Messtechnik

Die Messtechnik ist ein Paradebeispiel für interdisziplinäre Wissenschafts- und Technologiegebiet, besonders der Ingenieurs- und Naturwissenschaften. Viele Fachbereiche sind notwendig, um verschiedenste Messungen durchzuführen. Ihr Ursprung liegt in der Metrologie, der Lehre vom Messen. Der Messvorgang befasst sich dabei mit der Erfassung und Darstellung und der Zuordnung einer Maßzahl für physikalischen Größen. Somit kann man Messen als die quantitative Ermittlung von physikalischen Größen und deren Wert beschreiben, die durch objektiven Vergleich mit einer Maßverkörperung realisiert wird. Obwohl ebenfalls in der Messtechnik vorkommend muss das Messen abgegrenzt werden vom Zählen, Schätzen und Prüfen beziehungsweise Lehren. Seit der Mensch sesshaft geworden ist, wurde versucht die Messtechnik zu optimieren. Anfangs um einen fairen Handel zu ermöglichen und später weiterhin getrieben durch unseren unendlichen Wissensdurst.

Optisches Messgerät der Firma ZOLLER zur Vermessung von Werkzeugen

Einsatzgebiete

Werkstoffprüfung

Interessant hierzu sind auch die Artikel Werkstoff, sowie Kunststoff und Metall.

Ein Einsatzgebiet von Messtechnik ist die Werkstoffprüfung. Dieser Bereich der Messtechnik kommt hauptsächlich in der Qualitätskontrolle und Forschung zum Einsatz. Zur Werkstoffprüfung zählen mehrere Verfahren mit denen sich das Verhalten und verschiedene Kenngrößen ermitteln lassen. Eine besonders wichtige Methode ist dabei die Kraftmessung. So werden in Korrelation zu einer zurückgelegten Strecke Kenngrößen, wie das Elastizitätsmodul (E-Modul) oder Härte, empirisch ermittelt. Diese mechanischen Messverfahren unter Zerstörung der Messprobe werden auch als Spannungs-Dehnungs-Hysteresis-Messungen bezeichnet. Zunehmend werden allerdings auch zerstörungsfreie Messverfahren, wie verschiedene Arten von Temperatur- und elektrischen Widerstandsmessungen, eingesetzt. Vor allem der elektrische Widerstand liefert aussagekräftige Ergebnisse über die Gitterstruktur des Materials. Dies beruht auf den relativ stark veränderlichen Widerstand des Materials durch mikrostrukturelle Veränderungen. Oft sind dies ungewollte Gitterfehler. Des Weiteren ist es möglich durch diese resistiven Messverfahren in Betriebslastversuchen und in Einstufenversuchen mit lastfreien Unterbrechungen zur Charakterisierung des Schädigungsverlaufs zu ermitteln. Versuche zur Abschätzung solcher Kennwerte (alle Angaben sind nur Näherungen, da sie auf anderen von Menschen geschaffenen und nicht eindeutig zuweisbaren Größen aufbauen) nennt man Einstufenversuche (ESV).

Dimensionsprüfung

Ein anderes Einsatzgebiet der Messtechnik in der Industrie ist die Dimensionsprüfung. Ein innovativer Bereich dessen ist die optische 3D-Messtechnik. Diese kommt zum Einsatz bei der Qualitätssicherung, der Positions- und Lageerkennung, der Inline-Messtechnik, der Medizintechnik, sowie der Entwicklung neuer Produkte. Konkrete Anwendungen sind zum Beispiel bei Maschinen der Firma Zoller zu finden. Diese erstellen eine Dimensionsmessung von Werkzeugen für hochpräzise Anwendungen. Leichte Beschädigungen, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind, können dabei erfasst werden. Dies bietet einen entscheidenden Vorteil, da Fehler am Werkzeug so nicht erst erkannt werden, wenn die Qualität des Werkstückes abnimmt und andererseits Werkzeuge nicht vorsichtshalber aussortiert werden müssen. Aber auch Werkstücke lassen sich damit überprüfen. Die optische Messtechnik erkennt kleinste Unebenheiten auf der Oberfläche und Abweichungen vom Soll.

Funktionsprüfung

Vor allem das Messen elektrischer Größen hängt mit der Prüfung der Funktion zusammen. Besonders durch die Verbreitung der digitalen Messtechnik werden auch nicht-elektrische Größen durch verschiedene Arten von Sensoren zuerst in ein elektrisches Signal umgewandelt. Damit lassen sich viele Funktionalitäten mit einer elektrischen Messung prüfen. Meist wird dabei die Spannung gemessen, welche sich durch einen sich verändernden Widerstand des Sensor ändert. In der Fahrzeugtechnik beispielsweise wird an Sensoren eine Prüfspannung von 5 V angelegt. Da die Anzahl an Sensoren enorm groß ist und für fast alle Messgrößen elektrische Sensoren vorhanden sind, ist die Anzahl an Einsatzmöglichkeiten der Funktionsprüfung mittels elektrischer Messung fast unbegrenzt.

