Messtechnik

Der gesuchte Messwert einer Messgröße wird durch direkten Vergleich mit einem Normal derselben physikalischen Größe gewonnen

Der gesuchte Messwert einer Messgröße wird aus einer anderen physikalischen Größe ermittelt. Der Zusammenhang zwischen den physikalischen Größen ist bekannt.

• Längenmessung mit Messband

• Wiegen mit Gewichtssteinen

• Längenmessung mit Inkrementalgeber

• Entfernungsmessung mit Laser

• Gewichtsmessung mittels Waagen mit DMS

• Temperaturmessung mit Thermometer

• Caesium-Atom-Uhr durch den Zerfall von Caesium

• PTB

• Vorteil:

  • Schnellere quantitative Erfassung eines Messwertes durch den Menschen

  • Die Zeigerbewegung lässt ein schnelles erkennen der Tendenz der Messwertänderung zu

• Nachteil:

  • Auflösung des Messwertes auf 1 bis 2 Dezimalstellen beschränkt

  • Stoßempflindlichkeit und Abnutzung mechanischer Teile

• Vorteil:

  • Leichtes Ablesen des Messwertes

  • Höhere Auflösung des Messwertes

• Nachteil:

  • Schlechte Beurteilungsmöglichkeit von Messwertänderungen

  • Einstellen von Messwerten unbequemer als bei Zeigerinstrumenten

• Analoge bzw. quasianaloge Anzeigen lassen sich durch den Menschen visuell schneller erfassen als Ziffernanzeigen

• Beispiel:

  • Cockpit Flugzeug

• Feststellung der Abweichung eines Messgeräts mit einem Normal höherer Ordnung (Kein veränderlicher Eingriff!!!)

• Veränderlicher Eingriff in ein Messgerät um eine bestehende Abweichung auszugleichen

1. Durchführung einer Kalibrierung mit einem Normal höherer Ordnung —> Feststellung der Abweichung

2. Justierung. Eingriff in das Messgerät um eine bestehende Abweichung abzugleichen

3. Erneute Kalibrierung. Durch das Justieren wird eine vorher durchgeführte Kalibrierung bedeutungslos

• Offener Wirkungsablauf:

  • Keine Rückwirkung der Ausgangsgröße auf die Eingangsgröße

• Durch fehlende Rückkopplung kann die Steuerung nicht auf unbekannte Störungen reagieren

• Geschlossener Wirkungsablauf:

  • Rückwirkend der Ausgangsgröße (Regelgröße) auf die Eingangsgröße (Führungsgröße)

• Manuelle Einstellung —> Steuerung

• Automatisierte Einstellung —> Regelung

• Die Zahl, die am häufigsten Auftritt wird gewählt

• Bei Zwei —> Bimodal

• Bei Mehreren —> Multimodal

• Durch den Abstand zwischen dem kleinsten und größten Wert der Reihe

• Präzision

• Richtigkeit

Eine hohe Präzision

• Eine hohe Richtigkeit

• Fehler sind Messabweichungen, die die vorgegebenen Grenzen überschreiten

• Messwerte weichen (bezogen auf den richtigen Wert) mit dem gleichen Vorzeichen und dem gleichen Betrag ab

• Alterung/Abnutzung

• Nichtbeachtung einer Kalibrierung

• Systematische Messabweichungen

• Die relative Messgeräteabweichung steigt infolge der additiven Fehlerwirkung

• Messgeräte soweit wie möglich aussteuern. Bei mehreren Spannungsmessbereichen, den niedriegeren wählen

• Additiver Messfehler

• Abweichung an jeder Stelle des Messbereichs mit gleichem Vorzeichen und Betrag

• Messobjekt

• Sensor

• Verstärker

• Filter

• Analog-Digital-Umsetzer

• Filter und Prozessor

• Ausgabe oder Regelung

• Physikalische Messgröße

• Elektronisches Signal

• Normiertes Signal

• Gefiltertes Signal

• Unempfindlicher gegenüber elektromagnetischen Störungen

• Keine Spannungsverluste aufgrund der Leitungslänge

• Einfach Erkennung von Kabelbrüchen, wenn 0 mA auftreten

• Bei Schaltungen mit frequenzabhängigen Übertragungsverhalten werden bestimmte Frequenzbereiche durchgelassen und andere gesperrt

