Klausuren 2015

Klausur Messtechnik - Teil A Grundlagen(BSc einstündig) Seite 1 13. Februar 2015
Es sind für die Klausur 15 von insgesamt 30 Punkten für eine erfolgreiche Teilnahme erforderlich
Die angegebene Punktezahl gilt für vollständig und richtig gegebene Antworten. Bei Berechnungen sollten die Lösungen den theoretischen Lösungsweg,
die nötigen Zwischenergebnisse und das numerische Ergebnis enthalten.
1. Aufgabe (5P):
In einer Raffinerie wird der Duchfluss von Motorenöl (Dichte ρ = 850 kg/m3 ,
kin. Zähigkeit ν = 15 · 10−6 m2 /s ) mit einer Normblende gemessen. Die Normblende ist in eine
Rohrleitung mit einem Durchmesser von D = 70 mm eingebaut und hat einen Öffnungsdurchmesser von d = 31,3 mm.
(a) Welcher Massenstrom fließt in erster Näherung durch die Messstrecke, wenn an der Blende
ein Differenzdruck von ∆p bl = 0,65 bar gemessen wird ?
(b) Korrigieren Sie den gemessenen Massenstrom aufgrund des Reynoldszahl-Einflusses.
2. Aufgabe (3P):
Mit einer Einströmdüse wird der Volumenstrom (Luft, t = 22 °C, p = 945 hPa)
eines Ventilators bestimmt. Die Einströmdüse hat einen Durchmesser von 400 mm und eine
Durchflusskennzahl von α = 0,985.
(a) Welcher Volumenstrom wird gemessen, wenn an der Einströmdüse ein Differenzdruck von
40 mm WS gemessen wird ?
(b) Welchem Normvolumenstrom nach ISO 1217 entspricht dies ?
3. Aufgabe (5P):
In einem Härteofen wird die Temperatur mit einem Thermoelement Typ S
bestimmt, die Vergleichsstelle liegt im Eisbad.
(a) Welche Thermospannung wird gemessen, wenn im Ofen eine Temperatur von 1130 °C
herrscht ?
(b) Das Thermoelement wird alternativ direkt (ohne Vergleichsstelle) an einen Messumformer
angeschlossen. Was ist am Messumformer vorzusehen, damit die Temperatur in °C bestimmt werden kann ?
(c) Im Härtegut wird ein zweites Thermoelement mit einer Zeitkonstante von τ = 20 s eingesetzt. Die Temperatur sinkt durch Abschrecken schlagartig von 1130 °C auf 100 °C. Nach
welcher Zeit weist die Temperaturanzeige eine Abweichung von weniger als 5 K auf ?
(d) Welches andere Messverfahren eignet sich gut zur Bestimmung von Temperaturen in diesem Bereich ? Worauf beruht dessen Arbeitsweise ?
4. Aufgabe (2P):
Das Signal des Thermoelements Typ S soll direkt mit einem Digitalvoltmeter
angezeigt werden. Wieviele Anzeigestellen muss das DVM bei einem Messbereich von 200 mV
besitzen, damit der Temperaturbereich von 1100 bis 1200 °C auf 1 K aufgelöst werden kann ?
5. Aufgabe (3P):
Der Staudruck an einer pneumatischen Sonde wird mit einem wassergefüllten
U-Rohr-Manometer gemessen.
(a) Welche Höhe muss das Manometer mindestens aufweisen, damit Differenzdrücke bis maximal 30 mbar gemessen werden können ?
(b) Welche Schenkellänge müsste ein Schrägrohrmanometer mit 25° Neigung zur Waagerechten haben, damit man denselben Druckbereich messen kann (A 2 /A 1 ⇒ 0) ?
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13. Februar 2015
6. Aufgabe (5P):
An einer Wasserbremse wird das Drehmoment mittels Rückdruckverfahren bestimmt. Hierzu ist an einem Hebelarm mit einer Länge von 750 mm eine Kraftmesszelle angebracht. Die Kraftmesszelle ist als Zugstab mit DMS ausgelegt.
(a) Skizzieren Sie die Brückenschaltung, die für diesen Anwendungsfall das größtmögliche Ausgangssignal liefert. Bezeichnen Sie die einzelnen DMS nach Funktion und Lage.
(b) Bei einer Brückenspeisespannung von 5 V wird an der Messzelle eine Ausgangsspannung
von 8 mV gemessen. Welche Kraft wird gemessen ? Weitere Angaben: E-Modul 210 GPa, kFaktor 2, Querschnitt 35 mm2 , Querkontraktionszahl 0,35.
(c) Welche Leistung wird bei einer Drehzahl von 12000 1/min von der Wasserbremse aufgenommen ? (Falls b nicht gelöst: Md = 6000 Nm)
7. Aufgabe (2P):
Am Abend hat die Umgebungsluft bei 20 °C eine relative Feuchte von 60 %. Ist
am folgenden Morgen auf der Autoscheibe mit Tau zu rechnen, wenn die Temperatur auf 12 °C
abgesunken ist ? Begründen Sie Ihre Antwort.
8. Aufgabe (3P):
An einer Maschine wird bei einer Frequenz von 60 Hz eine Schwingbeschleunigung von 7 geff gemessen.
(a) Wie groß ist der Spitzenwert des Schwingwegs ?
(b) Mit welcher wahrscheinlichen Unsicherheit ist der Schwingweg behaftet, wenn die Unsicherheiten der Beschleunigungsmessung 1 % und die der Frequenzmessung 0,2 % betragen ?
