Praktikum Grundlagen der Messtechnik II. Übersicht der Praktikumsversuche. im Sommersemester 2010

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1 Praktikum Grundlagen der Messtechnik II Übersicht der Praktikumsversuche im Sommersemester 2010 Lfd. Nr. Titel des Versuches Betreuer 01 GMT 04 Statisches Verhalten von Temperatursensoren Dipl.-Ing. M. Möhwald Dipl.-Phys. B. Kühn 02 GMT 05 Feststofffeuchte Dipl.-Phys. B. Kühn Dipl.-Ing. M. Möhwald 03 GMT 07 Füllstandsmessung Prof. M. Kaufmann Dipl.-Phys. B. Kühn 1

2 VERSUCH GMT 04: Statisches Verhalten von Temperatursensoren bei unterschiedlichen Einbaubedingungen 0. Vorbereitung Die Messung der Temperatur ist die in der Industrie am häufigsten vorkommende Messaufgabe. Rekapitulieren Sie zur Vorbereitung auf den Versuch die physikalischen Grundlagen zur Wärmeübertagung an Hand des beigefügten Anhanges sowie der angegebenen Literatur. (Für Aufgabe 1.3 zu empfehlen: Elsner, Technische Thermodynamik - Wärmeübertragung S.25 ff) Ermitteln Sie analytisch die Kennlinie für die Brückenspannung U m =f(ϑ) für die unter 1.4 aufzubauende Schaltung. Untersuchen Sie den Einfluss der Änderung Brückenspeisespannung. 1. Aufgabenstellung 1.1. Für die Strömungsgeschwindigkeit 1,0 m/s (rote Markierung am Drehzahlsteller) sind die von vier Thermometern gemessenen Temperaturen eines erwärmten Luftstromes aufzunehmen und unter Beachtung der konkreten Einbaubedingungen (Sensorelemente befinden sich in der Achse des Strömungskanals) theoretisch zu interpretieren Nehmen Sie an den Messstellen A2 und B2 das Temperaturprofil über dem Durchmesser des Strömungskanals unter den o. g. Bedingungen auf. Dabei ist das Temperaturprofil von der unteren zur oberen Rohrwand zu messen. Verändern Sie die Eintauchtiefe im Raster der Markierungen an den beiden Sensoren Für den Wärmetransport im Thermometer ist ein verallgemeinertes Modell (Beukenmodell, siehe Anlage zur Versuchsanleitung) zu entwerfen. Im Modell sind die für den stationären Fall zu betrachtenden physikalischen Vorgänge abzubilden. An Hand des Modells ist der Zusammenhang von der Einbautiefe, den Schutzrohrabmessungen und der Wärmeübergangszahl α und dem daraus resultierenden statischen Fehler zu diskutieren Bauen Sie mit den am Messplatz vorhandenen Gerätschaften (ein Pt 100 Sensor, drei Widerstandsdekaden, Handmultimeter, Netzteil) eine Brückenschaltung auf und ermitteln die Umgebungstemperatur während des Versuches. Ermitteln Sie den Eigenerwärmungsfehler des verwendeten Pt 100 Thermometers für verschiedene Brückenspannungen Für die Strömungsgeschwindigkeit 0,3 m/s (blaue Markierung am Drehzahlsteller) sind die an den Messstellen A2 und B2 bei minimaler Eintauchtiefe ermittelten statischen Fehler mit denen aus Pkt. 1.1 zu vergleichen und die auftretenden Differenzen zu interpretieren. 2

