Messtechnik

Im ersten Kapitel dieses Lehrbuches werden die Grundbegriffe der Messtechnik erläutert, um damit eine Basis für das Verständnis der weiteren Kapitel zu legen. Schwerpunktmäßig sind das:

In diesem Kapitel wird der Signalbegriff aus der Sicht der Messtechnik beleuchtet. Ausgangspunkt ist eine Diskussion möglicher Ansätze zur Klassifizierung von Messsignalen. Anschließend erfolgt die Beschreibung der denkbaren Wandlungen von Messsignalen, deren Ziel es ist, eine aus der Umwelt gewonnene Messinformation dem nachfolgenden Steuer- bzw. Regelungsprozess oder auch dem Messtechniker als interpretierbaren Messwert zugänglich zu machen. Dabei wird besonders auf die Analog-Digital-Wandlung eingegangen als Voraussetzung für die moderne digitale Messtechnik.

Mit diesem Kapitel sollen:Zudem werden die Dezibel-Definitionen der logarithmischen Beschreibung für Strom- und Spannungsverhältnisse sowie für Leistungsverhältnisse eingeführt.

Dieses Kapitel beschreibt die grundlegenden Methoden eine Messung durchzuführen. Kenntnisse darüber sind zur Analyse der Parameter einer Messeinrichtung notwendig. Aus der Analyse lassen sich dann Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes der betrachteten Messeinrichtung abschätzen.

Messmethoden stellen allgemeine Vorgehensweisen für die Durchführung von Messungen dar. Diese Methoden sind nicht unmittelbar an eine physikalische Realisierung gebunden, vielmehr lassen sich aus ihnen Rückschlüsse auf eventuell zu beachtende Fehlermechanismen der mit der jeweiligen Messmethode arbeitenden Messeinrichtung ziehen. Grundsätzlich sind die drei im Folgenden beschriebenen Messmethoden, die Ausschlagmethode, die Differenzmethode und die Kompensationsmethode zu unterscheiden.

In diesem Kapitel werden die Aufgabe und die dazu erforderliche technische Umsetzung einer Messeinrichtung diskutiert. Moderne Messtechnik wird typischerweise mit elektronischen und dabei vorzugsweise digital arbeitenden Messeinrichtungen umgesetzt. Deshalb erfolgt die Diskussion von Aufgaben und Eigenschaften von Messeinrichtungen vorrangig anhand elektronischer. Über physikalische Analogien können daraus aber auch Schlussfolgerungen auf z. B. mechanische und hydraulische Messeinrichtungen geschlossen werden.

Eine Messeinrichtung soll eine betrachtete physikalische Größe, die Messgröße, in einen interpretierbaren Messwert transformieren. Somit kann jede Messeinrichtung als Übertragungseinrichtung aufgefasst werden, an die je nach Eigenschaften der Messgröße unterschiedlichste Anforderungen bezüglich der statischen und dynamischen Kenngrößen gestellt werden.

Die Untersuchung, Bewertung und letztlich die Schlussfolgerungen für die Einsatzmöglichkeiten und -grenzen einer Messeinrichtung sind deshalb nur über die Kenntnis ihrer relevanten Eigenschaften möglich.

Entsprechend der praxisrelevanten Bedeutung wird insbesondere auch das Zeitverhalten von realen Messeinrichtungen behandelt.

Praktisch ist es technisch nicht möglich, eine fehlerfreie Messung durchzuführen. Somit stellt die Abschätzung der Brauchbarkeit einer Messung auf der Basis der auftretenden Messabweichungen die entscheidende Aufgabe bei der Durchführung und Auswertung von Messungen dar. Das ist umso wichtiger, weil in der Messpraxis kein Ergebnis akzeptiert werden kann, das nicht durch eine Angabe zu der Vertrauenswürdigkeit des Messergebnisses charakterisiert wurde. Das hierzu wichtige Wissen des Ingenieurs zur Bewertung von Messerergebnissen in der betrieblichen Praxis wird in diesem Kapitel vermittelt. Dabei wird, soweit erforderlich, relevantes mathematisches Handwerkszeug erläutert und vorrangig unter messtechnischen Aspekten beschrieben.

Grundsätzliche Fehlertypen von Messeinrichtungen müssen bekannt sein, um ihre Auswirkungen auf die resultierenden Messgeräteabweichungen in der messtechnischen Praxis einschätzen können. Da in der modernen Messtechnik vorrangig digitale Messeinrichtungen zur Anwendung kommen, ist auf deren Besonderheit bezüglich zusätzlicher Fehleranteile des Messergebnisses speziell einzugehen. In diesem Kapitel werden deshalb die Auswirkung von Fehlern der Messeinrichtung und die Auswirkung der Analog-Digital-Wandlung auf die resultierende Messabweichung diskutiert.

