Zusammenfassung
Seit dem 20. Mai 2019 gilt das neue Internationale Einheitensystem SI. Dies stellt eine Zäsur in der Geschichte der Einheiten dar, denn von nun an sind alle 7 Basiseinheiten durch Fundamentalkonstanten definiert. Gerade für die Masse und die daraus abgeleiteten Größen hat das weitreichende Folgen. Das Urkilogramm ist jetzt nur noch ein normales 1 kg-Wägestück. Der Gewinn aber ist enorm. Das Kilogramm lässt sich zukünftig für jeden Massewert darstellen und muss nicht mehr auf das Urkilogramm rückgeführt werden. Da die Kraft bislang über die Masse rückgeführt wurde, öffnen sich aber auch deren Definition neue Wege. In diesem Artikel soll beschrieben werden, wie die prinzipiellen Realisierungen des Kilogramms über die Kibble-Waage und die Röntgenkristalldichtemessungen (XRCD-Methode, oder auf Englisch X-ray-crystal-density method) funktionieren und welche Ideen für die Kraft-Messung bereits umgesetzt wurden.
Abstract
The new International System of Units SI is in effect since May 20th 2019. For the first time in the history of metrology, all seven base units are defined by fundamental constants. Notably, this implies major consequences on the mass and the units derived from it. From now on, the International Prototype of the Kilogram (IPK) is just a regular mass standard. The Kilogram can be represented independently from the nominal value of a weight and has not to be traced back to the IPK. Since the force was traced back to mass until the redefinition, there are new possibilities of traceability of force measurements now. This article presents the concepts of the primary realizations by a Kibble balance or the X-ray-crystal-density (XRCD) method and ideas that were utilized for force measurements.
Funding source: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Award Identifier / Grant number: GRK 1567
Funding source: Bundesministerium für Bildung und Forschung
Award Identifier / Grant number: 03VP02581
Funding statement: Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG für die Förderung des Graduiertenkollegs GRK 1567 „Lorentz force velocimetry and Lorentz force eddy current testing“ und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF für die Förderung 03VP02581 „PLANCK-WAAGE – Selbstkalibrierende Präzisionswaagen für den industriellen Einsatz“ im Programm Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials – VIP+.
Über die Autoren
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Fröhlich ist Direktor des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik und Leiter des Fachgebiets Prozessmesstechnik der Fakultät für Maschinenbau der TU Ilmenau.
Norbert Rogge hat von 2007 bis 2012 Maschinebau an der TU Ilmenau studiert. Derzeit ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter in dem Bereich dynamische Wägetechnik am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik (TU Ilmenau) tätig und arbeitet derzeit in der Projektgruppe Planck-Waage.
Suren Vasilyan ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der Technischen Universität Ilmenau.
Dr. Christian Rothleitner hat an der Universität Erlangen-Nürnberg Physik studiert. Er promovierte am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts über das Thema Freifall-Absolutgravimeter. Nach einem Postdoc-Aufenthalt an der Universität Luxemburg wechselte er 2013 an die Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), wo er die Arbeitsgruppe „Metrologie in der Wägetechnik“ leitet. Hauptthemengebiet ist die Planck-Waage, einer Kibble-Waage für industrielle Anwendungen, die in einem vom BMBF geförderten Projekt in Zusammenarbeit mit der TU Ilmenau entwickelt wird.
Ludwig Günther ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der PTB in Braunschweig und im gemeinsam von der PTB und der TU-Ilmenau durchgeführten Projekt „Planck-Waage“ beschäftigt.
Shan Lin studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Kaiserslautern in Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Sie schloss ihre Promotion im Jahr 2018 ab. Seit 2018 ist sie wissenschaftliche Mitarbeiterin des Fachbereichs „Masse – Weitergabe der Einheit“ und arbeitet am Projekt „Planck-Balance“.
Dr.-Ing Falko Hilbrunner arbeitet in der Forschung und Entwicklung im Bereich Massekomparatoren bei der Sartorius Lab Instruments GmbH & Co. KG.
Dr.-Ing. Dorothea Knopf leitet den Fachbereich „Masse“ der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Neben der Realisierung und Weitergabe der Masseeinheit befasst sich der Fachbereich mit der Konformitätsbewertung von Waagen und wissenschaftlichen Projekten in diesem Umfeld, zu denen auch die „Planck-Waage“ gehört.
Frank Härtig leitet die Abteilung 1 „Mechanik und Akustik“ der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Unter anderem befasst sich seine Abteilung mit der Realisierung und Weitergabe der Einheit Masse. Er vertritt die PTB in verschiedenen nationalen und internationalen Gremien, wie dem Consultative Committee for Mass and Related Quantities (CCM). Darüber hinaus ist der President Elect bei der International Measurement Confederation (IMEKO).
Postdoc am Fundamental Electrical Measurements Group, National Institute of Standards and Technology (NIST).
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