Heft 27

Schriftenreihe des Studiengangs Geodäsie und Geoinformation
der Universität der Bundeswehr München

 


 

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Heft 27

Zur automatischen Kalibrierung geodätischer Längenmeßinstrumente
Habilitationsschrift

Autor: H. Heister

Universität der Bundeswehr München, Neubiberg, 1988
213 Seiten

Vollständiger Abdruck der von der Fakultät Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universität der Bundeswehr München zur Feststellung der Lehrbefähigung im Fachgebiet Geodäsie und zur Verleihung des akademischen Grades eines habilitierten Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing. habil.) genehmigten Habilitationsschrift.

Vorsitzender:

Dekan Prof. Dr.-Ing. K. Kuen

Gutachter:

Prof. Dr.-Ing. W. Caspary

Prof. Dr.-Ing. B. Witte, TH Aachen

Tag des Kolloquiums: 11.12.1987

 


 

Inhalt

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

 


 

Einleitung

Vorüberlegungen und Grundbegriffe

  • Begriffe der Meßtechnik
  • Zur Behandlung von Meßunsicherheiten und Toleranzen
  • Physikalische Definitionen

Meßanordnung und Umwelteinflüsse

  • Das Komperatorprinzip
  • Lagerung des Prüflings
  • Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient
  • Refraktionsindex der Luft
  • Minderung des Temperatureinflusses

Längenkalibrierung und automatisierbare Meßverfahren

  • Geodätische Längenmeßinstrumente und ihre Genauigkeitsklassifizierung
  • Zur digitalen Längenmeßtechnik
  • Interferenz des Lichtes
  • Interferometer

Interferenzmeßtechnik

  • Funktionsprinzip technischer Interferometer
  • Optische Bauteile
  • Standardaufbauten zur Linearmessung
  • Systematische Abweichungen
  • Systemüberprüfung

Der 30-m-Longitudinalkomperator

  • Unterbau mit Führungseinrichtung und Meßschlitten
  • Interferometersystem und Meßwerterfassung
  • Einrichtungen und Möglichkeiten der Maßübertragung

Auswertung und Analyse der Linearmessung

  • Mathematisches Modell der Schlittenbewegung
  • Mathematisches Modell zur Auswertung und Analyse
  • Mathematisches Modell zur Bestimmung der photoelektrischen Strichmitte

Beispiele zur automatischen Kalibrierung und Genauigkeitsanalyse

  • Nivellierlattenkalibrierung
  • Kalibrierung elektrooptischer Distanzmesser

Zusammenfassung und Ausblick

 


 

Literaturverzeichnis

Stichwortverzeichnis

 


 

Einleitung

Unter dem Begriff Kalibrieren versteht man in der Meßtechnik allgemein das Feststellen des Zusammenhanges zwischen Ausgangsgröße und Eingangsgröße (DIN 1319). Bei benannten Skalen, wie z.B. den Längenmaßen, wird durch das Kalibrieren der Fehler der Maßverkörperung festgestellt, wobei der Fehler als Differenz zwischen Istanzeige und richtigem Wert der Meßgröße (Sollanzeige) definiert ist.

Hierbei ergeben sich zunächst zwei Probleme: Erstens muß eine Maßgröße definiert werden, um sie zweitens mit instrumentellen Methoden je nach Genauigkeitsanforderungen zu verkörpern. War z.B. das Winkelmaß schon in der Antike eine mathematisch definierte Maßeinheit, so ist das Längenmaß weitaus uneinheitlicher behandelt worden und erst seit einigen Jahrzehnten durch eine physikalische Definition - von einer Maßverkörperung unabhängig - festgelegt worden. Die Notwendigkeit, ein Längenmaß zu vereinbaren, geht nachweislich bis in die Megalith-Kulturen zurück. Dabei ging es nicht nur darum, dieses "Urmaß" für die Zukunft aufzubewahren, sondern auch bereits um die Unterteilung in Intervalle. Aufgefundene Maßstäbe gehen in das 3. Jahrtausend v. Chr. zurück, wobei die "Nippurelle" als der erste unbeschädigte Maßstab dem Gebiet zwischen Mesopotamien und dem Indus zugeordnet werden kann. Sie ist ein 1,10 m langer kupferner oder bronzener Maßstab mit einem Gewicht von ca. 45 kg und trägt bereits eine Reihe von Abstandskerbungen als Normlängen. Einen interessanten Einblick mit Umrechnungstabellen ins metrische Maß über antike Längenmaße gibt Rottländer, P. C. A. (1979).

