4. Übung: Messen quasistatischer Drücke in verschiedenen Messbereichen

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Alke Lorenz
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1 Hinweise zum Prktikum Messen Nichtelektrischer Größen Stnd: / Prof. Plme Nchfolgend sind wesentliche Rhmendten, Geräte-/ und Berechnungsverfhren der Übungen zusmmengefsst mit Hinweisen zur der Messdten. Druckmesstechnik. Übung: Erstellen eines Mnometer-Prüfberichts Rohrfedermnometer, Klsse 1, Mßeinheit kp/cm, Anzeigebereich 0-6 kp/cm, Durchmesser 100 mm, Gewinde ½ ", Klibrierfehlergrenze 0,8 % vom Endwert (entspricht 0,048 kp/cm ) Prüfergebnis Ds Mnometer erfüllt die Klibiervorgben vor llem wegen des usgeprägten Nullpunktfehlers von etw 0, kp/cm nicht. Ferner tritt eine schwch usgeprägte Hysterese im Bereich von ±0,0 kp/cm uf. 4. Übung: Messen qusisttischer Drücke in verschiedenen Messbereichen 4.1 Messen des Luftdrucks im Grobvkuumbereich Grobhöhenmesser und Höhenmesser: Subskl 1013,5 hp (Normzustnd) 4. Messen mittelhoher Drücke, Prüfen von Einspritzdüsen Prüfprmeter Öffnungsdruck 150 br, Dichtheit innerhlb 10 s bei 90 % Öffnungsdruck (135 br) Prüfergebnis Schnrrverhlten ohne Auffälligkeiten, Strhlform kegelig, symmetrisch zentriert, fein zerstäubt 5. Übung: Zeitverhlten von Messgeräten Messen des Druckverlufs einer Einspritzdüse t/y-schreiber: Grenzfrequenz f g = 1,7 Hz (näherungsweise Tiefpss 1. Ordnung, PT 1 ) Zeitmßstb = Vorschub -1 : k kl,t = 5,1 ms/mm Druckklibrierung k kl,p = 1,11 br/mm (typisch) Versuch : Dämpfung der Druckschwingung (Ausgbefrequenz f m Schreiber) infolge zu hoher Schreibgeschwindigkeit pˆ f 1 für pˆ g Ü H( f) Ö É f 1 1Ñ Äf fg Å f / ÇÇ f g Versuch 3: Dämpfung der Druckschwingung und exponentieller Abfll der Grundlinie wegen Ldungsrekombintion innerhlb des piezoelektrischen Sensors bzw. zu geringem Eingngswiderstnd des Ldungsverstärkers

Übung: Erstellen eines Mnometer-Prüfberichts Rohrfedermnometer, Klsse 1, Mßeinheit kp/cm, Anzeigebereich 0-6 kp/cm, Durchmesser 100 mm, Gewinde ½ ", Klibrierfehlergrenze 0,8 % vom Endwert (entspricht

2 Übung: Einfluss von Anschlussleitungen Messen des Kompressionsdrucks eines Pressluftmotors Pressluftmotor: Kompressionsrum V 1 = 4 cm 3, Anschlussleitungsvolumen V L = 10,4 cm 3 Klibrierdruck p 0 = 1 br Klibrierfktoren der piezoresistiven Sensoren (lle Knäle): k kl,p = 0,033 br/mm Versuch : Verringerung des Kompressionsdrucks p gemäß pv Ö p1v 1 mit V Ö V 1 ÑVL Versuch 3: Exponentieller Verluf der Sprungntwort ufgrund der näherungsweisen PT 1 -Chrkteristik der Druckleitung (Tiefpss 1. Ordnung): Druckänderungen mit hoher Frequenz werden zunehmend in der Amplitude gedämpft, die Sprungntwort erreicht nur noch kleinere Anteile des Endwerts. 7. Übung: Messen von Druckstößen in einem Stoßwellenrohr Klibrierdruck p 0 = 1 br Messbrückenverstärker (Knl ): k kl, = 0,06 br/mm (typisch) Ldungsverstärker (Knäle b, c, d): k kl,b = k kl,d = 0,0 br/mm, k kl,c = 0,03 br/mm (typisch) Versuch 1: Scheinbres Voruseilen der Druckverläufe im Rohr (Knäle b, c und d: piezoelektrische Drucksensoren mit Ldungsverstärker) gegenüber der Druckkmmer (Knl : DMS mit Trägerfrequenz-Messbrücke) ufgrund der geringeren Lufzeit der Ldungsverstärker Versuch : Phsenumkehr des Druckstoßes m offenen Ende führt zur Reflexion einer zurücklufenden, durch Reibung und Reflexionsverluste zunehmend gedämpften Unterdruckwelle

br Klibrierfktoren der piezoresistiven Sensoren (lle Knäle): k kl,p = 0,033 br/mm Versuch : Verringerung des Kompressionsdrucks p gemäß pv Ö p1v 1 mit V Ö V 1 ÑVL Versuch 3: Exponentieller Verluf der