Andere Einsatzgebiete sind beispielsweise Kraftmessungen, mit denen man das Drehmoment eines Motors oder eines anderen Antriebes überprüfen kann, das Drehmoment eines Lagers um den Lagerwiderstand zu ermitteln oder die Hubkraft eines Zylinders.

Einheiten

Ein elementarer Bestandteil der Messtechniken sind physikalische und geometrische Einheiten, genauer Maßeinheiten. Auch in anderen wissenschaftlichen Disziplinen gibt es Einheiten, bei welchen es sich aber nicht um die physikalischen und geometrischen Einheiten handelt. Ein Beispiel hierfür ist die Einheit in der Algebra (höhere Mathematik). Da für die basiselementäre Messtechnik lediglich die physikalischen und geometrischen Maßeinheiten von Wichtigkeit sind werden auch nur diese in diesem Artikel behandelt. Andere nicht-physikalische Maßeinheiten, wie Lautheit (Lautstärke, welche als arithmetischer Mittelwert von Menschen als laut eingestuft wird), werden hier so nicht behandelt.

Um mehr über Einheiten zu erfahren siehe hier

Messstufe

Messen des Durchmessers eines Zahnrades mit einem Messschieber

Direkt

Nur die wenigsten Messgrößen lassen sich direkt ablesen. Dazu gehören beispielsweise die Länge, welche über ein Maßband, Lineal, Gliedermaßstab, etc. ermittelt werden kann. Die Messgenauigkeit hängt hierbei neben der Genauigkeit des Messinstrumentes oft von den Fertigkeiten des Bedieners ab. Beispielsweise beim Ablesen des Nonius eines Messschiebers. Die Länge ist in der Technik nebst die Einzige Messgröße, die auch heute noch in vielen Fällen direkt gemessen wird.

Indirekt

Die indirekte Messung ist der häufigste Fall beim Messen physikalischer Größen. Auch wenn einige Messinstrumente, wie ein Feder-Kraftmesser, ist dies nur augenscheinlich der Fall. An dem Beispiel des Feder-Kraftmessers lässt sich dies sehr anschaulich verdeutlichen: Man belastet den Kraftmesser mit einer beliebigen Kraft im Messbereich des Instrumentes und auf einer Skala lässt sich der Wert ablesen. Fürs Erste könnte man glauben, dass es sich hier daher um eine direkte Messung handelt. Um das zu wiederlegen muss man wissen, wie ein solcher Feder-Kraftmesser funktioniert. Kraft ist eine nicht messbare oder erkennbare Größe. Es lassen sich lediglich die daraus resultierenden Reaktionen beobachten. Bei der Feder machen wir das an der elastischen Verformung aus. Durch empirische Methoden lässt sich dann bestimmen, bei welchem Verformungsgrad (Δl) welche Kraft auf die Feder wirkt. Diese Position wird dann auf einer Skala mit entsprechender Bemaßung für die Kraft eingetragen. Über das gleiche Verfahren arbeiten auch analoge Waagen. Ermittelt wird die Gewichtskraft die wir im Schwerefeld der Erda auf das Wiege-Element ausüben und umgerechnet auf unsere Masse in kg. Die Kraft wird also über empirische und mathematische Methoden abgeleitet, aber nicht direkt gemessen. Dieses Prinzip steht stellvertretend für die alle indirekten Messungen:

1. Geeignete Vergleichsmethode entwickeln
2. Empirisch die gewollten Werte ermitteln
3. Ermittelte Werte auf das Messinstrument übertragen

Analog

Unter analogem Messen versteht man das Messen mit analogen Messgeräten. Das bedeutet, dass das Messgerät eine Art Skalierung aufweist an welcher sich über Zeiger oder vergleichbares der Messwert ablesen lässt. Für industrielle Anwendungen verliert das analoge Messen zunehmend an Bedeutung. Grund hierfür ist die voranschreitende Automatisierung. Analoge Messgeräte können leicht zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden. Allerdings ist es schwierig beispielsweise einer CNC-Fräsmaschine durch analoges Messen eine komplexe Bauteilgeometrie anzulernen. Einfacher ist es durch moderne Verfahren das Bauteil zu vermessen und das digitale 3D-Modell zur Programmierung der Fräse zu verwenden.

