurden zur Vorbereitung des neuen
und Si28kg02b wurden aus dem zweiten Kristall des Einheitensystems allgemeinverständliche Übersichts-
Projekts hergestellt und vermessen. Aus dem ersten artikel in den Zeitschriften „Annalen der Physik“,
Kristall des nachfolgenden Kilogramm-3-Projekts „Comptes rendus Physique“, „Metrologia“ und „Bun-
wurden zwei Kugeln hergestellt. Eine dieser Kugeln sen-Magazin“ vorbereitet; in Fernsehaufzeichnungen
wurde an das metrologische Institut ITRI in Taiwan des russischen Senders „Rossiya24“, des Koreanischen
verkauft und am 25. Oktober feierlich an die neuen KBS und des deutschen N24 wurde die neue Kilo-
Besitzer übergeben. Vom ITRI waren zwei Wissen- gramm-Definition und ihre Darstellung mit Silizium-
schaftler im Fachbereich zu Gast und wurden in die Kugeln erläutert; Radio-Sender und Journalisten von
Verwendung der XRF/XPS-Apparatur eingearbeitet. Zeitungen interviewten die Mitarbeiter des Fachbe-
Die Isotopenanreicherung im Rahmen dieses Projekts reichs, und schließlich wurde auch noch in dem Film
ist ebenfalls schon beendet, und die beiden letzten „The Last Artifact“ mitgewirkt. Auch der Schülertag
Polykristalle aus dem Kilogramm-3-Projekt werden und der Tag der offenen Tür der PTB wurden benutzt,
zurzeit im Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ, um die Vorteile des neuen SI zu erläutern.
Berlin) weiterverarbeitet, um fast perfekte Silizium-
Einkristalle für die PTB herzustellen. Mithilfe der neu
aufgebauten Druckflotations-Apparatur der Arbeits-
gruppe Festkörperdichte wurden die Dichten von drei
Si-28-Kristallen verglichen. Es ergaben sich keine
Hinweise auf unerkannte Kristalleffekte.
13Abteilungsbericht 2018 – Abteilung 1
In Schlagzeilen: Nachrichten aus der Abteilung
Grundlagen der Metrologie Thermistoren zur Bestimmung der Temperaturvertei-
lung in der Messflüssigkeit der Fundamentalapparatur
Neuer Kalibrierplatz für die dynamische Kalibrie- ist zukünftig eine hydrostatische Volumenbestim-
rung von Brückenverstärkern mung mit einer Unsicherheit von 0,35 mm³ (k = 2)
Die dynamische Kalibrierung von Brückenverstärkern möglich. (D. Eppers, FB 1.8, daniela.eppers@ptb.de)
ist eine wichtige Voraussetzung, um Kraft-, Druck-
und Drehmomentaufnehmer ebenfalls dynamisch Verwendbarkeit von Niederdruck-Kalibrierungen
charakterisieren zu können. Ein neuer Kalibrierplatz, kritischer Düsen im Hochdruck-Gas
der auf einem in der PTB entwickelten dynamischen Kritische Düsen besitzen spezielle Eigenschaften
Brückennormal aufbaut, ermöglicht diese dynami- hinsichtlich der Abhängigkeit ihres Durchflussko-
schen Kalibrierungen mit Spannungssignalen bis zu effizienten cD von der Reynoldszahl und der Gasart.
einem Frequenzbereich von 10 kHz. (L. Klaus, FB 1.7, Diese Eigenschaften gestatten es, auf der Basis der
leonard.klaus@ptb.de) Kalibrierung mit Luft bei kleinen Drücken eine
Vorhersage für die Kalibrierwerte bei hohen Drücken
Bestätigung der Ergebnisse für die Massebestim- und anderen Gasarten zu machen. Die Zuverlässigkeit
mung der 28Si-Kugeln AVO28-S5c und AVO28-S8c dieser Vorhersage wird durch die Auswertung einer
Im Rahmen von Vergleichsmessungen zu den Er- größeren Datenbasis demonstriert. (B. Mickan, FB 1.4,
gebnissen der Bestimmungen der Avogadro- und bodo.mickan@ptb.de)
der Planck-Konstante mithilfe der ersten zwei aus
hochangereichertem Silizium (Anreicherungsgrad für
Metrologie für die Wirtschaft
28
Si: > 99,99 %) hergestellten einkristallinen Silizium-
Kugeln AVO28-S5c und AVO28-S8c wurde auch
Unsicherheit bei der Messung der Schallabsorption
die Masse der Kugeln im Vakuum erneut bestimmt.
