Messtechniklabor: Digitales Messen

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1 Messtechniklabor: Digitales Messen Dipl.-Ing. Jürgen Beumelburg Seite 1

2 AGENDA 1) Aufgabe Versuch 7 - Versuchsauswertung ) Sensoren 3) Anzeigeeinheiten 4) A/D Wandler 5) Messen am Oszilloskop 6) Stoßdämpferversuch Seite

3 1) Aufgabe Versuch 7 - Versuchsauswertung Messung am Oszilloskop Die Messergebnisse einer Periodendauer sind wie folgt auszuwerten: 1 1. Bestimmung der Frequenz des Messsignals f = = T. Bestimmung der Anzahl der Nulldurchgänge einer Periode INULL 3. Bestimmung der Maxima Max1, Max, Max3 1 (n n Δ + Δ )* Δ t mess 4. Bestimmung der Minima Min1, Min, Min3 y(t) y y 3 y 1 y m y m = y (y1 y3 ) 8 *(y y + 1 y 3 ) Δt Δt Δt Seite 3

4 1) Aufgabe Versuch 7 - Versuchsauswertung Stoßdämpfer 1. Berechnen Sie aus den ausgegebenen Messwerten (Anzahl = 10) die jeweiligen physikalischen Größen und die dazugehörige Versuchszeit (1. Messwert IY(1) zur Zeit t = 0). Tragen Sie diese Werte in den Plot s = s(t), F = F(t) ein.. Zeichnen Sie anhand der vom Drucker ausgegebenen Werte s(t) und F(t) das Kraft-Weg-Diagramm. 3. Bestimmen Sie eine Approximation für die gemessene Kraft/Weg Kurve: für den Zugbereich F Z = c Z * v (F 0) für den Druckbereich F D = c D * v(f < 0) Die Koeffizienten c Z bzw. c D sind mit Hilfe der Fehlerquadratmethode zu bestimmen: ( i Fi * vi ) cz = ( v ) i i ( Fi * vi ) für F 0 ; cd i = ( v ) für F < 0 4. Mit den Koeffizienten c Z,c D sind die Kräfte F Z (t) = c Z * v(t) bzw. F D (t) = c D * v(t) zu berechnen und in das Kraft-Weg-Diagramm einzutragen. ( Dimensionen!!! ) i i Seite 4

5 AGENDA 1) Aufgabe Versuch 7 - Versuchsauswertung ) Sensoren 3) Anzeigeeinheiten 4) A/D Wandler 5) Messen am Oszilloskop 6) Stoßdämpferversuch Seite 5

6 ) Sensoren Sensoren wandeln die zu messenden physikalischen Größen (die meist nicht elektrisch sind) in ein elektrisches Messsignal um. Dabei stehen die Ausgangssignale im Zusammenhang zu den Messsignalen. Physikalische / Chemische Größe (nicht elektrisch) Sensor Elektrisches Ausgangssignal Störgrößen Seite 6

7 ) Sensoren Typen von Sensoren: A Druck Kraft Drehmoment Beschleunigung Länge / Abstand p x&& F l F l Winkel Temperatur α T Füllstand Drehzahl h Durchfluss Q Partikelmesstechnik Konzentrationsmessung Seite 7

8 ) Sensoren Signalform des Sensor-Ausgangssignals Klassifizierung: Amplitudenanaloge Sensoren: Die Amplitude des elektrischen Ausgangssignals ist proportional zu der zu messenden physikalischen Größe. Für alle wichtigen Messgrößen verfügbar. Frequenzanaloge Sensoren: Liefern ein Wechselspannungssignal, dessen Frequenz der zu messenden physikalischen Größe proportional ist. Selten im Vergleich zu amplitudenanalogen Sensoren. Digitale Sensoren: Umwandlung der nichtelektrischen Messgröße in ein digitales Signal. Seite 8

9 AGENDA 1) Aufgabe Versuch 7 - Versuchsauswertung ) Sensoren 3) Anzeigeeinheiten 4) A/D Wandler 5) Versuchaufbau: Messen am Oszilloskop 6) Stoßdämpferversuch Seite 9

10 3) Anzeigeeinheiten Analoge Anzeigeeinheit M Seite 10

11 3) Anzeigeeinheiten Digitale Anzeigeeinheit M Seite 11

12 AGENDA 1) Aufgabe Versuch 7 - Versuchsauswertung ) Sensoren 3) Anzeigeeinheiten 4) A/D Wandler 5) Messen am Oszilloskop 6) Stoßdämpfer Seite 1

