Traceable multicomponent force and torque measurement

Marangoni, Rafael Ramos GND

Ein Gerät, das für die Messung von Kraft- und Drehmomentvektoren eingesetzt wird und ein Kalibriersystem integriert, wird in dieser Arbeit beschrieben. Die Kräfte und Drehmomente werden auf die Messung von Position, Winkel, elektrischer Spannung, elektrischem Widerstand und Zeit zurückgeführt. Hinsichtlich fundamentaler Naturkonstanten können die Kräfte und Drehmomente auf die Planck Konstante h, die Lichtgeschwindigkeit c und die Frequenz des Hyperfeinübergangs von Caesium [Delta]v_Cs zurückgeführt werden. Das Messprinzip basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation und die Kalibrierung auf dem Kibble-Waagen Prinzip. Mehrere Schwierigkeiten und Einschränkungen von traditionellen Kalibrierverfahren für Mehrkomponenten-Kraft- und Drehmomentaufnehmer werden mit diesem System überwunden und neue Möglichkeiten werden vorgeschlagen, wie z.B. die automatische Inprozess-Kalibrierung. Mithilfe einer sorgfältigen Unsicherheitsanalyse wird die erreichbare Unsicherheit für die Kraft- und Drehmomentmessung ausgewertet und die Einschränkungen identifiziert, die durch die verschiedenen Komponenten des Systems verursacht werden. Ein Prototyp wird vorgestellt, der die Kraft- und Drehmomentmessung im Bereich vom 2.2 N und 0.11 N m mit einer relativen Standardmessunsicherheit von 44 ppm bzw. 460 ppm ermöglicht. Weiterhin wurde das System durch die Messung einer bekannten Kraft überprüft, die von einem kalibrierten Testgewicht erzeugt wird. Experimentelle Ergebnisse wurden durch die Anwendung von Mehrkomponentenaufnehmern in der Lorentzkraft-Anemometrie, Mikrobearbeitung und für die Identifikation von Kraft- und Drehmomentmesssystemen erzielt. Auf Verbesserungsmöglichkeiten für die weitere Reduzierung der Unsicherheit bei der Kraft- und Drehmomentmessung mit dem Gerät wird eingegangen.

The design of an instrument used to measure force and torque vectors that integrates a calibration system is described. The forces and torques are traced to position, angle, voltage, electrical resistance and time references. In terms of fundamental physical constants, the forces and torques can be traced to the Planck constant h, the speed of light in vacuum c and the hyperfine transition frequency of Caesium Δv_Cs. The measuring strategy used is based on the principle of the electromagnetic force compensation with the calibration based on the Kibble balance principle. Several difficulties and limitations of traditional calibration procedures for multicomponent force and torque transducers are overcome with this system and new features are introduced, such as the automatic in-process calibration. A careful uncertainty analysis is used to determine the achievable uncertainty for both force and torque measurements and identify the limitations caused by the components of the system. A prototype used to measure forces and torques in a range of 2.2 N and 0.11 N m with relative standard uncertainties of 44 ppm and 460 ppm respectively is presented. Considering the literature reviewed in this work, the system presented here exhibits the lowest uncertainty for the multicomponent force measurement. Verifications were performed by measuring a reference force generated by the weight of a calibrated test mass. Experimental results obtained by the application of multicomponent force and torque transducers to the Lorentz force velocimetry, micromachining and the identification of force and torque measuring systems are shown. Improvement possibilities for reducing the uncertainty for the force and torque measurements with the instrument are suggested.

Quote

Citation style:

Marangoni, Rafael: Traceable multicomponent force and torque measurement. Ilmenau 2019.

Access Statistic

Total:
Downloads:
Abtractviews:
Last 12 Month:
Downloads:
Abtractviews:

open graphic

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export