Messtechnik 2 Übersicht
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- Angelika Althaus
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1 Messtechnik 2 Übersicht Grundlagen Geometrische und mechanische Größen Optische Größen Messen aus Bildern Schwerpunktthema Temperatur Druck Durchfluss, Viskosität, Dichte, Füllstand Akustische Größen Ionisierende Strahlung 1
2 Druck [Pa = N/m 2 ] 1 mbar = 10 2 Pa, 1 bar = 10 5 Pa Je nach den Gegebenheiten, bei hohen Drücken: Druck ist Kraft pro Fläche p = F / A oder, in der Vakuum-Totaldruck-Messtechnik: Energetische Zusammenhänge im idealen Gas E kin = 3 2 k BT pv = Nk B T k B Boltzmann Konstante, N Teilchenanzahl, p Druck und weitere Vakuum-Kenngrößen, z.b. Mittlere freie Weglänge, Stoßhäufigkeit, Bedeckungszeit 2
3 Druckmessung p=f/a p auf definierte A wirken lassen Druckmessung Kraftmessung meist Messung relativ zu Referenzdruck Atmosphäre Differenzdruckmessung Referenzdruck 0 Absolutdruck 3
4 Mechanische Verfahren Federelastische Geräte (1) Druck Auslenkung von Feder, -balg,... Zeiger Skala Weg- oder Winkelmessung große Stückzahlen, billig, robust, einfach Weite Palette von Messbereichen (mbar... kbar) Bauarten: Kolbenmanometer Federbalgmanometer Kapselfedermanometer Plattenfedermanometer Federrohrmanometer [Hoffmann, TB der MT] 4
5 Federelastische Geräte (2) [Hoffmann, TB der MT] 5
6 Flüssigkeitsmanometer Für kleine Drücke, Druckdifferenzen U-Rohrmanometer p 1 p 2 = p = g hρ Ringrohrmanometer, auch Ringwaage 6
7 Drucksensoren (Druckmessumformer) Früher: Kompensationsverfahren Heute: präzise elektrische Auswertung von Ausschlagverfahren (ähnlich genau, aber billiger) DMS, piezoresistiv Induktiv Kapazitiv Resonanzfrequenz Piezoelektrisch 7
8 Piezoresistive Druckmessung (1) Druck Kraft Weg Dehnung Hohe Drücke: DMS auf Verformungskörper aufbringen [Hoffmann, TB der MT] 8
9 Piezoresistive Druckmessung (2) Druck Kraft Weg Dehnung Geringe Drücke: Piezoresistive Membran [Hoffmann, TB der MT] 9
10 Induktive Druckmessung Druck Kraft Weg L-Änderung [Hoffmann, TB der MT] z.b.: Druckschwankungen: Tauchspulen-Mikrophon 10
11 Kapazitive Druckmessung Druck Kraft Weg C-Änderung [Hoffmann, TB der MT] Beispiel Kondensator- / Elektretmikrophon 11
12 Resonanzfrequenz Druck Kraft Weg f-änderung Schwingsaitenaufnehmer [Hoffmann, TB der MT] 12
13 Piezoelektrische Druckmessung Druck Kraft Weg U Rasch Einfach+robust Nahezu weglose Kraftmessung Klein Gut geeignet für hohe Drücke Linear Gefahr von Ladungsträgerausgleich Hervorragend geeignet für dynamischen Einsatz Druckschwankungen 13
14 Kleine Drücke: Vakuum-Totaldruck-Messung [Tränkler, Obermeier. Sensortechnik, Springer 1998, Kap. 16.] Vakuum-Kenngrößen: L mittlere freie Weglänge n Teilchenanzahldichte (Teilchen / Volumseinheit) pv = Nk B T p = nk B T z Stoßhäufigkeit Bedeckungszeit einer Fläche mit einer einlagigen Teilchenschicht Grob-, Fein-, Hoch-, Ultrahochvakuum Industriell genutzt: mbar 14
15 Vakuum-Kenngrößen [Tränkler, Obermeier. Sensortechnik] 15
16 Messbereiche / Bauarten [Tränkler, Obermeier. Sensortechnik] 16
17 Mechanisch (messen Kraft) Piezoresistiv Kapazitiv Wärmeleitungs-Vakuummeter Ionisations-Vakuummeter Gasreibungs-Vakuummeter Bauarten 17
18 Piezoresistiv (1) [Tränkler, Obermeier. Sensortechnik] 18
19 Piezoresistiv(2) [Tränkler, Obermeier. Sensortechnik] 19
20 Piezoresistiv(3) [Tränkler, Obermeier. Sensortechnik] 20
21 Piezoresistiv(4) [Tränkler, Obermeier. Sensortechnik] 21
22 Kapazitiv [Tränkler, Obermeier. Sensortechnik] 22
23 Wärmeleitungs-Vakuummeter Indirekte Druckmessung Wärmeleitung von Gasen Q gas = f(...,p,...) Heizdraht, zugeführte Leistung Q el Hohe Drücke: Wärmeleitung ist unabhängig vom Druck Arbeitsbereich: Q gas = f(p,...) Sehr niedere Drücke: Ableitung über Halterung und Wärmestrahlung 23
24 Ionisation (1) Indirekte Druckmessung Messung einer der Teilchenanzahldichte n proportionalen Größe Gas wird ionisiert Ionenstrom = f(...,p,...) Penning- (Kaltkathoden-) Vakuummeter Gasentladung (Hochspannung, kv) mbar Glühkathoden-Ionisations-Vakuummeter Hochgenau, breiter Einsatz 24
25 Ionisation (2) Kaltkathoden-/Penning-Vakuummeter [Tränkler, Obermeier. Sensortechnik] 25
26 Ionisation (2) Glühkathoden-Vakuummeter [Tränkler, Obermeier. Sensortechnik] 26
27 Bei niedrigen Drücken: Institute of Electrical Measurement and Measurement Signal Processing Gasreibungs-Vakuummeter Gasreibung = f(...,p,...) mbar Stahlkugel schwebt + rotiert (Magnete) Abbremsung durch Gasreibung p [Tränkler, Obermeier. Sensortechnik] 27
28 Messbereiche / Bauarten [Tränkler, Obermeier. Sensortechnik] 28
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