Grundlagen der Messtechnik

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1 Was geschieht beim Messen? Welche Voraussetzungen müssen eingehalten sein? Welche Messverfahren gibt es? Welche gerätetechnischen Anforderungen bestehen? Was ist Smart Metering? Inhalt Messen und Zählen... 2 Messobjekt, Messgröße, Messwert... 3 Voraussetzungen für das Messen... 4 Grundnormale... 5 Internationale Temperaturskala ITS Kalibrieren, Justieren und Eichen... 9 Messprinzip und Messverfahren Kontinuierliche und diskontinuierliche Verfahren Ausschlag- und Kompensationsmessverfahren Analoge und digitale Messverfahren Smart Metering Messsystem

2 Messen und Zählen Zählen heißt, die Anzahl von Gegenständen (z.b. Stückzahl) oder von Ereignissen (z. B. Umdrehungszahl) zu ermitteln. (Profos, Pfeiffer) Anzahlen werden mit positiven Ganzzahlen n ε N angegeben. Einschränkungen: schwierige Erfassung und schwindende Aussagekraft bei großen Zahlen ( Erbsenzählen ) Messen heißt, eine zu messende Größe (Messgröße) als Vielfaches einer allgemein anerkannten Einheitsgröße derselben physikalischen Dimension zu ermitteln durch experimentellen Vergleich mit einer Maßverkörperung dieser Einheit. (Profos, Pfeiffer) (Einheitsgröße, Einheit und Normal sind synonyme Begriffe.) Beispiel: Die Länge eines Gegenstands (Messgröße) wird experimentell bestimmt, indem ein Metermaß als Verkörperung der allgemein anerkannten Einheitsgröße Meter an ihn angelegt wird. Wie die Länge des Gegenstands ist auch das Meter eine Länge, also von derselben physikalischen Dimension. Die Skalierung des Metermaßes ermöglicht es, ein Vielfaches (Maßzahl) abzulesen (nicht zu verwechseln mit ganzzahligem Vielfachem). Maßzahlen werden mit positiven Bruchzahlen x ε Q + angegeben. Einschränkungen: Messfehler 2

3 Messobjekt, Messgröße, Messwert Messobjekt Messobjekt kann irgendein Objekt sein, zum Beispiel nebenstehende Kartoffel, insonderheit auch ein Prozess, z.b. eine Rohrströmung. Messgröße Die Messgröße ist eine interessierende Eigenschaft des Messobjekts, z. B. seine Masse. Weil ein Messobjekt verschiedene Eigenschaften hat, gibt es auch verschiedene Messgrößen an diesem Objekt. Messwert Der Messwert ist das Ergebnis der Messung. Entsprechend der Definition des Messens wird es ausgedrückt als Messwert = Maßzahl Einheit zum Beispiel gemessene Masse des Objekts = 0,24 kg 3

4 Voraussetzungen für das Messen In der Theorie der werden zwei Fundamentalvoraussetzungen unterschieden: 1. Fundamentalvoraussetzung Die zu messende Größe muss a) qualitativ eindeutig sein, Größe (Ist die Größe z. B. das Volumen? Das ist qualitativ zu klären.) b) quantitativ bestimmbar sein. Geschmack (Süß, bitter? Wie lässt sich das quantitativ bestimmen?) 2. Fundamentalvoraussetzung Es muss ein vereinbartes Normal (eine vereinbarte Einheit) geben. 4

5 Grundnormale 1. Kilogramm (kg) Urkilogramm als Platin-Iridium-Zylinder. (Der Zylinder wird in Sévres bei Paris aufbewahrt.) 2. Meter (m) Strecke s, die das Licht in Vakuum während einer Zeitspanne durchläuft. (Die Zeitspanne ist 1/ s, denn die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist m/s.) 3. Sekunde (s) Vielfaches der Schwingungsdauer der Resonanzschwingung eines bestimmten Atoms. (Es handelt sich um das Caesium-Atom 133Cs. Eine Sekunde ist das fache seiner Schwingungsdauer.) 4. Ampere (A) Stromstärke, bei der zwischen zwei parallelen elektrischen Leitern eine bestimmte Kraft wirkt. (Die Kraft beträgt 0, N. Die Leiter befinden sich im Vakuum, haben einen vernachlässigbar kleinen kreisförmigen Querschnitt und können als unendlich lang betrachtet werden.) 5