3 2. Hinweise zur Versuchsdurchführung 2.1 Zur Versuchsvorbereitung sind grundlegende Kenntnisse zur Temperaturmessung mit Widerstandstemperatursensoren erforderlich. 2.2 Sie erhalten zu Beginn des Versuches eine Einweisung durch den Versuchsbetreuer. 2.3 Warten Sie bei Aufgabe 1.2 bis sich für die jeweilige Eintauchtiefe ein stationärer Zustand eingestellt hat. Aufgabe 1.4 : 2.4 Lassen Sie die Brückenschaltung vor Inbetriebnahme durch den Versuchsbetreuer abnehmen. 2.5 Sie können die Schaltung im Ausschlagverfahren (Messung der sich ändernden Brückenspannung mit dem Multimeter) oder im Kompensationsverfahren (Verstellung einer Widerstandsdekade bis Brückenspannung 0 V) betreiben. 2.6 Ermitteln Sie mit der aufgebauten Schaltung (Aufgabe 1.4) den Eigenerwärmungsfehler des verwendeten Pt 100 Thermometers. Dazu variieren Sie die Speisespannung der Messbrücke am bereitgestellten Netzteil. 2.7 Ermitteln Sie aus den erhaltenen Widerstandswerten die Temperatur. 2.8 Beginnen Sie mit einer Speisespannung von 0,2 V. Die maximale Speisespannung sollte 4 V nicht übersteigen. 2.9 Berühren Sie das Thermometer während des Versuches nicht! 3. Geräte und Zubehör - Strömungskanal mit Ventilator und Heizregister, Handmessgerät AMR - Temperatursensoren Typ Pt 100, - Widerstandsdekaden, - Netzteil, Handmultimeter 4. Literatur Anhang zur Versuchsanleitung Industrielle Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Messwiderstände IEC 751/ DIN EN Grdl. der technischen Thermodynamik, Bd.2 Wärmeübertragung N. Elsner Arbeitsmethoden der Thermodynamik, Bd.1, Temperaturmessung F.X. Eder Technische Temperaturmessung F. Bernhard Temperaturmesspraxis mit Widerstandsthermometern Irrgang, Michalowsky Wärmeübertragung W. Wagner Temperatur-, Mess- und Regelungstechnik Fischer Messtechnik Schöne Sensoren Hauptmann 3

4 VERSUCH GMT 05: Feststofffeuchte 0. Versuchsvorbereitung Die Materialfeuchte ist ein sehr komplexes Thema. Die Messprinzipien und Kennwerte sind entsprechend vielfältig. Im Versuch kommen ein direktes und ein indirektes Messverfahren zu Anwendung. Es werden vier Proben Ton-Granulat mit unterschiedlichem Feuchtegehalt untersucht. Zur Vorbereitung des Versuches sollten Sie sich mit folgenden Themen beschäftigen: - die Eigenschaften des Wassers - die Bindungsarten des Wassers in einem Feststoff - Feuchtekennwerte und Messverfahren der Materialfeuchte - Fehlerrechnung 1. Aufgabenstellung 1.1. Ermitteln Sie nach thermogravimetrischer Methode mit dem Feuchteabsolutbestimmer (FAB1/2) den Feuchteanteil für die gegebenen Materialproben. Verwenden Sie jeweils zwei Proben aus jedem Exsikkator. Erläutern Sie, wie sich die Messunsicherheit bei der Wägung auf den Feuchteanteil auswirkt Erfassen Sie während der Trocknung für eine Probe aus dem Exsikkator Nummer 4 den zeitlichen Trocknungsverlauf m = m(t) und stellen Sie diesen grafisch dar. Diskutieren Sie anhand des Kurvenverlaufes mathematische und physikalische Zusammenhänge Bestimmen Sie die statische Kennlinie des kapazitiven Feuchtemessgerätes (Streufeldkondensator). Beziehen Sie sich dabei auf die Ergebnisse aus dem thermogravimetrisches Verfahren. Stellen Sie die Kennlinie grafisch dar und Interpretieren Sie diese Untersuchen Sie an Probe 4 mögliche Fehlerquellen bei der kapazitiven Materialfeuchtebestimmung. Variieren Sie dazu insbesondere die Füllhöhe und die Verteilung des Schüttgutes. Dokumentieren und diskutieren Sie die Erkenntnisse. Vergleichen Sie beide Messverfahren Führen Sie eine Vergleichsmessung mit dem elektronischen Feuchteschnellbestimmer der Firma Sartorius durch. 2. Hinweise zur Versuchsdurchführung 2.1. Die Proben sind dem jeweiligen Exsikkator zügig zu entnehmen. Der Deckel des Exsikkators ist sofort nach der Probenentnahme zu schließen. Achtung: Schliffflächen NICHT verunreinigen! Die anschließenden Wägungen müssen ebenfalls zügig erfolgen Die verwendet Probenmasse im FAB 1/2 sollte jeweils 10 g betragen. Beachten Sie, dass die Probenschalen unterschiedliche Massen aufweisen! 4

