Für den Ausbau der erneuerbaren Energiequellen spielen Windenergieanlagen eine bedeutende Rolle. Aufgrund des Trends zu Anlagen mit größerer Nennleistung gewinnen Tests in Gondelprüfständen an Bedeutung, deren Hauptaufgabe in der Bestimmung der Effizienz einer Windenergieanlage besteht. Für eine rückführbare Effizienzbestimmung ist die Messung des eingeleiteten Drehmoments unerlässlich. Eine Rückführung des Drehmoments erfolgt nur über eine Kalibrierung des verwendeten Drehmomentmesssystems. Die Kalibrierung von Drehmomentsensoren nach DIN 51309 im Bereich von 1 bis 5 MN·m wird durch die 5 MN·m-Drehmoment-Normalmesseinrichtung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ermöglicht. Es handelt sich um eine PTB-Eigenentwicklung, die als horizontales Referenzkraft-Hebel-System klassifiziert. Für die Kalibrierung eines Drehmomentsensors ist die Angabe des belasteten Drehmoments und dessen Messunsicherheit zwingend erforderlich. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der metrologischen Charakterisierung der Drehmoment-Normalmesseinrichtung. Zunächst wird die Funktion der Messeinrichtung und ihrer Komponenten beschrieben.
Die Hauptanteile des Messunsicherheitsbudgets bilden die Referenzkraftaufnehmer, die Momentennebenschlüsse, die Messhebellänge und die Messverstärker. Die Referenzkraftaufnehmer werden an der PTB in der 1 MN- und 2 MN-Kraft-Normalmesseinrichtung nach DIN EN ISO 376 kalibriert. Die Untersuchung der Aufnehmer und deren Unsicherheitsbetrachtung wird in der vorliegenden Arbeit beleuchtet.
Die Momentennebenschlüsse entstehen durch die Aufhängung des Messhebels an den Festkörpergelenken, sogenannten Biegefedern. Den Momentennebenschlüssen, die an den Biegefedern abfallen, stehen hohe Axialkräfte gegenüber, so dass Messungen über Dehnungsmessstreifen nicht möglich sind. Drei verschiedene Momentennebenschlüsse werden in der Arbeit identifiziert und deren Höhe über eine Finite Elemente (FE)-Analyse abgeschätzt. Die Nebenschlüsse werden über eine Bestimmung der Steifigkeitskoeffizienten der Biegefedern und über eine Verformungsmessung ermittelt. Für die Steifigkeitsbestimmung wird ein Prüfstand entwickelt, der die Lastfälle im Betrieb abbilden kann. Die gemessenen Steifigkeitskoeffizienten, deren Messunsicherheit und der Vergleich mit der FE-Analyse werden vorgestellt. Der Aufbau der interferometrischen Torsionswinkelmessung zur Bestimmung der Verformung der Biegefedern wird beschrieben. Die Ergebnisse der Winkelmessung werden dargestellt und eine Abschätzung der Messunsicherheit wird durchgeführt. Anschließend werden die berechneten Nebenschlüsse dargestellt.
Die Messhebellänge wird mit einem Lasertracker gemessen. Die Arbeit stellt die Messstrategie und deren Ergebnisse vor. Zudem wird eine Methode zur Bestimmung der Messunsicherheit der Lasertrackermessung vorgestellt.
Die Messverstärker werden mit einem Brückennormal kalibriert und eine Unsicherheit für die Messverstärker wird bestimmt. Für die Berücksichtigung des Messverstärkereinflusses auf die Drehmomentmessung wird eine gesonderte Berechnung eingeführt.
Die einzelnen Messunsicherheitseinflüsse werden in zwei Messunsicherheitsbudgets für 1 und 5 MN·m dargestellt. Die Messunsicherheit der Drehmomentmessung wird für den Bereich von 500 kN·m bis 5 MN·m angegeben.