Messen, Steuern, Regeln

Messen, Steuern, Regeln
Die Messtechnik befasst sich mit Geräten und Methoden zur Bestimmung (Messung)
physikalischer Größen wie beispielsweise Länge, Masse, Kraft, Druck, elektrischer Strom,
Temperatur oder Zeit.
Wichtige Teilgebiete der Messtechnik sind die Entwicklung von Messsystemen und Messmethoden,
sowie die Erfassung, Modellierung und Reduktion (Korrektur) von Messabweichungen und
unerwünschten Einflüssen. Dazu gehört auch die Justierung und Kalibrierung von Messgeräten
sowie die korrekte Reduktion der Messungen auf einheitliche Bedingungen. (Quelle: Wikipedia)
Die Messtechnik ist in Verbindung mit Steuerungs- und Regelungstechnik eine wichtige Grundlage
der modernen Automatisierungstechnik.
Der Computer ist in der Messtechnik zum unersetzlichen Hilfsmittel geworden. Rechner führen
automatisch Messungen aus, analysieren Messdaten und stellen sie als Grafik oder Datei zur
weiteren Verarbeitung bereit.
Musste früher eine Regelungsschaltung diskret aufgebaut und bei jeder Änderung die Schaltung
geändert werden, ändert man heute nur das Programm.
Messtechnik
Jede Messeinrichtung („Gesamtheit aller Messgeräte und zusätzlicher Einrichtungen zur Erzielung eines
Messergebnisses“ DIN 1319) weist folgende Basisfunktionen auf:
Eingabe ■ Messgröße
Verarbeitung
Ausgabe ■ Messwert
Schrittfolge für alle Einsatzbereiche:
• Erfassung der Messgröße (ggf. Wandlung)
• Verarbeitung (d.h. Ermittlung des Messwertes)
• Ausgabe des Messwertes (durch Anzeige, Ausdruck
und/oder Speicherung)
Einsatzbereiche der Messtechnik
• Forschung und Entwicklung Einzelmessungen und Messreihen im Labor
• Fertigung und Produktion Messreihen zur
Feststellung, ob die Messwerte den
vorgegebenen Toleranzbereich einhalten
(Qualitätssicherung)
• Betrieb und Service Einzelmessungen zur
Feststellung,
ob
vorgegebene
Betriebsparameter eingehalten werden
Prüfen (= Testen) =
Feststellen, ob ein vorgegebener Wert überschritten
oder unterschritten wird. Prüfen ist ein Sonderfall des Messens, da nicht der
genaue Messwert das angestrebte Ergebnis ist, sondern lediglich die
Information über die Lage des Messwertes in einem vorgegebenen Bereich.
Messen - Grundbegriffe
Wie lang? Wie schnell? Wie schwer? Hier handelt es sich um typische Fragestellungen, die jedem
aus dem Alltag bekannt sind. Dabei ist stets eine messtechnische Aufgabe formuliert.
Es soll nämlich die als zu messende Größe vorgegebene Messgröße (z.B. die Länge eines
Gegenstandes) als Teil oder Vielfaches einer festgelegten Einheit (z.B. Meter (m)) angegeben
werden. Dies erfolgt durch den Vergleich der Messgröße mit der Einheit und führt zum Messwert,
bestehend aus einem Zahlenwert und dem Kurzzeichen für die jeweilige Einheit.
Es handelt sich bei dem Zahlenwert im Prinzip um den Multiplikator mit dem Einfachen der Einheit.
Messgröße = Zahl · Einheit
z.B. U = 10 · 1 V = 10V
Messen ist das Vergleichen mit einer bekannten Größe. Der Vergleich kann analog oder digital,
direkt oder indirekt erfolgen.
7 Basiseinheiten
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Länge Meter 1m Wellenlänge einer Atomstrahlung
Masse Kilogramm 1kg kg-Prototyp (Platinzylinder)
Zeit Sekunde 1s ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den
beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs
entsprechenden Strahlung.
Elektrische Stromstärke Ampere 1A magn. Kraft zwischen zwei Leitern
Thermodynamische Temperatur Kelvin 1K 273,16te Teil des Tripelpunktes von Wasser. Nur bei
einer einzigen Temperatur liegt Wasser in allen drei Aggregatzuständen (fest, flüssig und
gasförmig) gleichzeitig vor: bei 273,16 K (oder 0,01 °C).
Lichtstärke Candela 1cd Lichtstärke eines schwarzen Strahlers
Stoffmenge Mol 1mol. Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensoviel
Einzelteilchen besteht, wie Atome in 0,012 Kilogramm des Kohlenstoffnuklids 12C enthalten sind.
Siehe: http://www.ptb.de/cms/themenrundgaenge/hueterindereinheiten/das-si.html
Aus den Basiseinheiten werden weitere Einheiten abgeleitet.
Beispiel:
Physikalische
Größe
Definitionsgleichung
Einheit
C = Q/U
1Farad
1F = 1C/V
Q = I·t
1Coulomb
1C = 1As
U = W/Q
1Volt
1V = 1J/C
W = F·s
(F in Richtung s)
1Joule
1J = 1Nm
F = m·a
1Newton
1N = 1kg·m/s²
Beschleunigung
a = ∆v/∆t
1m/s·s-1
Geschwindigkeit
v = ∆s/∆t
1m/s
Elektrische
Kapazität eines
Kondensators
Elektrische Ladung
Elektrische
Spannung
Arbeit
Kraft
Direktes Messen - Indirektes Messen
Zur Durchführung einer Messung ist stets eine Messeinrichtung erforderlich. Dabei
kann es sich um ein Messinstrument, ein Messgerät, einen Messaufbau oder ein
Messsystem handeln.
