MESSTECHNIK. Veranstaltung Wasserbauliches Versuchswesen Vertiefungsrichtung Umwelttechnik

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1 MESSTECHNIK Veranstaltung Wasserbauliches Versuchswesen Vertiefungsrichtung Umwelttechnik Dr.-Ing. Mario Oertel Oberingenieur Akademischer Rat Lehr- und Forschungsgebiet Wasserwirtschaft und Wasserbau Abt. Bauingenieurwesen Bergische Universität Wuppertal

2 Folie 2 Grundlegendes Das Herzstück eines Labors ist die verwendete Messtechnik, entscheidet über die Qualität der Ergebnisse und somit über die Qualität der Forschung, zu messen sind: Wasserstände, Fließgeschwindigkeiten, Durchflüsse, Drücke, Massen, Kräfte, Temperatur, Sauerstoffgehalt, interne Wellenprozesse, u. v. m. maßgebliche Faktoren sind zeitliche und räumliche Auflösungen.

3 Folie 3 Einheitensystem Maßeinheiten dienen zur Bestimmung des Wertes von physikalischen Größen, ein Einheitensystem ist ein Satz von Regeln, welcher angibt, wie die Maßeinheit jeder in Naturwissenschaft und Technik verwendeten Größe widerspruchsfrei festgelegt wird, weltweit angewandtes Einheitensystem: Internationale Einheitensystem Système International d Unités (SI) Eingeführt von der 11. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) im Jahre Im Internationalen Einheitensystem werden zwei Klassen von Einheiten unterschieden: Die Basiseinheiten und die abgeleiteten Einheiten.

4 Folie 4 Einheitensystem Die sieben Basiseinheiten lauten: Länge (Meter: m), Masse (Kilogramm: kg), Zeit (Sekunden: s), Stromstärke (Ampere: A), thermodynamische Temperatur (Kelvin: K), Substanzmenge (Mol: mol), Lichtstärke (Candela: cd).

5 Folie 5 Einheitensystem Abgeleitete Einheiten in die fünf Bereiche (1) Raum und Zeit, (2) Mechanik und Akustik, (3) Temperatur und Wärme, (4) Elektrizität, Magnetismus und Licht und (5) ionisierende Strahlung und Molekularphysik unterteilt. 1. Raum und Zeit Frequenz (Hertz: Hz = 1/s), Ebener Winkel (Radiant: rad = m/m), Raumwinkel (Steradiant: sr = m2/m2), weitere wichtige Größen: Fläche (m 2 ), Volumen (m 3 ), Geschwindigkeit (m/s), Beschleunigung (m/s 2 ) und Drehzahl (1/s). 2. Mechanik und Akustik Kraft (Newton: N = m kg/s2), Druck, mechanische Spannung (Pascal: Pa = N/m2), Energie, Arbeit, Wärmemenge (Joule: J = N m), Leistung (Watt: W = J/s), weitere wichtiger Größen: dynamische Viskosität (Pa s), Drehmoment (N m), Oberflächenspannung (N/m).

6 Folie 6 Einheitensystem Abgeleitete Einheiten in die fünf Bereiche (1) Raum und Zeit, (2) Mechanik und Akustik, (3) Temperatur und Wärme, (4) Elektrizität, Magnetismus und Licht und (5) ionisierende Strahlung und Molekularphysik unterteilt. 3. Temperatur und Wärme wichtige Größen sind: (W/m2), Wärmekapazität (J/K), spezifische Wärmekapazität und spezifische Entropie (J/kg K), spezifische Energie (J/kg), thermische Leitfähigkeit (W/m K), (J/mol), molare Entropie und molare Wärmekapazität (J/mol K). 4. Elektrizität, Magnetismus und Licht elektrische Ladung (Coulomb: C = s A), elektrische Spannung (Volt: V = W/A), Kapazität (Farad: F = C/V), elektrischer Widerstand (Ohm: W = V/A).

