Messtechnik II: Messverfahren und Messgeräte

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1 Forschungsberichte Strömungslehre und Aerodynamik Band 5 C. Tropea H. Nobach, K. Hufnagel Messtechnik II: Messverfahren und Messgeräte 2. korrigierte Auflage. Shaker Verlag Aachen 2006

2 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Bei»Zugl.:«Uni ändern!, ansonsten :. Copyright Shaker Verlag 2006 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN X ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

3 Messtechnik II Messverfahren und Messgeräte Prof.Dr.-Ing.C.Tropea Dr.-Ing. H. Nobach Dr.-Ing. K. Hufnagel Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik Petersenstr. 30, Darmstadt Tel.: FAX Messtechnik II 1

4 Inhalt 1 Einführung Einordnung Literatur Allg. Messtechnik Sensortechnik Überblick Messgrößen Messbereiche Längenmessbereiche Zeitmessbereiche Geschwindigkeitsmessbereiche Messaufgaben 17 2 Längen- und Winkelmessung Messaufgaben Mechanische Messung Messgeräte Strichmaßstab Messschieber Mikrometerschraube Messuhr Feste Prüflehre Parallel-Endmaße Strich-Winkelmesser Schnurlot und Wasserwaage Inclinometer (Inklinationsmesser) Digitale Geber Kodierte Längen- und Winkel-Messsysteme Inkrementale Längen- und Winkel-Messsysteme Richtungserkennung und Auflösungsvermögen inkrementaler Längen- und Winkel-Messsysteme Verschiedene Maßstäbe (Rastermaßstäbe) Elektrische Geber / Sensoren Widerstandsfühler Kapazitiver Wegaufnehmer Induktiver Wegaufnehmer Integrierte Positionsgeber Ultraschallverfahren Messprinzip Anwendungen Zerstörungsfreie Materialprüfung Medizinische Diagnostik Vermessung von Sedimentschichten Optische Verfahren Optische Verfahren zur Distanzmessung 46 Messtechnik II 2

5 Triangulation Interferometrie Optisches Radar Benutzung modulierten Lichtes Optische Verfahren zur Positionierung Lateraleffektdioden Spaltsensor Schattenverfahren Messung der Torsion mit Lichtstrahl-Drehspiegel-Systemen Autofokus-Verfahren Konfokal-Mikroskopie Optische Verfahren zur 3D-Formerfassung Moiré-Verfahren Streifenprojektionsverfahren Photogrammetrie Holographie Tomographie Optische Messungen der Oberflächenrauhigkeit / -struktur Tiefenbereiche an Oberflächen Messmethoden Glanzverfahren Diffuse Streuung Ellipsometrie Raster-Sonden-Mikroskopie Raster-Tunnel-Mikroskopie Raster-Kraft-Mikroskopie Elektronenmikroskopie Transmissionselektronenmikroskop (TEM) Rasterelektronenmikroskop (REM) Global Positioning System Messung von Kraft, Drehmoment, Druck, Masse, Beschleunigung und Schwingung Kraftmessung Mechanische Kraftmessung Hydraulische Kraftmessung Elektrische Kraftmessung Messung mit Federkörper Piezoelektrische Kraftaufnehmer Magnetoelastische Kraftaufnehmer Schwingsaitenaufnehmer Drehmomentenmessung Mechanische Drehmomentenmessung Die Kraftmaschine Messung der Torsion einer Welle Dehnmessstreifen Induktive und kapazitive Drehmomentenmessung Drehmomentenmessung nach dem Wirbelstromprinzip 150 Messtechnik II 3

6 Drehmomentenmessung nach dem piezoelektrischen Prinzip Weitere Verfahren Elektrische Drehmomentenmessung Druckmessung Mechanische Druckmessung Flüssigkeitsmanometer Druckwaagen, Kolbenmanometer Federmanometer Elektrische Druckmessung Kapazitiver Druckaufnehmer Induktiver Druckaufnehmer DMS-Druckaufnehmer Piezoresistiver Druckaufnehmer Piezoelektrischer Druckaufnehmer Resonanzfrequenz-Druckaufnehmer Schwingquarz-Druckaufnehmer Oberflächenwellen-Druckaufnehmer Vielstellen-Druckmessung Vielfachmanometer Scani-Valve Elektronisches Scan-System Pressure Sensitive Paint (PSP) Messung der Masse Mechanische Waagen Hebelwaagen mit Massenvergleich Neigungswaagen Waagen mit Federeinrichtung Elektrische Waagen Elektrodynamische Kraftkompensationswägezelle DMS-Wägezelle Ringtorsionswägezelle Weitere elektrische Wägezellen Interferenzoptische Wägezelle Hydraulische Wägezelle Beschleunigungs- und Schwingungsmessung Relativbewegungsaufnehmer Absolutbewegungsaufnehmer Absolutschwingungsmessung Beschleunigungsmessung Vibrometer Dehnmessstreifen (DMS) Historische Entwicklung der DMS-Technik Definition der Dehnung Funktionsprinzip Materialien für metallische DMS Bezeichnungen am Dehnmessstreifen 223 Messtechnik II 4