• Tiefpass

• Hochpass

• Bandpass

• Bandsperrfilter

• Eingangsspannung unterhalb der Grenzfrequenz wird unverändert durchgelassen

• Eingangsspannung oberhalb der Grenzfrquenz wird vollständig blockiert

• Eingangsspannung oberhalb der Grenzfrquenz wird unverändert durchgelassen

• Eingangsspannung unterhalb der Grenzfrequenz wird blockiert

• Signale innerhalb eines Frequenzbereiches dürfen passieren

• Signale unterhalb oder oberhalb dieses Bereichs werden blockiert

• Alle Frequenzen werden übertragen bis auf einen schmalen Frequenzbereich

• Zwischen dem Ein-und Ausgangssingal besteht ein fester Zusammenhang, der durch den Übertragungsfaktor (Verstärkungsfaktor) gegeben ist

• Invertierender Verstärker

• Nichtinvertierender Verstärker

• Kann zur Abschwächung eingesetzt werden

• Ein- und Ausgangssignale haben unterschiedliche Polaritäten

• Keine Umpolung

• hohe Stabilität, da keine Rückkopplung auf Eingangsspannung

• Vergleicher

• Analog-Digital-Wandler

• Zweipunktregler wie Thermostat

• Die Ausgangsspannung nähert sich der Versorgungsspannung an

• Ein Binärsystem bestitz die Basis 2 und gibt Informationen durch die Aneinanderreihung zweier verschiedene Symbole bzw. Zustände wieder

• Dualcode (Ganze Zahlen durch die Symbole 0 und 1)

• ASCII-Code (Darstellung durch 7-bit Zeichenkodierung

• a —> Gray-Code

• b —> Dualcode

• Beim Gray-Code ändert sich nur ein Bit zum nächsten Wert des Codes

• Beim Dualcode können sich auch mehr als ein Bit verändern

• Bei kontinuierlichen Signalen

• Vorteil —> Da sich nur ein Bit zum nächsten Schritt ändert können Fehler vermieden werden

• Ein Hochpassfilter

• Tiefpassfilter

• Freqeunz, bei der die Verstärkung des Filters -3dB beträgt

• Amplitude nur noch bei:

• Für Tief- und Hochpassfilter gleich

• Die Auflösung ist ein Maß dafür, wie fein abgestuft eine analoge Größe digital dargestellt werden kann

• Bezeichnet auch die kleinste darstellbare Spannungsänderung

• Für die Bit-Anzahl

• Bsp.: 4-Bit-AD-Wandler N —> 4

• Least significant bit

• Gibt das Bit mit der geringsten Wertigkeit im binären Stellenwertsystem an

• LSB = A = Auflösung

• Most significant bit

• Gibt das Bit mit der höchsten Wertigkeit im binären Stellenwertsystem an

• MSB = U/2 —> N = 1 !!!

• Sample & Hold-Schaltung

• Einsatz vor dem AD-Wandler

• Ein zeitveränderliches Signal wird für eine kurze Zeit konstant gehalten (Momentanwertspeicher)

• Der Kondensator lädt sich auf

• Durch den geladenen Kondensator wird der Spannungswert konstant gehalten

• Die Abtastfrequenz muss bei der Abtastung mindestens doppelt so großt sein wie die abzutastende Frequenz des analogen Signals

• In der Realität wird eine Abtastfrequenz von dem 10-fachen oder sogar mehr verwendet

• 
  

• Es entsteht ein verfälschtes Signal mit einer zu großen Periodendauer

• Alias-Effekt

• Theoretische Abtastfrquenz —> 32 kHz

• Praktische Abtastfrequenz —> 160 kHz

• Nur einen Komparaktor

• Schrittweiser Vergleich der zu digitalisierenden Eingangsspannung mit der Referenzspannung

• Zunächst wird mit dem MSB (Most significant bit) begonnen und entschieden, ob das zugehörige Bit zugeschaltet wird oder nicht

