1 Grundlagen des elektrischen Messens mechanischer Größen M. Laible 1.1 Einführung 1.1.1 Grundsätzliches über das Messen Messen ist das Erfassen und Darstellen einer physikalischen Größe. Dabei wird die zu messende Größe mit einer bekannten Größe der gleichen Art verglichen, die durch Normale definiert ist. Das Messergebnis ist dann das Produkt aus einer Maßzahl und der Einheit, die heute allgemein durch internationale Konventionen festgelegt ist. X = x E (1-1) Die Größe X wird durch die Maßzahl x und die Einheit E bestimmt, z.b. wird eine Länge L in der (Grund-)Einheit Meter gemessen. L = 22m (1-2) Die sieben international festgelegten Grundeinheiten sind: Länge in Metern, Formelzeichen m Masse in Kilogramm, Formelzeichen kg Zeit in Sekunden, Formelzeichen s Stromstärke in Ampere, Formelzeichen A Temperatur in Kelvin, Formelzeichen K Lichtstärke in Candela, Formelzeichen cd Stoffmenge in Mol, Formelzeichen mol Alle anderen Einheiten sind hiervon abgeleitet. Allerdings ist eine Messung nur unzureichend durch das oben angegebene Ergebnis beschrieben, daher muss für die Angabe des vollständigen Messergebnisses noch eine Betrachtung der Messunsicherheit erfolgen, damit die wahrscheinlichen Messabweichungen quantifiziert werden können. 1
Kapitel 1 1.1.2 Was bedeutet Messen? Das Messen ist ein Teilgebiet des Prüfens (Abb. 1-1). Prüfen maßlich (objektiv) nicht maßlich (subjektiv) Abb. 1-1: Messen als Teilgebiet des Prüfens Messen Prüfen mit Lehren Sichtprüfung nicht optische Pr. vergleichend zählend hören tasten riechen etc. (dimensionsbehaftet) Auch wenn das Messen unter dem Motto objektives Prüfen steht, sollte die nicht maßliche Prüfung nicht unterbewertet werden, nur weil dort subjektiv steht. So gibt es viele Bereiche, in denen diese Art der Prüfung eine große Rolle spielt, sei es das Verkosten organischer Rohstoffe wie Tee oder Kaffee, oder sei es die Sichtprüfung nach dem Installieren von Dehnungsmessstreifen. Gerade in den letzten Jahren wird in diesen Bereichen verstärkt versucht, durch neue Sensoren (Stichwort Biosensoren) objektivere Kriterien für solche Prüfungen zu finden und anzuwenden. Abb. 1-2: Teilgebiete der Präzisions- Labor- industrielle (Fertigung) im Alltag: Temperatur, Waage, etc. Sondergebiete: Geodäsie, Verkehr, etc. Wie Abb. 1-2 zeigt, kann auch der Bereich des Messens, die, wiederum in verschiedene Bereiche unterteilt werden. Dieses Buch (und das Seminar, aus dem es entstanden ist) beschäftigt sich im Wesentlichen mit den Bereichen Labormesstechnik und industrielle, also Fertigungsmesstechnik und Qualitätssicherung. Die Problematik der Präzisi- 2
Grundlagen des elektrischen Messens mechanischer Größen onsmesstechnik, z.b. bei den Kraftmesseinrichtungen des DKD, wird hier nicht behandelt, auch wenn einige der hier besprochenen Aufnehmer- oder Verstärkerprinzipien dort verwendet werden. Ebenfalls nicht eingegangen wird hier auf die im Alltag, bei denen z.b. Wägezellen mit DMS in Badezimmerwaagen eingesetzt werden, da es sich hier um Low-cost-Bereiche handelt, bei denen zwar ebenfalls die hier besprochenen Prinzipien verwendet werden, das Hauptgewicht jedoch auf die Produktion kostengünstiger Messketten gelegt wird. 1.2 Die Messkette In allen Fällen wird eine Messkette (Abb. 1-3) eingesetzt, die aus Aufnehmer, Messverstärker und Ausgabe besteht, meist ist noch eine Signalverarbeitung mit im Verstärker integriert. Aufnehmer Verstärker, Signalverarbeitung Anzeige, Auswertung Abb. 1-3: Grundsätzlicher Aufbau einer Messkette Anstelle des Begriffs Aufnehmer, eigentlich