Performance evaluation approach for accelerating rate calorimeters by means of Joule heat. - In: Thermochimica acta, Bd. 735 (2024), 179719, S. 1-9
Currently, the commonly used performance evaluation approach for accelerating rate calorimeters (ARCs) is based on di‑tert‑butyl peroxide (DTBP). However, DTBP is not a certified reference material that contains untraceable and inaccurate thermodynamic and kinetic parameters. To address this issue, an evaluation approach using Joule heat was proposed. The key point of this approach is the use of Joule heat to simulate the exothermic process of a chemical reaction. First, an evaluation apparatus with reaction rate feedback control was developed. Subsequently, exothermic reaction experiments using the DTBP/toluene solution were simulated. The experimental results indicated that the thermodynamic and kinetic parameters obtained using this approach align with the preset values and exhibit good repeatability. This approach is traceable and can be traced back to the International System of Units, which facilitates reliable performance evaluation of commercial ARCs.
https://doi.org/10.1016/j.tca.2024.179719
Characterization of a parallel kinematics actuated in situ reference measurement system for 5D-nano-measurement and nano-fabrication applications :
Charakterisierung eines parallelkinematisch aktuierten In-situ-Referenzmesssystems für 5D-Nanomess- und Fabrikationsanwendungen. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 91 (2024), 2, S. 102-115
Die stetig voranschreitende Entwicklung im Bereich der Fertigung optischer und elektronischer Elemente auf Basis von Nanotechnologien führt seit Jahren zu einer steigenden Nachfrage nach hochpräzisen Nanomess- und Nanofabrikationsmaschinen (The International Roadmap For Devices And Systems, IEEE, 2020; C. Grant Willson and B. J. Roman, “The future of lithography: SEMATECH litho forum 2008,” ASC Nano , vol. 2, no. 7, pp. 1323-1328, 2008). Als technologisch besonders anspruchsvoll hat sich dabei die Fabrikation auf stark geneigten, gekrümmten, asphärischen und freigeformten Oberflächen herausgestellt (R. Schachtschneider, et al., “Interlaboratory comparison measurements of aspheres,” Meas. Sci. Technol. , vol. 29, no. 13pp, p. 055010, 2018). Aufbauend auf den zukunftsweisenden Entwicklungen der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 1 (NMM-1) (G. Jäger, E. Manske, T. Hausotte, and J.-J. Büchner, “Nanomessmaschine zur abbefehlerfreien Koordinatenmessung,” tm - Tech. Mess. , vol. 67, nos. 7-8, pp. 319-323, 2000) und der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 200 (NPMM-200) (E. Manske, G. Jäger, T. Hausotte, and F. Balzer, “Nanopositioning and Nanomeasuring Machine NPMM-200 - sub-nanometre resolution and highest accuracy in extended macroscopic working areas,” in Euspen’s 17th International Conference , 2017), wird an der Technischen Universität Ilmenau seit mehreren Jahren an Konzepten für NPMM mit erhöhtem Freiheitsgrad geforscht (F. Fern, “Metrologie in fünfachsigen Nanomess- und Nanopositioniermaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020; R. Schienbein, “Grundlegende Untersuchungen zum konstruktiven Aufbau von Fünfachs-Nanopositionier- und Nanomessmaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020). So besitzt der seit 2020 entwickelte Demonstrator NMM-5D (J. Leinweber, C. Meyer, R. Füßl, R. Theska, and E. Manske, “Ein neuartiges Konzept für 5D Nanopositionier-, Nanomess-, und Nanofabrikationsmaschinen,” tm - Tech. Mess. , vol. 37, nos. 1-10, 2022) neben dem kartesischen Verfahrbereich von 25mm × 25mm × 5mm zusätzlich ein Rotationsvermögen des Tools von 360˚ sowie ein Neigungsvermögen von 50˚. Imfolgenden Artikel wird davon ausgehend die mechanische und metrologische Charakterisierung der parallelkinematisch aktuierten Rotationserweiterung präsentiert. Hierbei konzentrieren sich durchgeführte Untersuchungen primär auf die kinematisch verursachten Abweichungen des Tool Center Point (TCP) sowie die Detektierung dieser Abweichungen mit einem interferometrischen In-situ -Referenzmesssystem. Darüber kann perspektivisch eine geregelte Kompensation der auftretenden TCP-Abweichungen erfolgen.