Wie schon in Kap. 6 anlässlich der Diskussion von Messabweichungen erläutert, ist im Zusammenhang mit der Auswirkung von unzulässigen Verhalten von Messeinrichtungen der Terminus „Fehler“ zulässig. Deshalb wird der Begriff Fehler auch im Folgenden benutzt. Infolge von Fehlern einer Messeinrichtung, i. Allg. durch unzulässiges Übertragungsverhalten hervorgerufen, werden deren Messergebnisse mit Messabweichungen behaftet sein, siehe auch Abschn. 6.​5.

Zu den elektrischen physikalischen Größen, im Folgenden elektrische Größen genannt, werden Spannung, Stromstärke, elektrische Leistung und Arbeit, elektrischer Widerstand, Induktivität und Kapazität gezählt. Weiterhin sollen noch die Messung von Zeit und Frequenz behandelt werden, weil beide für die Bestimmung von Wechselgrößen notwendig sind. Ebenfalls erforderlich sind sie zur Ermittlung von Größen, die unmittelbar eine Funktion der Zeit darstellen, wie z. B. die Arbeit.

Die Messung elektrischer Größen wiederum ist die Grundlage nichtelektrische Größen mit elektrischen Messmethoden erfassen zu können. Sie bieten damit die maßgebliche Voraussetzung zur Ausführung von Mess- und Regelprozessen in der automatisierten Fertigung bzw. zur Realisierung rechnergesteuerter Mess- und Prüfsysteme im Prüffeld einer Erzeugnisse produzierenden Firma.

In diesem Kapitel soll auf der Basis von Messverfahren für elektrische Größen die Messung von nichtelektrischen Größen erläutert werden. Dazu werden die erforderlichen Elemente einer Messkette vorgestellt und der Einfluss ihrer Eigenschaften auf die Messung diskutiert. Den größten Teil dieses Kapitels nimmt die Sensorik ein. Anhand ausgewählter Sensorprinzipien wird die Messung nichtelektrischer Größen mit elektrischen Messverfahren vorgestellt. Dabei bilden die technische Umsetzung des Messprinzips und die mit den jeweiligen Sensoren erreichbare Genauigkeit den Schwerpunkt der Ausführungen.

Die Mehrzahl der in der Umwelt, auch in Produktionsprozessen, auftretenden und damit auszuwertenden physikalischen Größen sind nichtelektrischer Natur. Folglich ist die messtechnische Bewertung dieser nichtelektrischen physikalischen Größen, bzw. der von diesen Größen abgeleiteten Signale eine grundlegende Voraussetzung zur Überwachung von Umwelt- bzw. Produktionsprozessen.

Zur Nutzung der gewonnenen Messsignale in der Steuerungs- und Regelungstechnik sind vorrangig aber elektrische Signale erforderlich. Es muss somit eine Umsetzung des nichtelektrischen Signals aus der Umwelt, das die nichtelektrische physikalische Größe beschreibt, in ein elektrisches Signal erfolgen. Und zwar so, dass die interessierende Messinformation weitgehend unverfälscht erhalten bleibt.

Sensoren und mit ihnen aufgebaute Messketten werden in der modernen Messtechnik mit einer rechnerbasierten Steuerung versehen. Dazu wird entweder das Messsystem mit einem internen Steuerrechner (embedded system) ergänzt oder mit einem geeignet konfigurierten Rechner verbunden. Es entsteht ein komfortables automatisiertes Messsystem. Dabei stellt, neben einer schnellen und auf die Belange der Aufgabenstellung abgestimmten Hardware, vor allem die zur Verfügung stehende Software ein entscheidendes Kriterium für die Leistungsfähigkeit des rechnergesteuerten Messsystems dar. Nachfolgend sollen daher einige einführende Bemerkungen zur Hard- und zur Software für automatisierte Messsysteme gemacht werden. Für ausführliche Information sei auf die zu dieser Problematik reichhaltige Literatur verwiesen, z. B [1‐4]. Als Ergänzungsinformationen sind die von einschlägigen Herstellern von rechnergesteuerten Messsystemen auf Web-Sites im Internet angebotenen Informationen von ihrer Aktualität her nicht zu überbieten, diese müssen aber aufgrund der Parteilichkeit der Autoren fachkundig hinterfragt werden können. Die folgenden Ausführungen sollen dazu befähigen.