Messen, Steuern, Regeln

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1 Messen, Steuern, Regeln Die Messtechnik befasst sich mit Geräten und Methoden zur Bestimmung (Messung) physikalischer Größen wie beispielsweise Länge, Masse, Kraft, Druck, elektrischer Strom, Temperatur oder Zeit. Wichtige Teilgebiete der Messtechnik sind die Entwicklung von Messsystemen und Messmethoden, sowie die Erfassung, Modellierung und Reduktion (Korrektur) von Messabweichungen und unerwünschten Einflüssen. Dazu gehört auch die Justierung und Kalibrierung von Messgeräten sowie die korrekte Reduktion der Messungen auf einheitliche Bedingungen. (Quelle: Wikipedia) Die Messtechnik ist in Verbindung mit Steuerungs- und Regelungstechnik eine wichtige Grundlage der modernen Automatisierungstechnik. Der Computer ist in der Messtechnik zum unersetzlichen Hilfsmittel geworden. Rechner führen automatisch Messungen aus, analysieren Messdaten und stellen sie als Grafik oder Datei zur weiteren Verarbeitung bereit. Musste früher eine Regelungsschaltung diskret aufgebaut und bei jeder Änderung die Schaltung geändert werden, ändert man heute nur das Programm.

2 Messtechnik Jede Messeinrichtung ( Gesamtheit aller Messgeräte und zusätzlicher Einrichtungen zur Erzielung eines Messergebnisses DIN 1319) weist folgende Basisfunktionen auf: Eingabe Messgröße Verarbeitung Ausgabe Messwert Schrittfolge für alle Einsatzbereiche: Erfassung der Messgröße (ggf. Wandlung) Verarbeitung (d.h. Ermittlung des Messwertes) Ausgabe des Messwertes (durch Anzeige, Ausdruck und/oder Speicherung) Einsatzbereiche der Messtechnik Forschung und Entwicklung Einzelmessungen und Messreihen im Labor Fertigung und Produktion Messreihen zur Feststellung, ob die Messwerte den vorgegebenen Toleranzbereich einhalten (Qualitätssicherung) Betrieb und Service Einzelmessungen zur Feststellung, ob vorgegebene Betriebsparameter eingehalten werden Prüfen (= Testen) = Feststellen, ob ein vorgegebener Wert überschritten oder unterschritten wird. Prüfen ist ein Sonderfall des Messens, da nicht der genaue Messwert das angestrebte Ergebnis ist, sondern lediglich die Information über die Lage des Messwertes in einem vorgegebenen Bereich.

3 Messen - Grundbegriffe Wie lang? Wie schnell? Wie schwer? Hier handelt es sich um typische Fragestellungen, die jedem aus dem Alltag bekannt sind. Dabei ist stets eine messtechnische Aufgabe formuliert. Es soll nämlich die als zu messende Größe vorgegebene Messgröße (z.b. die Länge eines Gegenstandes) als Teil oder Vielfaches einer festgelegten Einheit (z.b. Meter (m)) angegeben werden. Dies erfolgt durch den Vergleich der Messgröße mit der Einheit und führt zum Messwert, bestehend aus einem Zahlenwert und dem Kurzzeichen für die jeweilige Einheit. Es handelt sich bei dem Zahlenwert im Prinzip um den Multiplikator mit dem Einfachen der Einheit. Messgröße = Zahl Einheit z.b. U = 10 1 V = 10V Messen ist das Vergleichen mit einer bekannten Größe. Der Vergleich kann analog oder digital, direkt oder indirekt erfolgen.

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6 7 Basiseinheiten Länge Meter 1m Wellenlänge einer Atomstrahlung Masse Kilogramm 1kg kg-prototyp (Platinzylinder) Zeit Sekunde 1s ist das fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung. Elektrische Stromstärke Ampere 1A magn. Kraft zwischen zwei Leitern Thermodynamische Temperatur Kelvin 1K 273,16te Teil des Tripelpunktes von Wasser. Nur bei einer einzigen Temperatur liegt Wasser in allen drei Aggregatzuständen (fest, flüssig und gasförmig) gleichzeitig vor: bei 273,16 K (oder 0,01 C). Lichtstärke Candela 1cd Lichtstärke eines schwarzen Strahlers Stoffmenge Mol 1mol. Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensoviel Einzelteilchen besteht, wie Atome in 0,012 Kilogramm des Kohlenstoffnuklids 12 C enthalten sind. Siehe:

7 Aus den Basiseinheiten werden weitere Einheiten abgeleitet. Beispiel: Physikalische Größe Elektrische Kapazität eines Kondensators Elektrische Ladung Elektrische Spannung Arbeit Kraft Beschleunigung Geschwindigkeit Definitionsgleichung C = Q/U Q = I t U = W/Q W = F s (F in Richtung s) F = m a a = v/ t v = s/ t Einheit 1Farad 1F = 1C/V 1Coulomb 1C = 1As 1Volt 1V = 1J/C 1Joule 1J = 1Nm 1Newton 1N = 1kg m/s² 1m/s s -1 1m/s

