Was ist die Versuchstechnik
Gesamtheit aller technischen Mittel,
verfahren und Methoden zur durchführung wissenschaftlicher Versuche
was ist ein versuch?
Schaffung von Bedingungen, unter denen sich interessante Vorgänge bebachten und untersuchen lassen
(versuchsanordnung oder aufbau )
Wissenschaftkiche Kriterien
-eindeutigkeit
-Transparenz
-Objektivität
-Überprüfbarkeit
-Verlässlichkeit
-Offenheit & Redlichkeit
-Neuigkeit
was versteht man unter Induktion?
-Verallgemeinerung
-Ableitung von einer allgemeinen Regel
-Theorie durch eine oder mehrere Bedingungen
-Es werden neue Kenntnisse erlangt
Was ist Deduktion?
-Logisches Schließen, Herleiten
-Aus der Theorie lässt sich durch Schlussfolgerung auf die konsequenz schließen
-Es werden keine neuen Erkenntnisse erlangt
SI Basiseinheiten
- Länge l [m]
- Masse m [kg]
- Zeit t [s]
- elektrische Stromstärke I [A]
- Temperatur T [K]
- Stoffmenge n [mol]
- Lichtstärke Iv [cd = candela]
Was ist Messung ?
Ausführen von geplanten Tätigleiten zum quantativen vergleich der Messgrößen mit einer Einheit
Was ist Temperatur?
Die größe der Kinetischen Energie einer ungeordneten Teilchenbewegung
(Brownsche Molekukarbewegung)
Was ist die ITS-90?
International Temperature Scale (1990):
besteht aus Referenzpunkten ( 0 K und 273,16 K) sowie weiteren Fixpunkte (z.B. Schmelzpunkte von elementaren Metallen)
Was ist ein Primär- bzw. Sekundärthermometer?
Primärthermometer:
Messinstrument, das eine Bestimmung der absoluten Temperatur ohne vorherige Kalibrierung erlaubt. Gemessen werden physikalische Größen, die über physikalische Beziehungen mit der Temperatur verknüpft sind (z.B. Druckmessung eines idealen Gases)
Sekundärthermometer:
Müssen kalibriert werden. Sie nutzen temperaturabhängige Stoffeigenschaften, z.b. Änderung des elektrischen Widerstandes
Was sind Messfehler von Flüssigkeits-Glasthermometer und wie kann Abhilfe geschafft werden?
- Ablesefehler bei schiefwinkligen Ablesen
- gekrümmte Flüssikeitsoberfläche
(abgelesen wird immer am Scheitelpunkt)
- fehlerhafte Messung, wenn das Thermometer nicht vollstandig temperiert ist
Was sind Messfehler von Flüssigkeits-Federthermometer?
Fernmessung mit Abstand zwischen Anzeigeort und Messort
Wie funktioniert ein Bimetallthermometer?
Das Bimetallthermometer nutzt das unterschiedlich stark ausgeprägtes Ausdehnungsverhalten von verschiedenen Metallen
Erklären Sie den Seebeck-Effekt.
Beim Seebeck-Effekt entsteht zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters, die eine verschiedene Temperatur haben, eine elektrische Spannung.
Ungleichmäßige Temperaturverteilung führt zu einer Verschiebung der Elektronendichte
==> Thermoelektrische oder Seebeck-Spannung
Die Thermo-Spannung ist materialabhängig.
Wie funktioniert ein Glühfadenpyrometer?
Die Wärmestrahlung des Messobjektes wird mit der Strahlung eines Glühfadens verglichen:
Ein elektrischer Strom durch den Faden wird solange angepasst, bis der Faden vor dem Hintergrund des Messobjektes nicht mehr zu unterscheiden ist --> identische Temperatur --> über Strom auf Temperatur zurückschließen
Was sind Vor- und Nachteile von Pyrometern?