Digital

Das digitale Messen ist eine große Errungenschaft für die Automatisierung in der Industrie. Mittlerweile lassen sich so gut wie alle physikalischen Größen auch digital erfassen. Zur Realisierung dessen wurden gänzlich neue Messinstrumente, in der Elektrik/ Elektronik auch Sensoren genannt, entwickelt. Das Prinzip ist dabei überwiegend das gleiche: Der Sensor verändert je nach Messwert den inneren Widerstand. An den Sensor wird zur Abfrage eine Spannung angelegt (in der Regel 5V), welche je nach Widerstand kleiner wird. Ein Steuergerät kann die Spannung anschließend messen und darüber den Messwert des Sensor berechnen. Ein Beispiel hierfür ist ein Luftmassenmesser in dem Zuluftkanal von Verbrennungsmotoren. Eine Prüfplatte wird mit elektrischem Strom aufgeheizt. Je nachdem wie viel Luft an der Platte vorbei strömt wird die Platte unterschiedlich abgekühlt. Da das Material der Prüfplatte mit veränderlicher Temperatur seinen Widerstand verändert, verändert sich aus die ausgehende Spannung.

Elektrische Größen

Das Messen elektrischer Größen beschränkt sich in diesem Zusammenhang auf die quantitative Bestimmung von Größen in drahtgebundenen Stromkreisen. Elektromagnetische Wellenvorgänge im freien Raum sin damit von diesem Artikel ausgeschlossen.

Aus historischer Betrachtungsweise spielen lediglich die Elektrizitätserzeugung, -verteilung und -nutzung eine Rolle. Mit Hilfe der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik können Spannung und Strom allerdings auch zur Übertragung von Informationen genutzt werden. Unterschieden werden muss hier allerdings noch klar zwischen Gleich- und Wechselstrom.

Zunächst erstmal einige Definition:

• Gleichspannung und Gleichstrom (direct voltage, direct current) sind elektrische Größen, deren Momentanwerte zu allen Zeitpunkten konstant sind.
• Wechselspannung und Wechselstrom (alternating voltage, alternatingcurrent) sind elektrische Größen, deren Momentanwerte sich nach demZeitintervall T (Periode) wiederholen und deren arithmetische Mittelwerte(...) gleich null sind.

Zeitliche Verläufe
Für das Messen zeitlicher Verläufe kommen folgende Messgeräte zum Einsatz:

• Elektronenstrahloszilloskop
• Digitaloszilloskop
• Logikanalysator
• DAQ-System (Data Acquisition System)

Gleichstrom und Gleichspannung
Für das Messen von Gleichstrom und Gleichspannung kommen folgende Messgeräte zum Einsatz:

• Drehspulmesswerk
• Dreheisenmesswerk
• Bimetallmesswerk
• Elektrostatisches Messwerk
• Stromzange

Quotienten zweier Gleichgrößen
Für das Messen des Quotienten zweier Gleichgrößen kommt folgendes Messgerät zum Einsatz:

• Kreuzspulmesswerk

Spannungsmessung (parallel zum Stromkreis) an einem Schaltschrank

Messung des Spitzenwertes
Für das Messen von Spitzenwerten kommen folgende Messgeräte zum Einsatz:

• Oszilloskop
• Spitzenwertmesser mit Drehspulmesswerk
• Digitalmultimeter

Gleichrichtwertes
Für das Messen des Gleichrichtwertes kommen folgende Messgeräte zum Einsatz:

• Drehspulmesswerk mit Gleichrichterschaltung
• Analog- und einfache Digitalmultimeter

Effektivwertes
Für das Messen des Effektivwertes kommen folgende Messgeräte zum Einsatz:

• Digitalmultimeter
• Stromzange
• Dreheisenmesswerk
• Bimetallmesswerk
• Elektrodynamisches Messwerk
• Thermoumformer mit Drehspulmesswerk
• Elektrostatisches Messwerk

Leistung
Für das Messen der Leistung kommen folgende Messgeräte zum Einsatz:

• Elektrodynamisches Messwerk (eisenlos)
• Elektronischer Leistungsmesser
• Wirkleistung
• Blindleistung
• Scheinleistung
• Zangen-Leistungsmesser
• Hall-Multiplizierer
• Oszilloskop mit Mathematikfunktion

Energie
Für das Messen der Energie kommen folgende Messgeräte zum Einsatz:

• Induktionsmesswerk
• Oszilloskop mit Mathematikfunktion
• Elektronischer Zähler

Frequenz
Für das Messen der Energie kommen folgende Messgeräte zum Einsatz:

• Vibrationsmesswerk
• Zeigerfrequenzmesser
• Digitaler Frequenzmesser
• Präzisions-Frequenzmesser und Universalzähler
• Oszilloskop

