Messtechnik. 1 Grundlagen. 2 Messsysteme. 3 Messung elektrischer Größen. 4 Messung nichtelektrischer Größen. 5 Analyseverfahren

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1 Messtechnik 1 Vorlesung Messtechnik 2 Roland Harig, Prof. Dr.-Ing. Institut für Messtechnik Harburger Schloßstr Stock 1 Grundlagen 2 Messsysteme Telefon: Messung elektrischer Größen 4 Messung nichtelektrischer Größen 5 Analyseverfahren Literatur zur Vorlesung 3 1. Grundlagen 4 Lerch, Reinhard Profos, Pfeifer John G. Webster Jacob Fraden Elektrische Messtechnik Analoge, digitale und computergestützte Verfahren Springer: Berlin Zugang über Intranet TUHH: Handbuch der industriellen Meßtechnik MTB-100 (sehr ausführlich) The Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook MTB-121 (sehr ausführlich) AIP Handbook of Modern Sensors MTB-346 Naturwissenschaftliches Weltbild beruht auf Lehrsätzen durch Messungen gefunden allgemein anerkannt, weil jederzeit durch Messungen nachprüfbar

2 DESY in Hamburg 5 Example: DESY in Hamburg 6 Messtechnik zur Prozessüberwachung Normen und Vorschriften Fachsprache mit Wort- + Begriffsnorm Quelle: Siemens

3 Normbildende Institutionen 9 Metrologische Staatsinstitute 10 DIN VDE VDI Deutsches Institut für Normung e.v. Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.v. Verein Deutscher Ingenieure e.v. z.zt. Europäisierung CENELEC Europäisches Komitee für elektrotechnische Normung (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique ) 'Norm ': Bewährte Methode, allgemein anerkannt PTB : NIST : Physikalisch Technische Bundesanstalt National Institute of Standards and Technology D USA Definition: Messen 11 Definitionen 12 Messen: Ausführen von geplanten Tätigkeiten zum quantitativen Vergleich der Messgröße mit einer Einheit. (DIN 1319) Messen heißt vergleichen Direkter/indirekter Vergleich mit einer Einheit Einheit wird durch Normal realisiert Messprozeß: Eine physikalische Größe X nach Wert und Einheit feststellen X = {X}[X] {X}: Wert, der durch die Messung ermittelt wird [X]: Einheit, in Bezug auf die der Wert ermittelt wird Normal Messgerät, Messeinrichtung oder Referenzmaterial, die den Zweck haben, eine Einheit oder einen Wert einer Größe darzustellen, zu bewahren oder zu reproduzieren, um diese an andere Messgeräte durch Vergleich weiterzugeben. Definitionen: DIN 1319 und Internationales Wörterbuch der Metrologie

4 Definitionen Größen und Einheiten 14 Messergebnis Ein aus Messungen gewonnener Schätzwert für den wahren Wert einer Messgröße Vollständiges Messergebnis: Messergebnis und zugehörige Messunsicherheit Messunsicherheit Kennwert, der aus Messungen gewonnen wird und zusammen mit dem Messergebnis zur Kennzeichnung eines Wertebereichs für den wahren Wert der Messgröße dient Einflussgröße Größe, die nicht die Messgröße ist, jedoch das Messergebnis beeinflusst 7 SI-Basiseinheiten Basiseinheit der Länge: Meter m Das Meter ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von 1/ Sekunden durchläuft. c = m/s 3 x 10 8 m/s Lichtgeschwindigkeit nicht mehr messbar, weil definiert 1799: Einführung des Meters als neue internationale Einheit. Rückführung auf den Erdumfang (1 m = 1/ eines Erdquadranten). 1889: Urmeter bei 0 C (Platin-Iridium), gültig bis 1960! SI Einheiten 15 SI Einheiten 16 Basiseinheit der Masse: Kilogramm kg Das Kilogramm ist die Masse des internationalen Kilogrammprototyps Seit 1889: Urkilogramm bestehend aus Platin und Iridium Aufbewahrung: Sèvres bei Paris, Internationales Büro für Gewichte und Maße (BIPM) Basiseinheit der Zeit: Sekunde s Eine Sekunde ist das fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133 Cs entsprechenden Strahlung