5 2.3. Zur Massebestimmung dient eine Oberschalenwaage. Danach erfolgt die Vergleichswägung mit der Balkenwaage im Feuchteabsolutbestimmer. Alle Proben sind nacheinander einzuwiegen und auf dem Drehteller des FAB 1/2 zu positionieren, so dass sie gemeinsam getrocknet werden können. Die Probeneinwaage ist in den Schalen gleichmäßig (eben) zu verteilen Die Wägetrocknung mit dem FAB 1/2 erfolgt über einen Zeitraum von ca. t = 40 min bei einer Trocknungsendtemperatur von ϑ = 80 C. zu Beginn und gegen Ende der Messung ist in Intervallen von t = 2 min die Masse der Probe zu bestimmen Am kapazitiven Feuchtemessgerät ist vor der ersten Messung mit dem leeren Probenbehälter der Nullpunkt abzugleichen. Auf eine gleichmäßige Füllung und gleiche Füllhöhe des Probenbehälters der ist zu achten. Der Deckel ist zu schließen Die getrockneten Proben kommen nach Versuchende in den Exsikkator 1 (trockene Probe). Das unveränderte Probenmaterial aus den kapazitiven Messungen kommt in den jeweiligen Exsikator zurück. 3. Geräte und Zubehör - Exsikkatoren mit Probenmaterial (Ton-Granulat Seramis ) - Oberschalenwaage (Messgenauigkeit: 10 mg) - Feuchteabsolutbestimmer FAB ½ der Fa. Mytron (Messgenauigkeit: 10 mg) - Kapazitiver Feuchtemesser der Fa. Feutron - elektronischer Feuchteschnellbestimmer der Firma Sartorius (Moisture Analyser MA 100, Reproduzierbarkeit: 0,02 %) 4. Literatur Materialfeuchtemessung Industrielle Feuchtigkeitsmesstechnik Messgenauigkeit Temperatur-, Mess- und Regelungstechnik Klaus Kupfer Herbert Fischer Hart, Lotze, Woschni Fischer 5. Anhang Kennwerte Als Feuchtegehalt (Wassergehalt) wird das Verhältnis der in einem Stoff enthaltenen Wassermasse zur Masse des wasserfreien Stoffes bezeichnet: u m m m w tr m = = Gl. 1 mtr mtr Als Feuchteanteil (relative Feuchte) wird das Verhältnis der Masse des in einem festen Stoff enthaltenen Wassers zur Gesamtmasse des feuchten Stoffes gekennzeichnet: mw m mtr ψ = = Gl. 2 m m 5

6 VERSUCH GMT 07: Experimentelle Untersuchung unterschiedlicher Füllstandsmessverfahren Füllstandsmessungen werden in vielen Prozessen eingesetzt, in denen flüssige Medien oder feste Schüttgüter gespeichert und transportiert werden. Wegen der unterschiedlichen Anforderungen werden verschiedene Messprinzipien und Messgeräte verwendet. 0. Vorbereitung Erläutern Sie alle im Versuch verwendeten Messprinzipien. Leiten Sie die Formel zur Kapazitätsberechnung der Kondensatoren in dem Messbehälter 1 und 2 her. (Nur für parallele Platten im Messbehälter 1) Welche Messunsicherheiten können bei den Messungen auftreten? Machen Sie sich mit der Auswertung von Messreihen vertraut. Erläutern Sie folgende Begriffe: Linearitätsfehler, absolute und relative Häufigkeit, zufällige und systematische Messabweichung. Ermitteln Sie analytisch die Kennlinie U m =f(ϑ) für die unter 1.4 einzusetzende Brückenschaltung. Untersuchen Sie den Einfluss der Änderung Brückenspeisespannung. 1. Aufgabenstellung 1.1. Kalibrierung Die im Abschnitt und vorgestellten Sensoren besitzen eine lineare Kennlinie. Die Kapazität ist ebenfalls linear vom Füllstand abhängig. Somit kann der Füllstand im Behälter durch eine lineare Funktion beschrieben werden. Schalten Sie das Netzteil der Firma FESTO DIDACTIC ein. Schließen Sie den Signalausgang des Funktionsgenerators an die BNC-Buchse des Messbehälters 2 an. Nutzen Sie für die Messung das parallele Kondensatorplattenpaar und kontrollieren Sie die Messschaltung (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.). Schalten Sie den Funktionsgenerator ein und stellen Sie eine Sinusspannung mit 10 Vpp und 1,1 MHz ein. Drücken Sie anschließend die Taste Output. Öffnen Sie das Programm Füllstandsmessung auf dem Desktop und starten Sie den Versuchsaufbau durch den Button Anlage ein. Quittieren Sie anschließend die Fehlermeldung: Fehler Füllstand. Lassen Sie das Wasser aus dem Messbehälter 2 in den Vorratsbehälter ab, bis ein Füllstand im Messbehälter von ca. 20 mm erreicht ist. Stellen Sie den Sollwert der Pumpen mehrmals kurz von 0 auf 10 um die Pumpen zu entlüften. Betätigen Sie den Button Start in der Registerkarte Aufgabe 5.1 im Aufgabenbereich des Programms. 6

