Bis zum Rand des sichtbaren Universums

Präventive Analysen

Die Dewesoft-Messtechnik ermöglicht es, an Prototypen oder Endprodukten mögliche Störgrößen – ihre Ursa­chen und Auswirkungen – projektbegleitend und noch vor der Montage der Komponenten im ELT zu überprüfen. Der Hintergrund für das frühe Testen ist, dass insbesondere in Großteleskopen die Zahl der kri­tischen Komponenten, die durch ein mögliches Fehlverhalten zu einer Leistungsreduktion führen könnten, sehr hoch ist. Zudem können spezielle Tests im eingebauten Zustand durch die Komplexität der Anlage oftmals nicht oder zumindest nicht ohne Weiteres durchgeführt werden. Schließlich würden spätere Nachbesserungen schon wegen der Zahl der Komponenten zu enormen Verzögerungen der Inbetriebnahme führen.

Eingeleitete Kräfte indirekt erfassen

Aktive Komponenten wie Pumpen oder Lüfter können dynamische Kräfte verursachen, die in der Gesamt­anlage Schwingungen und Vibrationen auslösen und die Beobachtungsgüte des ELT beeinträchtigen. Zur Messung dieser Kräfte hat die Firma Dewesoft entsprechende Testanordnungen mit genau defi­nierten Randbedingungen entwickelt und aufgebaut. Die ­Messung der Kräfte erfolgt nach dem Prinzip der schweren Masse. Für diesen Test haben die Ingenieure und Techniker das Testsystem inklusive eventuell vorgesehener Dämpfungselemente auf einen schweren optischen Tisch montiert, dessen Eigenschaften in Bezug auf Masse, Steifigkeit und Verformungsmodi bekannt sind. Aufgrund des großen Gewichts des Tisches, der durch geregelte Luftfedern in der Schwebe gehalten wird, werden Koppelschwingungen zwischen Prüfling und Tisch minimiert – und dabei das Testsystem gleichzeitig auch von Vibrationen des Bodens entkoppelt. Kräfte führen in dieser Testanordnung zu Beschleunigungen des Tisches.

Diese Beschleunigungen werden ­erfasst und gezielt gemessen, so dass die Messsoftware daraus auf die tatsächlich eingeleiteten Kräfte zurückrechnen kann. Die Vibrationsmessung auf Komponentenebene ermöglicht es auf diese Weise, erforderliche Nachbesserungen schon frühzeitig zu erkennen – und nicht erst in der ­Gesamtanlage, wenn alle Komponenten verbaut und für Messungen und Korrekturarbeiten unter Umständen sehr schwer zugänglich sind.

Qualitätsprüfung einfach und effizient

Jedes der 798 sechseckigen Spiegelelemente, die den großen Hauptspiegel des ELT bilden, ist auf sogenannten kinematischen Spiegelunterstützen montiert. Das Verhalten dieses Mechanismus – er dient zum Heben und Verstellen der sehr starren Elemente – galt es durch eine Modalanalyse dynamisch zu beschreiben und zu charakterisieren. Der Vergleich des berechneten und ­simulierten Verhaltens bei Anregung mit der gemes­senen Modalantwort erlaubt es, Rückschlüsse auf ­Montagefehler oder Beschädigungen von Strukturteilen zu ziehen – lange bevor die Spiegelelemente montiert werden, das Teleskop in Betrieb geht und sich diese Fehler auf die Beobachtungen auswirken könnten.

Um für die Modalanalyse und die Bestimmung möglicher Festkörperbewegungen des Spiegels stabile Randbedingungen zu schaffen, wurde zunächst eine sehr steife Unterstützungsstruktur entworfen und gebaut, die auf einem schweren Betonboden verankert wurde. An der jeweils zu testenden Spiegelunterstützung wurden mehrere Mehrachs-Beschleunigungssensoren montiert. Mit Hilfe eines Shakers wird das Testobjekt angeregt – wobei sowohl der Ort als auch die Richtung der Anregung variiert werden. In der Auswerteeinheit des Testaufbaus werden die Schwingungen überlagert und hinsichtlich Stärke, Phase und Kohärenz ausge­wertet. Außerdem errechnet und visualisiert das verwendete Messsystem von Dewesoft die Spiegelunterstützung als 3D-Modalform. Die Darstellung auf dem Display wurde auf die typischen Anforderungen dieser Modalanalyse angepasst, wodurch man sehr schnell die Qualität und Validität der Messung erkennen kann. Auf diese Weise ermöglicht die automatisierte Modalanalyse eine einfache und zugleich effiziente Qualitätsprüfung der Spiegelunterstützungen noch vor der Montage im Teleskop – eine zuverlässige Kontrolle der komplexen und tausendfach verbauten Komponenten. Dies zahlt sich schnell aus, da verdeckte Fehler wie ­fehlerhafte Schraubverbindungen oder beschädigte Teile früh und zuverlässig erkannt werden.

Messlösungen – nicht nur für ELT

Sowohl bei der Vibrations- als auch bei der Modalanalyse erreichen die Lösungen von Dewesoft eine sehr gute Übereinstimmung von Simulationen und Messungen. Möglich machen dies die theoretischen Überlegungen im Vorfeld, die sorgfältigen Vorbereitungen der Versuchsaufbauten sowie die hohe Qualität und Genauigkeit der Messsysteme. Zudem sind die messtechnischen Methoden nicht nur auf das ELT beschränkt, sondern finden auch in anderen Bereichen von Forschung und Entwicklung ein breites Anwendungsfeld. So ist insbesondere die Messung der eingeleiteten Kräfte für viele Anwendungen interessant, in denen sensitive Anlagenteile, unabhängig von ihrer Einbauumgebung getestet werden. Ein Beispiel ist die Dimensionierung und Effizienzmessung von Dämpfungselementen oder Lüfteraufhängungen. Für Modalanalysen dieser Art eröffnet sich ein breites Einsatzspektrum, weil ihre Anwendung durch neue Softwaremodule von Dewesoft wesentlich flexibler geworden ist.

Autor: Helmut Behmüller ist Account Manager bei der DEWESoft Deutschland GmbH in Unterensingen

Fotos: ESO und Dewesoft