Druck - Vergleichsinstrument Kolbenmanometer o Funktioniert durch auflegen von Vergleichsgewichten o Diese sollen den Zylinder im Gleichgewicht zum Öldruck halten o Es gibt eine obere Grenze wenn die Gewichte zu leicht für den Öldruck sind o Es gibt eine untere Grenze wenn die Gewichte zu schwer für den Öldruck sind - Prüfling Röhrenfedermanometer o Zeigt den Druck durch Biegung eines elliptischen Rohrs über einen Mechanismus an o Ziele der Eichung: Bei mehreren Messreihen sollen immer gleiche Ergebnisse auftreten Bei Einzelmessungen und Messreihen sollen bei einzelnen Messungen vergleichbare Ergebnisse auftreten o Druckaufnahme durch Differenz zwischen Kraft im Inneren Radius und äußeren Radius des Rohrs in Verbindung mit den elastischen Kräften im Rohrinneren - Versuchsaufbau o Rohrsystem ist an eine Presse angeschlossen o Presse erzeugt den Messdruck o Rohrsystem ist auf der einen Seite mit dem Kolbenmanometer und auf der anderen Seite mit dem Röhrenfedermanometer verbunden - Unterdruck o Verschiedene Druckbereiche Grobvakuum: viskose Kontinuumsströmung Feinvakuum: freie Molekülströmung Hochvakuum und Ultrahochvakuum: einzelne, statistisch verteilte Moleküle entsprechend der Gaseigenschaften o Messverfahrensarten: Direkte Druckmessung: von der Gasart unabhängig Indirekte Druckmessung: von der Gasart besonders von der Molekülmenge abhängig o Fehlerquellen Messung zu nah an der Vakuumpumpe Messung zu nah an Bauteilen mit großem Strömungswiderstand Zu großes Volumen der Verbindungsleitung Bei Hoch- und Ultrahochdrücken Gasabgabe der Wände Falsches Ausheizen des Messsystems Zu lange Verbindung zwischen Vakuum- und Messsystem Verschmutzung Elektrische und magnetische Fremdfelder Isolationsfehler Falsche Umgebungstemperatur - Flüssigkeitsmanometer o Druck wird durch Höhe einer Flüssigkeitssäule gemessen o p g h o Medium: Quecksilber o Korrekturfaktoren Temperaturkorrektur: wird spezifische Temperatur über- oder unterschritten tritt eine Volumenveränderung der Flüssigkeit auf und die Messung wird ungenau Kapillardepression: durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit wird eine Kuppe gebildet, die auf ihrem höchsten Punkt einen höheren Druck besitzt und die Flüssigkeit mehr zusammendrückt, wodurch Messungenauigkeiten entstehen Schwerekorrektur: bei Messungen auf verschiedenen Höhenniveaus oder bei verschiedenen Breitengraden kommt es aufgrund verschiedener Erdanziehungskraft zu verschieden Volumina der Gleichen Menge Flüssigkeit und somit zu Ungenauigkeiten bei der Druckmessung - Quecksilber-Baro-Vakuummeter o Besteht aus zwei Glasröhrchen, einem Barometer und einem Unterdruckmanometer o Medium: Quecksilber o Barometer Oben verschlossen und evakuiert Luftdruck drückt auf die umgebende Flüssigkeit, somit steigt die Flüssigkeit im Röhrchen ohne Widerstand, da das Röhrchen evakuiert ist Zeigt Luftdruck an o Unterdruckmanometer Oben offen und an den zu Prüfenden Druck angeschlossen Luftdruck drückt auf die umgebende Flüssigkeit, somit steigt die Flüssigkeit im Röhrchen mit dem Widerstand des von oben wirkenden Prüfdrucks Zeigt Differenz zwischen Prüf- und Luftdruck an - U-Rohr Vakuummeter o Besteht aus einem U-förmigen o zwei Säulen mit Flüssigkeit, die durch ein U-Stück miteinander verbunden sind o Medium: Quecksilber, Wasser, Alkohol o Anwendungsbereiche Überdruckmessung: Messdruck ist höher als Luftdruck Unterdruckmessung: Messdruck ist geringer als Luftdruck Differenzdruckmessung: