Messtechnik heute & morgen

von Prof. Dr. Joachim Hermann Ullrich, Dr. Harald Bosse

Messtechnik ist eine Schlüsseltechnologie im Bereich der Auto- matisierungstechnik. Sie ist grundlegend für die Zukunftsfähigkeit von Geräten, Maschinen, Systemen und Prozessen, besonders im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Effizienz und Nachhaltigkeit. Prof. Dr. Joachim Ullrich und Dr. Harald Bosse von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) erläutern im Interview, welche die aktuellen Herausfor­derungen in der Fertigungs- und Prozessmesstechnik sind und woran zurzeit mit Hochdruck geforscht wird, natürlich auch im Hinblick auf das Thema „Industrie 4.0“.

Abb. Zur diesjährigen SENSOR+TEST präsentierte Neuentwicklung der PTB: Taster mit Tastkugel- durchmessern von 120µm bei der ­Messung eines Gewindes der Größe M0,7 x 0,175.

Die PTB ist das nationale Metrologieinstitut Deutschlands. Welchen wissenschaftlich-technischen Aufgaben geht die PTB nach und was sind die Zielsetzungen der Arbeiten an der PTB?

Prof. Dr. Joachim Ullrich: Die PTB betreibt Grundlagenforschung und Entwicklung im Bereich der Metrologie – der Wissenschaft vom Messen und ihrer Anwendung – zur Erfüllung ihrer vielfältigen gesetzlichen Aufgaben. Dazu gehören vor allem die Darstellung, Bewahrung und Weitergabe der gesetzlichen Einheiten des Internationalen Einheitensystems (SI), z.B. der Zeit oder auch der Masse und der Stoffmenge, und die dafür notwendige Bestimmung von Fundamental- und Naturkonstanten. Darüber hinaus erstreckt sich die Beauftragung der PTB u.a. auch auf die Sicherheitstechnik, auf die Bereitstellung von Dienstleis­tungen und Messtechnik für den gesetzlich geregelten Bereich (Eichwesen) und die Industrie sowie für den Techno­logietransfer. Nur die eigene Grundlagenforschung unter Anwendung neuester Technologien versetzt uns langfristig in die Lage, unsere weltweit anerkannte Kompetenz in der Metrologie zu sichern und auszubauen.

Unser Arbeitsprogramm ist langfristig auf die messtechnischen Anforderungen unserer Kunden aus Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft auch im europäischen Rahmen ausgerichtet. Mit der Einrichtung von Projekten in Kooperation mit Univer­sitäten, anderen Forschungseinrichtungen und der Industrie reagieren wir flexibel auf kurzfristige Fragestellungen. Durch den regelmäßigen internationalen Vergleich mit anderen nationalen Metrologie-Instituten stehen wir unter ständiger kritischer Begutachtung auf höchstem metrologischen ­Niveau und sichern hierdurch langfristig die Vergleichbarkeit und Zuverlässigkeit von Messergebnissen überall auf der Welt.

Wer profitiert davon?

Prof. Dr. Joachim Ullrich: Durch die Arbeiten der PTB profitiert zunächst und unmittelbar jeder einzelne Bürger, indem er sich auf die Zuverlässigkeit von Messungen im gesetzlich geregelten Bereich des Messwesens verlassen kann. Hier führen die PTB-Fachexperten umfangreiche technische Zulassungsprüfungen von Messgeräten durch, deren Einsatz im laufenden Betrieb von den Eichbehörden der Länder oder staatlich anerkannten Prüfstellen überwacht wird. Beispiele sind hier die Verbrauchsmessgeräte im Haushalt, aber auch Messungen im klinischen Bereich, z.B. in der Strahlentherapie. Darüber hinaus sichert die PTB die Vergleichbarkeit von Messergebnissen in Deutschland durch Kalibrierungen von Bezugsnormalen der akkre­ditierten Messlaboratorien und von Industriefirmen, auf deren Basis viele weitere Normale und Messgeräte entlang verschiedener Kalibrierketten an das Internationale Einheitensystem (SI) angeschlossen werden, bis hin zu den in der Produktion jeweils verwendeten Messmitteln. Durch den Anschluss an das Internationale System sichert die PTB die für die Export­nation Deutschland so wichtige Vergleichbarkeit auf den globalen Märkten.

Welche sind die aktuellen Herausforderungen in der Fertigungsmess- technik?