Phasenwinkel
Für das Messen des Phasenwinkels kommen folgende Messgeräte zum Einsatz:

• Elektrodynamisches Kreuzspulmesswerk
• Analoger elektronischer Leistungsfaktormesser
• Präzisions-Frequenzmesser und -Universalzähler
• Oszilloskop

Magnetische Feldgrößen
Für das Messen magnetischer Feldgrößen kommt folgend Messgerät zum Einsatz:

• Flussdichtemesser (Teslameter, Gaußmeter)

Elektrische Feldgrößen
Für das Messen elektrischer Feldgrößen kommen folgende Messgeräte zum Einsatz:

• Analoger Feldstärkemesser
• Schmalbandige Teilentladungsmessgeräte
• Breitbandige Teilentladungsmessgeräte
• Oszilloskop
• Universalzähler
• Schering-Brücke
• Störspannungsmessgeräte
• Impulshöhenanalysatoren

Komplexe Impedanz
Für das Messen komplexer Impedanzen kommt folgendes Messgerät zum Einsatz:

• Digitales RLC-Messgerät

Nichtelektrische Größen

Die meisten Messgrößen sind nicht-elektronisch. Dazu gehören Größen wie Temperatur, Druck oder Länge. In der Regel sind sie schlecht oder gar nicht direkt direkt ablesbar. Für den modernen Maschinenbau versucht man dabei immer öfter nicht-elektronische Anzeigemöglichkeiten auf elektronische Signale umzustellen. Ein gutes Beispiel hierfür sind Autos. In einem modernen PKW findet man so gut wie keine bis gar keine analogen Anzeigen mehr. Da die Werte oft für andere Zwecke ebenfalls verwertet werden müssen, muss man es den Steuergeräten ermöglichen diese zu erfassen.

Temperatur

Temperaturfühler und -sensoren lassen sich grundlegend in zwei Kategorien unterteilen. Zum Einen die Berührungsthermometer, welche in einem direkten Kontakt mit dem zu messenden Medium stehen. Zum Andere die Strahlungsthermometer, welche über die Infrarotstrahlung die Temperatur ermitteln und dabei keinen materiellen Kontakt zum Medium besitzen. Die Temperatur ist die am häufigsten gemessene Prozessgröße in der Verfahrenstechnik.

• Berührungsthermometer
  • Thermoelement
  • Metall-Widerstandsthermometer
  • Heißleiter
  • Kaltleiter
  • Silizium-Widerstandstemperatursensor
  • Silizium-Sperrschicht-Temperatursensor
  • Quarztemperatursensor
  • Faseroptisches Lumineszenzthermometer

• Strahlungsthermometer
  • Thermosäule
  • Bolometer
  • Pyroelektrischer Temperatursensor
  • Strahlungspyrometer

Druck

Druck ist eine Kraft die auf einer Fläche wirkt: P = F/A. Um den Druck zu ermitteln lässt man die Kraft in der Regel auf eine genau definierte Prüffläche wirken. Durch empirische Vergleichswerte, zum Beispiel der elastischen Verformung einer Feder nach, kann dann der Druck indirekt ermittelt werden. Dabei wird stehts der Druck im Vergleich zu einem Referenzdruck ermittelt. In der Regel ist dies der Atmosphärendruck (ca. 1 bar oder mit SI-Einheit 1*10⁵Pa) oder selten der Druck 0 (Vakuum). Bei einem Unter- oder Hochdruck, zum Beispiel beim Wetter, ist demnach die Differenz vom atmosphärischen Druck gemeint.

• Federelastische Druckmessgeräte
• Flüssigkeitsmanometer
• Druckmessumformer
• Vakuumdruckmessung

Durchfluss

Nach den nicht-elektronischen Messgrößen Temperatur und Druck ist die Messung des Durchflusses die wichtigste Messgröße im Bereich der industriellen Messtechnik. Ein Beispiel hierfür ist der Luftmassenmesser, welcher den Durchfluss der Zuluft an einem Verbrennungsmotor misst. Auch für industrielle Prozesse ist die Durchflussmessung von Gasen und Liquiden eine wichtige Grundlage zur Realisierung der Prozessautomatisierung.