Verhältnis zweier Messdrücke wird angezeigt Absolutdruckmessung: Messdruck wird unabhängig vom umgebenen Luftdruck angezeigt - Wärmeleitungsvakuumether o Druckmessung über Druckabhängigkeit der Wärmeleitung von Gasen o Ein stromdurchflossener Draht, erwärmt sich und gibt seine Wärme als Wärmestrahlung an das umgebende Gas ab o Mit abnehmendem Druck nimmt die Wärmeleitung des Gases ab o Damit kann der Draht weniger Wärme an das Gas abgeben o Medium: Stickstoff oder Luft o Arten von Wärmeleitungsvakuummetern Ungeregelt: mit zunehmendem Gasdruck nimmt die Wärmeleitung des Gases zu und die Temperatur des Drahtes ab, somit leitet er besser und es fließt mehr Strom durch ihn hindurch durch Messung dieses Stroms kann eine Aussage über die Druckveränderung des Gases getroffen werden Geregelt: mit zunehmendem Gasdruck nimmt die Wärmeleitung des Gases zu und die Temperatur des Drahtes ab, somit leitet er besser, der Stromdurchfluss wird jedoch konstant geregelt die Nachreglungen zeigen die Druckveränderung des Gases an - Druckdosenmanometer o Besteht aus einer evakuierten Druckdose und einem druckdichten Gehäuse o Der Druck im Gehäuse ist der Messdruck o Wird der Messdruck reduziert, dehnt sich die Druckdose aus o Diese Ausdehnung wird über ein Zeigersystem dargestellt und zeigt die Druckveränderung des Messdrucks an - Versuchsaufbau o Eine Pumpe ist über ein Rohrsystem mit vier verschiedenen Druckmessgeräten verbunden o Zwischen Pumpe und den Messgeräten befindet sich ein Ventil o Mit diesem Ventil lässt sich der Druck bei laufender Pumpe durch den Einlass von Außenluft regulieren - Strömungsmechanische Grundlagen o Bewegt sich eine Flüssigkeit oder ein Gas, die nicht reibungsfrei sind, an einer Wand entlang, wird die Bremswirkung zur Wand hin immer stärker o Es ergibt sich ein Geschwindigkeitsgradient senkrecht zur Oberfläche o In einem Rohr mit konstantem Durchmesser ergibt sich eine parabelförmiger Geschwindigkeitsverlauf mit dem Maximum in der Achse des Rohrs o Strömungsgebiet wird die Zone genannt in der sich das Geschwindigkeitsprofil ausbildet o Das parabelförmige Geschwindigkeitsprofil bildet sich unabhängig vom Anfangsprofil - Fehlerquelle Druckbohrung o Grate führen zu einer lokalen Beschleunigung oder Aufstauung o Querschnittsveränderungen durch Rohrwelligkeit führen zu einer lokalen Erhöhung oder Verringerung des Druckes o Zu große Bohrungsdurchmesser führen zur partiellen Aufstauung - Versuchsaufbau o Eine Umwälzpumpe pumpt Flüssigkeit in ein Rohr, das an zwei Kreisläufe angeschlossen ist o Der Druck lässt sich mit einem Ventil regulieren o Die Durchflussmenge kann an einem Flügelradzähler abgelesen werden o In welchen Kreislauf die Flüssigkeit geleitet wird, lässt sich ebenfalls durch zwei Ventile regeln o Der erste Kreislauf führt mit einem horizontalen Rohr an drei Messstellen vorbei o Der zweite Kreislauf führt in ein Demonstrationsmodell in die Auswirkung von Messfehlern gezeigt werden kann Temperatur - Temperatur o Subjektiv wahrnehmbar (als Messkriterium ungeeignet) o Verschiedene Systeme gleichen beim Zusammentreffen ihre Temperatur an o Temperatur ist eine grundlegende physikalische Größe - Wichtige Fixpunkte der Temperaturskala o Absolut Null bei einer Null-Entropie eines perfekten Kristalls o Tripelpunkt von Wasser 273,16 K o Aktuell gültige Temperaturskala ITS-90 - Temperaturmessung o Kotaktmessung: Findet durch Gleichgewichtseinstellung zwischen dem zu messendem System und dem Messsystem