13 3) A/D Wandler Sukzessive Approximation 8-Bit A/D-Wandler 0-10V 1 LSB* (Digit) = Kodierung Meßbereich n 10V = 56 = V Zahlenbereich: 0 ( n 1) *LSB = least significant bit mv Seite 13

14 3) A/D Wandler Bisection Approximation V V Bit A/D-Wandler 0-10V V V V V V V 8 5V 5 +.5V 1 LSB* (Digit) = 7 Meßbereich n 10V = 56 = V V V Zahlenbereich: 0 ( n 1) *LSB = least significant bit V V V V 5 +.5V 5V Seite 14

15 3) A/D Wandler Aufbau Messapparatur: Kanalnummer 0 1 Wandlung fertig Monitor A/D-Wandler k Wandelzeit <= 0.01ms Meßwert 16 Bit PC Tastatur, Maus U C Analog-Multiplexer Start- Impuls Drucker Echtzeituhr Seite 15

16 3) A/D Wandler Varianten des Messaufbaus: A D A D Mikrocomputer A D A D Mikrocomputer A D PC / Mikrocomputer A D Mikrocomputer Server / Host A D A D Mikrocomputer Seite 16

17 AGENDA 1) Aufgabe Versuch 7 - Versuchsauswertung ) Sensoren 3) Anzeigeeinheiten 4) A/D Wandler 5) Messen am Oszilloskop 6) Stoßdämpferversuch Seite 17

18 4) Messen am Oszilloskop Simuliertes Signal: Δt = T IMESS Δt = INOTI* 10 (IRATE-7 ) T t Seite 18

19 4) Messen am Oszilloskop Berechnung IRATE u. INOTI : Δt = 1,5*10 3 s INOTI IRATE IRATE = 1 : 1 MHz IRATE = : 100 KHz IRATE = 3 : 10 KHz IRATE = 4 : 1 KHz IRATE = 5 : 100 Hz Δt = 15*10 4 s Seite 19

20 4) Messen am Oszilloskop Messung: Δt Δt = T IMESS Δt = INOTI* 10 (IRATE-7 ) T t Seite 0

21 4) Messen am Oszilloskop Bestimmung von Max / Min: ****************************************************************************** MESSTECHNIKLABOR Versuch V7.1, VersuchsNr. 0 ****************************************************************************** ( y1 y 3 ) y m = y 8 * ( y1 y + y 3 ) Name: Beumelburg Datum: 19-JAN-00 Uhrzeit: 14:30:3 Anzahl der Messungen (IMESS): 110 Messrate (IRATE): Anzahl der Impulse (INOTI): 5 y(t) y y 3 y 1 Δt Δt Δt y m Y(IMESS) Y( 1) , Y( 11) Y( 1) Y( 31) Y( 41) Y( 51) Y( 61) Y( 71) Y( 81) Y( 91) Y(101) Seite 1

22 4) Messen am Oszilloskop Frequenzbestimmung: Δt T t Seite

23 4) Messen am Oszilloskop Frequenzbestimmung: Δt 4 T Δt = 3 IMESS T t Seite 3

24 4) Messen am Oszilloskop ****************************************************************************** Berechnung der Frequenz: T MESSTECHNIKLABOR Versuch V7.1, VersuchsNr. 0 ****************************************************************************** n+1 0 n+1 6 Name: Beumelburg Datum: 19-JAN-00 Uhrzeit: 14:30:3 Anzahl der Messungen (IMESS): 110 Messrate (IRATE): Anzahl der Impulse (INOTI): 5 0 Δ 1 f mit = 1 = T Δ = ( n ) 6 n0 Δ1 + Δ * Δtmess y n 6 T Δ n y + n y n+1 1 Y(IMESS) Y( 1) , Y( 11) Y( 1) Y( 31) Y( 41) Y( 51) Y( 61) Y( 71) Y( 81) Y( 91) Y(101) Seite 4

25 AGENDA 1) Aufgabe Versuch 7 - Versuchsauswertung ) Sensoren 3) Anzeigeeinheiten 4) A/D Wandler 5) Messen am Oszilloskop 6) Stoßdämpferversuch Seite 5