6 5. Kelvin (K) 273,16-Teil der absoluten Temperatur des Tripelpunktes von Wasser (Der Tripelpunkt liegt bei 0,01 C, der absolute Nullpunkt bei -273,15 C. Dazwischen liegen 273,16 K. Temperaturmessgeräte werden über die Internationale Temperaturskala ITS 90 geeicht.) 6. Candela (cd) Lichtstärke einer bestimmten Strahlungsquelle in einen bestimmten Raumwinkel. (Es handelt sich um monochromatisches Licht der Frequenz Hz in einem Raumwinkel von 1 Steradiant.) 7. Mol (mol) Stoffmenge, die der Anzahl einer bestimmten eines bestimmten Stoffs entspricht. (Atome in 12 g des Nuklids 12 C: 6, = Avogadrozahl) (Andere Normale können aus den Grundnormalen abgeleitet werden, zum Beispiel das Newton aus Kilogramm, Meter und Sekunde.) Fazit: Die Maßverkörperungen der Grundnormale sind Objekte (Urkilogramm) oder bekannte physikalische Erscheinungen (Tripelpunkt des Wassers, Lichtgeschwindigkeit). Letztere sind leichter zu reproduzieren. Man braucht keinen Transport von Referenzobjekten. (In der weiteren Folge sind aber Referenzmessgeräte zulässig und üblich.) 6

7 Internationale Temperaturskala ITS 90 Fixpunkte (Auszug) Tripelpunkt von Wasserstoff: -259,3467 C Wasserstoff bei 32,9 kpa: -259,3467 C Wasserstoff bei 102,2 kpa: -252,85 C Tripelpunkt von Neon: -248,5939 C Tripelpunkt von Sauerstoff: -218,7916 C Tripelpunkt von Argon: -189,3442 C Tripelpunkt von Quecksilber: -38,8344 C Tripelpunkt von Wasser: 0,01 C Schmelzpunkt von Gallium: 29,7646 C Gefrierpunkt von Indium: 156,5985 C Gefrierpunkt von Zinn: 231,928 C Gefrierpunkt von Zink: 419,527 C Gefrierpunkt von Aluminium: 660,323 C Gefrierpunkt von Silber: 961,78 C Gefrierpunkt von Gold: 1064,18 C Gefrierpunkt von Kupfer: 1084,62 C 7

8 Anwendung Die Temperaturskala gibt für jeden Bereich (und teilweise auch darüber hinaus) ein Thermometer an, mit dem die Temperaturen in diesem Bereich bestimmt werden. Das Thermometer wird an den Fixpunkten kalibriert. Die verwendeten Thermometer haben keine absolute Genauigkeit, aber die Abweichungen zu den richtigen Temperaturen sind so gering, dass sie in der Praxis ohne Bedeutung sind. Referenzthermometer Helium-Dampfdruck-Thermometer (0,65-5 K) Heliumgas-Thermometer (3-24,5 K) Standard-Platin-Widerstandsthermometer (13,8-961,8 K) Monochromatische-Strahlungs-Thermometer (>961,8 K) Sonderstellung der Temperatur Die Temperatur ist keine teilbare (extensive) Größe. Teilt man einen Körper, teilen sich zwar seine Masse oder sein Volumen, aber nicht seine Temperatur. Teilbare Größen haben den Vorteil, dass jeder Messwert als Vielfaches des Messwerts eines Referenzobjekts angegeben werden kann, bei einer Masse z.b. als Vielfaches eines Körpers mit bekannter Masse (Wägestück). Neben der Masse sind ebenso Weg, Zeit, Lichtstärke, Stromstärke und Stoffmenge teilbar. Bei der Temperatur als nicht teilbarer Größe müssen hingegen zunächst ein Nullpunkt und ein Bereich willkürlich festgelegt werden, um eine Einheit zu bekommen. 8