im Hallraum
(M. Borys, FB 1.8, michael.borys@ptb.de)
Die Vergleichs-Standardabweichung der im Hallraum
gemessenen Schallabsorption wurde durch Auswer-
Optimiertes Verfahren zur dynamischen Charak-
tung einer Vielzahl von Ringversuchen berechnet. Ne-
terisierung von Mehrkomponentensensoren für
ben der erwarteten Frequenzabhängigkeit zeigte sich
Kräfte und Momente
dabei auch eine Abhängigkeit vom Absorptionsgrad
Die gleichzeitige Messung von Kräften und Momen-
selbst. Die ermittelten Werte stellen die derzeit beste
ten in beliebigen Richtungen stellt eine große Heraus-
Abschätzung der Messunsicherheit dar. Um sie Prü-
forderung im Bereich der Festkörpermechanik dar.
finstituten zur Angabe von Messunsicherheiten zu-
Speziell zeitlich veränderliche, also dynamische Kräfte
gänglich zu machen, sollen die Werte in einer zukünf-
und Momente bieten ein breites Spektrum an ungelös-
tigen ISO 12999-2 genormt werden. (V. W ittstock,
ten Herausforderungen. Ein an der PTB eingesetzter
FB 1.7, volker.wittstock@ptb.de)
Versuchsstand zur Charakterisierung uniaxialer
Kraftsensoren wurde nun erweitert und optimiert, um
Windkanalmesseinrichtung für die Validierung des
auch Mehrkomponentensensoren besser untersuchen
bistatischen PTB-Wind-Lidar als Bezugsnormal
zu können. Hierzu wurden mehrere Messverfahren
Im neuen „Kompetenzzentrum für Windenergie“
der optischen Messtechnik kombiniert, um die auf
(CCW) der PTB ist Anfang dieses Jahres eine Windka-
den Sensor wirkenden Kräfte und Momente in sechs
nalmesseinrichtung in Betrieb genommen worden, mit
Freiheitsgraden bestimmen zu können. (J. Nitsche,
der das an der PTB entwickelte bistatische Wind-Lidar
FB 1.2, jan.nitsche@ptb.de)
eingehend charakterisiert und als Bezugsnormal für
andere Windfernmesssysteme validiert werden soll. Der
Kleinere Unsicherheiten in der hydrostatischen
speziell an die Anforderungen angepasste Windkanal
Volumenbestimmung mit 1 kg-Silizium-Kugeln
zeichnet sich durch eine hohe Strömungsqualität aus
möglich
und befindet sich auf einer Zwischenebene in ca. 8 m
Das Volumen von Silizium-Kugeln mit einer Masse
Höhe im Euler-Bau I des CCW, sodass das PTB-Lidar
von 1 kg konnte bisher durch hydrostatische Wä-
unterhalb der Messstrecke des Windkanals positioniert
gungen mit einer Unsicherheit von 0,8 mm³ (k = 2)
werden kann. (S. Oertel, FB 1.4, stefan.oertel@ptb.de)
gemessen werden. Durch den Einsatz neuer stabilerer
14Abteilungsbericht 2018 – Mechanik und Akustik
Rückgeführte Drehmomentmessung für die Ein Messverfahren zur Bestimmung der Luft
Windkraft ultraschallexposition am Arbeitsplatz
Im EMPIR Projekt „MN · m Torque“ wurde erstmals Im Rahmen des EU-Forschungsprojektes Ears II wird
die Drehmomentmessung in Windenergieanlagen- ein Messverfahren für Luftultraschall entwickelt.
Prüfständen auf das nationale Normal zurückgeführt. Mithilfe des für den Arbeitsschutz konzipierten
Da die Drehmomentmessung in Windenergieanlagen- Verfahrens soll die Exposition von Beschäftigten
Prüfständen – anders als bei der klassischen statischen durch luftgeleiteten Ultraschall am Arbeitsplatz
Drehmomentkalibrierung – unter Rotation durchge- verlässlich bestimmt werden. Für die Entwicklung
führt wird, wurden sowohl ein geeignetes Transfer- wurde ein Referenzarbeitsplatz in der PTB aufgebaut.
normal als auch eine grundsätzliche Vorgehensweise Die hier durchgeführten, räumlich hochaufgelösten
entwickelt. Die Ergebnisse aus dem Projekt werden Schallfeldscans an einer repräsentativen industriellen
den Betreibern von Windenergieanlagen-Prüfständen Ultraschallquelle lieferten wichtige Erkenntnisse über
in Form eines „Good Practice Guide“ zur Verfügung die in einem Messverfahren zu berücksichtigenden
gestellt. Charakteristika von Ultraschallfeldern. Die Ergebnisse
(P. Weidinger, FB 1.2, paula.weidinger@ptb.de) der bisher durchgeführten Messungen wurden in ei-
nem Entwurf für ein Messverfahren zusammengefasst
Kalibrierleitfäden für selbsttätige Waagen entwor- und bilden die Grundlage für die aktuell stattfindende
fen – Abschluss des EMPIR Projekts AWICal Weiterentwicklung. (R. Schöneweiß, FB 1.6, robert.