• Durchflussmessung durch energetische Beziehungen einer Strömung
• Volumenzähler
• Schwebekörper-Durchflussmessung
• Magnetisch-induktive Durchflussmessung (MID)
• Wirbelfrequenz-Durchflussmessung
• Laufzeitverfahren (Korrelation)
• Ultraschall-Durchflussmessung
• Massendurchflussmessung nach dem Coriolis-Prinzip
• Durchflussmessung auf thermischer Grundlage
• Geschwindigkeitsmessung nach dem Laser-Doppler-Verfahren

Füll- und Grenzstand

Ultraschallsensoren für Füllstandsmessungen

Mit der Füllstandsmessung ermittelt man den Inhalt von Tanks, Behältern, Silos, et.. Je nach Aufgabe der Messung unterscheidet man in Füllstandsmessung und Grenzstandsüberwachung. Bei der Füllstandsmessung wird kontinuierlich der Wert ermittelt und angegeben (Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe), wie zum Beispiel bei einem Autotank. Bei der Grenzstandsüberwachung wird der Wert ausgegeben, wenn ein bestimmt definierter Füllstand erreicht ist. Dies ist in der Regel ein maximaler oder minimaler Stand.

• Verfahren mit Schwimmern und Tastplatten
• Kapazitive und konduktive Füllstandsmessung
• Füllstandsmessung mit thermischen Verfahren
• Füllstandsmessung mit radiometrischen Verfahren
• Füllstandsmessung mit Schall- und Ultraschall
• Füllstandsmessung mit optischen Verfahren
• Füllstandsmessung mit Mikrowellen nach dem Radar-Prinzip
• Füllstandsmessung über Kraft- und Druckmessungen
• Grenzstandsüberwachung mit vibrierendem Aufnehmer
• Füllstandsmessung mit Flügelrad

Dichte

Die Dichte ist definiert als der Quotient seiner Masse und seines Volumen: δ = m/V. Beispielsweise die Dichte von Eisen 7,85 kg/dm³. Einer der Dichte sehr ähnliche Stoffkonstante ist die Wichte, welche sich als Quotient der Gewichtskraft und des Volumens zusammensetzt: γ = G/V.

Feststoffe

• Wägemethode (setzt Kenntnis über die genauen Maße bzw. das genaue Volumen des Körpers voraus)
• Auftriebsmethode

Flüssigkeiten

• Wägemethode (kontinuierlich oder diskontinuierlich)
• Auftriebsmethode (kontinuierlich oder diskontinuierlich)
• Hydrostatische Dichtemessmethode
• Radiometrische Dichtemessmethode
• Resonanz- bzw. Schwingungsdichtemessmethode

Gase

• Wäge- und Auftriebsmethode zur Gasdichtemessung
• Ausström- und Schleuderverfahren für die Gasdichtemessung
• Schwingungsmethode für die Gasdichtemessung

Viskosität

Die Viskosität beschreibt den Grad der Flüssigkeit beziehungsweise der Zähflüssigkeit. Diese lässt sich erklären aufgrund von inneren Reibungen wirken zwischen benachbarten Flüssigkeits- und Gasschichten verschiedener Geschwindigkeit Schubspannungen. Verschiedene Methoden kommen zur Bestimmung dieser zum Einsatz.

• Kapillarviskosimeter
• Rotationsviskosimeter
• Verschiebung zweierkonzentrischer Zylinder
• Kugelfallviskosimeter
• Schwebekörperviskosimeter
• Schwingungsviskosimeter

Oberflächenspannung

Für hoch anspruchsvolle Anwendungen Bedarf es in den Disziplinen der Ingenieure sogar der Erkenntnis über die Kraft der Oberflächenspannung. Sie gibt zum Beispiel Auskunft über die Steighöhe in Kapillaren. Zur Ermittlung können verschiedene Methoden eingesetzt werden.

• Ringaufnehmer
• Plattenaufnehmer

Messelektronik

Der Begriff Messelektronik beschreibt die Entwicklung, Fertigung und Anwendung elektronischer Geräte und Hilfsmittel für messtechnische Aufgaben. Messelektronik lässt sich grundlegend in zwei Kategorien unterteilen:

Analoge Messtechnik

Selbst für digitale Aufgaben ist es oft notwendig die Signale vorher aufzubereiten. Typische Aufgaben sind zum Beispiel: Verstärkung, Dämpfung, Modulation,Demodulation und Filterung. Analoge Messtechnik kennzeichnet sich durch die Verarbeitung kontinuierlicher Signale aus. Dabei kann die analoge Signalgröße, wie die elektrische Spannung, innerhalb festgelegter Grenzen lückenlos jeden Wert annehmen. Das ausgegebene Signal ist stetig, also nicht sprunghaft, kann aber in kontinuierlicher oder auch diskontinuierlicher Form ausgegeben werden.

