Investigations on motion deviations of an EMFC balance

This paper will present experiments to identify the angular misalignment and displacement of the coil movement of a commercial electromagnetic force compensated balance (EMFC) relative to the ideal trajectory. For this purpose the mechanical stability of measurement set-up and the environmental characteristics have to be taken into account. Considering the mass distribution of the moved coil carrier, that is not necessarily symmetric relative to the motion path of the coil carrier, the spring constants regarding torques applied to the coil carrier are important to evaluate the utilized balance. The investigations are performed with different excitation frequencies to evaluate the influence of the resonance behavior of the balance mechanics and the limitations it causes for the usability of the balance. The measured deviations of the balance, planned to be used in the Planck-Balance set-up, depending on position and velocity of the coil will be shown and the effect of the observed deviations on the measurement uncertainty of the mass dissemination will be discussed

The virtual weight

A virtual weight is a numerical representation of a physical mass weight, describing the metrological behavior under certain measurement conditions. Based on a Monte Carlo simulation, it considers all significant influence variables with their respective uncertainty distribution. For the virtual weight this includes the ambient conditions, the cleaning status, the form, and material properties of the weight. It distinguishes between random and systematic errors and can thus be used to correct a measurement result for the task-specific prevailing ambient conditions. The virtual weight is part of the so-called Planck-Balance, a self-calibrating precision balance for industrial applications, currently under development in a cooperation of the PTB and the TU-I. Enhanced with calibration data from a dedicated weight, the virtual weight becomes the digital twin of this specific weight. A first implementation of a digital twin of a mass weight has been set up as a demonstrator

The Planck-Balance – a self-calibrating precision balance for industrial applications

A self-calibrating balance is proposed, which allows the calibration of weights in a continuous range from 1 mg to 1 kg. This so-called Planck-Balance (PB) is similar to the physical approach of Kibble Balances that allow the mass to be derived from the Planck constant. Using the Planck-Balance no calibrated mass standards are required during weighing processes any longer, because all measurements are traceable to the electrical quantities and the Planck constant. This allows a new approach of balance types after the expected redefinition of the SI-units by end of 2018. In contrast to many scientific oriented developments, the PB is focused on industrial use. Therefore, two balances will be developed, a PB2 and a PB1, which will allow a relative measurement uncertainty (k = 2) of 5.3 x 10-7 and 1.7 x 10-7, respectively. Those aimed accuracies refer to the class E2 and E1 weights, as specified in OIML R 111-1. The balances will be developed in a cooperation of the PTB and TU Ilmenau in a project funded by the German Federal Ministry of Education and Research. The project started in January 2017 and will run for 3 years