Selbsttätige Waagen sind ein wichtiges Element der schoeneweiss@ptb.de)
industriellen Produktion, u. a. für die Kontrolle
von Fertigpackungen. Derzeit gibt es aber für diese Bezugsdaten für einen neuen Audiometriekopfhörer
Geräte keine Vorgaben zur Kalibrierung. Das Projekt Für den neu entwickelten ohrumschließenden
AWICal hat in den letzten drei Jahren einen ersten (circumauralen) Audiometriekopfhörer RadioEar
Schritt zur Erstellung von angepassten Verfahren DD65v2 wurden Bezugshörschwellen für die Reinton-
zur Kalibrierung von selbsttätigen Waagen gemacht. Audiometrie und Freifeld-Entzerrungsdaten zur
Dazu wurden drei Waagentypen betrachtet: selbst- Anwendung in der Sprachaudiometrie bestimmt.
tätige Waagen für Einzelwägungen, dynamische Dazu wurden normgerechte Hörversuchsreihen mit
Straßenfahrzeugwaagen und selbsttätige Waagen 25 ohrgesunden Versuchspersonen durchgeführt. Die
zum Abwägen. Die PTB hat insbesondere an der Va- Bezugsdaten zur Kalibrierung von mit diesem Kopf-
lidierung des Verfahrens für selbsttätige Waagen für hörer ausgerüsteten Audiometern wurden auf einem
Einzelwägungen mitgewirkt und eine Messkampagne für circumaurale Kopfhörer konfigurierten Ohrsimu-
an einer Kontrollwaage organisiert, durchgeführt und lator als Äquivalente Schwellen-Schalldruckpegel bzw.
ausgewertet. als ohrsimulatorbezogene Freifeldentzerrungswerte
(D. Knopf, FB 1.1, dorothea.knopf@ptb.de) bereitgestellt. Erstmals wurde dabei ein vollständiges
Messunsicherheitsbudget nach GUM erstellt. Sie
stellen einen Input für die Erweiterung der ISO-
Metrologie für die Gesellschaft
Normenreihe 389 dar, in welcher Bezugshörschwellen
für Audiometerkopfhörer festgelegt werden. (M. Bug,
Metrologie für eine realitätsnahe Prüfung von
FB 1.6, marion.bug@ptb.de)
Hauswasserzählern
Im EMPIR-Vorhaben „Metrology for Real-World
Richtcharakteristik von Messmikrofonen für hoch-
Domestic Water Metering“ (MetroWaMet), das im
frequente Lärmmessungen
Juni 2018 gestartet ist, wird eine metrologische Infra-
Die Empfindlichkeit eines Mikrofons ist von der
struktur entwickelt werden, die eine umfassende Cha-
Schalleinfallsrichtung abhängig und nimmt gerade bei
rakterisierung von Hauswasserzählern nahe an realen
der Messung von Luftultraschall erheblichen Einfluss
Einsatzbedingungen ermöglichen wird. (C. Kroner,
auf das Messergebnis. Genaue Daten sind bisher nicht
FB 1.5, corinna.kroner@ptb.de)
erhältlich. Daher wurden Mikrofone verschiedener
Hersteller und Bauformen auf ihre Richtcharakteristik
bei Frequenzen bis zu 70 kHz hin untersucht. Dabei
15Abteilungsbericht 2018 – Abteilung 1 zeigte sich, dass vor allem die Baugröße und die Form des Schutzgitters die Richtcharakteristik maßgeblich beeinflussen. (C. Kling, FB 1.6, christoph.kling@ptb.de) 16
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt,
das nationale Metrologieinstitut, ist eine
Abteilung 1 | Mechanik und Akustik wissenschaftlich-technische Bundesoberbehörde
im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für
Sekretariat
Wirtschaft und Energie.
Sabrina Yildirim
E-Mail: sabrina.yildirim@ptb.de
Henrike Weber
E-Mail: henrike.weber@ptb.de
Telefon: (0531) 592-1011
Telefax: (0531) 592-69-1011
https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt1.html
Stand: 12 / 2018Sie können auch lesen