5 Geschichte 17 Atomuhren: Prinzip 18 Früher: 1 Sekunde = 1/86400 eines mittleren Sonnentages Grundprinzip von Atomuhren : Schwankungen der Erdrotation setzen der Definition Grenzen 1. Präparation der Atome im Energieniveau 1 Genaue Zeitmessung war immer wichtig für Navigation der Seefahrer. Bestimmung der geografischen Länge. Daher frühzeitig Entwicklung von genauen Uhren. 2. Anregung durch ein elektromagnetisches Feld in das Niveau 2 (Frequenz des Übergangs bekannt) Messung der Zeit mit Hilfe von periodischen Vorgängen, wie z.b. astronomischen Vorgängen, Schwingungen, inneratomaren Vorgängen 3. Detektion der in das Niveau 2 angeregten Atome und ggf. Korrektur der Anregungsfrequenz 4. Ableitung der Zeit aus der Frequenz (Periodendauer) des Felds Cäsium-Atomuhr 19 Cäsium-Atomuhr 20 Cäsium liegt im Grundzustand in zwei unterschiedlichen Energieniveaus vor (Hyperfeinstruktur) Die Energiedifferenz zwischen diesen Niveaus ist gleich der Energie von Photonen mit einer Frequenz von Hz Cs- Ofen Inhomogenes Magnetfeld Resonator Inhomogenes Magnetfeld Detektor Durch Absorption von Strahlung dieser Frequenz kann Cäsium von einem Niveau in das andere übergehen I D f p I D Quartzoszillator U r f N f N Frequenzsynthese Frequenzregelung F: Quantenzahl des Drehimpulses m F : Quantenzahl der z-komponente von F B 0 : Magnetische Flussdichte eines externen Feldes f 0 f p f 0 = Hz Atome im Energieniveau 1 (F=4) Atome im Energieniveau 2 (F=3)

6 Atomuhr CS2 an der PTB Braunschweig Relative Unsicherheit: 1, Neue Atomuhr Mit einer Fontäne aus Lasergekühlten Cäsiumatomen wird die genaueste Uhr der Welt betrieben (relative Unsicherheit: 1,4x10 15 ). Cs-Atome werden in magneto-optischer Falle eingefangen, gekühlt und dann mit einem Laserpuls nach oben katapultiert. Auf einer ballistischen Flugbahn durchqueren die Atome beim Aufsteigen und beim Fallen ein Mikrowellenfeld: Messeffekt: Cs-Hyperfeinstruktur und Resonanz im Mikrowellenfeld Physikalische Blätter 55 (1999) 22 CSF1: Springbrunnenatomuhr der PTB 23 SI Einheiten 24 Basiseinheit der Stromstärke : Ampere A Ein Ampere ist die Stärke eines zeitlich unveränderten Stromes, der durch zwei im Vakuum parallel im Abstand von 1 m voneinander angeordnete, geradlinig, unendlich lange Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je 1 m Länge die Kraft Newton hervorrufen würde.

7 SI Einheiten Basiseinheit der Temperatur: Ein Kelvin ist der 273,16 te Teil der thermodynamischen Temperatur der Tripelpunktes des Wassers. Basiseinheit der Stoffmenge: Kelvin K Mol mol Ein Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus so vielen Einzelteilchen besteht, wie Atome in 12 g des Kohlenstoffnuklids 12 C enthalten sind. 25 SI Einheiten Basiseinheit der Lichtstärke: Candela Cd Eine Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz Hz aussendet, und deren Strahlenstärke in diese Richtung 1/683 Watt pro Steradiant beträgt. 26 Besonders wichtige abgeleitete SI-Einheiten 27 Vorsätze für dezimale Vielfache und Teile von Einheiten 28 Größe Name SI-Einheit Kurzzeichen Beziehung zu anderen SI-Einheiten Frequenz Kraft Druck Energie Leistung Elektr. Ladung Elektr. Spannung Elektr. Kapazität Elektr. Widerstand Elektr. Leitwert Hertz Newton Pascal Joule Watt Coulomb Volt Farad Ohm Siemens Magnetischer Fluß Weber Magnetische Flußdichte Tesla Induktivität Henry Hz N Pa J W C V F Ω S Wb T H 1 Hz = 1 /s 1 N = 1 kgm/s 2 1 Pa = 1 N/m 2 1 J = 1 Nm 1 W = 1 J/s 1 C = 1 As 1 V = 1 W/A 1 F = 1 C/V 1 Ω = 1 V/A 1 S = 1 / Ω 1 Wb = 1 Vs 1 T = 1 Wb/m² 1 H = 1 Wb/A Die gesetzlichen Einheiten in Deutschland: Zehnerpotenz Vorsatz Exa Peta Tera Giga Mega Kilo Hekto Deka Vorsatzzeichen E P T G M k h da

8 Vorsätze für dezimale Vielfache und Teile von Einheiten 29 Zehnerpotenz Vorsatz Dezi Zenti Milli Mikro Nano Piko Femto Atto Vorsatzzeichen d c m µ n p f a

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