Dr. Harald Bosse: Die aktuellen Herausforderungen sind in der 2011 erschienenen Technologie-Roadmap für die Messtechnik in der industriellen Produktion „Fertigungsmesstechnik 2020“ adressiert, die im Fachbereich Fertigungsmesstechnik der GMA des VDI unter Mitwirkung von Experten der PTB erarbeitet wurde. Unter den Schlagworten schneller – sicherer – genauer – flexibler sind die Anforderungen an die moderne Fertigungsmesstechnik umrissen. Neben den Trends zu einer immer höheren Dynamik der Messwerterfassung und -verarbeitung sowie einer höheren Flexibilität des Fertigungsumfelds bis hin zur Losgröße 1 sind die Aspekte einer ­sichereren Steuerung von Fertigungsprozessen durch den vermehrten Einsatz auch von inline-fähigen Messsystemen sowie ­einer genaueren Kenntnis von Bauteil­eigenschaften, z.B. durch den Einsatz optischer oder tomografischer Messmethoden, für die PTB als Metrologieinstitut von besonderer Bedeutung. Schwerpunkte der PTB-Aufgaben sind hierbei die in der industriellen Fertigungsmesstechnik eingesetzten unterschiedlichen Messverfahren über geeignete – oftmals noch zu entwickelnde – Normale auf das SI rückzuführen, bei der Bestimmung der erzielbaren Messunsicherheiten durch Anwendung ­international akzeptierter Richtlinien zu beraten und so die Vergleichbarkeit von Messergebnissen in der industriellen Qualitätssicherung sicherzustellen.

Und in der Prozessmesstechnik?

Dr. Harald Bosse: Die Prozessmesstechnik wird zur Steuerung verfahrenstechnischer Prozesse eingesetzt und umfasst u.a. die kontinuierliche Temperatur-, Druck-, Durchfluss-, Füllstands- und Gewichtsmessung von Fließgütern. Herausforderungen in diesem Bereich sind u.a. in der Namur/GMA-Technologie-Roadmap für Prozess-Sensoren in der chemisch-pharmazeuti­schen Industrie „Prozess-Sensoren 2015+“ beschrieben. Neben der Erweiterung der Mess- und Anwendungsbereiche etablierter Prozess-Sensorik und der Beurteilung der Zuverlässigkeit der Messergebnisse stehen für die PTB auch Fragen der Rückführung neuer Messverfahren zur Prozesskontrolle wie z.B. spektroskopischer Methoden oder Verfahren der Partikelmesstechnik im Vordergrund.

Welche Treiber sehen Sie für Neuentwicklungen und woran wird zurzeit mit Hochdruck geforscht?

Dr. Harald Bosse: In der Fertigungsmesstechnik sind zum einen immer kleinere Strukturen immer genauer zu charakterisieren, bedingt durch den anhaltenden Trend zur Miniaturisierung der Strukturgrößen in elektronischen Schaltungen, die inzwischen kleinste Abmessungen der kritischen Strukturen von weniger als 20nm aufweisen. Die PTB arbeitet hier an der Sicherung der Vergleichbarkeit verschiedener Messmethoden zur Charakterisierung solcher Nanostrukturen. Zur lithografischen Herstellung von Halbleiterstrukturen wie auch für deren Qualitätskontrolle werden Geräte verwendet, bei denen es auf eine besondere dimensionelle Stabilität ankommt. Die PTB entwickelt aktuell Methoden für hochpräzise Temperaturmessung und untersucht das thermische Ausdehnungsverhalten von Hightech-Materialien. Zum anderen begegnet die PTB den Herausforderungen bei der messtechnischen Absicherung der Fertigung großer Bauteile und Komponenten wie z.B. Großverzahnungen in Antriebssträngen von Windenergieanlagen.

In der Prozessmesstechnik werden aktuell auch messtechnische Anforderungen aufgegriffen, die im Zusammenhang mit der Energiewende stehen. So sind z.B. zuverlässige und genaue Messungen der Prozesskenngrößen in Kraftwerken zur Steigerung ihrer Effizienz von Interesse, aber auch die präzise Charakterisierung des Energiegehalts von Erneuerbaren Energieträgern wie Biogasen oder mit Wasserstoff angereichertem Erdgas (Power-to-Gas) mit dem Ziel einer zuverlässigen Abrechnung der bereitgestellten Energie.

Inwieweit greifen Sie den Trend zur Automatisierung und zum so genannten Internet der Dinge, also der Verschmelzung von Industrie und Internet, an der PTB auf und welche Impulse setzt das Gebiet der Mess- und Sensortechnik?