7 Abbildung 1: Messschaltung 1 Übernehmen Sie die Werte für Leer durch Klicken des Buttons Übernehmen in die entsprechenden Felder. Pumpen Sie anschließend das Wasser wieder in den Messbehälter 2, bis ein Füllstand von ca. 300 mm erreicht wird und übernehmen Sie den Vollwert. Berechnen Sie die Funktionsparameter für eine lineare Funktion (Füllstand=f (Sensoranalogwert)) aus den ermittelten Werten und tragen Sie diese in die grünen Eingabefelder für n und m ein. Stellen Sie alle Füllstände aus der Reihe Ablesewert ein und übernehmen Sie bei jedem Füllstand den Sensorwert. Speichern Sie die Werte in eine Excel-Datei. Stellen Sie die Kennlinien in Abhängigkeit vom Ablesewert in einem Diagramm dar. Berechnen Sie die Linearitätsabweichung für jeden Sensor und stellen Sie diese ebenfalls in einem Diagramm dar. Diskutieren Sie mögliche Einflüsse, die für die Linearitätsabweichung verantwortlich sind Kennlinienaufnahme Behalten Sie die Einstellungen für den Funktionsgenerator aus dem Versuch Kalibrierung bei. Klicken Sie auf den Button Start in der Registerkarte Aufgabe 5.2. Links in der Reihe Ablesewert werden nun die Füllstände angezeigt, bei denen der Analogwert des Sensors gemessen werden soll. Pumpen Sie nun das Wasser wieder aus dem Vorratsbehälter in den Messbehälter 2. Stellen Sie die vorgegebenen Füllstände ein und übernehmen Sie den Analogwert an der entsprechenden Position. Speichern Sie die Messdaten in eine Excel-Datei. Berechnen Sie den arithmetischen Mittelwert für die Füllstände und stellen Sie diesen in einem Diagramm dar. Fügen Sie für jeden Sensor eine Trendlinie ein und wählen Sie eine geeignete Funktion für die Trendlinie aus. 7

8 Vergleich Sie die Funktion der Trendlinie mit der ermittelten Funktion aus der Aufgabe 1.1. Diskutieren Sie die Ergebnisse Statistische Auswertung Um ein aussagekräftiges Messergebnis zu erreichen müssen, mehr als nur vier Messreihen aufgenommen werden. Zu diesem Zweck werden Ihnen weitere Messreihen zur Verfügung gestellt. Kopieren Sie aus der Datei Messwerte auf dem Desktop noch mindestens 10 Messreihen in Ihre Datei aus Aufgabe 1.2. Ermitteln Sie die Klassenbreite um die Messwerte für jeden Füllstand in Klassen einzuteilen. Berechnen Sie die absolute und die relative Häufigkeit. Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit P K, mit der ein Messwert in der jeweiligen Klasse liegt. Welche Verteilungen treten für die Wahrscheinlichkeiten auf? 1.4. Kapazitätsmessung Führen Sie einen Nullabgleich der Messbrücke durch. Verbinden Sie dazu die Anschlüsse: Drive+ mit Sense+ und Drive- mit Sense-. Entsprechende Kabel zum Verbinden der Anschlüsse liegen am Versuchsplatz aus. Drücken Sie anschließend die Taste ZERO TRIM. Verbinden Sie Drive+ und Drive- mit dem Plattenkondensator im Messbehälter 1. Pumpen Sie das gesamte Wasser aus Messbehälter 1 in Messbehälter 2. Nehmen Sie die Kapazitätswerte pro 10 mm Füllstandsänderung auf, bis 300 mm erreicht sind. Tragen Sie die Werte in ein Excel-Dokument ein. Berechnen Sie die Kapazitäten für die Füllstände und stellen Sie diese den gemessenen Kapazitätswerten in einem Diagramm gegenüber. Wodurch könnten die Abweichungen entstanden sein? Diskutieren Sie die Ergebnisse. 2. Empfohlene Literatur Schnell, G. Hesse, S. : Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation, 4. Auflage, Vieweg+Teubner, (2009) Hoffman, J. : Taschenbuch der Messtechnik, 5. Auflage, Hanser Fachbuchverlag, (2007) Langmann, R. : Taschenbuch der Automatisierung, 1. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig, (2003) Schmusch, W.: Elektrische Messtechnik, 6. Auflage, Vogel Verlag, (2005) 8