Im Prinzip hatte sich in der Vorgehensweise bei Definition und Verkörperung von Längenmaßen von den ersten Anfängen bis hin zum metrischen System nichts geändert. Auch hier hat man bis 1927 den "Internationalen Meterprototyp" als mechanische Definition des "Meters" benutzt. Erst in den letzten fünfzig Jahren sind physikalische Definitionen eingeführt worden, die das "Meter" eindeutig beschreiben und instrumentell mit einer Genauigkeit von besser als 10-10 zu realisieren erlauben. Ist diese hohe Genauigkeit auch nur mit speziellen Einrichtungen und großem Aufwand zu erreichen, so ist mit der heute weitentwickelten Lasertechnologie ujnd den damit verbundenen interferometrischen Meßmethoden eine Genauigkeit von 5 • 10-7 ohne Schwierigkeiten einzuhalten. Damit ist erstmals die Möglichkeit gegeben, auch in Laboratorien, die nicht die amtliche Aufgabe zur Festlegung und Sicherung eines einheitlichen Maßsystems haben, das physikalisch definierte Meter zu realisieren, um schnell, auch auf einen speziellen Anwendungsbereich hin konzipiert, eine Überprüfung oder Kalibrierung von Längenmeßinstrumenten vornehmen zu können.

Als Gründe zur Durchführung einer Kalibrierung können im wesentlichen folgende Punkte angeführt werden:

  1. Prüfung des Längenmeßgerätes einschließlich der vom Hersteller angegebenen Toleranzen oder Genauigkeiten;
  2. Genauigkeitssteigerung von serienmäßig hergestellten Instrumenten;
  3. Regelmäßige Überprüfung, um festzustellen, ob die Meßeigenschaften über die Zeit und Häufigkeit des Einsatzes erhalten bleiben.

Bei Geräteuntersuchungen zu (1) und (2) wird es sich in der Regel um aufwendige und umfassende Verfahren handeln, die mit speziellen Einrichtungen und Apparaturen nur wenigen Institutionen vorbehalten sind. Sie haben deshalb größere Bedeutung, um einerseits eine werksunabhängige Aussage über die Leistungsfähigkeit eines Meßinstruments zu bekommen, andererseits, um vorhandenes Instrumentarium für Aufgaben mit höheren Genauigkeitsforderungen einsetzbar zu machen. Können nämlich Fehler der Maßverkörperung durch Kalibrierverfahren - auch wenn sie aufwendig sind - als systematisch und reproduzierbar lokalisiert werden, kann durch entsprechende Berücksichtigung häufig die vom Hersteller angegebene Genauigkeit übertroffen werden. Dies bedeutet für den praxisorientierten Nutzer, daß die Einsatzbreite für ein bestimmtes Meßgerät erweitert und damit eine wirtschaftlichere Nutzung möglich wird.

Den Prüfverfahren zu (3) sind die routinemäßig anfallenden Kalibrierungen zuzuordnen, die je nach Meßgerät mehr oder minder aufwendig sein können.

Allen Meßverfahren zur Kalibrierung wird nicht nur eine hohe Genauigkeit abverlangt - sie soll um etwa eine Zehnerpotenz über der zu erwartenden Genauigkeit des Prüflings liegen -, sondern sie müssen sich auch durch hohe Zuverlässigkeit auszeichnen und über lange Zeiträume vergleichbare Ergebnisse liefern.

Deshalb muß

  • der mechanische Aufbau einer Prüfanlage besonders stabil und vielseitig verwendbar sein sowie bei unterschiedlichen Prüflingen eine günstige Prüfanordnung ermöglichen,
  • der Einfluß von äußeren Faktoren möglichst gering bzw. konstant und im Arbeitsbereich repräsentativ erfaßbar sein,
  • ein objektiviertes Meßverfahren zur Ausschaltung spezifischer Eigenarten des Beobachters und zur Verkürzung der Meßdauer realisierbar sein; dabei ist der für den Prüfling charakteristische Meßvorgang im Felde möglichst nachzuvollziehen.

Zur Erfüllung dieser Forderungen liefern gerade die automatisierten Kalibrierverfahren einen wesentlichen Beitrag. Der Einsatz von leistungsfähigen Computern zur Prozeßsteuerung, Meßwerterfassung und nahezu Real-Time-Auswertung hat eine wesentliche Annäherung an diese hochgesteckten Ziele in vielen Bereichen ermöglicht. Die vorliegende Arbeit möchte dazu beitragen, die komplexe Problematik und die vielfältigen Möglichkeiten der Längenkalibrierung geodätischer Meßinstrumente unter besonderer Berücksichtigung der Automatisierung dem auf diesem Gebiet interessierten Personenkreis näherzubringen.

 

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