Bei der direkten Messung wird der Messwert direkt am Messobjekt ermittelt. Das
Messgerät zeigt den Messwert direkt an.
Typischerweise wird Spannung und Strom direkt gemessen. Für diese Messgrößen gibt
es einfache Messgeräte.
Oft gibt es keine Möglichkeit, den Messwert direkt zu ermitteln.
Bei indirekten Messungen bedient man sich einer physikalischen Eigenschaft, die sich
zu der zu messenden Größe in einem definierten Verhältnis befindet.
Eine Temperatur wird üblicherweise indirekt über das Volumen von Flüssigkeiten, die
Länge von Metallstäben oder den Widerstand eines Halbleiters gemessen.
Eine andere Form des indirekten Messens ist das direkte Messen eines oder mehrerer
Werte und die anschließende Berechnung des eigentlichen Messwerts.
Aufgabe: Gib weitere beispiele für direkte und indirekte Messverfahren an.
Analoges Messen - Digitales Messen
Analoges Messen ist die Erfassung und Darstellung der zu messenden Größe nach
einem analogen Messprinzip, das heißt in stufenloser oder kontinuierlicher Weise.
Die Messgeräte sind mit einem Zeiger auf einer Skala ausgestattet.
Aufgabe: Wie ist ein
Drehspulmesswerk, wie ein
Dreheisenmesswerk aufgebaut?
Wie funktionieren sie?
Beim digitalen Messen wird der Messwert direkt in
Ziffernform dargestellt.
Drehspulmesswerk
Wird jetzt über die Anschlussklemmen Strom
durch die Spule geleitet, so wirkt zwischen
Spule und Magnet eine, die sie um ihre Achse
verdreht, bis die Federkraft keine weitere
Bewegung zulässt.
Dreheisenmesswerk
Fließt Strom durch die Spule, so werden beide
Eisen gleichsinnig magnetisiert und stoßen sich
daher ab. Hierdurch dreht sich der bewegliche
Eisenkern vom festen weg und bringt den Zeiger
zum Ausschlag. Hierbei wird eine Feder gespannt,
bis die Federkraft gleich der magnetischen
Abstoßungskraft ist.
Übungsaufgabe
Wir wollen ein elektrisches Längenmessgerät entwerfen. Dazu soll ein Voltmeter als
Anzeige der gemessenen Länge dienen – die Skala ist geeignet einzuteilen. Mit unserer
Messeinrichtung sollen Längen zwischen 0 und 1000mm messbar sein.
Entwirf einen Vorschlag für eine solche Messeinrichtung und begründe deren
Funktionsweise.
(Skizze, Erläuterungen)
Messgrößenerfassung
Wichtigste Messgröße in der elektrischen und elektronischen Messtechnik gilt die elektrische
Spannung U, weil sie einfach zu messen ist und andere Messgrößen auf sie zurückgeführt werden
können.
Wie kann die Messgröße elektrischer Strom I auf die elektrische Spannung U zurückgeführt werden?
Bei konstanter Temperatur gilt I ~ U (Ohmsches Gesetz). Für einen definierten Widerstand R gilt also
I = U/R.
In der Praxis treten die Messgrößen im
Regelfall an solchen Stellen auf, wo die
Messeinrichtung nicht unmittelbar Platz
finden kann. Es sind deshalb Messgrößenaufnehmer erforderlich, die dann
über
Kabel
oder
eine
sonstige
Verbindung
an
die
eigentliche
Messeinrichtung angeschlossen sind.
Formen von Messgrößenaufnehmern:
■ Mess-Spitzen
■ Tastköpfe
■ Messköpfe
■ Sonden
■ Sensoren
Messspitz
e
Tastkopf
Der Begriff Sonde bezeichnet allgemein ein Gerät
oder eine Vorrichtung, mit deren Hilfe es möglich ist,
Zugriff auf entfernte oder schwer zugängliche Stellen
zu erhalten. (Quelle: Wikipedia)
Messkopf
(z.B. zur Dickenmessung mittels
Ultraschall)
Sensoren
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•
lateinisch sentire, dt. „fühlen“ oder „empfinden“
(Messgrößen-) Aufnehmer oder (Mess-) Fühler
ist ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften (z. B.:
Wärmestrahlung, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schall, Helligkeit oder Beschleunigung)
und/oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße
quantitativ erfassen kann
diese Größen werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte erfasst und in
weiterverarbeitbare Größen (meist elektrische Signale) umgeformt. (Quelle: Wikipedia)
Lichtsensoren
Kraftsensor
Temperatursensoren
Gassensor (Methan)
Übungsaufgabe
Wie misst man
Fahrradcomputer)?
am
Fahrrad
die
Momentangeschwindigkeit
(Tachometer,
Beschreibe Messeinrichtung und erläutere die Funktionsweise der Messaufnehmers,
….