9 Kalibrieren, Justieren und Eichen Messen Messgröße x Eichgröße xn Eichinformation Messeinrichtung Anzeigegröße xa Messeinrichtung vergleicht Messgröße mit bekannter Größe (Eichgröße x N ) und bildet Anzeigegröße x A (als Anzeige oder Signal). Kalibrieren Eichinformation des Messgeräts wird überprüft. Entweder mit Referenzmessobjekten (Wägestück, Eisbad usw.): Referenzgröße xr Eichgröße xn Eichinformation Messeinrichtung Anzeigegröße xa 9

10 Oder mit Referenzmessgerät: Messgröße x Referenzmessgerät Referenzgröße xr Beides mal wird Anzeigegröße des Messgeräts x A mit Referenzgröße x R verglichen. Ergebnis der Kalibrierung Korrektion: B = x R x A wird genutzt, um aus Anzeigegröße gemäß x = x A + B auf den wahren Wert der Messgröße zu schließen. Dabei gilt die Annahme x R = x. Justieren Anzeigegröße wird beim Kalibrieren geändert, bis x A = x R ist. Eichen Kalibrieren im staatlichen Zuständigkeitsbereich Geeichte Messgeräte müssen eine bestimmte Verkehrsfehlergrenze über die Eichgültigkeitsdauer hinweg einhalten. 10

11 Messprinzip und Messverfahren Messprinzip Physikalischer Zusammenhang, der für die Messung herangezogen wird, z. B. Momentengleichgewicht zur Bestimmung einer Masse wie bei einer Hebelwaage oder Druckkraft auf eine Fläche zur Bestimmung eines Drucks wie bei einem Kolbenmanometer. m N m Messverfahren Art und Weise, wie das Messprinzip angewendet und gerätetechnisch umgesetzt wird, meist als Begriffspaar, z. B. direkte und indirekte Verfahren. Direktes Verfahren: Messwert wird durch Vergleich mit einem Normal derselben physikalischen Dimension gewonnen, z. B. Gewichtsmessung durch Vergleich mit Gewichtsstücken wie bei der Hebelwaage (m = m N ). Hebelwaage m N A p Kolbenmanometer Indirektes Verfahren: Messwert wird auf Normal einer andersartigen physikalischen Dimension ermittelt und auf die physikalische Dimension der Messgröße umgerechnet, z. B. wird beim Kolbenmanometer ein Druck auf die Gewichtskraft eines Gewichtsstücks zurückgeführt. (p = m N g/a). 11

12 Kontinuierliche und diskontinuierliche Verfahren Kontinuierliche Verfahren Messgröße wird kontinuierlich erfasst wie z. B. auf einem Linienschreiber x Diskontinuierliche Verfahren Zeit Messgröße wird diskontinuierlich erfasst wie z. B. auf einem Punkteschreiber. Zwischen den Punkten sind verschiedene Verläufe möglich, wie die blaue und die rote Linie zeigen. x Zeit 12

13 Ausschlag- und Kompensationsmessverfahren Beim Messen wird die Messgröße mit einer bekannten Größe (Eichgröße) verglichen. Die Werte der bekannten Größe können auf verschiedene Weise hinterlegt werden. Ausschlagmessverfahren Bei Ausschlagsmessverfahren sind die Werte der bekannten Größe (Eichinformation) als Weglängen oder Winkel hinterlegt. In der Regel geschieht das auf einer Skala. Der Messwert kann auf der Skala abgelesen werden. Bei einer Federwaage ist die bekannte Größe die Federkraft. Sie wächst mit dem Federweg. Ihre Werte sind auf der Skala hinterlegt. Bei einem Flüssigkeitsthermometer ist die bekannte Größe die Ausdehnung der Flüssigkeit im Messrohr. Kompensationsmessverfahren Bei Kompensationsmessverfahren sind die Werte der bekannten Größen in einem veränderlichen Messobjekt (Messnormal) hinterlegt. In einem Nullabgleich wird das Messnormal solange verändert, bis es der Messgröße entspricht. Bei einer Balkenwaage besteht das Messnormal aus Gewichtsstücken. Bei der Vierleiterschaltung für die Messung mit Widerstandsthermometern ist das Messnormal eine Spannung. 13