Ultra-high Precision, Absolute, Earth Gravity Measurements PhD Thesis

Within the framework of this thesis two apparatuses for an absolute measurement of gravity were designed, constructed, and tested for the purpose of detecting long-term variations of gravity, determining the absolute gravity value for metrological applications, and for research in fundamental physics. The work includes a stationary gravimeter, which functions as a highly accurate reference system and a portable gravimeter, which is aimed for field measurements. The principle these gravimeters use to determine the gravity value is based on the relation between the falling distance, the falling time, and the acceleration due to gravity. A Michelson interferometer measures the distance change between a falling object mirror and an inertial reference mirror with a Helium-Neon laser (633 nm). The whole fringe signal is digitized by a high-speed ADC, which is disciplined by a rubidium frequency standard. This fringe recording is novel compared to common gravimeters, which use an analogue zero-crossing determination.Im Rahmen dieser Arbeit wurden ein stationäres und ein tragbares Gerät zur Absolutschweremessung entworfen, gebaut und getestet. Die Geräte sollen sowohl zur Messung von Langzeit-Schwereänderungen und zum Einsatz in der Metrologie, als auch in der Grundlagenforschung verwendet werden. Das stationäre Gravimeter soll hierbei als ein hochgenaues Referenzgerät dienen, wohingegen das tragbare Gravimeter für Feldmessungen ausgelegt ist. Das hier angewandte Messprinzip zur Bestimmung des absoluten Schwerewertes beruht auf der Beziehung zwischen Fallhöhe, Fallzeit und Schwerebeschleunigung. Mit Hilfe eines Michelson-Interferometers wird die Entfernungsänderung zwischen einem fallenden Objektspiegel und dem inert gelagerten Referenzspiegel gemessen. Als Längenstandard dient hier ein Helium-Neon-Laser (633 nm). Das komplette Interferenzsignal wird mittels eines ultraschnellen Analog-Digital-Wandlers, der durch eine Rubidium-Uhr stabilisiert wird, digitalisiert. Der Schwerewert wird anschließend durch eine eigens entwickelte Software ermittelt. Diese Interferenzsignal-Erfassung ist eine Besonderheit im Vergleich zu herkömmlichen Gravimetern, die üblicherweise eine analoge Erfassung der Nulldurchgänge anwenden. Das tragbare Gravimeter hat außerdem eine spezielle Mechanik. Federn, die durch einen kleinen Motor vorgespannt werden, dienen dazu den Wagen, der den Fallkörper beinhaltet, nach unten zu beschleunigen. Dies reduziert die Schwingungen, die auf das System übertragen werden. Ferner wurde eine neuartige Methode entwickelt, die dazu dient, die Unsicherheit zu verringern, die entsteht, wenn der Fallköper während des Freifalls rotiert. Dazu wird die Position des optischen Zentrums des Fallkörpers ermittelt, um anschließend seinen Schwerpunkt zu diesem hin zu verschieben. Ein herkömmliches Auswuchtgerät übernimmt diese Aufgabe. Auflösungen in der Bestimmung der Entfernung im dreidimensionalen Raum von besser als 16 µm wurden hierbei erreicht. Dies entspricht einer Unsicherheit von weniger als 0.7 µGal (7 nm/s²). Eine vollständige Messunsicherheitsanalyse wurde für beide Gravimeter ermittelt. Für das tragbare Gravimeter beträgt diese 38.4 µGal. Für das stationäre Gravimeter sind 16.6 µGal anzugeben. Hierbei wurden für das tragbare Gerät ein Standardfehler von 1.6 µGal (Messdauer von 24 Stunden) und beim stationären Gerät von 0.6 µGal (Messdauer von 1 Monat) gemessen. Dies ist mit der Auflösung der besten Absolutgravimeter weltweit vergleichbar. Das tragbare Gravimeter nahm an einem europäischen Vergleich von Absolutegravimetern (ECAG), der 2007 in Luxemburg abgehalten wurde, teil und wurde mit dem Gravimeter des Deutschen Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie (BKG) verglichen, wobei es eine gute Übereinstimmung innerhalb der ermittelten Messunsicherheit zeigte

