MT+SESO Komplett
Werbung
Messtechnik + Sensorik Formelsammlung Furrer Simon und Kiser Patrick Begriffe und Definitionen 1. Messgrösse Messen Quantifiziertes experimentelles Erfassen physikalischer Phänomene und Vorgänge durch Vergleich der erfassten Grössen mit einer definierten Grösse gleicher Art (Messnormal) Messgrösse Die physikalische Grösse, deren Wert durch eine Messung ermittelt werden soll Messwert Zahlenwert mal Einheit Messnormal Beruhen auf gut reproduzierbaren physikalischen Zuständen. Basisgrössen Zeit, Länge, Masse, elektrische Stromstärke, Thermodynamische Temperatur, Lichtstärke, Stoffmenge Abgeleitete Einheiten Kraft, Druck, Leistung, spez. Wärmekapazität, Massenstrom, Frequenz, Beleuchtungsstärke, Energie 2. Abbilden der Messgrösse Abbildungsvorgang Die Messgrössenerfassung durch einen Sensor. Abbildung bei Messvorgängen 1) Grössen gleicher Einheit (Länge mit Lineal) 2) durch Grössen anderer Einheit (Gewicht/Feder/Massstab; Quecksilber/Ausdehnung/ Massstab) (oft der Fall) Messgleichung yM = f(y) Messprozess Durch diesen Prozess wird die Eingangsgrösse in eine messbare Grösse überführt. Diese wird dann durch einen Sensor erfasst. Messprozess ist Vorsensor. Ersatzmessgrösse Durch den Verlust wird mit dieser Grösse auf die eigentlich ursprüngliche Grösse rückgeschlossen. 3. Rekonstruktion Umkehrung der Abbildung Frage: Wie kann man aus den abgelesenen Ausgangswerten mit Hilfe bekannter Eigenschaften der Messeinrichtung auf die interessierende Eingangswerte schliessen? Möglichkeiten der Rekonstruktion 1) Serieschaltung (Skalierung, Kompensation) y^ = 1*y 2) Parallelschaltung (offener Beobachter) Messabweichung: ey = y^-y Anzeigende Geräte Bei anzeigenden analogen Messgeräten wird die Rekonstruktion Skalierung genannt. Messabweichung Die Differenz zwischen dem ausgegebenen, geschätztem Wert und der wahren Grösse. Sie entsteht durch systematische und zufällige Störungen. Offener Beobachter Berechnen (Schätzen) durch Umwege der gesuchten Grösse 4. Rückwirkung Rückwirkung Eine Verfälschung des Resultates infolge der Bauweise und Temperaturabhängigkeit des Sensors. Sensor Umformer einer physikalischen Grösse meist in ein elektrisches Signal Kalibrieren Vergleichen des angezeigten Wertes mit einem Messnormal. Intensive Grössen Temperatur, Druck, Konzentration, Geschwindigkeit, Rauhigkeit Extensive Grösse Stoff, Energie, Impuls, Menge Messeinrichtung Darunter versteht man die Gesamtheit der zur Lösung der Messaufgabe notwendigen gerätetechnischen Teilsysteme. Messsignalausgabe 1)Über Rekonstruktion 2) Über Speicherung 3) Über Normierung 7. Messverfahren Messprinzip Versteht man das jeweilige charakteristische physikalische Phänomen, das bei der Messgrössenerfassung genutzt wird. Messverfahren Praktisch, technische Realisierungsform Unterschieden werden folgende Messverfahren indirekte, direkte (interessierte Messgrösse wird mit einer Grösse gleicher Art verglichen) Messverfahren mit oder ohne Hilfsenergie z.B (Bimetallthermometer, Manometer) Ausschlags, Kompensation und Differenzmessverfahren Kontinuierliche und diskrete Messverfahren Analoge und digitale Messverfahren Ausschlagsmessverfahren z.B. Federwage, Spannungsmessgerät Merkmale: Meist verwendetes Messverfahren keine Hilfsenergie (Rückwirkung auf Messeinrichtung), zur Absolutmessung geeignet, Messabweichungen oft gross und nicht konstant über den Messbereich Differenzmessverfahren Man führt eine Doppelmessung in Parallelschaltung durch. Zwei Senosoren reagieren auf eine Messgrösse gegensinning, auf eine Störung jedoch gleichsinning. Neben Störungshemmung : Verdoppelung des Übertragungsfaktors, Linearisierung der Kennlinie z.B. Gewichtsmessung mit DMS über Biegebalken, Differenzdruckmessung Kompensationsmessverfahren (Kreisstruktur) Rückführung des Ausgangs auf den Eingang mit positivem (Mittkoppelung) oder negativem (Gegenkoppelung) Vorzeichen. KV>>KW somit Störgrösse z stark unterdrückt. z.B Manueller Nullabgleich bei einer