9 3. Anhang 3.1. Versuchsaufbau Abbildung 2: Verfahrensschema Abbildung 2 zeigt den Aufbau der Messanlage. In der folgenden Tabelle sind gekennzeichneten Teile der Versuchsanordnung aufgeführt. Behälter Bezeichnung Komponente Behälter 1 LH 101 Grenzwertschalter oben LH 102 Grenzwertschalter unten LH 103 verstellbarer Plattenkondensator LH 104 Zylinderkondensator Behälter 2 LI 201 Ultraschallsensor LI 202: Plattenkondensator LI 203 hydrostatischer Sensor Behälter 3 LH 301 Grenzwertschalter oben LL 302 Grenzwertschalter unten Die Versuchsanlage besteht aus zwei Messbehältern und einem Vorratsbehälter. Für eine Messung mit dem Messbehälter 2 wird das Wasser aus dem Vorratsbehälter in den Messbehälter gepumpt. Die Füllstände werden anschließend durch das Ventil H3 eingestellt. An den Messbehältern befindet sich jeweils eine Millimeterskala zur Bestimmung der Füllstände. Für die Messungen mit dem Messbehälter 1 wird der Messbehälter 2 als Vorratsbehälter genutzt. 9

10 Das Wasser wird vom Messbehälter 1 in den Messbehälter 2 gepumpt. Die Füllstände werden mit dem Ventil H4 eingestellt. Dabei kann der momentane Füllstandswert, auf der Millimeterskala an der Rückseite des Messbehälters abgelesen werden. Der Mindestfüllstand beträgt für den Messbehälter 1 20 mm und für den Messbehälter 2 50 mm. Aus Sicherheitsgründen sind zusätzlich kapazitive Näherungsschalter an den Vorratsbehälter und am Messbehälter 1 angebracht. Sie verhindern ein Trockenlaufen der Pumpen und somit eine Beschädigung. Sämtliche Sperrventile in der Anlage werden handbetätigt. Die Zentrifugalpumpen P1 und P2 werden mittels einer graphischen Benutzeroberfläche am PC gesteuert. Im Programm werden auch die Auswahl der Pumpe und die Einstellung für den Sollwert getroffen. Die Messwiderstände für die Aufgaben befinden sich neben den Behältern in kleinen Klemmästen. Sie können über Buchsen angeschlossen werden Messeinrichtungen Ultraschallsensor (Messbehälter 2) Das Funktionsprinzip des Ultraschallsensors (vgl. Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.) beruht auf der Erzeugung akustischer Wellen mit einer Frequenz von 20 khz bis 220 khz. Der Schallgeber wird für kurze Zeit angesteuert und sendet einen Impuls aus. Nach dem Aussenden wird der Impuls an einer in Reichweite liegenden Grenzfläche reflektiert und vom Sensor wieder empfangen. Die Laufzeit des Impulses wird in einer nachfolgenden Elektronik ausgewertet und als ein analoges Stromsignal von ma ausgegeben. Der Sensor führt diese Messung zyklisch 40- mal pro Sekunde aus Abbildung 3: Ultraschallsensor Hydrostatischer Sensor (Messbehälter 2) Der hydrostatische Sensor (vgl.abbildung 4: Hydrostatischer SensorAbbildung 4) enthält eine Keramikmesszelle, um den hydrostatischen Druck zu messen. Das Sensorsignal kann wahlweise durch V oder ma ausgegeben werden. Durch den robusten Aufbau ist der Messumformer für den Industrieeinsatz geeignet. 10

11 Abbildung 4: Hydrostatischer Sensor 3.3. Kapazitive Füllstandsmessung Behälter 1 Der Plattenkondensator (vgl. Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.) ist für die Kapazitätsmessung vorgesehen. Die Messung erfolgt mit einem RLC-Meter der Firma Flucke. Der Zylinderkondensator (vgl. Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.) wird für die Messung der Phasenmessung benötigt (entfällt in diesem Versuch). Die beiden Kondensatoren des Messbehälters befinden sich direkt im Wasser und sind mit einer Lackschicht isoliert. Abbildung 5: Plattenkondensator Abbildung 6: Zylinderkondensator 11

12 Behälter 2 Am Messbehälter 2 sind die Kondensatorplatten außen angebracht (vgl. Abbildung 7). Die Behälterwände müssen in die Kapazitätsberechnung mit einbezogen werden. s =Wandstärke des Behälters= 5 mm B s =Behälterbreite= 200 mm h =Behälterfüllstand x H =Kondensatorplattenhöhe= 300 mm b =Kondensatorplattenbreite= 15 mm ε =10 Acrylglas Abbildung 7: Messbehälter 2 12