Dr. Harald Bosse: Eine zuverlässige Messtechnik bildet die Grundlage zur ­Erfassung und Steuerung komplexer Fertigungsabläufe, gerade auch im Rahmen von Industrie 4.0. Hierzu sind Sensoren erforderlich, die unter Berücksichtigung der geforderten Genauigkeitsansprüche Prozessdaten kostengünstig erfassen und intelligent miteinander verknüpfen. Deren Messdaten müssen auf das Internationale Einheitensystem zurückgeführt sein, denn nur so lässt sich ihre zeitliche Stabilität sowie eine hersteller- und länderübergreifende Kompatibilität der Einzelkomponenten sicherstellen. Es ergeben sich dabei die folgenden, sehr vielfältigen Herausforderungen im Bereich der Expertise der PTB: Erstens die zuverlässige Steuerung von Produktionssystemen mittels einer ganzen Reihe von Maßnahmen: Simulation von Messabläufen durch so genannte „virtuelle Messinstrumente“ zur Ermittlung der Messunsicherheit; Validierung komplexer Auswertealgorithmen von Messgeräten; Unterstützung bei messtechnischer Integration neuer Fertigungsmethoden wie z.B. additiver Fertigungsverfahren in das Produktionsumfeld. Zweitens die Entwicklung und Verfügbarkeit eines intelligenten Datenmanagements u.a. durch informationstechnische Maßnahmen zur Sicherung digitaler Produktgedächtnisse auf Basis von bewährten Methoden des gesetzlichen Messwesens, die Bewertung softwarebasierter Sensorkonzepte bzgl. ihrer Messbeständigkeit, die Bewertung der Messsicherheit und Prüfbarkeit sowie die Mitwirkung am Aufbau einer „Metrology Cloud“, ein nicht ortsfestes Computernetz, das als Informationsbasis und sicherer Zugriffsort auf netzangebundene Messgeräte im Gebrauch fungieren kann. Drittens sind nicht zuletzt auch ­Explosionsschutzkonzepte in der Prozessautomatisierung durch Beurteilung der Zuverlässigkeit von Sensoren und Aktoren sowie von Datenkommunikationssystemen in explosionsgefährdeten Bereichen zu berücksichtigen.

Die Fachmesse SENSOR+TEST steht vor der Tür, begleitet von der 17. ITG/GMA-Fachtagung „Sensoren und Messsysteme“. Mit welchen Erwartungen sehen Sie der diesjährigen Fachmesse und Fachtagung entgegen?

Prof. Dr. Joachim Ullrich: Die Fachtagung „Sensoren und Messsysteme“ sowie die Fachmesse SENSOR+TEST waren für die PTB schon immer von besonderem Interesse und auch Gegenstand aktiver Beteiligung durch Fachvorträge und Messeexponate. In diesem Jahr wird die PTB einen neu entwickelten Hanteltaster zur Messung von Mikroinnenstrukturen präsentieren (Abb.).

Auf der Fachmesse und der Fachtagung sind für uns speziell die Beiträge zum Thema Industrie 4.0 von Interesse, insbesondere solche mit offenen Fragestellungen zur messtechnischen Rückführung und Vergleichbarkeit bzw. zur Zuverlässigkeit und Sicherheit der Messergebnisse von Sensoren und Messgeräten.

Ein Blick in die Zukunft und eine Wunschfrage zugleich: Was würden Sie heute im Bereich der Messtechnik bereits fertig entwickelt sehen wollen und wohin muss die Reise gehen, damit Deutschland auch zukünftig seine führende internationale Stellung im industriellen Bereich behaupten kann?

Prof. Dr. Joachim Ullrich: Als Ziele von Entwicklungen in der industriellen Messtechnik sehen wir, dass künftig Sensoren und Messgeräte in die Lage versetzt werden, Messergebnisse und deren Messunsicherheiten autonom zu ermitteln („virtuelle Messgeräte“) und untereinander im Rahmen von vernetzten Fertigungs-Infrastrukturen auszutauschen. Für den Designprozess von Produkten sehen wir, dass Konstrukteure in Ergänzung zu den Fertigungstechnologien künftig stärker auch verschiedene Optionen des Einsatzes ­unterschiedlicher Messtechnologien für die industrielle Qualitätskontrolle der zu fertigenden Produkte bereits im Konstruktionsprozess prüfen und berücksichtigen. Dies wird die Rolle der Fertigungsmesstechnik als produktiven Bestandteil der Wertschöpfungskette auch im Rahmen von Industrie 4.0 hervorheben und ein wesentlicher Baustein für die Sicherung der führenden internationalen Stellung Deutschlands bei flexiblen industriellen Fer­tigungstechnologien sein.

Wir bedanken uns herzlich für das Gespräch.

(Interview: Claudia Schiller und Dr. Johannes Jochum)