Hebelwaage, Elektrische Kompensationswaage (Regelt die Nullabgleichung automatisch) Merkmale: genauer als Ausschlagsmessverfahren, unabhäniger auf Störwirkungen, automatischer Nullabgleich benötigt Hilfsenergie z.B Pendelwaage Fehlerkompensation in Kreisstruktur Zufällige Messabweichung Ist eine Abweichung durch nicht vorhersehbare oder zufällige zeitliche und räumliche Veränderungen von Einflussgrössen. Systematische Messabweichungen Sind Abweichungen welche durch eine bekannte Störgrösse in einem Intervall oder über die ganze Zeit einwirken. Ihr Einfluss lässt sich quantifizieren und somit eine Korrektur angewendet werden. Messunsicherheit Spiegelt die unzureichende Kenntnis des Wertes der Messgrösse wieder. Fehlerprophylaxe Man sucht Störquellen, Störursachen, Störarten Messkritik Zweifeln am Messverfahren Nominalverhalten Ein Sensor wird in seinem Verhalten an einer Geraden aproximiert. Übertragungsverhalten von Messsystemen 2. Darstellen von Messsystemen - Signalwirkbild Analytische Form Grafische Signalverläufe Kennwerte und Kennfunktionen Signalwirkbild Funktionsblock mit Ein- und Ausgangssignalen Analytische Form durch Gleichungen, Modellbildung Graphische Signalverläufe Antwortsignal von normierten Eingangssignalen verwenden Darstellung durch Kennwerte und Kennfunktionen Bei statischen Systemen führt dies zum Kennwert des Übertragungsfaktor K (auch Übertragungsbeiwert, Proportionalitätsfaktor, Verstärkung, Empfindlichkeit, Sensivität, Regressionskoeffizient, Kalibrationskonstante genannt 2. Qualitative Beschreibung von Messsystemen Statische Systeme Werden durch algebraische Gleichungen beschrieben (Zeitlich getreu) Dynamische Systeme Ausgangsgrössen folgen nicht mehr zeitlich getreu den Eingangssignalen Lineare Systeme Gesamtwirkung gleich der Summe der Einzelwirkungen Nichtlineare Systeme Gesamtwirkung ist nicht gleich der Summe der Einzelwirkungen. Kontinuierliche Systeme Ausgangssignal ist zeit- und Wertkontinuierlich Diskretes- oder diskontinuierliches System Ausgangssignal ist nicht gleichzeitig zeit- und Wertkontinuierlich 5. Statische Kennfunktionen und Kennwerte Übertragungsfaktor Proportionalelement Spezialfall eines dynamischen Systems. Sein zeitliches Verhalten ist immer auch mit seinem stationären Verhalten identisch. Lineare statische Kennlinie Unterdrücktem Nullpunkt Grund für die künstliche Nullpunktverschiebung kann ein erwünschter grösserer Übertragungsfaktor K (Empfindlichkeit) sein. Messbereich Ist der im sinne der Messaufgabe nutzbare Arbeitsbereich. Trägheit eines Messsystems Durch sie ist es nicht möglich, dass das Ausgangssignal dem Eingangssignal in beliebig kurzer Zeit folgen kann. 6 Dynamische Kennfunktionen und Kennwerte Dynamisches Verhalten Beschreibt die Abhängigkeit der Ausgangsgrösse Y von der Eingangsgrösse U bis zum Erreichen des stationären Zustandes. Antwortfunktionen Sind die Reaktionen eines Systems auf die standardisierten Eingangssignale. Einschwingzeit Ist die Zeit zwischen Anlegen einer Sprungfunktion am Eingang eines Systems bis zum Einlaufen der Ausgangsgrösse in ein Toleranzband festgelegter Breite. Anstiegzeit Ist das Zeitintervall für den Anstieg von y(t)=0.1 auf y(t)=0.9 Ansprechzeit Ist die Zeit vom Sprungbeginn bis zum Erreichen des Signals von 90% des Endwertes. Übertragungsfunktion eines Tiefpasses Grenzfrequenz Sind diejenigen Frequenzen, bei denen die Signalamplitude am Ausgang des Systems einen bestimmten Wert des stationären Wertes unterschreitet. Linearitätsabweichungen Sind Abweichungen von der linearen Nominalkennlinie. 