14 Analoge und digitale Messverfahren Neben mechanischen Messverfahren sind elektronische Messverfahren heute am stärksten verbreitet. Sie ermöglichen eine Messwertfernübertragung. Zwei Arten von Verfahren werden unterschieden: Analoge Verfahren Analog zum Messwert wird eine Signalstärke gebildet, z. B. im Bereich V. Die Anzeige ist vorzugsweise ein Zeigerinstrument. Digitale Verfahren Der Messwert wird in eine Maßzahl gewandelt, seriell, als Bitfolge, übertragen und als Ziffernfolge (digital) zur Anzeige gebracht. Vor- und Nachteile der beiden Verfahren Digitalanzeigen vermeiden Ablesefehler, sind aber für den Menschen nicht so schnell und so leicht zu erfassen wie Analoganzeigen. Die serielle Nachrichtenübertragung vermeidet Fehler, wie sie bei analogen Signalen z.b. durch veränderliche Leitungswiderstände entstehen können. Aber die serielle Nachrichtenübertragung ist auch langsamer und nicht kontinuierlich. Die Werte werden diskret übertragen, d.h., sie gelten nur für bestimmte Zeitpunkte. 14

15 Smart Metering Gerätetechnik fernauslesbare Zähler für die Verbrauchsdatenübertragung an den Energieversorger über Fernverbindungen Prinzip kann auf Messgeräte ausgedehnt werden, die nicht der Verbrauchserfassung dienen Gerätetechnisch handelt es sich um Controller (Geräte mit Mikroprozessor + Ein- und Ausgänge + Netzwerkschnittstellen) Ausgänge können auch schalten Nutzen/Schaden der höheren Transparenz feinere zeitliche Auflösung, dadurch leichteres Auffinden von Zeiten mit ungewöhnlich hohem Energieverbrauch feinere räumliche Auflösung, dadurch leichteres Auffinden von Stromkreisen oder einzelnen Verbrauchern mit ungewöhnlich hohem Energieverbrauch Vergleichswerte möglich: o mittl. Tagesverbrauch in Ihrer Nachbarschaft: 5,2 kwh o Tagesverbrauch Ihres sparsamsten Nachbarns: 3,9 kwh o Ihr Tagesverbrauch: 7,5 kwh Aber auch erhöhte Einbruchsgefahr, wenn Verbrauchsdaten in falsche Hände geraten erhöhter Datenschutz, sichere Fernverbindungen 15

16 Messsystem Messergebnis Ein Messergebnis wird aus einem oder mehreren Messwerten gewonnen. Z. B. kann aus verschiedenen Gewichtsmessungen ein Wassergehalt bestimmt werden. Messgerät Gerät, das zu Messzwecken hergestellt wurde. Es gibt verschiedene Ausführungen, z. B. - Hand- und Tischmessgeräte - Betriebs- und Feinmessgeräte - Messgeräte mit und ohne Hilfsenergie Messeinrichtung Messtechnischer Aufbau zur Ermittlung des Messergebnisses. Im Bild gehören die Waage und die Anzeige zur Messeinrichtung. Messsystem Aufbau zur Ermittlung des Messergebnisses. Enthält nicht nur Messeräte und Anzeigen, sondern auch Vorrichtungen zur Aufnahme, ggf. auch zur Behandlung des Messobjekts wie hier die Presse und auch das Messobjekt selbst. 16