7 Folie 7 Einheitensystem Abgeleitete Einheiten in die fünf Bereiche (1) Raum und Zeit, (2) Mechanik und Akustik, (3) Temperatur und Wärme, (4) Elektrizität, Magnetismus und Licht und (5) ionisierende Strahlung und Molekularphysik unterteilt. 5. Radioaktivität, ionisierende Strahlung, Molekularphysik Radioaktivität (Becquerel: Bq = 1/s), Absorbierte (Strahlen-)Dosis (Gray: Gy = J/kg), Äquivalentdosis (Sievert: Sv = J/kg), weitere wichtige Größen: Exposition und Ionendosis (C/kg), absorbierte Dosisrate (Gy/s).

8 Folie 8 Abstandsmessung, Wasserstandsmessung: Ultraschallsensoren, Trägerspannung (analog), je nach Zeitspanne zwischen ausgesendetem und empfangenem Ultraschall wird eine Spannung zwischen dem minimalen und dem maximalen Wert ausgegeben, über zu voriges Nullstellen (Reset) beziehen sich alle Spannungen auf diesen Referenzwert, so dass absolute Entfernungen zu bestimmen sind, AD-Wandler erforderlich.

9 Folie 9 Abstandsmessung, Wasserstandsmessung: Optiksensoren.

10 Folie 10 Fließgeschwindigkeitsmessung: Ultraschallsensor (mobil, stationär).

11 Folie 11 Durchflussmessung: (M)IDM = (Magnetisch) Induktiver Durchfluss Messer, zur Messung des Volumendurchflusses elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten, Messprinzip nutzt die Kraftwirkung auf in einem Magnetfeld bewegter Ladungen aus, Rohr aus nicht magnetischem Werkstoff, in der Flüssigkeit enthaltene Ladungsträger (positiv-negativ) werden durch ein senkrecht zur Strömungsrichtung liegendes Magnetfeld abgelenkt und erzeugen an Elektroden in der Rohrwandung elektrische Spannungen im Millivolt-Bereich, magnetische Induktion B und Elektrodenabstand D sind konstante Werte; die Messspannung ist also proportional zur Fließgeschwindigkeit, Volumenstrom ergibt sich aus der Kontinuitätsgleichung.

12 Folie 12 Massenermittlung: Plattform-Wägezelle.

13 Folie 13 High-Speed-Kamera: Aufzeichnung von Prozessen innerhalb von Wellen (Auswertung z. B. mit MatPIV Particle Image Velocimetry Methode), oder Detailaufnahmen von Dammbruchversuchen, etc. HiSIS2000 von KSV Instruments Ltd. Finnland, echten Bilder pro Sekunde bei einer Auflösung von 256x256 Pixel, ergänzende Funktionen steigern die Bildrate bis auf Bilder pro Sekunde.

14 Folie 14 Sauerstoffmessungen mit Sonde Hach HQ10: Sauerstoffmessung nach dem Lumineszenzverfahren Bei diesem Sauerstoffmessverfahren wird eine Lumineszenzkappe mit einer definierten Intensität von zwei LED's (blauer Erregerstrahler und roter Referenzstrahler) blitzartig angestrahlt. Durch eine Farbstoffschicht in der Kappe kommt es in Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration zu einer Änderung der Lumineszenz. Im Gegensatz zu elektrochemischen Messverfahren wird hier kein Sauerstoff verbraucht, so dass keine direkte Anströmung des umgebenen Mediums erforderlich ist. Bestimmung der Wassertemperatur und des Luftdrucks

15 Folie 15 Sauerstoffmessungen mit Sonde Hach HQ10: Messbereich Sauerstoffkonzentration: 0,01-20,0 mg/l Sauerstoffsättigung: 0-200% Sättigung Temperatur: -10,0-110,0 C Genauigkeit Sauerstoffkonzentration: Bereich 0<C DO <8 mg/l: ~0,1 mg/l Bereich 8<C DO <20 mg/l: ~0,2 mg/l Temperatur: Bereich -10<T<70 C: 0,3 C Bereich 70<T<110 C: 1,0 C Auflösung Sauerstoffkonzentration: 0,01 oder 0,1 mg/l Sauerstoffsättigung: 0,1 % Temperatur: 0,1 C