statt Mechanische Messung: Messung mit Messfühlern Elektrische Messung: Messung über den elektrischen Widerstand des zu messenden System, da dieser von der Temperatur abhängig ist (Voraussetzung Messung an elektrisch leitenden Materialien) o Berührungslose Messung: Temperatur wird anhand des Strahlungsverhaltens des zu messenden Systems bestimmt - Flüssigkeits-Glas-Thermometer o Flüssigkeit in der Glaskapillare dehnt sich bei Temperaturänderung anders aus als das Glas an sich o Dadurch steigt oder fällt der Pegelstand je nach Temperaturänderung o Medium: Bei niedrigen bis hohen Temperaturen: Quecksilber und Glas Bei sehr hohen Temperaturen: Quarzglas und Sonderlegierungen Bei sehr niedrigen Temperaturen: organische Flüssigkeiten o Messbereich wird durch Gefrier- und Siedepunkt der Flüssigkeit bestimmt - Widerstandsthermometer o Bei Erwärmung des zu messenden Materials erhöht sich sein elektrischer Widerstand o Deshalb lässt sich aus dem Widerstand die Temperatur des Leiters bestimmen o Medien: Platin und Nickel o Messung vielfältig möglich, da es sich um eine normal Widerstandsmessung ohne weitere Erwärmung handelt - Thermoelemente o Bei der Verbindung von zwei verschiedenen Metallen entsteht zwischen ihnen eine Thermospannung o Wenn die Temperaturen beider Messstellen gleich sind, heben sich beide Spannungen zu einer Nullspannung auf o Sind die Temperaturen beider Messstellen unterschiedlich besteht eine Thermospannung o Um einen vergleichbaren Messwert zu erhalten muss eine Messstelle auf konstanter Temperatur gehalten werden entweder über ein Thermostat oder durch eine Gegenspannung die von elektrischen Kompensationsschaltungen erzeugt wird - Anzeigeverzögerung o Bei der Temperaturmessung mit Berührungsthermometern tritt eine Anzeigeverzögerung auf, da das thermische Gleichgewicht zwischen Messsystem und zu messendem System einige Zeit braucht um sich aufzubauen o Problem vor allem für Schaltungen von Bedeutung - Pyrometrische Temperaturmessung o Schwarzer Körper Absorbiert die auftreffende Strahlung komplett Emittiert thermische Strahlung mit seiner kompletten Energie o Grauer Körper Absorbiert Strahlung nicht komplett Reflektiert nicht absorbierte Strahlung Emittiert weniger thermische Strahlung als der schwarze Körper, da er weniger Energie aufnimmt, aus Gründen der Reflektion o Zwei Möglichkeiten der Messung mit Pyrometern Mit steigender Temperatur erhöht sich die Strahlungsintensität und das spektrale Maximum verschiebt sich in den kurzwelligen Bereich Strahlungsintensität wird mit einem Strahldichtepyrometer gemessen: Es wird anhand der Strahlungsdichte die Temperatur des Wärmestrahlers ermittelt Spektrale Verteilung wird mit einem Verteilungspyrometer gemessen: Es wird anhand der spektralen Verteilung des vom Wärmestrahler ausgesendeten Spektrums die Temperatur bestimmt - Versuchsaufbau o Wasserbad mit Heizkörper zum erzeugen einer zu messenden Temperatur o Kontaktthermometer regelt die Heizphasen o Kontaktthermometer besteht aus einem Quecksilberthermometer mit einem Draht im Inneren, kommt diese Draht mit dem Quecksilber in Berührung, schaltet sich die Heizung aus, wird der Kontakt aufgehoben, dann schaltet sich die Heizung wieder an o Die Position des Drahtes im Inneren der Glaskapillare bestimmt somit die Heiztemperatur o Die Messungen werden mit einem Quecksilberthermometer, einem Widerstandsthermometer und einem Thermoelement durchgeführt, die mit dem Wasserbad in Berührung