Messgrößenaufnehmer, wird heute vielfach der Begriff Sensor verwendet, der früher übliche Begriff Geber wird kaum noch benutzt. Falsch ist die Bezeichnung Messwertaufnehmer, denn die Messwerte sind das Ergebnis der Messung, erfasst (aufgenommen) werden physikalische Größen. Auch wenn einige Firmen zwischen normalen und intelligenten Sensoren unterscheiden, so beruht dies oft nur auf Entscheidungen der Marketingabteilungen, denn die meisten Sensoren können Störgrößen in gewissem Maße kompensieren. Die Frage ist eher, welche Störgrößen und wie gut ist die Kompensation. Eine anderer Grund für diese Bezeichnung kann die Fähigkeit sein, die Speicherung der Sensordaten, quasi das Kalibrierprotokoll dieses Teils der Messkette, im Sensor selbst vorzunehmen. Diese Möglichkeit besteht im Prinzip bei allen Sensoren mit integriertem Verstärker und digitaler Signalverarbeitung. Allerdings hat dies m.e. nichts mit Intelligenz zu tun. Im internationalen Bereich wird auch häufig von smart sensors gesprochen, diese Bezeichnung trifft den Sachverhalt besser. Eine andere Unterscheidung ist wichtiger: die in aktive und passive Aufnehmer. Aktive Aufnehmer entziehen dem Messobjekt Energie und liefern ohne weitere Hilfsenergie ein Ausgangssignal, passive Aufnehmer benötigen eine Hilfsenergie, die durch die Messgröße gesteuert wird. In der Praxis sind jedoch kaum aktive 3
Kapitel 1 Aufnehmer zu finden, die keinen Verstärker, keine Signalaufbereitung o.ä. benötigen. Praktisch alle verwendeten Aufnehmer, auch z.b. die eigentlich aktiven piezoelektrischen Aufnehmer, benötigen an das Prinzip angepasste Verstärker, die erst eine praktikable Handhabung und damit eine Messung im Alltag unter normalen Bedingungen möglich machen. Dies hat den Vorteil, dass die Rückwirkung auf das Messobjekt sehr klein bleiben kann, wenn diesem keine Energie entzogen wird. Leider wird manchmal die Bezeichnung aktive Aufnehmer auch für Sensoren verwendet, die zwar eine Hilfsspannung benötigen, aber eine Signalverarbeitung enthalten und normierte Signale abgeben können. Dies ist zwar nach der obigen Definition nicht richtig, wird aber teilweise zur Abgrenzung gegenüber passiven Aufnehmern verwendet, deren Signal noch entsprechend verarbeitet werden muss. Interessanterweise arbeiten die meisten Sensoren nach physikalischen Prinzipien, die bereits lange bekannt sind. Allerdings haben Werkstofftechnik und digitale Signalverarbeitung die Möglichkeiten der Aufnehmerhersteller erweitert, sodass heute auch Prinzipien verwendet werden können, die früher höchstens im Labor zu brauchbaren Messergebnissen führten. Im Abschnitt 1.3 in diesem Kapitel werden deshalb die gebräuchlichsten Prinzipien vorgestellt. Der zweite Teil der Messkette, der Messverstärker, wird zwar durch das Prinzip des verwendeten Sensors auf bestimmte Ausführungen eingeschränkt, trotzdem gibt es auch hier vielfältige Produktvarianten mit den unterschiedlichsten Eigenschaften auf dem Markt. Interessant sind die Unterschiede dann, wenn die vorgesehenen Sensoren mit verschiedenen Verstärkerprinzipien arbeiten können. Dies gilt insbesondere für die Gruppe der resistiven Sensoren. Bei den anderen Aufnehmerprinzipien, sei es kapazitiv, induktiv oder piezoelektrisch, können in der Regel nur bestimmte Verstärkerprinzipien verwendet werden, z.b. Trägerfrequenz oder Ladungsverstärker. Trotzdem gibt es auch für die Funktionsprinzipien, bei denen nicht so universelle Anwendungen möglich sind wie bei den Gleichspannungs- oder Trägerfrequenzverstärkern, eine große Auswahl von Geräten und Herstellern am Markt. Dies