7 8.6 Schichtenaufbau einer DMS-Klebung DMS-Bauformen Anwendungsbereiche Allgemeine Eigenschaften Elektrische Verschaltung Schaltungsvarianten von DMS-Brücken Nullpunktkorrektur von DMS-Brücken Temperaturkompensation Vollständige Kompensation Applikationstechniken Halbleiter-DMS Durchflussmessung Volumetrische Durchflussmessung Feste Messkammerwände Bewegliche Messkammerwände Turbinenzähler Wirkdruck-Verfahren Messprinzip Erweiterung auf kompressible Strömungen Normblende Normdüse Venturidüse Klassisches Venturirohr Kritische Venturidüse Weitere Wirkdruckmessgeräte Druckverlust durch Drosselgeräte Kriterien zur Auswahl des Drosselgerätes Genauigkeit Kraft-Verfahren (Prallplattendurchflussmesser) Schwebekörper-Verfahren Magnetisch-Induktiver Durchflussmesser (MID) Ultraschall-Durchflussmesser Laufzeitverfahren Doppler-Verfahren Coriolis-Durchflussmesser Vortex-Durchflussmesser Laufzeit-Durchflussmesser Korrelations-Durchflussmesser Wärme-Durchflussmesser Wärmetransportverfahren Abkühlverfahren Konstanttemperaturverfahren Kalorisches Verfahren (Aufheizverfahren) Vergleich der Durchflussmessverfahren Vergleich verschiedener Messsysteme Grobauswahl von Durchflussmessgeräten für Flüssigkeiten Grobauswahl von Durchflussmessgeräten für Gase 304 Messtechnik II 5

8 10 Temperaturmessung Temperaturskala und Fixpunkte Mechanische Berührungsthermometer Metall-Ausdehnungsthermometer Stab-Thermometer Bimetall-Thermometer Flüssigkeitsthermometer Gasthermometer Dampfdruck-Thermometer Elektrische Berührungsthermometer Einsatzbereiche elektrischer Berührungsthermometer Thermoelement Metall-Widerstandsthermometer Heißleiter Kaltleiter Silizium-Widerstandstemperatursensor Silizium-Sperrschicht-Temperatursensor Quarztemperatursensor Thermometer mit optischer Wirkungsweise Faseroptisches Lumineszenzthermometer Thermochrome Flüssigkristalle (Liquid Crystals) LIDAR Strahlungsthermometer Thermosäule Bolometer Pyroelektrischer Temperatursensor Strahlungspyrometer Vergleich von Strahlungs- und Berührungsthermometern Geschwindigkeitsmessung Übersicht Weg-Laufzeit-Verfahren Einzelmessung an Einzelobjekten Tachometer Impulstachometer Wirbelstromtachometer Korrelationsverfahren Kräftegleichgewicht Schalenkreuzanemometer Flügelradanemometer Fluglog (Air-Log) Ultraschall-Anemometer Dynamisches Verfahren Grundlagen Messung des statischen Drucks Messung des Gesamtdrucks (Staudruck) Geschwindigkeitssonden Hitzdraht- / Heißfilmtechnik Grundlagen 358 Messtechnik II 6

9 Theorie des Hitzdrahtes Wärmeübertragung eines quer angeströmten Zylinders Elektrisch zugeführte Energie Wärmebilanz des Hitzdrahtes Constant Current Anemometer (CCA) Constant Temperature Anemometer (CTA) Richtungsabhängigkeit Frequenzgang Kalibrierung Kalibrierung der Geschwindigkeit Kalibrierung der Anströmrichtung Korrektur des Temperatureinflusses Aufnahme des Frequenzganges Sonden Laser-Anemometrie Laser-Zwei-Fokus-Verfahren Laser-Doppler-Anemometrie Bildgebende Verfahren Particle Image Velocimetry Doppler Global Velocimetry Messung akustischer Größen Schallausbreitung Physikalische Größen des Schalls Schalldruck Lautstärke Lautheit Schallgeschwindigkeit Schallschnelle Schallleistung und Schallintensität Effektivwerte Schallpegel Definition Rechnen mit Pegeln 391 Messtechnik II 7