stehen - Versuchsaufbau o Zwischen Messprobe und Betrachter befindet sich ein Glühdraht o Dieser Glühdraht ist so geeicht, dass er bei gleicher Helligkeit wie die Probe, auf die Temperatur der Messprobe schließen lässt sofern es sich um einen schwarzen Körper handelt o Sollte es sich nicht um einen schwarzen Körper handeln, liegt die wahre Temperatur unterhalb der anzeigten Temperatur o Für sehr große Temperaturen verwendet man einen Rotfilter die Einstellung des Pyrometers zu vereinfachen Konzentration - Konzentrationsmessung o Möglich durch physikalische und chemische Messmethoden o Analyse einer bestimmten Komponente nur dann möglich, wenn bei einem bestimmten Messverfahren nur die zu messende Komponente eine Reaktion zeigt und der Rest unverändert bleibt o Verschiedene Verfahren Messkomponente zeigt in Verbindung mit einer Reagenz einen Farbausschlag (Akoteströhrchen) Messkomponente absorbiert im bestimmten Wellenlängenbereich Trennung eines Gasgemisches in seine Komponenten ( Chromatographie) Analyse Stoffmenge mit Detektoren Analyse der Stoffart anhand seines Verhaltens im separierten Zustand - Orsat-Apparat o Reagieren zwei bestimmte Stoffe miteinander wird einer der beiden Stoffe vom anderen absorbiert o Das zu analysierende Gas wird in einzelnen Stationen bestimmten Stoffen zusammengebracht, die jeweils einige Teilstoffe des Gases absorbieren o Zwischen den Stationen wird die Gasmenge bestimmt, woraus sich die einzelnen Gasmengen bestimmen lassen - Flammenionisationsdetektor o Wenn z.B. eine Wasserstoff-Sauerstoff Flamme brennt und der Brenner die Kathode ist fließt ein geringer Ionenstrom zwischen Anode und Kathode, da die Flamme zu einem geringen Maß leitet o Wird nun ein Messgas, das Kohlenwasserstoff enthält hinzugemischt, erhöht sich der Ionenstrom o Die Stromstärke mit einigen Komponenten des Messgases zusammen o Anhand einer Stromstärkenänderung des Ionenstroms, kann man die Existenz und Menge bestimmter Komponenten im Messgas bestimmen - Magnetische Stoffanalyse o Es gibt Stoffe, wie Sauerstoff und einige Stick- und Chloroxide die paramagnetische Eigenschaften aufweisen o Alle anderen Stoffe sind diamagnetisch o Paramagnetismus Atome paramagnetischer Stoff besitzen magnetische Momente Unter Wärmeeinfluss werden diese Momente ungeordnet Unter magnetischem Einfluss richten sich die Einzelmomente in eine Magentfeldrichtung, wodurch eine Ordnung entsteht o Thermomagnetischer Sauerstoffanalysator „Magnos“ Nachweis von Sauerstoff aufgrund seiner paramagnetischen Eigenschaften Durch einen permanent Magneten wird das Messgas zu einer bestimmten Stelle geleitet, wo durch eine Heizwindung erwärmt wird Durch die Erwärmung nimmt die magnetische Kraft auf das erwärmt Gas ab und neues kälteres Gas wird vom Magneten angezogen Das erwärmte Gas wird vom kältern Gas verdrängt, wodurch eine Strömung genannt Magnetischer Wind entsteht Durch Messung der Strömungsgeschwindigkeit kann eine Aussage über den Sauerstoffgehalt des Messgases getroffen werden - Massenspektrometrie o Das Messgas wird durch Elektronenbeschuss ionisiert o Die Ionen werden durch ein elektrisches Feld in eine Richtung beschleunigt o Durch ein magnetisches Sektorfeld werden die Elektronen entsprechend ihrer Masse, ihrer Ladungsmenge, ihrer Beschleunigungsspannung und der magnetischen Feldstärke im 90° Winkel abgelenkt o Durch ein, an einer bestimmten Stelle positioniertes, Detektorgerät werden bestimmte Ionen registriert o Aus den