Vorteile:
- schnelles Zeitverhalten
- großer Messbereich möglich
- Kaum Verschleiß
- Prozess wird durch Messung nicht beeinflusst (kein zusätzlicher Wärmetransport)
- Einsatz bei bewegten Messobjekten möglich
- Einsatz bei Teilen unter elektrischer Spannung möglich
Nachteile:
- Messergebnis abhängig von Material, Wellenlänge, Oberflächenzustand, Winkel....(kurz: Emissionsgrad)
- Strahlung und Licht aus Umgebung kann das Messergebnis verfälschen
- Glühfadenpyrometer: Ablesefehler durch menschliches Sehvermögen
Wie funktioniert ein Drehspulinstrument?
- Zeiger ist fest an stromdurchflossener Spule befestigt
- Spule befindet sich im möglichst konstanten Magnetfeld
- Wicklung der Spule erfährt eine Kraft, die sich beim Zeiger als Drehmoment auswirkt
- Eine Drehfeder wirkt dem Ausschlag entgegen, sodass ein konstantes Moment zu einer konstanten Auslenkung des Zeigers führt
- Messinstrument ist träge
--> Drehmoment ist proportional zur Stromstärke
--> je nach Skala zeigt das Gerät Strom oder Spannung an
--> Bei Spannung: Umrechnung durch bekannten Innenwiderstand
Was macht ein Brückengleichrichter und was ist ein Gleichrichtwert?
Wandelt Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung um.
Ein Messgerät, das den zeitlichen Mitelwert von schnell veränderlichen Größen anzeigt, wird nun den Mittelwert des gleichgerichteten Signals erfassen:
Gleichrichtwert von sinusförmiger Wechselspannung = 0,637 * Amplitude
Was ist die Effektivspannung?
Ergibt sich aus der Betrachtung einer äquivalenten Gleichspannung, welche an einem ohmschen Verbraucher die gleiche Leistung verrichtet.
Effektivwert (engl. RMS für "root-mean-square") von sinusförmiger Wechselspannung = 1/Wurzel(2) = 0,707
Was sind Fehler bei langen Messleitungen und was sind Gegenmaßnahmen?
wechselnde Magnetfelder können überlagerte Spannungen im Leiter induzieren, welche zu fehlerhaften Spannungsmessungen führen
Gegenmaßnahmen:
--> Isolation der Messleitung
--> Verdrillen von Leitungspaaren, damit sich induzierte Spannungen regelmäßig selbst auslöschen
Wie misst man Ströme?
- Spannungsmessung am Shuntwiderstand
- Stromwandler: Strom induziert Magnetfeld, welches gemessen wird (z.B. Strommesszange)
Wie funktioniert die Widerstandsmessung mittels Drehspuhlinstrument?
Z.B. kleiner zu messender Widerstand führt zu hohem Spulenstrom und damit zu großen Zeigerausschlag --> angepasste Skala: 0 Ohm
Mit steigendem Widerstand nimmt der Strom umgekehrt proportional ab
Wie funktioniert Widerstandsmessung mittels Konstantstromquelle?
Konstantstromquelle kann mit Transistor realisiert werden
--> Konstanter, bekannter Strom ermöglicht das Umrechnen einer gemessenen Spannung zum Widerstand
Wie funktioniert die Vierleitertechnik?
- Problem: Leitungswiderstände werden in Widerstandsmessung mit eingerechnet
- Lösung: Speise und Messleitung getrennt. Die Messleitung ist hierbei hochohmig, sodass kein Strom hindurchfließt.
Wie funktioniert die Widerstandsmessung mittels Wheatstonesche Messbrücke?
Eine extern angelegte Spannung führt in Abhängigkeit der Widerstandswerte und -verhältnisse zu einer internen Brückenspannung --> 3 der 4 Widerstände müssen bekannt sein
Welche Arten von Verstärkern gibt es?
- Gleichspannungsverstärker
- Wechselspannungsverstärker
- Ladungsverstärker
Wie funktioniert Messung von Induktivitätsänderung?
Induktion: Maß für die Änderung der angelegten Spannung
Mit einem induktiven tastlosen Wegaufnehmer:
Eindringen ferromagnetischer oder elektrisch leitender Metalle in das Magnetfeld des Sensors resultiert in Spannungsänderung.
