Blick ins All mit höchster Präzison

Sensorik

Winkelmessung – In Südamerika entsteht das größte Radioobservatorium der Welt aus insgesamt 66 gekoppelten Radioteleskopen. Extrem präzise Winkelmessgeräte gewährleisten höchste Genauigkeit bei der Positionierung der tonnenschweren Einzelantennen.

16. Februar 2012

Auch tonnenschwere Bauteile müssen sich manchmal extrem präzise positionieren lassen. Ein Beispiel für eine solche Anwendung liefert das internationale Projekt des ALMA-Observatoriums (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) in der Atacama-Wüste im Norden Chiles.

Mit diesem wohl leistungsfähigsten Radioteleskop der Welt wollen Astronomen besonders weit entfernte Galaxien erforschen sowie nach den Grundbausteinen für Sonnensysteme und bewohnbaren Planeten suchen. Im ausgebauten Zustand besteht das Observatorium aus insgesamt 66 einzelnen Radioantennen, die auf einem rund 5.000 Meter hoch gelegenen Wüstenplateau errichtet werden und für die Beobachtung zu einem einzigen virtuellen Teleskop zusammengeschaltet werden.

Ein hochspezialisierter schneller Supercomputer mit der Bezeichnung Alma-Korrelator verrechnet die Bilddaten der Einzelteleskope zu einem Gesamtbild. Die Kopplung der Antennen zu einem riesigen Teleskop ermöglicht so Aufnahmen von Himmelskörpern, die etliche Millionen Lichtjahre entfernt sind.

Obwohl die gesamte Anlage erst 2013 fertiggestellt sein wird, konnte das Observatorium besreits am 3. Oktober 2011 erste atemberaubende Aufnahmen aus den Tiefen des Weltalls liefern. Entscheidend für eine hohe Auflösung der gewonnenen Radio-Bilder ist eine möglichst exakte Ausrichtung jeder der tonnenschweren Antennen, da schon geringste Ungenauigkeiten das Ergebnis verfälschen und zu unscharfen Bildern führen.

Bei den 25 Antennen des internationalen Projektes, welche von europäischen Partnern errichtet werden, ermöglicht dies der Einsatz von Winkelmessgeräten des Präzisionsmesstechnikspezialisten Heidenhain aus Traunreut in Oberbayern. Das Unternehmen entwickelt und produziert seit nahezu 60 Jahren Winkelmessgeräte und ist damit ein Pionier auf diesem Gebiet.

Als Winkelmessgeräte werden typischerweise Messgeräte mit einer Genauigkeit besser ±5 Winkelsekunden bezeichnet. Eingesetzt werden derartige Geräte in Anwendungen, die eine hochgenaue Erfassung von Winkeln im Bereich von wenigen Winkelsekunden benötigen, beispielsweise in Rundtischen und Schwenkköpfen von Werkzeugmaschinen, in C-Achsen von Drehmaschinen, aber auch an Messeinrichtungen – oder eben in Teleskopen.

Absolut und hochpräzise

Als Maßverkörperungen der Messgeräte dienen regelmäßige Strukturen, so genannte Teilungen, die auf einem Glas- oder Stahlsubstrat aufgebracht sind. Beim inkrementalen Messverfahren, das auch beim Weltraumteleskop ALMA eingesetzt wird, wird die Positionsinformation mit Hilfe einer regelmäßigen Gitterstruktur durch das Zählen einzelner Messschritte von einem beliebig gesetzten Nullpunkt aus gewonnen.

Eine zusätzliche Spur mit sogenannten abstandskodierten Referenzmarken gewährleistet einen absoluten Bezug zum Bestimmen von Positionen. Die mit den Referenzmarken festgelegte absolute Position des Maßstabs ist so genau einem Messschritt zugeordnet.

Die besondere Stärke der eingesetzten Winkelmessgeräte ist ihre hohe Genauigkeit innerhalb einer Signalperiode sowie die große Langzeitstabilität. Die berührungslose Funktionsweise prädestiniert sie besonders für den Einsatz in Präzisionsgeräten.

Individuelle Maßverkörperung

Zur exakten Justierung des Horizontalwinkels (Azimut) nutzen die europäischen ALMA-Antennen das neue inkrementale Winkelmessgerät ERA 7480C bestehend aus der Abtasteinheit und einem einteiligen Stahlmaßband als Teilungsträger. Das Maßband liefert der Hersteller standardmäßig mit einer Länge bis zu 30Metern und auf Anfrage noch weit darüber hinaus.

Für Anwendungsfälle, bei denen kein Vollkreis zur Verfügung steht oder nur Teilwinkel zu erfassen sind, stehen zudem Segmentlösungen zur Verfügung. Der Durchmesser von 3.155 Millimetern sowie die Länge des Bandes mit einer Auflösung von 247.800 Teilungsstrichen wurden eigens auf den benötigten Durchmesser angepasst.

Den Vertikalwinkel stellen die Forscher in Chile mit Hilfe des Einbau-Winkelmessgeräts ERA 4282C ein. Dieses Winkelmessgerät mit einem besonders kompaktem Abtastkopf besitzt eine Stahl-Teilungstrommel mit einem Durchmesser von 209 Millimetern und 32.786 Teilungsstrichen.

Die Anpassung der Ausgangssignale der Abtastköpfe an die Schnittstelle der Folge-Elektronik geschieht durch die neue externe Interface-Box EIB 749, die die Positionswerte interpoliert und kompensiert und sie über Ethernet an den Steuerungscomputer der Antenne ausgibt.

-Die Messgeräte der Heidenhain GmbH aus Traunreut benutzen als Maßverkörperungen regelmäßige Teilungen, die auf Glas- oder Stahlsubstrate aufgebracht sind.

-Beim inkrementalen Messverfahren, das auch beim Weltraumteleskop ALMA eingesetzt wird, wird die Positionsinformation durch Zählen einzelner Messschritte von einem beliebig gesetzten Nullpunkt aus gewonnen.

Erschienen in Ausgabe: 01/2012