https://doi.org/10.1515/teme-2023-0109
From measurement to information with intelligence - VDI future forum in Ettlingen/Germany :
Mit Intelligenz von der Messung zur Information - VDI-Zukunftsforum in Ettlingen. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 91 (2024), 1, S. 1-3
https://doi.org/10.1515/teme-2023-0154
Analytical description of transversally symmetric hinges with semicircular contours. - In: Advances in mechanism and machine science, (2024), S. 502-509
Compliant mechanisms are becoming increasingly important, especially in force measurement and weighing technology, due to their zero backlash, wear resistance, and zero friction. Their deformation under external forces can be analyzed well with analytical calculations and FEM simulations. Analytically, only mechanisms with symmetrical and longitudinally symmetrical hinges are described. This paper presents a method that allows transversally symmetric hinges to be described analytically. The model must be computed numerically due to the built neutral fiber and the nonlinearities in the used calculation method. The developed method is then compared with FEM calculations in a parameter study and considered to be validated. Finally, outlooks are formulated on how the created method can for instance be used to develop load cells for later calculations. Moreover, it is shown to what extent it is possible to implement this method for general calculations of compliant mechanisms.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-45709-8_49
Adaptation of metrology-grade ac current source in velocity mode of Planck-Balance 2: direct referencing induced voltages with ac quantum voltage standard. - In: Measurement science and technology, ISSN 1361-6501, Bd. 35 (2024), 1, 015026, S. 1-11
The adaptation of developed metrology-grade ac current source (MCS) to the velocity mode of measurements of the Planck-Balance 2 as a means for generating ac mechanical oscillations is presented. The universality in operating with the MCS unit especially practical for the Planck-Balance setup for frequencies of 0.1 Hz-20 Hz (including but not limited to the negligence of a broader range of 0.01 Hz up to several hundred Hz) and for amplitudes of up to 10 mA with 16 (offset with 14)-bit effective resolution is demonstrated. MCS allows generating complex ac waveform signals as waveform synthesizers by adding to the original signal an extra five independent harmonic components, each of which with an adjustable resolution of 10 ns for phase and 16-bit for amplitude. Additionally, the MCS is supported by an external clock at 10 MHz frequency which serves also as a common reference time base for the comparison between the direct output signal of MCS, or of the induced voltage in the coil of the Planck-Balance resulting due to the applied current by MCS, with the ac quantum voltage standard at the required accuracy levels.
https://doi.org/10.1088/1361-6501/ad006c
Influence of the reference surface and AFM tip on the radius and roundness measurement of micro spheres. - In: Measurement science and technology, ISSN 1361-6501, Bd. 35 (2024), 2, 025010, S. 1-16
The performance of tactile and optical surface sensors for nano and micro coordinate measuring machines is currently limited by the lack of precisely characterised micro spheres, since established strategies have mainly been developed for spheres in the range of millimetres or above. We have, therefore, recently focused our research efforts towards a novel strategy for the characterisation of spheres in the sub-millimetre range. It is based on a set of atomic force microscope (AFM) surface scans in conjunction with a stitching algorithm. To obtain an uncertainty statement, the uncertainty about the shape of the reference surface needs to be propagated via the shape of the AFM tip to the actual measurement object. However, the sampling process of an AFM is non-linear and the processing of AFM scans requires complex algorithms. We have, therefore, recently begun to model the characterisation of micro spheres through simulations. In this contribution, this model is extended by the influence of the tip and reference surface. The influence of the tip’s shape and reference surface is investigated through virtual and real experiments. The shape of the tip is varied by using tips with mean radii of 200 nm and 2 μm while sampling the same ruby sphere with a mean radius of 150 μm. In general, the simulation results imply that an uncertainty of less then 10 nm is achievable. However, an experimental validation of the model is still pending. The experimental investigations were limited by the lack of a suitable cleaning strategy for micro parts, which demonstrates the need for further investigations in this area. Although the characterisation of a full sphere has already been demonstrated, the investigations in this contribution are limited to equator measurements.