Strukturell arbeitet man bei analoger Messtechnik mit drei Grundsystemen:

• Kettenstruktur
  • Die verschiedenen Funktionsblöcke sind in Reihe geschaltet. Dadurch ergibt sich, dass die Ausgangsspannung von Block X_n gleichzeitig die Eingangsspannung von Block X_n+1 ist. Ein typischer Vertreter dieser Struktur ist ein mehrstufiger Verstärker.
• Parallelstruktur
  • Hierbei werden mehrere Ausgangssignale zu einem Rechenglied zusammengefasst, das die Einzelsignale einer arithmetischen Operation unterzieht. Mögliche analoge Rechenoperationen sind die vier Grundrechenarten, Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division, aber auch Potenzieren, Radizieren, Logarithmieren, Differenzieren und Integrieren.Ein klassischer Anwendungsfall der Parallelstruktur ist der Differenzverstärker
• Kreisstruktur
  • Wie der Name schon sagt ist die Schaltung kreisförmig aufgebaut, sprich der Ausgang eines Funktionsblockes wird auch wieder zu seinem Eingang geführt. Damit liegt ein so genannter Regelkreis vor. Eine Rückkopplung bewirkt zum Beispiel die Konstanthaltung von Messsignalen, sowie die Unterdrückung von Störsignalen. In komplexeren Messsystemen werden Kreisstrukturen oft den eigentlichen Funktionsstrukturen überlagert.

Je nach den Aufgaben und Einsatzzwecken sind elektronische Messgeräte mit verschiedenen Komponenten ausgestattet:

• Tastköpfe
  • Tastköpfe sind aufgebaut wie ein Schreibstift. Vorne ist eine metallische Messspitze, welcher im Mittelteil von einer Isolierung umgeben ist. Am Ende ist ein Kabel, welches den Tastkopf mit beispielsweise einem Multimeter oder Oszilloskop verbindet.
• Sensoren in Brückenschaltungen
  • Brückenschaltungen bieten durch ihre symmetrische Schaltungsstruktur die Möglichkeit zur Aufnahme von Sensoren geeignet, die physikalische Größen auf Widerstands-werte, Kapazitäten oder Induktivitäten abbilden. Beispiele hierfür sind Drucksensoren.
• Messverstärker
  • Die Anforderungen an Messverstärker sind: hohe Konstanz der Verstärkungsparameter, hoher Störabstand und definierte Anschlussimpedanzen.
• Analoge Rechenschaltungen
  • Rechenschaltungen dienen zur Kopplung mathematischer Funktionen mit analogen Messsignalen.
• Analoge elektronische Schalter
  • Analogschalter dienen zum Aus- und Einschalten kontinuierlicher Signale.
• Filter
  • Filter sind Schaltungen mit vorgeschriebenem Frequenzgang, die definierte Frequenzbereiche unterdrücken (Sperrbereiche) und andere bevorzugt übertragen (Durchlassbereiche). Sie dienen der Fehlerminimierung.

Digitale Messelektronik

Durch die Digitalisierung analoger Signale können binäre Signale logisch verknüpft, übertragen und gespeichert werden. Vorteile hiervon sind die vereinfachte Speicherung digitaler Daten, die geringe Störanfälligkeit und die geringe Kostenintensität, sowie die hohe Leistungsfähigkeit gegenüber analogen Systemen. Wohingegen bei der mathematische Darstellung die binärer Variablen: Logikzustand „0“ und „1“ darstellen, sind dies bei der physikalischen Darstellung binärer Variablen: Logikpegel „H“ und „L“. Für Logikpegel geeignete physikalischen Größen sind: elektrische Spannung und elektrischer Strom, magnetische Feldstärke, Lichtstärke und Luftdruck.

Für den Zusammenhang zwischen logischem Zustand und logischem Pegel einer binären Variablen werden Zuordnungssysteme verwendet. Man unterscheidet diese in zwei Gruppen. Die erste besitzt eine einheitliche Logikvereinbarung und die andere eine direkte Angabe der Logikpolarität.

• Einheitliche Logikvereinbarung
  • Im Zuordnungssystem wird für den gesamten Stromlaufplan eine einheitliche Zuordnung zwischen Logikzustand und Logikpegel gewählt. Möglich sind dabei 2 verschiedene Logikvereinbarungen: Die positive Logik: „1“ entspricht „H“ und „0“ entspricht „L“ und die negative Logik: „1“ entspricht „L“ und „0“ entspricht „H“
• Direkte Logikpolarität
  • In diesem Zuordnungssystem mit Hilfe der Booleschen Algebra, mit dem Schaltsymbol und den Logikzuständen „0“ und „1“ innerhalb des Funktionsblockes die mathematische Funktionsbeschreibung gewählt. Die physikalische Beschreibung mit den Logikpegeln „L“ und „H“ gilt außerhalb des Blockes.

