Projektdaten

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Neuartige mechanische Konzepte und Justagestrategien für Präzisionswägesysteme

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Heutige Präzisionswaagen und Massekomparatoren arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK). Dabei wird die durch ein Wägestück hervorgerufene Auslenkung eines Wagebalkens hochauflösend detektiert und durch eine aus der Bestromung einer in einem Permanentmagnetfeld befindlichen Spule entstehende Lorentzkraft, die der Gewichtskraft entgegenwirkt, kompensiert. Der Spulenstrom ist somit ein Maß für die wirkende Gewichtskraft. Um die Nachteile ursprünglicher Ausführungen als unterschalige, gleicharmige Balkenwaagen zu überwinden, verfügen moderne Wägezellen für Massekomparatoren und Präzisionswaagen, zusätzlich über eine Parallelfederanordnung als Krafteinleitungssystem zur Unterdrückung parasitärer Kräfte und Momente. Weiterhin ist der Wagebalken zumeist als Hebelsystem ausgeführt um die jeweilige Wägezelle hinsichtlich der, aus dem Einsatzzweck resultierenden, Anforderungen an die elektrisch erzeugte Kompensationskraft zu optimieren.Grundproblemstellungen wie Temperaturänderungen, Ecklasten durch Aufbringung des Wägegutes und Neigungsänderungen durch unterschiedliche Ursachen (Wanderlasten in automatischen Lastwechslern, Gebäudeneigung etc.) sind in gewissen Grenzen, sowohl in Anwendungen von Präzisionswagen als auch Massekomparatoren, unvermeidlich. Die Justage 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.Für derartige Wägezellen ist die Justiermethodik jedoch nur empirisch bekannt. Es existiert derzeit keine systematische analytische Beschreibung, was ein erhebliches Forschungsdefizit darstellt. Nur eine geschlossene analytische Beschreibung schafft die Möglichkeit Justierstrategien und ggf. neuartige Justagekonzepte zu entwickeln, welche die Grundlage für einen systematischen Entwurfsprozess von Wägezellen mit verbesserten messtechnischen Eigenschaften bilden können. Wesentlich hierbei ist neben der grundlegenden theoretischen Beschreibung auch die experimentelle Untersuchung die gefundenen Prinzipe und Strategien, da nur so eine Bewertung der Leistungsfähigkeit der entwickelten Modelle möglich wird. Im vorliegenden Projekt wird ebendiese grundlegende theoretische Basis gelegt werden. Ausgangspunkt soll dabei die analytische Modellbildung der Wägezelle sein. Es werden für Präzisionswaagen generell anwendbare Analyse-, Diagnose- und Entwurfsverfah¬ren sowie Justagestrategien und Fehlerkompensationsmechanismen erarbeitet und anhand von Messungen im 1-kg Prototypkomparator und an einer Demonstratorwägezelle untersucht. Die im Projekt angestrebte Überwindung der genannten Defizite von Wägezellen bildet die Grundlage für eine weitere Verbesserung des Standes der Technik der Massemetrologie.