8 Direktes Messen - Indirektes Messen Zur Durchführung einer Messung ist stets eine Messeinrichtung erforderlich. Dabei kann es sich um ein Messinstrument, ein Messgerät, einen Messaufbau oder ein Messsystem handeln. Bei der direkten Messung wird der Messwert direkt am Messobjekt ermittelt. Das Messgerät zeigt den Messwert direkt an. Typischerweise wird Spannung und Strom direkt gemessen. Für diese Messgrößen gibt es einfache Messgeräte. Oft gibt es keine Möglichkeit, den Messwert direkt zu ermitteln. Bei indirekten Messungen bedient man sich einer physikalischen Eigenschaft, die sich zu der zu messenden Größe in einem definierten Verhältnis befindet. Eine Temperatur wird üblicherweise indirekt über das Volumen von Flüssigkeiten, die Länge von Metallstäben oder den Widerstand eines Halbleiters gemessen. Eine andere Form des indirekten Messens ist das direkte Messen eines oder mehrerer Werte und die anschließende Berechnung des eigentlichen Messwerts. Aufgabe: Gib weitere beispiele für direkte und indirekte Messverfahren an.

9 Analoges Messen - Digitales Messen Analoges Messen ist die Erfassung und Darstellung der zu messenden Größe nach einem analogen Messprinzip, das heißt in stufenloser oder kontinuierlicher Weise. Die Messgeräte sind mit einem Zeiger auf einer Skala ausgestattet. Aufgabe: Wie ist ein Drehspulmesswerk, wie ein Dreheisenmesswerk aufgebaut? Wie funktionieren sie? Beim digitalen Messen wird der Messwert direkt in Ziffernform dargestellt.

10 Drehspulmesswerk Wird jetzt über die Anschlussklemmen Strom durch die Spule geleitet, so wirkt zwischen Spule und Magnet eine, die sie um ihre Achse verdreht, bis die Federkraft keine weitere Bewegung zulässt. Dreheisenmesswerk Fließt Strom durch die Spule, so werden beide Eisen gleichsinnig magnetisiert und stoßen sich daher ab. Hierdurch dreht sich der bewegliche Eisenkern vom festen weg und bringt den Zeiger zum Ausschlag. Hierbei wird eine Feder gespannt, bis die Federkraft gleich der magnetischen Abstoßungskraft ist.

11 Übungsaufgabe Wir wollen ein elektrisches Längenmessgerät entwerfen. Dazu soll ein Voltmeter als Anzeige der gemessenen Länge dienen die Skala ist geeignet einzuteilen. Mit unserer Messeinrichtung sollen Längen zwischen 0 und 1000mm messbar sein. Entwirf einen Vorschlag für eine solche Messeinrichtung und begründe deren Funktionsweise. (Skizze, Erläuterungen)

12 Messgrößenerfassung Wichtigste Messgröße in der elektrischen und elektronischen Messtechnik gilt die elektrische Spannung U, weil sie einfach zu messen ist und andere Messgrößen auf sie zurückgeführt werden können. Wie kann die Messgröße elektrischer Strom I auf die elektrische Spannung U zurückgeführt werden? Bei konstanter Temperatur gilt I ~ U (Ohmsches Gesetz). Für einen definierten Widerstand R gilt also I = U/R. In der Praxis treten die Messgrößen im Regelfall an solchen Stellen auf, wo die Messeinrichtung nicht unmittelbar Platz finden kann. Es sind deshalb Messgrößenaufnehmer erforderlich, die dann über Kabel oder eine sonstige Verbindung an die eigentliche Messeinrichtung angeschlossen sind. Formen von Messgrößenaufnehmern: Mess-Spitzen Tastköpfe Messköpfe Sonden Sensoren

13 Messspitz e Tastkopf Der Begriff Sonde bezeichnet allgemein ein Gerät oder eine Vorrichtung, mit deren Hilfe es möglich ist, Zugriff auf entfernte oder schwer zugängliche Stellen zu erhalten. (Quelle: Wikipedia) Messkopf (z.b. zur Dickenmessung mittels Ultraschall)

14 Sensoren lateinisch sentire, dt. fühlen oder empfinden (Messgrößen-) Aufnehmer oder (Mess-) Fühler ist ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften (z. B.: Wärmestrahlung, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schall, Helligkeit oder Beschleunigung) und/oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann diese Größen werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte erfasst und in weiterverarbeitbare Größen (meist elektrische Signale) umgeformt. (Quelle: Wikipedia) Lichtsensoren Temperatursensoren Gassensor (Methan) Kraftsensor

15 Übungsaufgabe Wie misst man am Fahrrad die Momentangeschwindigkeit (Tachometer, Fahrradcomputer)? Beschreibe Messeinrichtung und erläutere die Funktionsweise der Messaufnehmers,.