8. Stationäres Übertragungsverhalten zusammengeschalteter Systeme Serieschaltung, Kettenstruktur Parallelschaltung Kreisschaltung Durch die Rückführung des Signals werden Abweichungen erkannt. Störgrössenunterdrückung Messgrössensignal wird von zwei identischen Messgliedern zugeführt, so können Abweichungen erkannt werden. Störgrösse Temperaturerwärmung 9 Einflüsse auf Messsysteme: Analyse der Messunsicherheit Messabweichung Definition Messabweichung Definition Messunsicherheit Das ideale Messsystem Nichtlinearität Linearitätsfehler Man spricht von Linearitätsfehler wenn die einem Element realisierte Kennlinie Abweichungen von der Nominalkennline aufweist. Durch herabsetzten der ausgenutzten Messspanne lassen sich Linearitätsabweichungen verhindern. Die wirksamste Methode der Verringerung der Linaritätsabweichung besteht in der Kompensation der Nichtlinearität durch einfügen eines ebenfalls nichtlinearen Kompensationselements Unterschieden wird: Festpunktlinearität, Zwangsnullpunktlinearität, unabhänige Linearität Stör- und Querwirkungen Nichtideal ist auch wenn Störgrössen auf das Sensorsystem wirken. Wenn die Störgrösse in die Rekonstruktion einfliesst entsteht denoch ein ideales Messsystem. Nominalsensormodell Um einen Sensor zu Verkaufen muss er auch ohne Rekonstruktion betrieben werden können. Dafür braucht man Genauigkeitsangaben, dies sind die Nenn- oder Nominaleigenschaften. Sie beschreiben den Sensor aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften. Fehler durch Rückwirkungen Information kann einer Quelle nicht ohne Energie entnommen werden! Rückwirkungen auf das Messsystem sind ebenfalls Störgrössen. z.B Masse der Beschleunigungssensors, Blende bei Volumenstrommessung. Fehler durch mangelnde Repräsentativität Also sind die zu messenden Grössen in Räumen und Prozessen häufig räumlich nicht konstant. Ansprechfehler Nichteindeutig definiert, oft mit systematischen, gelegentlich mit zufälligen Fehlern in Zusammenhang gebracht. Weiteres Fehlverhalten Hier betrachtet man die Fehler durch. - Dynamik, Totzeit, Totzone, Umkehrspanne, Lose, Spiel, Reibung, Ansprechwert, Auflösung, Anschläge, Nullpunktfehler (Drift durch Alterung), Quantisierungsfehler (beim Ablesen) Arten von Messabweichungen Systematische und zufällige Messabweichungen Systematische Messabweichung Kalibrieren Auch die Abweichungen im Übertragungsverhalten eines Messsystems müssen durch messen, also experimentell, erfasst werden: man nennt den Vorgang Kalibrieren. Es bestimmt die Abweichung zum Normal. -Vergleichen mit Normalen z.B durch Naturkonstanten def. -Vergleichen mit bekannten Signalquellen (Kalibratoren) -Vergleichen mit hochwertigen Referenzgeräten Justieren Justieren ist das Einstellen oder Abgleichen eines Messgerätes. Eichen Eichen eines Messgerätes oder einer Massverkörperung umfasst die von einer zuständigen Eichbehörde nach den Eichvorschriften vorzunehmende Prüfungen und die Stempelung (gesetzliche Regelung). Prüfen ob die Beträge der Messabweichungen die Fehlergrenze(n) nicht überschreiten. Rückführung von Kalibrierungen Der Begriff Rückführung beschreibt den Vorgang bei dem ein Messwert mit einem nationalen Normal verglichen wird. In dem Vorgang wird ein Messwert mit einem höheren Präzisionsgerät verglichen und dies wird wider mit einem Höheren verglichen. So ensteht eine Kalibrierhierarchie. Linearität Beschreibung, wie stark die reale Kennlinie max. von einer Geraden abweicht. Definition Nominalkennlinie Hysteresefehler Bei der Aufnahme der Übertragungskennlinie bei sinkender und steigender Messgrösse entsteht häufig ein Hysteresefehler. 10 Gerätespezifikationen richtig interpretieren Gerätespezifikation Die in den Spezifikationen eines Gerätes angegebene Genauigkeit kann nur unter den spezifizierten Bedingungen eingehalten werden. Eine (relative) Messunsicherheit von ε = 0.1 % entspricht einer Genauigkeit von 99.9 % Verhältnis Prozent zu Parts per million (ppm) Messunsicherheit bei analogen Instrumenten (mit Skalen) durch Genauigkeitsklassen (Güteklassen) angegeben: 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5. Dies bedeutet den maximalen Anzeigefehler in % vom Skalenendwert Messunsicherheit bei digitalen Messgeräten (Multimetern) wird die Messunsicherheit meist in folgender Form angegeben: ± (x % des abgelesenen Messwerts + y % des Bereichs) oder ± (x % des abgelesenen Messwerts + y Ziffer) Empfindlichkeit Ist die kleinste Änderung der Messgrösse (analog-kleinste erkennbare Abweichung, digitalZiffersprung. Messunsicherheit Gibt die maximal mögliche Messabweichungen an, mit dem ein Messinstrument einen Messwert anzeigen kann. Empfindlichkeit Ist immer besser als die Messunsicherheit. Auflösung max. angezeigter Wert dividiert durch den minimal angezeigten Wert. Beispiel Ein digitales Multimeter hat im 2 mA-Bereich ein 3½-stelliges Anzeigeformat von x.xxx mA Die Angabe zur Messunsicherheit lautet: ± (0.2 % vom Messwert und + 2 Digits) -Die Empfindlichkeit ist 1 μA, aus 1.999mA -Die Auflösung beträgt 1999, 0.05 %, 500 ppm, 11 Bits (aus 2^11=2048>1999) , 66 dB -Die max. Messunsicherheit ist ± (0.002 · 2 mA + 0.002 mA) = ± 6 μA 9.99= 1000Digits 99999=100000Digits Zusammensetzung der Spezifikationen Messunsicherheit nach GUM Einführung Messergebnis Die Messunsicherheit des Schätzwertes oder Schätzers einer physikalischen Grösse grenzt einen Wertebereich ein, innerhalb dessen der wahre Wert der Messgrösse liegen sollte. Schätzwert ± Messunsicherheit (Streubereich mit der Halbweite U) und Erweiterungsfaktor k Erwartungswert Standartunsicherheit Vollständiges Messergebnis 3. Schritte des Standard-GUM-Verfahrens 2) mathematischer Zusammenhang Zwischen Messgrösse (Ergebnisgrösse) und relevanten Eingangsgrössen finden. Idealer Messprozess Interessiert nun die Messgrösse Wx so mus die Gleichung nach Wx umgestellt werden. (Modellgleichung) 3) Ermittlungsmethode A Verwendet statistische Verfahren um den besten Schätzwert und die Standardmessunsicherheit zu gewinnen. Sie wird angewandt, wenn eine Eingangsgrösse unter den unveränderten Bedingungen der Messung mehrfach beobachtet und dabei unterschiedliche Werte festgestellt werden. In diesem Fall ist die Verteilung der Werte und die Unsicherheit über den Wert der Grösse offensichtlich. Als bester Schätzwert wird der arithmetische Mittelwert (d.h. der Durchschnitt) dieser Beobachtungen und als geeigneten Wert der Standardmessunsicherheit wird die empirische Standardabweichung des Mittelwertes angesehen (Häufigkeitsverteilungen). -Reihe von unabhängigen Beobachtungen -arithmetischer Mittelwert (Durchschnittsert), Standartabeichung Ermittlungsmethode B Verwendet nur Verfahren der Wahrscheinlichkeitstheorie. Sie wird angewandt, wenn eine statistische Auswertung nicht durchgeführt werden kann, jedoch messtechnisch fundierte Kenntnisse vorhanden sind, um die Verteilung der Werte einer Eingangsgrösse geeignet einzuschätzen sogenannte A-priori-Verteilungen). Bei diesen Eingangsgrössen handelt es sich oft um Grössen, deren Wert und Unsicherheit von externen Quellen in die Messung eingebracht wird, zum Beispiel Grössen, diemit kalibrierten Normalen, zertifizierten Referenzmaterialien und Referenzdaten aus Handbüchern verbunden sind Kenntnisse über: -Daten aus vorhergehende Messungen, -Erfahrungen, Kenntnisse über Verhalten und die Eigenschaften von Messgeräten oder Materialien -Herstellerspezifikationen über Messgeräte und Normale, -Angaben in Kalibrierscheinen und anderen Zertifikaten, -Unsicherheiten, die Referenzdaten aus Handbüchern zugeordnet sind. Formeln für Ermittlungsmethode A Formel für Ermittlungsmethode B Formeln für Ermittlungsmethode A/B Wahrscheinlichkeitsverteilungen Varianz (a^2)/3 (a^2)/6 (a^2)/2 Standartmessunsicherheit Empfindlichkeitskoeffizienten 5) Bestimmen der erweiterten Messunsicherheit T-Verteilung und effektiver Freiheitsgrad Angeben des vollständigen Messergebnis Mögliche Texangabe: Sensorik I Definition Sensor Ein SENSOR ist das primäre Element in einer Messkette, das eine variable Eingangsgrösse in ein geeignetes Messsignal umsetzt. Kenngrössen der Sensoren Die Empfindlichkeit (Übertragungsfaktor K) entspricht der Steigung der Kennlinie. Querempfindlichkeit: Die Querempfindlichkeit beschreibt die Empfindlichkeit eines Messsystems gegenüber anderen Messgrößen, als jene, welche primär gemessen werden