3 Weg Dehnung Krft Allgemeine Beziehungen der DMS-Messtechnik á Dehnung äl 1 är à Ö Ö àâ reltive Widerstndsänderung Ö k à L n k R mit n: Zhl der ktiven Sensoren in der Messbrücke k Empfindlichkeit des DMS gegenüber à àâ m Brückenverstärker ngezeigte (scheinbre) Dehnung, bezogen uf eine Stndrd-Empfindlichkeit k =,0 und n = 1 á ngezeigter Messwert A (Spnnung) des DMS-Brückenverstärkers A Ö k àâ mit k B : Empfindlichkeit des Brückenverstärkers Somit ergibt sich für die gemessene Dehnung à us dem ngezeigten (digitlen) Wert A äl über die gesmte Messkette à Ö Ö L nk k B A Weitere physiklische Messgrößen wie Kräfte F, Spnnungen ãåçé und Momente M sind gemäß des jeweils zugrunde gelegten physiklischen Modells zu berechnen: B á Krft F Ö cx Ö c L à mit Federkonstnte c, Bezugslänge L á Längs-/Querspnnung ã Ö E à mit Elstizitätsmodul E á Schubspnnung é Ö G tnè Ä Ä á Drehmoment M Ö F ë s Ö F s sinê mit Schubmodul G, Schubwinkel è Hierbei wird jeweils Linerität vorusgesetzt (Hookscher Bereich). mit Krft F Ä, Hebelrm s Ä, Winkel ê zwischen F Ä und s Ä 3. Übung: Wärmedehnung ls Störgröße Methode 1 und 3: n = 1, k =,01 Messbrückenverstärker k B = 50 mv / µm/m Versuch 1: gemäß obigen Beziehungen Versuch : Temperturkorrektur der bei Tempertur í E gemessenen Dehnung gegenüber der bei Bezugstempertur í A klibrierten Dehnung gemäß à Ö à ì ( à ì à ) kor íe ía mittels der us dem spezifizierten DMS-Temperturgng à(í) ermittelten scheinbren Dehnungswerte bei í E und í A. Versuch 3: Bei Verwendung eines (z.b. ufgrund von Einbu- und Kostenbeschränkungen nicht immer einsetzbren) Temperturkompenstions-DMS ist die gemessene scheinbre Dehnung deutlich kleiner (und zeigt die verbleibende unvollständige Temperturkompenstion).

DMS-Brückenverstärkers A Ö k àâ mit k B : Empfindlichkeit des Brückenverstärkers Somit ergibt sich für die gemessene Dehnung à us dem ngezeigten (digitlen) Wert A äl über die gesmte Messkette à Ö Ö L

4 Übung: Messung eines Drehmoments nch 5 verschiedenen Messmethoden Methode 5: n =, k =,0 Methode 4: Krftmessverstärker k F = 8 mv / N Methode 5: Messbrückenverstärker k B = 100 mv / µm/m Der Versuch vergleicht 3 verschiedene Messprinzipien, welche ds gesuchte Drehmoment M uf unterschiedliche physiklische Messgrößen zurückführen, die dbei teilweise zusätzlich unterschiedliche Messverfhren einsetzen: Messprinzip Messverfhren physiklisches Modell (s.o.) á Krft Methode 1: Dynmometer Methode 4: Zug/Druck-Krftufnehmer á Weg Methode : Messuhr Methode 3: Inkrementlweggeber á Dehnung Methode 5: DMS uf Torsionsstb M Ö é mx W p M Ö F Ö 4 G ïd M Ö s Ö 3L E E ïd Nm Ö GWp à45 Ö Wp à45 Ö à45 Ö 1,3 î 1Ñ ñ 1Ñ ñ 16 µm/m à 3 w 00mm î F Nm 5, mm î s 45 mit à 45 in 45 ó-richtung uf dem Torsionsstb gemessene Dehnung à 45 Hebelrm ( = 00 mm) L w Länge des Torsionsstbs (L w = 513 mm) d Durchmesser des Torsionsstbs (d = 16 mm) E Elstizitätsmodul (Sthl: E =,1î10 5 N/mm) µ Querkontrktionszhl (Poissonzhl, Sthl: µ = 0,8) G Schubmodul (Sthl: G = 8,î10 4 N/mm) W p polres Widerstndsmoment (W p = 8,0î10 mm 3 )

vergleicht 3 verschiedene Messprinzipien, welche ds gesuchte Drehmoment M uf unterschiedliche physiklische Messgrößen zurückführen, die dbei teilweise zusätzlich unterschiedliche Messverfhren