https://doi.org/10.1088/1361-6501/ad03b7
Traceable force calibration of micro-electro-mechanical systems. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (123 Blätter)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023
In dieser Dissertation wird die Entwicklung einer modifizierten und verbesserten Version eines Kraft-Weg-Messsystems auf Basis der elektromechanischen Waage vorgestellt, mit der Möglichkeit, die gemessenen Kräfte im Bereich von 50 nN bis 1 mN künftig auf die elektrischen SI-Einheiten zurückzuführen. Die Hauptmessmethode der Vorgängerversion des Systems war das elektromagnetische Prinzip der Kraftkompensation (EMFC) unter Verwendung der statischen und dynamischen Methoden der Kraftkonstantenkalibrierung. In dieser Studie wurde durch den Austausch des elektromagnetischen Aktuators und die Integration eines automatischen Lade-/Entladesystems eines bekannten Kalibriergewichts auf der Waage zur statischen Kalibrierung der elektromagnetischen Kraftkonstante im Vakuum die Unsicherheit des Absolutwerts der Kraftkonstante um den Faktor 1,5 reduziert. Außerdem wurde ein elektrostatischer Aktuator in Form eines Dreiplatten-Differentialkondensators in das System integriert, wodurch die dynamische Kalibrierung der elektromagnetischen Kraftkonstante deutlich verbessert werden konnte. Über und unter der Waage, die die elektrisch geerdete bewegliche Platte darstellt, wurden zwei flache Plattenelektroden mechanisch befestigt. Dieser Aktuator wurde mit vier verschiedenen Methoden kalibriert, von denen drei statisch (Kompensation eines Referenzgewichts, Messung eines Kapazitätsgradienten, Kompensation einer elektromagnetischen Referenzkraft) und eine dynamisch (Messung eines induzierten Stroms) sind. Die Ergebnisse umfangreicher Messungen aller Methoden zeigen eine gute Übereinstimmung untereinander und mit den analytisch berechneten Werten. Im Rahmen der Studie wurden verschiedene Konzepte, Regelungssysteme und Regelungen implementiert und schließlich teilweise zur Regelung der Mess- und Kalibrierprozesse angepasst. Insbesondere wurden alle analogen, hybriden analog-digitalen und nur digitalen PID-Regler getestet, in das System integriert und die Ergebnisse verglichen. Basierend auf den Testergebnissen wurde ein Mikrocontroller für den Dauereinsatz ausgewählt, der den Zeitaufwand für die Kalibrierung deutlich reduzierte und die Systemleistung verbesserte. Das System wurde verwendet, um die Steifigkeit verschiedener Cantilever und MEMS auf der Grundlage der Kraft-Weg-Kurvenmessungen zu messen. Ein sehr weicher Cantilever mit einer Steifigkeit von weniger als 15 mN/m wurde nach dem Kompensationsprinzip elektromagnetischer und elektrostatischer Kräfte gemessen, die gesamte relative Unsicherheit der gemessenen Steifigkeit betrug 1,32 % bzw. 1,68 % (k = 2). Dies bestätigte die Möglichkeit, den elektromagnetischen Aktor durch einen elektrostatischen zu ersetzen, um Kräfte im Bereich von 50 nN bis 1 μN zu messen.
https://doi.org/10.22032/dbt.59791
A novel EMFC tiltmeter with extended measurement range. - In: 24th IMEKO TC3 International Conference on Measurement of Force, Mass and Torque 2022, (2023), S. 252-257
This work presents a new tiltmeter that utilises the principle of electromagnetic force compensation (EMFC) in order to increase its measurement range and measurement dynamics compared to an uncompensated pendulum tiltmeter. The development included investigations on the design of the pendulum mechanics, the position sensor and the actuators. With the chosen parameters a resolution of 1 μrad in a measurement range of 20 mrad can be achieved currently on a short-term timescale.
Capacitive calibration capabilities in an EMFC balance. - In: 24th IMEKO TC3 International Conference on Measurement of Force, Mass and Torque 2022, (2023), S. 236-241
The article describes the possibilities of calibrating the force constant in an electromagnetic force compensation (EMFC) load cell using the electrostatic force compensation principle. The static and dynamic principles of calibration of the Kibble balance for the electrostatic force constant, as well as calibration by means of compensation of the electrostatic force by the electromagnetic force, are considered. The combination of the two compensation principles in the load cell allows the measurement of forces in the range of 20 pN to 2.2 mN and ensures traceability to national standards. The relative uncertainty in the measurement of forces of about 100 nN is estimated to be about 0.001.
Centre of gravity measuring device. - In: 24th IMEKO TC3 International Conference on Measurement of Force, Mass and Torque 2022, (2023), S. 138-143
This paper describes a new method to measure the height of the centre of gravity of high-sensitive mass artefacts. A measuring device is presented and tested with mass samples of various shapes and densities. The results of the measurements are compared to the geometrical estimated heights of the centre of gravity and further developments of the new instrument are presented.