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tm - Technisches Messen

Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik

[TM - Technical Measurement: A Platform for Methods, Systems, and Applications of Measurement Technology
]

Editor-in-Chief: Puente León, Fernando / Zagar, Bernhard


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ISSN
2196-7113
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Volume 85, Issue 11

Issues

Wattwaage mit Hebelübersetzung auf Basis eines kommerziellen EMK-Wägesystems

Watt balance with lever transmission based on commercial EMFC load cell

Falko Hilbrunner
  • Corresponding author
  • Sartorius Lab Instruments GmbH & Co. KG, Department Mass Comparators, August-Spindler- Strasse 11, 37079 Göttingen Germany
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/ Ilko Rahneberg / Thomas Fröhlich
  • Technische Universität Ilmenau, Institut für Prozessmess- und Sensortechnik, Gustav-Kirchhoff-Str. 1, 98693 Ilmenau Germany
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Published Online: 2017-10-12 | DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2017-0065

Zusammenfassung

Bei Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation wird die auf eine Waagschale wirkende Gewichtskraft eines Wägegutes durch eine elektromagnetische Gegenkraft kompensiert. Nach dem Stand der Technik wird der Zusammenhang zwischen dem, die Gegenkraft erzeugendem Aktorstrom durch eine Spule und der Gewichtskraft des Wägegutes durch Kalibrierung mit Massenormalen hergestellt. Mit der für 2018 zu erwartenden Neudefinition der SI-Einheit der Masse durch Festlegung eines Wertes der Planck-Konstanten wird ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den mechanischen und elektrischen Größen geschaffen, so dass das aus Fundamentalexperimenten bekannte Wattwaagenprinzip zur Kalibrierung von Massen eingesetzt werden kann. Im vorliegenden Artikel wird eine darauf aufbauende Methode zur Bestimmung des Kraftfaktors Bl einer kommerziellen EMK-Wägzelle vorgestellt. Dies geschieht durch die simultane Messung der Spannung über der im Magnetfeld bewegten Spule und deren Geschwindigkeit. Dabei wird im vorgestellten Verfahren die Spule gleichzeitig zur Erzeugung der Bewegung mit einem harmonischen Wechselsignal bestromt. Die Frequenz der harmonischen Bewegung hat hierbei maßgeblichen Einfluss auf die Unsicherheit des resultierenden Kraftfaktors. Eine Trennung der Spannungsanteile über der Spule erfolgt durch simultane Messung von Strom und Spannung an der Spule und Auswertung unter Berücksichtigung der vorliegenden Amplituden und Phasenlagen. Die Spule ist hierbei, wie bei kommerziellen EMK-Wägezellen üblich, über ein mechanisches Hebelwerk angekoppelt. Durch diese Hebelübersetzung ist es möglich, mit einem kompakten elektrodynamischen Aktuator (Spule–Permanentmagnetsystem), einen großen wirksamen Kraftfaktor zu realisieren.

Im Ergebnis können mit dem System Kräfte in beliebiger Raumrichtung gemessen bzw. erzeugt werden, wobei die Massebestimmung einen Spezialfall darstellt, für den zusätzlich die lokale Fallbeschleunigung bekannt sein muss. Unter Nutzung der gleichen Methodik kann durch Vertauschung von Eingangs- und Ausgangsgrößen des Formalismus, die EMK-Wägezelle auch als Positionssensor eingesetzt werden. Hierbei erfolgt unter Zuhilfenahme eines Referenzgewichtes (Justiergewichtes) und der Ausgangsspannung des Positionssensors des Wägesystems eine Kalibrierung der Auslenkung des Koppelstücks. Für beide Verfahren werden im Gegensatz zu Fundamentalexperimenten industriell relevante Messunsicherheiten im ppm-Bereich angestrebt. Es werden Messungen für beide Messmodi auf Basis kommerziell verfügbarer EMK-Wägezellen und elektrischer Messtechnik vorgestellt und diskutiert.

Abstract

In balances based on the principle of electromagnetic force compensation (EMFC-balances), the weight force on the balance pan is compensated by an electromagnetic counterforce. According to the state of the art, the relation of the current in the actuator that produces the counterforce to the weight force of the goods to be weighed is determined by calibration using standard mass. After the redefinition of the unit mass based on a fixed value of the Planck-constant, that is expected for 2018, there will be a direct connection of mechanical and electrical quantities. Thus the Watt-balance-principle known from fundamental experiments for the redefinition of the unit, can be used for mass calibrations. In the present publication a method for determination of the calibration factor Bl of a commercial EMFC-load cell, based on these principles is presented. The calibration is done by simultaneous measurements of the voltage on the actuator coil while it is moving in a stationary magnetic field and its velocity. During the calibration a harmonic AC-current through the same coil is used for generating a sinusoidal coil motion, which is specific for this particular method. The frequency of this harmonic motion has a significant influence on the uncertainty of the resulting calibration factor Bl. A separation of the different portions of the resulting measured voltage is done by simultaneous, frequency depended measurements of current and voltages across the coil and data evaluation with respect to amplitudes and phases. The coil of the balance is coupled to the load carrier via a lever system, a configuration which is common in commercial EMFC-balances. By using such a lever system it is possible to achieve a high value for the effective Bl (force coupling factor to load carrier) with a compact electrodynamic actuator (combination of coil and permanent magnet system).

As a result the system can be calibrated for force measurements and generation of reference forces in arbitrary direction in space. For mass measurements, which are a special case of the above mentioned, a value of the local gravity acceleration has to be known. Furthermore there is the possibility for calibrating the EMFC-load cell as a position sensor using the here introduced formalism by exchanging certain input and output parameters. In this case a reference mass is used and in combination with the output signal of the integrated position sensor of the load cell it is possible to calibrate the position of the load carrier. For both applications based on the method presented here the aim is rather to achieve uncertainties relevant to industrial applications than those required in fundamental experiments. Measurements for mass and force calibration and also for position calibration were carried out using a commercial EMFC-load cell and also commercial electrical measurement devices. The results are presented and the achieved uncertainties and their composition are discussed.

Schlagwörter: EMK-Waage; Wattwaage; Kraftsensor; Wegsensor

Keywords: EMFC-balance; watt-balance; force sensor; displacement sensor

About the article

Falko Hilbrunner

Sartorius Lab Instruments GmbH & Co. KG, Department Mass Comparators, August-Spindler-Strasse 11, 37079 Göttingen

Ilko Rahneberg

SIOS Meßtechnik GmbH, Am Vogelherd 46, 98693 Ilmenau

Thomas Fröhlich

Technische Universität Ilmenau, Institut für Prozessmess- und Sensortechnik, Gustav-Kirchhoff-Str. 1, 98693 Ilmenau


Revised: 2017-08-22

Accepted: 2017-09-15

Received: 2017-06-21

Published Online: 2017-10-12

Published in Print: 2018-11-27


Citation Information: tm - Technisches Messen, Volume 85, Issue 11, Pages 658–679, ISSN (Online) 2196-7113, ISSN (Print) 0171-8096, DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2017-0065.

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[1]
Maximilian Darnieder, Markus Pabst, Ronny Wenig, Lena Zentner, René Theska, and Thomas Fröhlich
Journal of Sensors and Sensor Systems, 2018, Volume 7, Number 2, Page 587

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