Inhalt dieser Arbeit sind Untersuchungen zu den statischen und insbesondere dynamischen Eigenschaften von Wägesystemen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK). Für diesen Waagentyp ergeben sich aufgrund der im Jahr 2019 erfolgten Neudefinition des Kilogramm neue Anwendungsfelder, in denen die Definition in Form einer Kibble-Waage direkt in einem Kraftmess- oder Wägesystem umgesetzt wird. Eine derartige Entwicklung, die als Tischgerät konzipiert ist und daher auch als ”table top Kibble Balance” bezeichnet werden kann, stellt die Planck-Waage dar, die in einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und dem Institut für Prozessmess- und Sensortechnik (IPMS) der TU Ilmenau auf Basis von kommerziellen EMK-Wägezellen umgesetzt wurde. Aufgrund der prinzipbedingten dynamischen Anregung der Wägezelle und der Notwendigkeit einer rückführbaren Messung der beteiligten elektrischen Größen ergeben sich neuartige Fragestellungen bei der Charakterisierung und metrologischen Bewertung von EMK-Wägezellen. Einen signifikanten Einfluss auf die erreichbare Unsicherheit haben Winkelschwingungen bei der dynamischen Anregung so wie die relative Ausrichtung der Messachsen der Waage zu derjenigen des verwendeten Interferometers. Aufbauend auf Erfahrungen aus Untersuchungen an dynamischen EMK-Wägesystemen werden die Eigenschaften der sogenannten PB2-Variante der Planck-Waage untersucht und deren Auswirkungen auf die Unsicherheit der Massebestimmung analysiert. Dazu kommen verschiedene optische und elektrische Messsysteme zum Einsatz, deren Unsicherheitsbeiträge wiederum selbst berücksichtigt werden. Weiterhin wird ein Messablauf vorgestellt, der die Korrektion von Drifteffekten und die Minimierung des Spulenstromeffekts ermöglicht. Nach dem derzeitigen Stand können mit dem PB2-System Massebestimmungen mit einer relativen Unsicherheit von bis zu 2,5 × 10^-6 in einem Messbereich von 1 mg bis 100 g erreicht werden. Aus den durchgeführten Untersuchungen können jedoch Ansatzpunkte abgeleitet werden, die eine weitere Reduzierung der Unsicherheiten in folgenden Entwicklungen der Planck-Waage ermöglichen.
This work presents investigations on the static and especially dynamic properties of weighing systems using the principle of electromagnetic force compensation (EMFC). This type of balances can be used in new fields of applications that directly utilize the redefinition of the Kilogram, which is valid since the year 2019, in weighing or force measurement instruments. The Planck-Balance, which is a table top realization of the principle of a Kibble balance, is such an instrument based on a commercial EMFC load cell and was developed in a joint research project of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) and the Institute of Process Measurement and Sensor Technology of TU Ilmenau. Due to dynamic excitation, which is necessary because of the working principle, and the necessity of traceable measurements of the involved electrical quantities, new questions arise that relate to the identification of the dynamic and metrological characteristics of EMFC load cells. For instance, tilt oscillations during the dynamic excitation and the misalignment of the measurement axis of the load cell and the used interferometer are identified to have a significant influence on the achievable measurement uncertainties. Based on the experience in the investigation of dynamic EMFC load cells, the properties and their influence on the uncertainty of the mass determination process with the PB2 variant of the Planck-Balance are analyzed. For this purpose, several optical and electrical measurement systems are incorporated, whose contributions to the measurement uncertainty are evaluated. Furthermore, a measurement scheme is presented that allows the correction of drift phenomena as well as minimization of the coil current effect. With the current PB2 system, mass determinations in a measurement range of 1 mg to 100 g were demonstrated that can be done with a relative measurement uncertainty of up to 2.5 × 10−6. However, improved design characteristics can be derived from the presented investigations that allow a further reduction of the uncertainties in ongoing developments of the Planck-Balance.
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