sollen. Linearität: Ansprechverhalten Hysterese(Reproduzierbarkeit) 2. Temparatursensoren -Strahlungsthermometer -Berührungsthermometer 2.2 Resistive Temperatursensoren Bei resistiven Temperatursensoren wird die Temperaturabhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit γ bzw. des spezifischen Widerstands ρ ausgenutzt. Pt100 (Widerstandsthermometer) Die Ladungsträgerkonzentration ändert sich bei Metallen nur kaum mit der Temperatur. Metalle gehören zu den Kaltleiter (PTC) Platin (Metall) als Sensorwerkstoff gut geeignet: da linear, hohen TK, grosser Temperaturbereich Bauformen: Drahtgewickelte Glaswiderstände In Glas eingeschmolzen, unempfindlich gegen Erschütterungen Drahtgewickelte Keramikwiderstände In Keramikrohr mit Aluoxid gefüllt Dünnschichtsensor Auf Aluoxidplättchen aufgedampft Schnelle Ansprechzeit Folien Temperatursensor Felxibel, schnelle Ansprechzeit Abweichung der Sensoren Pt-500, Pt-1000 Ein Pt1000 wird bei gleichem Messstrom 10-mal stärker erwärmt als der Pt100. Dem Vorteil der höheren Empfindlichkeit steht somit eine grössere Eigenerwärmung gegenüber. Ansprechverhalten: wenige Sekunden Anschlusstechnik: (Leitungsfehler) Bei der Zweileiterschaltung gehen die Widerstände RL der Zuleitungen in das Messergebnis mit ein. Mit der Vierleiterschaltung ist die genauste Messung möglich, auch bei verschiedenen und veränderlichen Leitungswiderständen. Abhilfe des Leitungsfehlers. Differenzmessverfahren Nicht die gesamte Spannung sondern nur die Differenz wird gemessen Parisitäre Thermospannung Beim Verbinden unterschiedlicher Metalle tritt eine Thermospannung auf. durch z.B. unterschiedliche Wärmeableitung verschiedene Temperaturen an den Anschlussstellen vor, so entstehen unterschiedliche Thermospannungen die zu einem Spannungsabfall führen, der von dem Auswertegerät als Widerstandsänderung interpretiert wird. Es kommt zu einer Messabweichung. Durch Umkehrung des Messstroms kann der Einfluss der Thermospannung abgeschätzt werden. Messbereiche Klasse A zwischen -200°C und 650 °C Klasse B zwischen -200°C und 850 °C auch noch abhängig von der Bauform (Keramik Substrat) Vor-Nachteile + Korrosionsbeständig, Langzeitstabilität (Lagerung 1000 h Drift 0.04% ) da Edelmetall + Da die Sensoren sehr klein gebaut werden können, beeinflusst der Sensor das Messmedium gering +geringer Linearitätsfehler - Für kleiner Temperaturbereiche (−60 ... 180°C) zu teuer im Vergleich zum NickelWiderstandsthermometer bzw. Thermoelement oder Halbleiter Halbleiter Das Temperaturverhalten von Halbleitern unterscheidet sich grundlegend von dem von Metallen. Die Temperaturabhängigkeit der Ladungsträgerkonzentration und der Ladungsträgerbeweglichkeit ist nichtlinear und stark vom Temperaturbereich abhängig. -Niedrige Temp: positiven TK¨ -Mittlere Temp. 200°C Sättigungsbereich TK null (Ladungsträgerdichte konstant) -Höhere Temp: TK positiv nimmt stark zu TK klein, Verunreinigungen beeinflussen den TK stark, darum müssen sie bei der Herstellung klein gehalten werden. Sind preisgünstig, klein. Nicht-lienare Kennlinie Keramische Oxide Ein Vorteil der keramischen Werkstoffe ist, dass durch Dotierung oder Herstellung von Mischkristallen der TK kontinuierlich variiert werden kann. Thermistoren, Heissleiter (NTC, negativer TK) Für schnelle Temperaturänderungen, da klein, Fertigungsstreung vorhanden. Vorteile gegenüber Pt100 +Hohe Empfindlichkeit (grosser TK) +Kleine Zeitkonstante +günstig -nicht-lineare Kennlinie -grössere Herstellungstoleranzen -geringe Langzeitstabilität Keramische Kaltleiter (PTC) Normalerweise Keramiken, Halbleiter. Bariumtitanat, Ferroelektrizität. Schmaler Temperaturbereich exponentialer Anstieg des Widerstands, dadurch sind sehr empfindliche Messungen möglich, individuelle Kalibrierung notwendig (grosse Streuung der Materialkonstante). Anwendung: Überhitzschutz, Überlastschutz (bei Erwärmung durch Strom Widerstand steigt -> Strom sinkt) 2.3 Thermoelemente Wenn aber die Berührungsstellen verschiedene