5 Übung: Huptnormlspnnungen beim zweichsigen Spnnungszustnd DMS Messstelle A: n = 1, k =,06 DMS Messstelle B: n = 1, k =,0 Messbrückenverstärker k B = 5 mv / µm/m Ermittlung der jeweiligen Dehnungen à gemäß den eingngs ngegebenen Beziehungen Physiklische Modelle: E Messstelle A: Tngentilspnnung ã1 Ö ( à1 Ñ ñà) 1ì ñ E Axilspnnung ã Ö ( ñ à1 Ñ à) 1ì ñ Messstelle B: à à Ñ à 1 c 1, Ö ò ( à ì àb) Ñ ( àc ì àb) àb ì à ì à ô Ö 0,5tn à ì à c c dmit Berechnung von ã 1, ã wie bei Messstelle A ri Vergleichswerte (Kesselformel): ã1 Ö pi r ì r i ã ã Ö 1 Fzit m Rnde: Deshlb pltzen Weißwürsch d prktisch immer in Längsrichtung uf Übung: Messen wechselnder Größen, Frequenzgng der Messkette t/y-schnellschreiber: Zeitmßstb = Vorschub -1 : k kl,t = 10 ms/mm Federkrft F F Biegeblken mit DMS-Hlbbrücke, Schreiberklibrierung mit F F,0 = 10 N Dämpferkrft F D Piezoelektrischer Sensor mit Ldungsverstärker, Schreiberklibrierung mit F D,0 = 5 N Eigenfrequenz f 0 Ö é ì1 0 logrithmisches Dekrement ö Ö n ì1 x ln x Ñn Dämpfungsmß D Ö ö 4ï Ñ ö 9. Übung: Schienenfhrzeugwge t/y-schnellschreiber: Zeitmßstb = Vorschub -1 : k kl,t = 40 ms/mm Klibriergewicht für Schnellschreiber und DMS-Messbrückenverstärker: m 0 = 300 g

gemäß den eingngs ngegebenen Beziehungen Physiklische Modelle: E Messstelle A: Tngentilspnnung ã1 Ö ( à1 Ñ ñà) 1ì ñ E Axilspnnung ã Ö ( ñ à1 Ñ à) 1ì ñ Messstelle B: à à Ñ à 1 c 1, Ö ò ( à ì àb) Ñ (

6 Temperturmesstechnik Allgemein: Dynmisches Verhlten von Tempertursensoren Tempertursensoren verhlten sich dynmisch häufig in guter Näherung wie ein Tiefpss 1. Ordnung (PT 1 -System). 1 ì( t ìt0) / é ì Sprungntwort: í( t) Ö k u( t) Ö í0 Ñ äí(1ì e ) für t Ç t 0 mit Zeitkonstnte é, Empfindlichkeit ä k Ö u äí Tempertursprung äí Ö í1 ì í0 von í 0 uf í 1 zum Zeitpunkt t 0 Frequenzgng: H( f ) Ö 1Ñ k j f / f g mit Grenzfrequenz 1 f g Ö ïé Betrg H( f ) k Ö Phse õ( f ) Ö ì tn f / fg 1Ñ Äf / Å f g. Übung: Zeitverhlten, Übergngsfehler, Einfluss der Rndbedingungen t/y-schreiber: Zeitmßstb = Vorschub -1 : k kl,t = s/cm, Spnnungsverstärker: k kl,u = mv/mm mit Hilfe obiger Beziehungen 5. Übung: Messen von Oberflächentemperturen mit berührenden Messfühlern Fe-CuNi-Thermoelement: Empfindlichkeit 53,7 µv/k, mx. bsoluter Messfehler ò3 K Leitungs- und Übergngswiderstände R L = 0,5 ú á Messschltung 0 (klibrierte Bezugsmessstelle): Drehspulinstrument klibriert in óc, mit interner Vergleichstelle, Messbereich óc, Instrumentenklsse 1 á á á Messschltung 1: Drehspulinstrument mit externer Vergleichstelle Messbereich 10 mv, Instrumentenklsse 0,5, Messwerkwiderstnd R m = 105 ú Externe Vergleichsstelle: Glsthermometer, mx. bs. Messfehler ò1 K Messschltung : Digitlmultimeter klibriert in óc, mit interner Vergleichstelle Messbereich ò00 óc, mx. rel. Messfehler ò0,1 % vom Anzeigewert, Eingngswiderstnd R e = 0 Mú Interne Vergleichsstelle: mx. bs. Messfehler ò1 K Messschltung 3: Mnueller Kompenstor mit externer Vergleichsstelle (Eiswsser) Messbereich 00 óc, mx. rel. Messfehler ò0, % vom Anzeigewert, Eingngswiderstnd R e Ä ù bei Abgleich Externe Vergleichsstelle: Eiswsser, mx. bs. Messfehler im Bereich ò0,1 K

H( f ) Ö 1Ñ k j f / f g mit Grenzfrequenz 1 f g Ö ïé Betrg H( f ) k Ö Phse õ( f ) Ö ì tn f / fg 1Ñ Äf / Å f g.

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