Was ist ein Frequenzfilter?
Was ein Hoch-, was ein Tiefpassfilter?
Frequenzselektiver Filter: lassen bestimmte Frequenzen unbeeinflusst, während sie andere unterdrücken
--> Verbesserung der Qualität einer Messung
--> Trennung von Nutz- und Störanteilen eines Signals
Hochpassfilter: Filtert hohe Frequenzen
(oberes Bild)
Tifpassfilter: Filtert niedrige Frequenzen
(unteres Bild)
Was ist die Eingangskopplung eines Oszilloskops?
Die Art und Weise, wie die Eingangsspannung in Relation zum Erdpotential gesetzt wird:
- AC: Hochpassfilter. Gleichspannungsanteile werden herausgefiltert
- DC: richtige Mesung von Gleichspannungsanteilen
Wie funktioniert ein Dehn-Mess-Streifen (DMS)
DMS werden auf den zumessenden Körper aufgeklebt. Dehnung des Probekörpers gehen auf DMS über --> Dehnung des Metallgitters ändert dessen elektrischen Widerstand.
k- Faktor als Maß für die Empfindlichkeit.
Wie kann man das Problem der Temperaturabhängigkeiten mildern? (DMS)
Halbbrückenschaltung:
aktiver DMS 2 fasst Dehnung und Temperatur auf (geht positiv in die Gleichung ein)
passiver DMS 1 fasst nur Temperatur auf (geht negativ in Gleichung ein)
--> Differenz: Dehnung
Wie kann man Spannungen mit doppelter Empfindlichkeit messen?
DMS 2&4 werden gleichermaßen gedehnt und gehen beide positiv in die Gleichung mit ein.
Wie erfasst man Biegespannung?
DMS 2 wird gedehnt (+) und geht positiv ein, DMS 1 wird gestaucht (-) und geht negativ ein
--> positiv --> doppelte Empfindlichkeit
--> gleichsinnige Dehnung durch Zug/Druck Spannungen heben sich auf
--> Temperatureinfluss wird kompensiert
Was sind Vor- und Nachteile von DMS?
in dünner Folie verarbeitet und aufgeklebt
--> Vorbereitungen am Prüfkörper beschränken sich auf Oberflächenbeahndlungen
--> DMS können auf gekrümmten Flächen angebracht werden und sind flexibel
- Kriechen des Klebstoffes führt zu Dehnungseduktion im DMS
- Kriechen ist umso ausgeprägter, je höher die Dehnung, die Dauer der Dehnung und die Messstellentemperatur
- alle elektrischen Kontaktstellen müssen isoliert sein
- Zuleitung darf keine Kräfte auf DMS ausüben --> Lötstützpunkt
- bei Viertelbrückenschaltung können Leitungswiderstände zu großen Messabweichungen kommen --> 3-Leiter-Schaltung
Wie funktioniert die Bohrlochmethode?
- Methode um Eigenspannungen im inneren eines Materials zu erfassen
- DMS auf äußerlich spannungsfreien Körper aufgebracht
- Erfassung der Änderung der Dehnung, wenn Material aus dem Körper entfernt wird
- Durch Materialentfernung können sich vorhandene Eigenspannung entspannen, was zu Ausgleichsdehnung führt
Wie funktioniet ein Flüssigkeitsmanometer?
Wie funktioniert ein Rohrfedermanometer?
Die Rohrfeder entkrümmt sich mit steigendem Innendruck.
Abb: Relativ-Manometer
--> innendruck des Rohres wirkt gegen Umgebungsdruck
Ist die Rohrfeder in einem abgeschlossenen Volumen (Vakuum), so ist es ein Absolut-Manometer
Wie funktioniert ein Kapselfedermanometer?
Druckdose wird auch Aneroiddose genannt.
Bei geschlossener Kapsel: Absolutdruckmesser
Wie funktioniert ein Kolbenmanometer?