Ablenkkriterien lässt sich die Ionensorte der gemessenen Menge bestimmen - Wärmeleitfähigkeitsanalyse o In einem Metallblock sind vier Heizdrähte angebracht o Diese haben zu Beginn eine konstante Temperatur o Jeweils zwei Heizdrähte werden vom Messgas und jeweils zwei von einem Vergleichsgas umspült o Durch die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit der Gase verändert sich der jeweilige Widerstand, wodurch ein Diagonalstrom fließt o Die Stärke des Diagonalstroms gib Informationen über die Komponenten des Messgases - Gaschromatographie o Das Messgas wird durch einen Probengeber zu einem Trägergas gemischt o Dann wird das Gasgemisch in einer Trennsäule an einer flüssigen oder festen Phase vorbeigeleitet o Dabei löst sich ein Teil wenn es sich um eine flüssige Phase handelt oder es wird ein Teil absorbiert wenn es sich um eine feste Phase handelt o Dieser Vorgang kehrt sich allerdings um und gibt einen Teil des Gemisches in bestimmten Zeiten wieder frei, diese Zeit wird Retentionszeit genannt o Dadurch wird jedoch die Durchlaufgeschwindigkeit des Gasgemisches reduziert, was ein Verlängerung der Durchbruchzeit zur Folge hat o Addiert man die Retentionszeit mit der Durchbruchzeit erhält man die Gesamtretentionszeit o Das die einzelnen Komponenten unterschiedliche Retentionszeiten besitzen erreichen sie den Detektor am Ende der Trennsäule in unterschiedlichen Zeiten und können separat registriert werden o Die registrierte Menge gibt die Konzentration der einzelnen Komponenten an o Zur Auswertung werden Wert eines vorher bekanntes Eichgas zur Hilfe gezogen - Infrarot-Absorptionsanalyse o Bis auf einatomige Edelgase und zweiatomige Elementargase besitzt jedes Gas ein spezifisches Absorptionsspektrum o Fällt nun Strahlung durch das jeweilige Gas wird ein bestimmter Anteil der Strahlung vom Gas absorbiert o Die absorbierte Menge hängt von der Schichtdicke (hängt von der Konzentration und der durchstrahlten Länge ab) und dem Absorptionskoeffizienten (hängt von der Gaskomponente, der Temperatur und der Wellenlänge ab) ab o Hinter dem Gas triff die übrige Strahlung auf einen Empfänger der meist mit der im Gasgemisch zu messende Komponente übereinstimmt o Durch die Absorption erhöht sich die innere Energie des Gases im Empfänger o Dies wirkt sich auf die Temperatur und somit auf den Druck aus o Anhand der Druckänderung kann die Konzentration der jeweiligen Komponente bestimmt werden - Infrarotanalysator Uras o Zwei Strahler senden zueinander paralleles Licht aus o Dies wird vorgefiltert sodass nur noch ein bestimmter Spektralbereich übrig bleibt o Der eine Lichtstrahl durch eine Kammer mit Vergleichsgas, dort wird eine bestimmte Strahlungsmenge absorbiert o Die andere Strahl fällt durch die Kammer mit dem Messgas wo ebenfalls ein bestimmter Teil absorbiert wird o Die jeweils unterschiedlich abgeschwächten Strahlen treffen auf den Empfänger und erwärmen dort zwei unterschiedliche Kammern o Durch die unterschiedliche Restenergie beider Strahlen, erwärmen sich beide Kammern unterschiedlich, wodurch sich das Gas in ihrem Inneren unterschiedlich ausdehnt o Die Ausdehnungen werden durch eine Membran registriert und durch eine Elektrode weitergeleitet - Infrarotanalysator Unor o Ein Strahler sendet einen Stahl, der periodisch von einer Rotationsblende abgeschirmt wird, aus o Dieser Strahl fällt, je nach Abschirmung in eine von zwei Kammern o In der einen Kammer befindet sich das Messgas und in der anderen