Für digitale Schaltungen, deren Ausgangsgrößen nur von Eingangsgrößen abhängig sind, gibt es einen gesonderten Begriff: kombinatorische Grundschaltung. Das wichtigste Merkmal dieser besonderen Grundschaltung ist, dass sie sich miteinfachen Grundgattern (UND, ODER, Inverter) realisieren lässt und keine Rückkopplung von einem Ausgang auf den Eingabeteil enthält. Eine Andere wichtige Grundschaltung ist die sequenzielle Grundschaltung. Daber liegt eine digitale Schaltung mit einer Rückkopplung auf den Eingangsteil vor. Dadurch sind die Ausgangsgrößen vom momentanen Wert der Eingangsgrößen und auch vom inneren Zustand der Schaltung abhängig.

Rechnerkopplung

Für die moderne Messtechnik ist die Nutzung und Einbeziehung von Rechnern und EDV-Systemen nicht mehr wegzudenken. Vor allem die preisliche Entwicklung von Computern und Rechenzentren hat die Inklusion in die Messtechnik zur Erschließung neuer Reserven möglich gemacht. Das zentrale Thema der Rechnerkopplung ist der Übergang der in der Regel analogen Außenwelt hin zur digitalen Rechentechnik. In der heutigen Fertigungstechnik wird dieser Schritt häufig auch noch rückwirkend ausgeführt. Von den digital aufbereiteten Messergebnissen werden Anweisungen für Aktoren errechnet.

Zum besseren Verständnis sollen folgend erstmal Grundlagen geschaffen und Begriffe erläutert werden:

• Digitalisierung

- Analoge Signale in digitale Daten umwandeln. Die Digitalisierung ist an zwei Quantisierungsschritte geknüpft.

• Abtasttheorem

- Das Abtasttheorem wurde von Claude Shannon und W. A. Kotelnikovangegeben und besagt, dass die Abtastfrequenz f(a) größer als das Doppelte der größten im Messsignal enthaltenen Frequenz f(max) sein muss: f(a)> 2 f(max) um den Originalverlauf rekonstruieren zu können.

• Aliasing

- Wenn in einem abzutastendem Signal mehr Frequenzen enthalten sind, als durch das Abtasttheorem angegeben führt dies zum Aliasing-Effekt. Der Alaising-Effekt besagt daher, dass die Abtastfrequenz zu erhöhen ist.

• Sample & Hold

- Schaltungen nach dem Sample & Hold-Prinzip besitzen die Aufgabe die analoge Eingangsspannung zu bestimmten Zeitpunkten abzutasten und somit den Analogwert für eine bestimmte Zeit am Ausgang zu halten.

• Analog/Digital-Umsetzer

- A/D-Umsetzer werden zur Umsetzung von Informationen aus dem analogen in den digitalen Bereich verwendet. Obwohl es eine sehr große Zahl an A/D-Umsetzern gibt, soll hier nur die grundlegende Funktion beschrieben werden.

Zur Vereinfachung der Rechenoperationen und zur Entlastung der Steuergeräte beziehungsweise der Rechner werden heutzutage immer häufiger intelligente Sensoren eingesetzt. Diese besitzen selbst kleine Rechner, die die analogen Signale in digitale umwandeln. Somit muss der Hauptrechner diese Auswertung nicht mehr vornehmen. Je nachdem, wie weit der Sensor die Signale auswerten und weiterverarbeiten kann spricht man von verschiedenen Integrierungsstufen. Ein voll integrierter Sensor gibt dabei ein "fertiges" Signal aus. Zusammengefasst kann ein moderner Sensor also: physikalische und/oder chemische Signale in elektrische, analoge Signale umwandeln, diese digitalisieren und eigenständig eine Signalverarbeitung durchführen. Das Gegenstück eines Sensor ist der Aktor. Ein Aktor führt demnach einen Befehl des Rechners aus. Dies kann zum Beispiel kann ein Wastegate an einem Turbolader sein oder ein Schrittmotor. Bildlich ausgedrückt sind die Sensoren Augen und Ohren des Rechners und die Aktoren Hände und Füße. Zur Verbindung dieser werden so genannte BUS-Systeme verwendet, welche sich als Nervenbahnen in die Analogie einordnen lassen. Je nach Hersteller können einzelne Komponenten zueinander inkompatibel sein. Das liegt daran, dass es unterschiedliche BUS-Systeme mit verschiedener Programmierung gibt. Bei Bauteilen oder Geräten, die mit möglichst vielen anderen Komponenten arbeiten können sollen verwendet man ein standardisiertes, Hersteller übergreifendes BUS-Sysetem, das ISO-BUS.