• Die Referenzspannung nähert sich so immer weiter der Eingangsspannung

• Der Ausgangscode des ADW ändert sich erst, wenn sich die Eingangsgröße um den Betrag +/- 1/2 LSB geändert hat

• Der Unterschied ziwschen Ausgangscode und Eingangsgröße wird als Quantisierungsfehler bezeichnet

• Wenn ein analoges Singal in ein digitales Signal umgewandelt wird

• Informationsverlust, wodurch Messabweichungen entstehen

• Inkementalgeber

• Wird zur Winkel- und Längenmessung eingesetzt

• Es werden Hell-Dunkel-Zyklen gezählt

• Besteht aus einem Messlineal oder einer Messscheibe mit Strickmarkierung

• Fahrrad: Nur eine Vorwärtsbewegung möglich

• Motor: Beide Drehrichtungen sind möglich

• Relative Längenmessung —> Messlineal ohne Codierung, Messung der Hell-Dunkel-Zyklen

• absolute Längenmessung —> Messung durch Ablesung der codierten Informationen, Messlineal in binär codierter Form markiert

• Einsatz eines einschrittigen Codes —> Codier-Lineal mit Gray-Code

• Vorteil: Bei jedem Ziffernschritt findet nur ein Bit-Wechsel statt

• Nachteil: Code-Umsetzer

• Abtastung durch reflektierendes Licht

• Abtastung mit durchtretendem Licht

• Abtastung mit Schleifkontakten

• Magnetische Abtastung (es treten keine Verschmutzungen oder Verschleiß auf)

• Piezoelektrische Sensoren: Aktiver Sensor

• Dehnungsmessstreifen: Passiver Sensor

• Piezoelektrische Sensoren:

  • Dynamische Kraftmessung, da schneller Ladungsausgleich stattfindet (Fast keine Längenänderung)

  • Dehnungsmessstreifen: Statische Kraftmessung, da Kräfte aufgrund der Verformung (Längenänderung) gemessen werden

• Ein DMS ist ein metallischer Leiter, der auf einem Untergrund fixiert ist und bei Dehnung/Stauchung seinen elektrischen Wiederstand ändert

• Die Beanspruchung erfolgt in Längsrichtung

• Viertelbrücke —> 1 DMS

• Halbbrücke —> 2 DMS

• Vollbrücke —> 4 DMS

Vollbrücke:

Halbbrücke:

Viertelbrücke:

• Nachteil:

  • Keine Temperaturkompensation

  • Niedrige Empfindlichkeit

• Vorteil:

  • Geringe Kosten

• Nachteil:

  • Teurer als Viertelbrücke

• Vorteil:

  • Temperaturkompensation möglich

  • Doppelte Empfindlichkeit

• Nachteil:

  • Teurer als Halb-, und Viertelbrücke

• Vorteil:

  • Temperaturkompensation möglich

  • Vierfache Empfindlichkeit

• Einbau eines passiven DMS in die Viertelbrücke mit gutem thermischen Kontakt

• Konstanter Strom wird durch ein als Widerstand ausgelegtes Thermometer geschickt und der Stromabfall gemessen

• Problem: Mit der Länge der Zuleitung und Erhöhung der Leitertemperatur steigt der Leiterwiderstand

• Lösung: Dreileiterschaltung oder Vierleiterschaltung nutzen

• Vorteile:

  Einsatz über große Temperaturbereiche

• Nachteil:

  Gerine Empfindlichkeit

• Seebeck-Effekt

• Aufgrund des Temperaturunterschiedes kommen Ladungsträger in Bewegung

• Sobald die Temperatur der Vergleichsstelle bekannt ist kann dieses Prinzip zur Messung der Temperatur genutzt werden

• Da sich sonst die Thermospannungen gegenseitig aufheben würden

• Zwei unterschiedliche Thermoelemente

  • Erzeugung der Thermospannung

• Ausgleichsleitungen

  • Vermeidung der Temperaturbeeinflussung durch Wärmeleitung

• Temperaturstabilisierte Vergleichsstelle

  • Ermöglicht Messung einer absoluten Temperatur

• Thermoelemente

• NTC-Halbleiter

• PTC-Halbleiter

• Thermoelement:

  • Temperaturbereich: -200°C bis 2800°C

  • Empfindlichkeit: Relativ gering

• NTC-Halbleiter:

  • Temperaturbereich: -50°C bis 300°C

  • Empfindlichkeit: Im niedrigen Temperaturbereich besonders hoch, nimmt ab mit steigender Temperatur

• PTC-Halbleiter:

  • Temperaturbereich: -50°C bis 150°C

  • Anwendung beschränkt aufgrund der Mehrdeutigkeit der Kennlinie (Vorzeichen ändert sich it steigender Temperatur)

• Die Koeffinzienten der beiden Drähte oben und unten werden jeweils aufaddiert

• Dann wird der untere Koeffinzient vom oberen abgezogen

• Dieser Wert wird zusammen mit der Temperaturänderung multipliziert und gibt das Ergebnis ab

• Kapazität

• Leitfähigkeit

• Mikrowellen

• Basiert auf dem Funktionsprinzip eines Kondensators

• Schüttgut wirkt als Dielektrikum (Isolator) zwischen die beiden Kondensatorplatten

• Die Feuchtigkeit des Schüttguts beeinflusst dabei die Permeabilität wodurch auf den Feuchtegehalt geschlossen werden kann

C —> Kapazität

E0 —> elektrische Feldkonstante

Er —> Permeabilität

A —> Fläche der Kondensatorplatte

D —> Abstand der Platten zueinander

• Durch Beeinflussung eines technischen Systems die entsprechenden Ziele erreichen

• offener Wirkungsablauf

• Keine Rückführung der Ausgangsgröße —> Dadurch Beseitigung der unbekannten Störung unmöglich

• Ändert die Stabilität des Systems nicht

• Ziel der Regelung ist es durch Eliminierung der Regeldifferenz zwischen gemessener Regelgröße und Führungsgröße eines technischen Systems die entsprechenden Ziele zu erreichen

• geschlossener Wirkungsablauf

• Rückführung der Ausgangsgröße ermöglicht die Messung einer unbekannten Störung und die Kompensation dieser

• Kann die Stabilität des technischen Systems ändern

• Führungssteuerung

• Verknüpfungssteuerung

• Ablaufsteuerung

• Eindeutiger Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangssignal

• Verknüpfung von Ein- und Ausgängen einer Steuerung durch logische Funktionen

• Schaltnetz (Ohne Speicherverhalten)

• Schaltwerk (Mit Speicherverhalten)

• Steuerungen mit schrittweisem Ablauf

• Weiterschalten von einem Schritt auf den nächsten erfolgt in Abhängigkeit von Weiterschlatbedingungen

• Zeitgeführte und Prozessgeführe Ablaufsteuerung

• UND-Verknüpfung —> (Konjunktion)

  • y = x1 * x2

• ODER-Verknüpfung —> (Disjunktion)

  • y = x1 + x2

• NICHT-Verknüpfung —> (Negation)

  • y = ¬x (Not x)

• Schließer:

  • Stellt bei Betätigung eine elektrische Verbindung her

  • Ruhezustand —> Geöffnet

• Öffner:

  • Unterbricht beim Betätigen eine elektrische Verbindung

  • Ruhezustand —> Geschlossen

• Exklusiv-Nicht-Oder-Verknüpfung (XNOR)

• Exklusiv-Oder-Verknüpfung (XOR)

• Alternativverzweigung

• Parallelverzweigung

• Alternativverzweigung —> Zu jedem Zeitpunkt darf nur eine Funktion aktiviert werden

• Parallelverzweigung —> Zu jedem Zeitpunkt darf mehr als eine Funktion aktiviert sein

• Eine gewisse Anpassung des Programmablaufs an zufällige Unregelmäßigkeiten

• Automatisierte Prozesse, die immer den gleichen Zeitfunktionen folgen

• FlipFlop ist eine elektronische Schaltung, die zwei stabile Zustände des Ausgangssingals besitzt

• Elementarer Ein-Bit-Speicher

• Grundelement der statischen Speicherbausteine