Temperaturen haben, fliesst im Stromkreis ein Strom, weil die Berührungsspannung der wärmeren Stelle grösser ist als diejenige der kälteren Stelle: wir haben ein Thermoelement. Der Strom hängt ab von den Widerständen im Stromkreis und der Differenz der Berührungsspannungen, der sog. Thermospannung. Thermoelemente messen also die Temperaturdifferenz zwischen der heissen Verbindungsstelle mit der Temperatur T2 und der kalten Temperatur T0. kAB ist der Proportionalitätsfaktor und gibt die Empfindlichkeit an. Die Kennlinie ist nicht linear, es sind noch Koeffizienten höherer Ordnung zu beachten. Edle Thermopaare; Platin Unedle Thermopaare Ag-CuNi 0 °C bis 600 °C Typ T: Cu-CuNi −250 °C bis 250 °C (400 °C) 23-69 μV / K Kupfer ist bei höheren Temperaturen nicht sehr beständig gegen Luftsauerstoff, schlechte Linearität Typ J: Fe-CuNi −250 °C bis 600 °C (800 °C) 34-69 μV / K Hat grösste Thermokraft, verträgt keine korrosive Atmosphäre: Eisen rostet und zundert, kein Verlass auf die zeitliche Konstanz der thermoelektrischen Eigenschaften Typ E: NiCr-CuNi −273 °C bis 800 °C Typ K: NiCr-Ni −200 °C bis 1000 °C (1300 °C) 41-36 μV / K Das in industriellen Messprozessen am meisten eingesetzte Thermoelement ist das NiCr-NiElement. Ausführungen Mit Schutzrohr; Nachteil, Schutz muss zuerst auch erwärmt werden Manterthermoelemente; geringe Masse, spricht schnell an 2.9 Strahlungspyrometer Erfassen berührungslos die Objekttemperatur. Jeder Gegenstand emittiert InfrarotStrahlung, deren Intensität von seiner absoluten Temperatur abhängt. Der Emissionsgrad muss bekannt sein (je nach Material verschieden) Emissionsgrad (Wärmeabstrahl-Fähigkeit) Der Emissionsgrad ist ein Mass für die Fähigkeit von Materialien, infrarote Energie zu absorbieren oder abzustrahlen Aufbau und Wirkungsweise, Betriebsarten -Gesamtstahlungspyrometer: -Teil-, Bandstrahlungspyrometer: -Spektralfotometer -Quotientenpyrometer (Temperatur auf Grund der Farbe der Strahlung bestummen) Messfleck: Es bezeichnet das Verhältnis von Messabstand vom Strahlungsthermometer zur Messfleckgrösse. Vorteile mit Berührungsthermometer + Das Strahlungsthermometer verfälscht nicht das Temperaturfeld. + Sehr hohe Objekttemperaturen. + Die Zeitkonstante der Strahlungsthermometer ist wesentlich kürzer + Messungen an bewegten oder schwer zugänglichen Objekten werden möglich + Oberflächentemperaturen von Körpern mit einer geringen Wärmekapazität oder Wärmeleitfähigkeit - Die berührenden Thermometer haben die grössere Genauigkeit. - Die berührenden Thermometer haben den geringeren Preis. 3.5 Druckmessung Druckmessumformer nach dem Dehnmessstreifen-(DMS-)Prinzip Trägerelement gedehnt oder gestaucht, dies wird dann via Brückenschaltung in ein elektrisches Signal umgewandelt. + Vorteile hohe Genauigkeit + grosse Druckmessbereiche möglich + hohe Überbelastbarkeit durch Überlastsicherung + hohe Korrosionsbeständigkeit + unempfindlich bei Druckstössen + gute Langzeitstabilität + hohe Eigenfrequenz - relativ hoher Preis wegen Prüfaufwand und enger Toleranzen - Temperaturbereich ist vom Kleber abhängig (z.B. bis 120 °C) - Druckbereiche unter 5 bar schlecht zu fertigen - Miniaturisierung begrenzt. Druckmessumformer nach dem piezoresistiven Prinzip Dehnung oder Stauchung ihren spezifischen Widerstandswert ändern (piezoresistiver Effekt). Die in diesen Drucksensoren verwendeten Dehnungsmessstreifen bestehen heute hauptsächlich aus polykristallinem Silizium. Bei der Dünnfilmtechnik werden auf der hochglanzpolierten Oberfläche des Sensorelementes zunächst eine Isolationsschicht und dann die niederohmigen Leiterbahnen aufgebracht. Vorteile: + Miniaturisierung möglich + kleine Druckmessbereiche möglich + hohe Genauigkeit + geringe Temperaturabhängigkeit von Nullpunkt und Kennwert + Einsatz auch bei hohen Temperaturen möglich. - hohe Investitionskosten - nur bei grossen Stückzahlen rentabel. Bei der Dickschichttechnik wird auf ein meist keramisches Grundmaterial mit Siebdrucktechnik