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The metrological validation of high precision 3D-measurement instruments demands an effective modeling of the systems. Vectorial descriptions of the measuring circuits are very suitable for analyzing the capability and for modeling uncertainty budgets. To keep the measurement uncertainty in the lower nanometer range, it is necessary to use error reduced metrological design structures. This means, short measurement circuits, separated from the stage system and avoiding Abbe errors. In high precision Nanopositioning and Nanomeasuring Machines (NPMM) these requirements are fulfilled [1]. This paper shows the structures and the application of vectorial metrological modeling for multiaxis precision measuring systems.

Die Leistungsfähigkeit von Kraftaufnehmern, bestehend aus Federkörper (FK) und aufgeklebten Dehnmessstreifen (DMS), wird wesentlich von Messabweichungen wie Kriechen und Hysterese des elektrischen Ausgangssignals begrenzt. Die Kraftaufnehmerentwicklung ist aufwendig, da die Beiträge von FK, Klebeschicht und DMS zu den genannten Abweichungen Kennwerte erfordert Messunsicherheiten von ca. 1 nm. Mit Hilfe der Untersuchungen sowie den umgesetzten mechanischen, optischen und thermischen Optimierungen konnten die entscheidenden Unsicherheitsbeiträge der Prüfeinrichtung deutlich reduziert und das Ziel erreicht werden. Damit anhand dieses Ausgangssignals nicht eindeutig unterschieden werden können. Das Ziel der Dissertation war zunächst die Untersuchung und Optimierung einer vorhandenen Prüfeinrichtung, sodass mit dieser unter anderem die mechanischen Kennwerte Kriechen, Hysterese und Linearitätsabweichung von Doppelbiegebalken-FK auf Basis einer interferometrischen Verformungsmessung rückführbar bestimmt werden können. Eine sinnvolle Ermittlung dieser eignet sich die Prüfeinrichtung nun zur Klassifizierung von Federkörpern auf Basis der für Kraftaufnehmer bzw. Wägezellen geltenden Normen EN ISO 376 und OIML R 60. Anschließend erfolgte die Bestimmung der Kennwerte von Federkörpern aus Aluminium AW 2024 und Stahl 174 PH, welche den Stand der Technik darstellen. Vergleichend dazu wurden FK aus synthetischem (Lithosil QT) und mineralischem (Ilmasil PN) Quarzglas ausgelegt und deren Kennwerte ermittelt. Im Ergebnis sind prinzipiell alle untersuchten FK als Basis für Kraftaufnehmer geeignet, welche die strengsten metrologischen Forderungen der Norm EN ISO 376 erfüllen, sie zeigen dabei jedoch wesentliche Unterschiede. Die Quarzglas-FK besitzen die besten messtechnischen Eigenschaften. Im Gegensatz zu Stahl und Quarzglas weisen die Kennwerte der Aluminium-FK eine signifikante Temperaturabhängigkeit auf. Bei einer gleichzeitigen Messung der Verformung sowie des elektrischen Ausgangssignals eines Aluminium-Kraftaufnehmers wurde zudem der Beitrag von DMS und Klebeschicht zum Kriechen und der Hysterese des Ausgangssignals bestimmt. Diese Untersuchungen verdeutlichen, dass mit Hilfe der Prüfeinrichtung die Kraftaufnehmerentwicklung optimiert werden kann, da die Beiträge von FK sowie DMS und Klebeschicht getrennt betrachtet und damit besser aufeinander abgestimmt werden können.

Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, die ersten Schritte zur Umsetzung einer neuen Kalibriermethode für Durchflussmessgeräte zu beschreiben. Diese Forschungsarbeit wurde im Fachbereich "Flüssigkeiten" der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt durchgeführt. Sie realisiert ein dynamisches Wägeverfahren, welches es ermöglicht, den Massendurchfluss mehrmals unter stationären und quasistationären Bedingungen zu messen. Eine somit verkürzte Kalibrierzeit bringt einen wichtigen Vorteil für Durchfluss-Kalibrierlaboratorien, um ihre Kalibrierkosten, den Energieverbrauch und die Arbeitsbelastung zu reduzieren. Die vorgeschlagene Kalibriermethode beruht auf einer gründlichen Analyse der Wechselwirkungzwischen den durchflussinduzierten Kräften im Messprozess und der Dynamik des Wäge-Systems. Basierend auf dieser Analyse wird anschließend eine Reihe von Signalverarbeitungstechniken angewandt, um sowohl die Stärke der unerwünschten, durch den Durchfluss induzierten Kräfte zu verringern, als auch das Messrauschen im Ausgangsignal zu dämpfen. Damit kann die Messgröße einerseits sehr genau und andererseits auch als Funktion der Zeit ermittelt werden. Die Wirksamkeit der neuen Kalibriermethode für Durchfluss-Messgeräte wird durch numerische und experimentelle Tests validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Genauigkeit kleiner als 0,1 % erreichbar ist. Außerdem gibt die vorliegende Arbeit Empfehlungen, wie das vorgeschlagene Messprinzip zukünftig noch weiter verbessert werden kann.