-Der Druck ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen…
->der Gewichtskraft von genau definierten Massen, welche auf einen Zylinderstempel mit definierter Querschnittsfläche wirkt
-> und der durch den Fluiddruck wirkenden Kraft auf den gleichen Zylinderstempel
Wie funktioniert elektrische Messung von mechanischen Manometern?
messung des makroskopischen Verformungsweges
[[[[[Wie funktioniert ein DMS Manometer?]]]]]
Vorteil: Robusteit des Sensors
Nachteil: vergleichweise geringe Empfindlichkeit
Wie funktioniert ein piezoresistives Manometer?
Membran ist Messelement --> sehr empfindlich, auch gegenüber zu hohen Belastungen
Kann als Absolut oder Relativdrucksensor agieren.
Wie funktioniert ein kapazitives Manometer?
Eine Verformung der membran führt zu einer Variation des Plattenabstandes und damit zu einer Veränderung der elektr. Kapazität.
Vorteil: weniger eingeschränkte Materialwahl für die Membran --> robustere Sensorik
Wie funktioniert ein piezoelektrisches Manometer?
- Der Fluiddruck wird in einen mechanischen Spannungszustand eines Piezokristalls überführt
- eignet sich sehr gut für die Messung schnell schwankender Drücke (bei konstanten Drücken immer fehlerbehaftet)
Was ist das Living-Zero-Konzept bei Drucksensoren?
Im unbelasteten Zustand (z.B. p = 0bar bei Absolutdrucksensor) gibt der Sensor einen Messwert (z.B. I = 4mA) aus. Falls er kein Signal ausgibt (I = 0mA), dann ist der Sensor oder die Messkette defekt.
Erläutern Sie die Begriffe Absolut- und Relativdruck. Geben Sie eine Gleichung hierzu an und skizzieren Sie die Zusammenhänge in einem Diagramm.
Die Begriffe Absolut- und Relativdruck beziehen sich auf den Referenzdruck bzw. die Art und Weise wie der Druck gemessen und ergeben sich aus der theoretischen Kräftebilanz an einem Objekt oder Bilanzvolumen.
• Absolutdruck: Drücke beziehen sich auf den absolut minimalsten Wert: Nulldruck/Vakuum (keinerlei Normalspannungen), maximaler Wert des Druckes absolut. Er kann nie negativ werden.
• Relativdruck: Drücke beziehen sich auf den Referenswert/-druck (keinerlei Normalspannungen), Relativdrücke können auch negativ werden (Unterdruck). Oftmals ist der Referenzdruck der Umgebungsdruck 𝑝𝑢, auch als Atmosphärendruck (𝑝𝑎 oder 𝑝𝑎𝑡𝑚) bezeichnet. Der Referenzdruck kann aber auch anders sinnvoll gewählt werden (Maschineneintritt).
Wie wird dies bei der Bauform der Sensoren mit Membranen berücksichtigt. Erläutern Sie dies anhand geeigneter Skizzen.
Bei Sensoren mit Membranen ist der Druck bzw. die Ausgestaltung der Rückseite der Membranen wichtig. Welcher Gegendruck liegt hier an und wie wird dies konstruktiv umgesetzt.
Piezoresistive Drucksensor
Erläutern Sie das Funktionsprinzip skizzieren Sie dies.
Piezoresistive Drucksensoren: Auslenkung einer Druckmembran (verschiedene Formen) und Erfassung der Deformationen durch DMS-bestückte Bauteile aus Halbleiter (zumeist Silizium, in Vollbrückenschaltung). Wesentlich höhere Widerstandsänderung als bei Metallen, da bei Halbleitern die Änderung des spezifischen Widerstands 𝜌 bei Verformung dominiert (piezoresistiver Effekt)
Piezoelektrische Drucksensor
Erläutern Sie das Funktionsprinzip und skizzieren Sie dies
Kraft/Fluiddruck wird in einen mechanischen Spannungszustand eines Piezokristalls überführt und führt zu einer geringen Deformation. Dies führt zu einer messbaren Ladungsverschiebung
Beschreiben Sie die Eigenschaften beider Sensoren.
Piezoresistive und Piezoelektrische Drucksensoren
Zuletzt geändertvor einem Jahr