Ausgabegerät

Ausgabegeräte dienen zur Weitergabe von Messwerten an den Menschen. Sie sind ein Bindeglied der Messtechnik und ermöglichen es einem Benutzer Messwerte auszulesen. An einigen Messgeräten, wie einem Multimeter, Oszilloskop oder Reifendruckmesser ist genau das, also die Ausgabe eines Messergebnisses, die primäre Aufgabe des Messgerätes. Bei anderen Geräten oder Maschinen, welche mit den Messergebnissen eigenständig weiter arbeiten sollen stellt dies nur eine Kontrollmöglichkeit für den Menschen dar. Ausgabegeräte lassen sich wie folgt unterteilen:

• Anzeigegeräte
  • Analog-Anzeige, z.B. Messuhr
  • Digital-Anzeige, z.B. LED- und LCD-Anzeige
• Registergeräte
  • Schreiber
  • Plotter
• Druckgeräte
  • mechanisch, z.B. Nadeldrucker
  • nicht-mechanisch, z.B. Tintenstrahldrucker
• Bildsichtgeräte
  • grafikfähig, z.B. Monitore
  • nicht grafikfähig, z.B. zweifarbiger Bildschirm von einem Analog-Oszilloskop

Messfehler

Als Messfehler wird die Differenz zwischen einem wahren Wert und dem gemessenen Wert bezeichnet. Für den heutigen Stand der Technik ist es nicht möglich den physikalisch oder chemisch wahren Wert zu ermitteln. Daher findet man in den technischen Angaben aller Messgeräte eine Abweichung, mit der als mathematischer Erfahrungswert gerechnet werden muss. Dieser Wert beruht auf empirischen Werten und einer wahrscheinlichkeitstheoretischen Wirklichkeit (nach Gauß). Bei günstigen Varianten ist die Abweichung in der Regel erheblich größer, als bei Profi-Geräten. Da für unters unterschiedliche Ausgangsprobleme auch unterschiedliche Anforderungen gelten, geht man bei jeder Messung von dem Grundsatz: "Es soll so genau wie nötig gemessen werden und nicht so genau wie möglich!" aus. Bei der Messung des Erdumfanges kommt es beispielsweise nicht auf wenige zehntel mm an.

Aufgrund verschiedener Ursachen für das Entstehen von Messfehlern, lassen sich diese auch in unterschiedliche Arten unterteilen:

• Quantisierungsfehler

- Weil einem Digitalwert immer ein Bereich von analogen Werten zugeordnet ist, kann der Messwert darin jeden beliebigen Wert annehmen. Die Breite des Analogwertebereiches bestimmt daher den Quantisierungsfehler.

• Statische Fehler

- Die Anhängigkeit der Ausgangsgröße X und der Eingangsgröße Y im stationären Zustand des Systemes wird als statisches Verhalten des Messsystems bezeichnet. Abweichungen von der angestrebten Übertragungsfunktion X=Y des statischen Verhaltens nennt man statischer Fehler.

• Dynamische Fehler

- Durch die Trägheit eines Systemes, die sich durch die zeitliche Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangssignal ergibt, entsteht ein dynamisches Verhalten. Fehler, hervorgerufen durch Indifferenzen des dynamischen Verhaltens, nennt man dynamische Fehler.

• Systematische Fehler

- Wenn man an einem Objekt mit vermeintlich gleichbleibenden Größen bei wiederholten Messungen unterschiedliche Messwerte erhält nennt man das systematische Fehler. Da die Differenz der Messungen reproduzierbar ist, lässt sich feststellen, dass sich Zeitpunkt, Länge und Vorzeichen der Abweichung voraussagen lassen. Daher ist dieser Fehler meist vermeidbar und wird innerhalb des Messvorgangs vom Rechner mit der höchsten Wahrscheinlichkeit für das richtige Ergebnis korrigiert.

• Zufällige Fehler

- Zufällige Fehler machen sich durch eine Streuung um einen Mittelwert bei wiederholten Messungen erkennbar. Da die Gründe hierfür vielzählig sind, wie unsaubere Kontakte oder innere Beschädigungen von Kabeln, lässt sich auch nur selten direkt ein Grund erkennen. Da entweder Zeitpunkt, Länge oder Vorzeichen bei zufälligen Fehlern nicht bekannt sind (daher auch die Bezeichnung) ist auch eine Korrektur seitens des Messgerätes nicht möglich.

Weiterführende Suche

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Literatur und Quellen

• Taschenbuch der Messtechnik, 7. Auflage; Jörg Hoffmann; 2015; Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG; ISBN: 978-3-446-44271-9
• Handbuch der industriellen Messtechnik; Paul Profos & Tilo Pfeifer; 1994; Oldenbourg Wissenschaftsverlag; ISBN-13: 978-3486225921
• Messtechnik; Fernando Puente León; 2015; Springer-Verlag; ISBN: 978-3-662-44820-5