liegt z.t. auch an den Umgebungs- oder Einsatzbedingungen für die Verstärker: von hohen zu tiefen Temperaturen, von wasserfest bis crashtauglich, von rein analogem Ausgangssignal bis volldigital mit einem bestimmten Bussystem gibt es eine große Bandbreite von Anforderungen, die niemals von einem Verstärker allein erfüllt werden können. In diesem Buch soll daher nur ein Überblick über die Vor- und Nachteile der beiden universell verwendbaren Prinzipien Gleichspannungsspeisung und Trägerfrequenzverfahren gegeben werden, sowie allgemeine Hinweise zu Aufbau und Verkabelung einer Messkette. Da heute viele Messverstärker bereits eine digitale Signalverarbeitung enthalten, das Signal somit digital vorliegt, und die Erfassung und Verarbeitung von Messdaten mit dem PC praktisch zum Standard in der geworden ist, werden die damit verbundenen Problematiken aber auch die Vorteile in einem eigenen Kapitel behandelt: Kapitel 9, Digitale Datenerfassung und Verarbeitung. Dies schließt 4
Grundlagen des elektrischen Messens mechanischer Größen theoretisch den letzten Teil der Messkette, die Anzeige und Ausgabe, ab. Es bleiben jedoch noch weitere wichtige Fragen: 1. Wie kann ich sicherstellen, dass die Messkette als Ganzes funktioniert? 2. Was ist bei der Durchführung einer Messung zu beachten? 3. Welche Qualität hat eine Messung mit dieser Messkette? Die erste Frage wird durch den Abgleich der Messkette geklärt. Dabei gibt es jedoch verschiedene Möglichkeiten, die sich sowohl im Aufwand und der Vorgehensweise als auch in den Resultaten unterscheiden und daher ihre spezifischen Vor- und Nachteile haben. Deshalb ist dieser Problematik für die am häufigsten eingesetzten Aufnehmer ein (kleines) eigenes Kapitel gewidmet, Kapitel 10, Abgleich von Messketten. Der Abgleich von piezoelektrischen Aufnehmern wird in Kapitel 4, Piezoelektrische Sensoren, ab Seite 95 behandelt. Die zweite Frage, die auch eng mit der Vorbereitung der Messung verknüpft ist, wird zusammen mit der Problematik von Temperaturänderungen während der Messung im Kapitel 11, Durchführen von Messungen, erläutert. Die dritte Frage nach der Qualität der Messkette, also den resultierenden Messunsicherheiten einer Messung mit einer bestimmten Messkette unter den gegebenen Prüfbedingungen, ist leider meist nicht einfach zu beantworten. Es gilt auch für eine Messkette: Sie ist nur so stark wie ihr schwächstes Glied. Deshalb muss der Auswahl der Komponenten entsprechende Sorgfalt gewidmet werden. Um jedoch zu wissen, welche Fragen zu stellen sind und wie sich Entscheidungen auswirken, muss die Vorgehensweise bei der Ermittlung der Messabweichungen bekannt sein. Kapitel 12, Berechnung der Messunsicherheit, erklärt die anzuwendenden Verfahren und zeigt exemplarisch das Vorgehen. Leider werden, trotz der Vielzahl an Informationen, die Sie in diesem Buch finden, die hier vermittelten Kenntnisse in der Regel noch nicht ausreichen, um mit einer der hier besprochenen Messketten Messungen selbstständig durchführen und auswerten zu können. So sind z.b. bei der Messung mit Dehnungsmessstreifen in der experimentellen Spannungsanalyse zahlreiche Kenntnisse notwendig: 1. Der DMS muss zunächst installiert werden. Um dies zu erlernen, gibt es Praktika, die nach der VDI/VDE/GESA-Richtlinie 2636 [4] zwei Tage dauern. Aber auch nach diesem Praktikum muss das Installieren erst noch weiter geübt werden! 2. DMS und Messverstärker müssen verschaltet und die Messkette abgeglichen werden. Speziell für DMS-Messungen empfiehlt die oben angeführte Richtlinie ebenfalls zweitägige Kurse. 5