das Vergleichsgas o Im Mess- und Vergleichsgas werden jeweils unterschiedliche Strahlungsanteile absorbiert o Die restlichen Strahlungsanteile treffen auf einen, aus zwei Kammern bestehenden, Empfänger o Fällt die Strahlung in die erste Kammer, erhöht sie die Temperatur in der ersten Kammer, was zu einer Abgabe ihrer Zentrumsenergie führt o Erreicht die Strahlung die zweite Kammer, erhöht sich ebenfalls die Temperatur der zweiten Kammer, da die Strahlung nun auch ihre Flankenenergie abgibt o Mit zunehmender Schichtdicke nimmt die Halbwertsbreite der Absorptionslinien zu o Die Temperaturveränderung in den Kammern führt zu einer Druckveränderung, die durch einen Membrankondensator in registrierbare Kapazitätsänderungen umgesetzt werden kann - Versuchsaufbau o Gaschromatograph besteht aus einer Trennsäule, einem schraubenförmigen Glasrohr das mit einem Trennmittel gefüllt ist, und einem Gasmantel o Am Anfang des Gaschromatographen befindet sich die Zuleitung des Trägergases o Am Ende des Gaschromatographen ist ein WLD Detektor angebracht o Im WLD Detektor werden die Messung mit Hilfe eines Halbleiters mit negativem Temperaturkoeffizienten, dass heißt bei steigender Temperatur sinkt der elektrische Widerstand des Halbleiters o In die Temperatur des Halbleiters konstant hängt der elektrische Widerstand nur von der Wärmeleitfähigkeit der Umgebung ab o Die Änderungen des elektrischen Widerstands werden in einem Betriebsgerät gemessen o An dem Betriebsgerät ist ein Schreiber angeschlossen, der die Messergebnisse graphisch festhält - Versuchsdurchführung o Das Gas wird mit einer Spritze in die Glasröhre und in die Trennröhre injiziert o Das Programm LabView zeichnet die gemessenen Daten auf - Versuchsauswertung o Es ergeben sich 4 Maxima, 4 Fraktionen Fraktionen 1: Luft Fraktionen 2: Verunreinigung Propan Fraktionen 3: Isobutan Fraktionen 4: Normalbutan o Die Anteile der Fraktionen werden durch Flächen unterhalb der Konzentrationskurve wiedergegeben - Butan o Alkan o Kann als n-Butan und i-Butan vorliegen n-Butan: unverzweigte Kohlenstoffkette i-Butan: verzweigte Kohlenstoffkette o im Benzin enthalten o in Verbindung mit Luft und Sauerstoff leicht brennbar - Propan o Alkan o Im Rohöl und Erdgas enthalten o Schwer entflammbar - MAK Wert o Maximale Arbeitsplatzkonzentration von Schadstoffen in der Luft, denen der Beschäftigte ausgesetzt ist o Wird durch Prüfröhrchen mit einer bestimmten Substanz, durch Farbänderung angezeigt - Versuchsaufbau o Besteht aus einem Dräger-Röhrchen und einer Dräger-Gasspürpumpe o Röhrchen und Pumpe sollten vom gleichen Hersteller sein o Das Fördervolumen und die Saugcharakteristik der Pumpe sollten der Toleranz das jeweiligen Prüfröhrchens entsprechen o Nachdem die Abbrechvorrichtungen des Prüfröhrchens entfernt wurde, wird das Röhrchen in den Pumpenkopf gesteckt o Der Balg zusammengedrückt bis die Ziehharmonika komplett zusammengefaltet ist o Den Balg loslassen erfaltet sich wieder aus bis die Distanzkette gespannt ist o Diesen Vorgang gemäß der Pumpenhübeangabe auf dem Röhrchen wiederholen - Ergebnisse o Es sind drei verschiedene Ergebnisse möglich Farbanzeige endet rechtwinklig zur Längsachse des Prüfröhrchens: kann direkt an der Skala abgelesen werden Farbanzeige ist schräg zur Längsachse des Prüfröhrchens: es muss der Mittelwert zwischen langer und kurzer Verfärbung gebildet werden Farbanzeige verläuft ungleichmäßig: wird bis nach der letzten schwachen Verfärbung abgelesen