und Maskentechnik ein Widerstandsnetzwerk aufgebracht und nach dem Trocknen in einem „Backprozess“ eingebrannt. Vorteile +gute Korrosionsbeständigkeit +geringe Feuchtempfindlichkeit -geringe Überbelastbarkeit -Sensorelement relativ gross -thermische Hysterese grösser als bei Folien- und Dünnfilm-DMS. Halbleitertechnik, Druckmembrane unmittelbar aus dem Siliziumelement. ganze Messaufnehmer aus Halbleitermaterial hergestellt. Vorteile + kleine Abmessungen und Miniaturisierung durch die verwendete Technologie vorgegeben + Sensorsignalverarbeitung kann mit integriert werden + Sensor im Sensorkonzept leicht zu verwirklichen +++hoher k-Faktor 30-60mal höher - nur bei grossen Stückzahlen wirtschaftlich - Temperaturabhängigkeit des k-Faktors - Probleme bei Druckstössen und Vibrationen - Temperatur begrenzt auf 120°C wegen der Dotierungen -Linearitätsfehler und Umkehrspanne relativ hoch -hohe Investitionskosten der Technologie zur Herstellung des Sensorelementes Druckmessumformer nach dem induktiven Prinzip Bei diesen Messgeräten wird der Druck in eine Kraft umgewandelt, welche einen Federkörper bzw. eine Membran verformt. Es resultiert ein Messhub (Auslenkung), der einen Weicheisenkern im Innern einer Spule bewegt. Die sich dadurch verändernde Induktivität der Spule wird in ein elektrisches Signal umgeformt und ist ein direktes Mass für den an der Membran anliegenden Druck. Vorteile: + einfacher Aufbau + robust und störunempfindlich + hohe Überbelastbarkeit + gute dynamische Eigenschaften + auch sehr kleine Druckmessbereiche möglich + geringe Feuchtempfindlichkeit + Einsatz auch bei höheren Temperaturen möglich + hohes Ausgangssignal - Temperaturkompensation aufwendig - Miniaturisierbarkeit begrenzt - nicht für Gleichspannung geeignet¨ Druckmessumformer nach dem kapazitiven Prinzip Die Verformung eines Federkörpers bzw. einer Membran unter der Einwirkung eines Druckes oder Differenzdrucks kann mit hoher Genauigkeit kapazitiv gemessen werden. Für die Kapazität C eines Plattenkondensators gilt: ¨ Vorteile + Einsatz auch bei hohen Temperaturen möglich + hohe Genauigkeit + hohe Empfindlichkeit + hohe Überbelastbarkeit, wenn Überlastsicherung eingebaut + einfache, robuste Konstruktion + gut für dynamische Messungen geeignet - hohe Trägerfrequenz erforderlich - Sensorelement feuchte- und staubempfindlich, deshalb Kapselung oder Druckvorlage - Miniaturisierbarkeit begrenzt Druckmessumformer nach dem piezoelektrischen Prinzip Werden dielektrische Stoffe gestaucht oder gedehnt, so entsteht eine elektrische Polarisation. An den Oberflächen werden Ladungen frei, die als Mass für die auslösenden mechanischen Kräfte genommen werden können. z.B. bei Quarz, Turmalin Wird eine Ladung proportional zur Kraft frei. Der Quarz lässt sich als Kondensator auffassen. Vorteile: + messen schnell veränderliche Drücke, bis 10 Hz + 2…25000bar + gute Linearität + Kurze Ansprechzeiten + Für hohe Temperaturen geeignet + Einfacher, robuster Aufbau + Hohe Überbelastbarkeit des Sensorelementes + Nahezu weglose Messung + Kleine Abmessung des Sensors + Hervorragende Linearität - Für statische Messungen nicht geeignet - Verwendung spezieller Verstärker, so genannter Ladungsverstärker, notwendig - Spezialkabel erforderlich 4.1 Durchflussmessung durch energetische Beziehungen Wirkdurckmessverfahren beruht auf einer durch Verengung des Strömungsquerschnittes verursachten Druckdifferenz, diese ist proportional zum Quadrat des Volumendurchflusses, multipliziert mit der Dichte, 4.2 Magnetische Induktive Durchflussmessung Für elektrisch leitende Fluide Eine elektrisch leitende Flüssigkeit, die durch ein Magnetfeld strömt, verhält sich wie ein räumlich ausgedehnter, bewegter Leiter. Im isoliert ausgekleideten Rohr wir die induzierte Spannung U an zwei Elektroden an der Rohrwand abgegriffen. Wird in einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld mit der magnetischen Flussdichte B ein durch das strömende Fluid verkörperter