Ultra-Hochpräzisions Absolutschweremessungen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden ein stationäres und ein tragbares Gerät zur Absolutschweremessung entworfen, gebaut und getestet. Die Geräte sollen sowohl zur Messung von Langzeit-Schwereänderungen und zum Einsatz in der Metrologie, als auch in der Grundlagenforschung verwendet werden. Das stationäre Gravimeter soll hierbei als ein hochgenaues Referenzgerät dienen, wohingegen das tragbare Gravimeter für Feldmessungen ausgelegt ist. Das hier angewandte Messprinzip zur Bestimmung des absoluten Schwerewertes beruht auf der Beziehung zwischen Fallhöhe, Fallzeit und Schwerebeschleunigung. Mit Hilfe eines Michelson-Interferometers wird die Entfernungsänderung zwischen einem fallenden Objektspiegel und dem inert gelagerten Referenzspiegel gemessen. Als Längenstandard dient hier ein Helium-Neon-Laser (633 nm). Das komplette Interferenzsignal wird mittels eines ultraschnellen Analog-Digital-Wandlers, der durch eine Rubidium-Uhr stabilisiert wird, digitalisiert. Der Schwerewert wird anschließend durch eine eigens entwickelte Software ermittelt. Diese Interferenzsignal-Erfassung ist eine Besonderheit im Vergleich zu herkömmlichen Gravimetern, die üblicherweise eine analoge Erfassung der Nulldurchgänge anwenden. Das tragbare Gravimeter hat außerdem eine spezielle Mechanik. Federn, die durch einen kleinen Motor vorgespannt werden, dienen dazu den Wagen, der den Fallkörper beinhaltet, nach unten zu beschleunigen. Dies reduziert die Schwingungen, die auf das System übertragen werden. Ferner wurde eine neuartige Methode entwickelt, die dazu dient, die Unsicherheit zu verringern, die entsteht, wenn der Fallköper während des Freifalls rotiert. Dazu wird die Position des optischen Zentrums des Fallkörpers ermittelt, um anschließend seinen Schwerpunkt zu diesem hin zu verschieben. Ein herkömmliches Auswuchtgerät übernimmt diese Aufgabe. Auflösungen in der Bestimmung der Entfernung im dreidimensionalen Raum von besser als 16 µm wurden hierbei erreicht. Dies entspricht einer Unsicherheit von weniger als 0.7 µGal (7 nm/s²). Eine vollständige Messunsicherheitsanalyse wurde für beide Gravimeter ermittelt. Für das tragbare Gravimeter beträgt diese 38.4 µGal. Für das stationäre Gravimeter sind 16.6 µGal anzugeben. Hierbei wurden für das tragbare Gerät ein Standardfehler von 1.6 µGal (Messdauer von 24 Stunden) und beim stationären Gerät von 0.6 µGal (Messdauer von 1 Monat) gemessen. Dies ist mit der Auflösung der besten Absolutgravimeter weltweit vergleichbar. Das tragbare Gravimeter nahm an einem europäischen Vergleich von Absolutegravimetern (ECAG), der 2007 in Luxemburg abgehalten wurde, teil und wurde mit dem Gravimeter des Deutschen Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie (BKG) verglichen, wobei es eine gute Übereinstimmung innerhalb der ermittelten Messunsicherheit zeigte.Within the framework of this thesis two apparatuses for an absolute measurement of gravity were designed, constructed, and tested for the purpose of detecting long-term variations of gravity, determining the absolute gravity value for metrological applications, and for research in fundamental physics. The work includes a stationary gravimeter, which functions as a highly accurate reference system and a portable gravimeter, which is aimed for field measurements. The principle these gravimeters use to determine the gravity value is based on the relation between the falling distance, the falling time, and the acceleration due to gravity. A Michelson interferometer measures the distance change between a falling object mirror and an inertial reference mirror with a Helium-Neon laser (633 nm). The whole fringe signal is digitized by a high-speed ADC, which is disciplined by a rubidium frequency standard. This fringe recording is novel compared to common gravimeters, which use an analogue zero-crossing determination. Our portable gravimeter's mechanics also deviate from the standard type. Springs, preloaded by a small motor accelerate the carriage supporting the falling object. This reduces the shock vibrations on the system. Furthermore, a novel method was developed to reduce the uncertainty due to the falling body's rotation. The position of the optical centre is determined in order to subsequently superpose it with the falling object's centre of mass by means of a common balancing method. Resolutions of distance of less than 16 µm were reached in three dimensions, which reduces the uncertainty contribution to less than 0.7 µGal (7 nm/s²). A complete uncertainty budget is given for both gravimeters. The combined standard uncertainty for the portable gravimeter is estimated to give 38.4 µGal, and that for the stationary 16.6 µGal, whereas for the portable gravimeter a standard error of 1.6 µGal (statistical uncertainty for 24 hours of measurement), and for the stationary gravimeter 0.6 µGal (1 month of measurement) was reached. This is comparable to the resolution of the world's best absolute gravimeters. The portable gravimeter was brought to the European Comparison of Absolute Gravimeters (ECAG) 2007 in Luxembourg, and to another comparison with the German Federal Agency of Cartography and Geodesy (Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie - BKG), where it showed an agreement of the measured values obtained with other gravimeters within the instrument's uncertainty

On the influence of the rotation of a corner cube reflector in absolute gravimetry

Test masses of absolute gravimeters contain prism or hollow retroreflectors. A rotation of such a retroreflector during free-fall can cause a bias in the measured g -value. In particular, prism retroreflectors produce phase shifts, which cannot be eliminated. Such an error is small if the rotation occurs about the optical centre of the retroreflector; however, under certain initial conditions the error can reach the microgal level. The contribution from these rotation-induced accelerations is calculated

On the evaluation of systematic effects in atom and corner-cube absolute gravimeters

We show that due to analogy of atom and optical interferometry a perturbed phase propagates identically in atom and corner-cube absolute gravimeters. To evaluate associated systematic effects, we consider both gravimeters as a linear system in the time domain. This formalism is based on a weighting function earlier derived for a corner-cube gravimeter. As an example, we demonstrate that the corrections for a linear change of gravity are essentially the same for both gravimeters. Application of a common formalism to analyse various systematic effects could reveal possible source of disagreement in comparisons of atom and corner-cube absolute gravimeters