26 Schwingungsdämpfern allgemein: Messtechniklabor: Versuch 7 Digitales Messen 5) Stoßdämpferversuch Stangenführung Stangendichtung Ölräume Kolbenstange Arbeitskolben Gasraum Trennkolben ohne Schwingungsdämpfer mit Schwingungsdämpfer Seite 6

27 5) Stoßdämpferversuch Einrohr-Stoßdämpfern: Befestigungsgelenk Kolbenstangenführung Kolbenstangendichtung Kolbenstange Schutzrohr Kolbenventil Arbeitszylinder Tennkolben Gasraum Befestigungsgelenk Druckstufe Zugstufe Seite 7

28 5) Stoßdämpferversuch Zweirohr-Stoßdämpfern: Druckstufe Zugstufe Seite 8

29 5) Stoßdämpferversuch Versuchseinrichtung: M K PC M S F Funktionsgenerator H Hydraulikaggregat K Kraftmessdose M Messverstärker L Leistungsverstärker R PID-Regler S Stoßdämpfer W Wegaufnehmer F R L H W P Seite 9

30 5) Stoßdämpferversuch Wegsignal: Weg : s = a 0 ( t T ) + s1 sin ω A 13 t s a0 = s = s1 sin ωt s & = v = s { ω cos ω t 1 v max s T A T M s = a + a cos ω t b sin ωt Seite 30

31 5) Stoßdämpferversuch Kraftsignal: Kraft: F = a + a cosω t+ bsinω t + a cos ωt + b sinωt + a cos3 ωt + b sin3ω t+ a cos4 ωt+ b sin4ωt Seite 31

32 5) Stoßdämpferversuch ****************************************************************************** MESSTECHNIKLABOR Versuch V7., Versuchs-Nr. 0 ****************************************************************************** Name: Beumelburg Datum: 19-JAN-00 Anzahl der Messungen IMESS = 500 Itervallzeit DT = [s] Periodendauer TM = [s] Kreisfrequenz OMEGA = [1/s] Wegamplitude S1 = 35.0 [mm] Phasenzeit TA = [s] Umrechnung: Zeit T=(I-1)*DT Weg S=IY(I)*15./3768 [I=1, 3, 5,..., 4997, 4999] Kraft F=IY(I)*5./3768 [I=, 4, 6,..., 4998, 5000] OMT=OMEGA*T V =OMEGA+(-A1*sin(OMT)+B1*cos(OMT)) Fourierkoeffizienten fuer den Weg: S =A0+A1*cos(OMT)+B1*sin(OMT) A0 A1 B Fourierkoeffizienten fuer die Kraft: F =A0+A1*cos(OMT)+B1*sin(OMT)+ A*cos(*OMT)+...+B4*sin(4*OMT) A0 A1 B1 A B A3 B3 A4 B Messwerte IY(I) I = IY= Seite 3

33 5) Stoßdämpferversuch Kraft-Weg Diagramm : Messwerte T,S(T),V(T),F(T) Offset fuer die Kraft: T= S= V= F= T= S= V= F= T= S= V= F= T= S= V= F= T= S= V= F= Weg in mm Kraft-Weg Diagramm 1,00 1,000 0,800 0,600 0,400 0,00 0,000-40,00-30,00-0,00-10,00 0,00 10,00 0,00 30,00 40,00-0,00-0,400-0,600 F(t) -0,800 Kraft in kn Seite 33

34 5) Stoßdämpferversuch Berechnung von c D und c Z : Kraft-Weg Diagramm F D s, s, & & s Kraft in kn F(t) c*v(t) F D = v max c * c D Z *cos ωt *cos ωt Druck Zug c D F * v i Druck i ; c = Z v Fi Zug = i vi * v i Weg in mm Seite 34

35 Versuchsauswertung: Messung am Oszilloskop Die Frequenz berechnen. Die Anzahl der Nulldurchgänge einer Perioden bestimmen. 3 Maxima/Minima berechnen. Stoßdämpferversuch 10 Messwerte umwandeln in die jeweiligen physikalischen Größen und in den Plot s=s(t), F=F(t) eintragen. Das Kraft-Weg-Diagramm mit den Werten s(t) und F(t) erstellen. Die Koeffizienten c Z bzw. c D berechnen. Das Kraft-Weg-Diagramm mit den Werten s(t) und c Z *v(t) bzw. c D * v(t) erstellen. Seite 35