elektrischer Leiter bewegt, so entsteht eine durchflussabhängige Spannung Vorteile: + Grosser Messbereich + Sehr gute Linearität + Keine Einbauten im Messrohr + Keine Angaben über Viskosität, Dichte, Druck, Temp. Nötig 4.3 Wirbelfrequenz Durchflussmessung Wird ein starrer Körper mit niedriger Geschwindigkeit angeströmt, fliesst die Strömung bei einer kleinen Reynolds-Zahl Re laminar − beispielsweise für eine Rohrströmung bis Re < Rekrit ≈ 2300. Bei zunehmender Geschwindigkeit (höherer Reynoldszahl) bilden sich auf der Rückseite (Lee) des Körpers zunächst stationäre Wirbel aus. Bei weiterer Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit lösen sich die Wirbel ab und bilden ein mehr oder weniger periodisch verlaufendes Wirbelsystem aus. Die Frequenz der Wirbelablösung (Kármánsche Wirbelstrasse) wird als Messeffekt zur Volumendurchflussmessung herangezogen Das Verhältnis der Wirbelablösefrequenz zur Strömungsgeschwindigkeit wird unter Hinzunahme einer charakteristischen Abmessung des Prallelementes über die StrouhalZahl14 beschrieben: Vorteile + unabhängig von den physikalischen Eigenschaften des Strömungsmediums + für Flüssigkeiten und Gase + muss keine elektrisch Leitfähigkeit haben 4.4 Laufzeitverfahren Während eines kurzen Zeitintervalls wir ein Injektionsschuss eines sog. Tracer in die Rohrleitung eingespritzt. Die Strömungsgeschwindigkeit wird aus der Laufzeit der Schwerpunkte der Lösungswolken zwischen zwei Messquerschnitten ermittelt. Die Markierung kann durch Zugabe von Salzlösungen (Leitfähigkeit), radioaktiven Isotopen, aber auch durch Wärmeschüsse erfolgen. Kreuzkorrelation In der Signalanalyse wird die Kreuzkorrelationsfunktion zur Beschreibung der Korrelation zweier Signale bei unterschiedlichen Zeitverschiebungen τ zwischen den beiden Signalen eingesetzt. 4.5 Ultraschall Durchflussmessung Bei den akustischen Verfahren zur Durchflussmessung ist zwischen dem Laufzeitverfahren und dem Doppler-Verfahren zu unterscheiden. Während das Laufzeitverfahren auf dem „Mitführungseffekt“ der Schallwelle im reinen Fluid beruht, wird beim Doppler-Verfahren die Frequenzverschiebung bei der Streuung des Schallsignals an Verunreinigungen ausgewertet. Ist das Fluid in Bewegung, so überlagert sich der Relativgeschwindigkeit des Schalls vektoriell die Fluidgeschwindigkeit. Bei dieser Art der Ultraschallmessung mit nur einem Sender und einem Empfänger muss die Schallgeschwindigkeit im Fluid genau bekannt sein. Da sie sich jedoch in Abhängigkeit von den Fluideigenschaften Dichte und Kompressibilität und damit auch mit der Temperatur ändert, ist eine Differenzmessung vorteilhaft. Hierbei werden gleichzeitig die Laufzeit in Strömungsrichtung und die Laufzeit entgegen der Strömungsrichtung bestimmt. Die entlang des Ultraschallstrahls gemittelte Strömungsgeschwindigkeit errechnet sich aus den gemessenen Laufzeiten zu (Leading-edge- Methode): Unabhängig von der Schallgeschwindigkeit Sensorik II 3. Schwingungen als Signale im Zeit- und Frequenzbereich Messung der Beschleunigung Die Beschleunigung resultiert aus der Ableitung der Geschwindigkeit. - Weg s(t) - Geschwindigkeit s’(t) - Beschleunigung s’’(t) 5. Schwingungsmessung Berührende Schwingungsmessung Messung des Weges Mit Hilfe von Wegsensoren (Potentiometer, Differentialtransformatoren). Messung der Geschwindigkeit Bewegung eines Permanentmagneten in einer Spule. Messung der Beschleunigung Nach seismischen Prinzip. Der Beschleunigungssensor wird unterhalb seiner Eigenfrequenz betrieben. Funktionsprinzip: Primäre Ausgangsgrösse ist eine Kraft, welche durch einen Kraftsensor gemessen wird. Seismische Massen normalerweise klein, wegen Beeinflussung der schwingenden Struktur. Das Federelement ist ausserordentlich steif für hohe Eigenfrequenzen des Sensors. Arten der Sensoren: Piezoelektrisches, piezoresistives (Dehnmessstreifen), induktives Prinzip Testen und Anregen Anregungsarten: - Fremdanregung (Impulshammer, Vibratoren) - Eigenerregung (Unwuchten)