9. Aufgabe (2P):
Welches Messverfahren eignet sich am besten, um die Konzentration von
Stickoxiden in Abgasen zu bestimmen ? Wie wird erreicht, dass sowohl NO als auch NO2 erfasst
werden kann ?
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24. Juli 2015
Es sind für die Klausur 15 von insgesamt 30 Punkten für eine erfolgreiche Teilnahme erforderlich
Die angegebene Punktezahl gilt für vollständig und richtig gegebene Antworten. Bei Berechnungen sollten die Lösungen den theoretischen Lösungsweg,
die nötigen Zwischenergebnisse und das numerische Ergebnis enthalten.
1. Aufgabe (4P):
In einem rechteckigen Luftkanal soll der Volumenstrom gemessen werden.
Hierzu wird in Kanalmitte ein Prandtl-Staurohr eingesetzt. Der Kanalquerschnitt beträgt 600 x
400 mm. Die Messung findet bei einem Druck von 945 mbarabs und 20,5 ◦ C statt.
(a) Am Prandtl-Staurohr wird ein dynamischer Druck von 12,5 mmWs gemessen. Bestimmen
Sie die Strömungsgeschwindigkeit.
(b) Wie groß ist der Volumenstrom unter der Annahme dass die Strömungsgeschwindigkeit
über den Kanalquerschnitt konstant ist ?
2. Aufgabe(2P):
Benennen Sie zwei unmittelbare Messgeräte, mit denen die Druckmessung in
Aufgabe 1 mit höchstmöglicher Genauigkeit durchgeführt werden kann. Wodurch erzielen diese
Geräte die erforderlichen Eigenschaften ?
3. Aufgabe (6P):
An einem Prüfstand wird der Luftdurchsatz mit einer Normdüse erfasst. Diese
befindet sich in einem Rohr mit einem Innendurchmesser von 120 mm, der Durchmesser der
Düsenöffnung beträgt 85 mm.
(a) Welche Druckdifferenz wird an der Düse bestimmt, wenn der Volumenstrom durch die Düse 2400 m3 /h beträgt und die Luft vor der Düse einen Druck von 3,75 barabs und eine Temperatur von 35 ◦ C aufweist ? Rechnen Sie vorerst mit ǫ = 1. Der Betriebspunkt liegt im Bereich konstanter α-Werte.
(b) Korrigieren Sie einmalig den Differenzdruck, indem Sie den Einfluss der Expansionszahl
berücksichtigen.
4. Aufgabe (5P):
Eine Versuchsturbine wird mit einer Wasserbremse belastet.
(a) Welche Bauart ist zu bevorzugen, wenn auf einen ruhigen Lauf Wert gelegt wird ?
(b) Die Leistungsmessung erfolgt mit einem Einschaltdynamometer aus Stahl (G = 79 GPa) mit
unter 45° zur Achse liegenden DMS. Welcher Durchmesser ist für die Messwelle zu wählen,
damit bei einer Drehzahl von 12600 min−1 eine Leistung von 5,5 MW übertragen wird und
die Dehnung einen Wert von 1500·10−6 erreicht ?
(c) Welche maximale und welche wahrscheinliche Unsicherheit weist die Leistungsmessung
mit einer Torsionswelle mit Messung des Verdrehwinkels auf, wenn für die einzelnen Größen folgende Unsicherheiten bestehen: Durchmesser 0,1 %, Schubmodul 0,5 %, Drehzahl
0,02 %, Länge des Drehstabs 0,1 %, und Messung des Verdrehwinkels 0,5 % ?
5. Aufgabe (4P) Ein Kraftsensor besteht aus einem Zugstab (Querschnitt 7 x 12 mm, Al, E = 70 GPa,
µ = 0,35) mit darauf befindlichen Metall-DMS (k = 2,1).
(a) Welche Brückenschaltung der DMS liefert dabei die maximal erreichbare Ausgangsspannung ? Skizzieren Sie die Brückenschaltung sowie die Anordnung der DMS auf dem Zugstab
und beschreiben Sie die Aufgabe der einzelnen Widerstände.
(b) Bestimmen Sie die Zugkraft, wenn die Brücke bei einer Speisung von 5 V eine Ausgangsspannung von 6,4 mV liefert.
6. Aufgabe (2P) Was besagt die Vergrößerungsfunktion bei der Messung von dynamischen Signalen ? Wovon ist die Vergrößerungsfunktion abhängig ?
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24. Juli 2015
7. Aufgabe (2P)
An einer Wetterstation wird eine Lufttemperatur von 28 ◦ C bei einer relativen
Luftfeuchte von 47 % gemessen. Bestimmen Sie aus den untenstehenden Diagrammen die Taupunkttemperatur und die absolute Feuchte der Luft.
8. Aufgabe (2P):
Die Temperatur in einem Gleitlager soll mit einem Thermoelement Typ K gemessen werden. Welche Thermospannung wird gemessen, wenn die Lagertemperatur 83,5 ◦ C
beträgt und das Thermoelement mit einer Vergleichsstelle von 50 ◦ C verschaltet ist ?
9. Aufgabe (3P):
Ein Kolbenverdichter mit 2 Zylindern von je 500 cm3 Hubraum wird bei einer
Drehzahl von 970 min−1 betrieben.
(a) Beim Indizieren wird ein mittlerer Druck von 3,1 bar ermittelt. Wie groß ist die indizierte
Leistung des gesamten Verdichters ?
(b) Welchen mechanischen Wirkungsgrad hat der Verdichter, wenn die zugeführte Leistung
7,5 kW beträgt ?