Messtechnik Public

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Messverfahren und Rechenaufgaben

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Messaufnehmer (allgemein): • Sensitivität: Möglichst hohe Empfindlichkeit bezüglich der zu messenden Größe. • Selektivität: Möglichst niedrige Querempfindlichkeit bezüglich anderer Größen. • Stabilität: Möglichst gleich bleibendes Verhalten in allen Umgebungsbedingungen und über die Zeit (keine Alterung).   Längen & Winkelmesstechnik: Lehrdorn: Messung von Innendurchmessern (Bohrungen, Passungen)           - Ausschussseite größer als Gutseite Rachenlehre: Messung von Außendurchmessern von zylindrischen Objekten           - Ausschussseite kleiner als Gutseite   Abbesche Grundsatz: Messmittel und Prüfling müssen fluchtend angeordnet sein ( damit Messabweichungen durch kippen vernachlässigbar klein werden) Akustische Wegmessung: Ultraschallsender sendet Schallimpuls aus, der von der Oberfläche des Messobjektes zurückgeworfen und von einem Empfänger aufgenommen wird. Die Laufzeit durch den Raum wird gemessen. Durch die Laufzeit und der bekannten Schallgeschwindigkeit ergibt sich der Abstand.           - direkte Messung (zwei getrennte Geräte) ; Reflektionsmessung ( Sender und Empfänger in einem Gerät & Messwerte können durch unerwünschte                          Reflektionen verfälscht werden)  Induktive Wegmessung: Zusammenhang zwischen Spule, Eisenkern und Induktivität wird verwendet          - Querankersensor (Nicht linearer Zusammenhang zwischen dem Luftspalt s und der Induktivität L des magnetischen Kreises; Verwendung zur                                    berührungslosen Abstandsbestimmung) , Tauchankersensor (Nicht linearer Zusammenhang zwischen der Eintauchtiefe s des Eisenkerns und der             Induktivität L der Spule, feste Verbindung von Messobjekt und Tauchanker notwendig)          --> Anwendung: Durchbiegung & Verformungen; Abmessungen & Maßtoleranzen Linearer variabler Differentialtransformator: bestehend aus einer Primär und zwei Sekundärspulen mit einem gemeinsamen beweglichen Magnetkern. Die Primärspule induziert eine Wechselspannung konstanter Frequenz in die Sekundärspulen, die abh. ist von der Position des Magnetkerns. Mittelstellung des Magneten - Die Sekundärspannungen gleichen sich aus, eine Verschiebung bewirkt eine höhere und eine niedrigere Spannung in der jeweiligen Sekundärspule.                                                                                                                                                                                                                               Wirbelstromgeber: Der Abstand, Postion oder Verschiebung eines elektrisch leitenden Objektes wird gemessen. Ein Elektromagnet induziert einen Wechselstrom in den metallischen Prüfling, welcher selber ein Magnetfeld erzeugt und dem Magnetfeld der Messspue entgegen wirkt. Dadurch ändert sich die Induktivität der Spule und diese wird dann gemessen. --> unempfindlich gegenüber Staub, Schmutz und Feuchte (rauhe Idustrieumgebung) kapazitive Wegmessung: basierend auf dem Prinzip eines Plattenkondensators und die verwendete Hilfsgröße ist die Kapazität C; Der Wert der Kapazität hängt von der Bauform und dem Dielektrum zwischen den Kondensatorplaten ab; Unterschied zwischen Abstandsfühler und Flächenaufnehmer             -  Abstandsfühler: nicht linearer Zusammenhang zwischen Plattenabstand und Kapazität wird genutzt (berührungslos und verschleißfrei)             - Flächenaufnehmer: Linearer Zusammenhang zwischen Überdeckung A der Kondesnsatorplatten und Kapazität C (Bestimmung von                Messobjektverschiebungen)
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Abbildugsfehler: Sphärische Aberration - Eine sphärische Linse beschreibt eine Kugeloberfläche, was zur Folge hat das achsnahe parallele Strahlen in einem Brennpunkt gebündelt sind, wohingegen achsferne Strahlen etwas vor dem Brennpunkt fokussiert sind. Es kommt zu einer Überlagerung des scharfen Kernbildes und eines unscharfen Bildes. Chromatische Aberration - Der Brechungsindex aller Materialien ist wellenlängenabhängig. Verschiedene Wellenlängen werden in verschiedenen Bildebenen scharf abgebildet. Das Licht das die Linse am Rand passiert trägt am Meisten zu diesem Fehler bei. Astigmatismus - betrifft Strahlenbündel, die schräg auf die Linse treffen. Der Querschnitt dieses Strahlenbündels ist in der Schnittebene der Linse elliptisch und besitz daher eine kürzere (sagitale Achse) und eine längere (meridionale Achse). Die Strahlen beider Achsen werden an unterschiedlichen Stellen scharf abgebildet. (Dierser Fehler äußert sich im Abfall der Schärfe zum Bildrand hin. Koma - Ein Asymmetriefehler bei dem achsferne und achsnahe Strahlen einen unterschiedlichen Brennpukt haben, auf Grund eines unsymmetrischen Strahlenverlaufes.             --> Hat zur Folge das der Bildpunkt "kometenhaft" auseinander gezogen wird Sonstige Bsp. - Bildfeldwölbung, Verzerrung   Schattenprojektion: Infrarot Sender, der die Kanten eines Messobjektes auf ein CCD projeziert. Die Hell-Dunkel und Dunkel-Hell Übergänge werden dann ausgewertet.            --> damit ist z.B. die Bestimmung von Bauteildurchmessern möglich Lasereigenschaften: monochrom, geringe Divergenz, Kohärenz, hohe Strahlintensität, ultrakurze Lichtpulse möglich spontane Emission: unkorreliert & ungerichtet ;  induzierte Emission: korreliert & gerichtet Kohärenz: zeitlich konstanter Phasenunterschied bei zwei Wellenfronten --> führt zu konstruktiver oder destruktiver Interferenz Interferometer: unbekannte Wellen werden mit Standardwellen verglichen durch Interferenz ensteht ein Muster das elektronisch oder photographisch aufgenommen wird; Bsp: (Mach-Zehnder Interferometer & Michelson Interferometer)          Wichtige optische Messverfahren: Optischer Längentaster - Autofokussensor: Der Strahl einer Laserdiode wird über eine Kollimatorlinse und ein bewegliches Objektiv auf die Oberfläche eines Messobjektes geführt. Der Strahl wird reflektiert und über einen Strahlteiler und ein Prisma auf eine Diodenzeile abgebildet, welche ein Signal in Abhängigkeit des Leuchtflecks weiterleitet, um das Objektiv so zu verschieben das der Durchmesser des Leuchtflecks minimal wird und der Brennpunkt genau auf der Objektoberfläche aufliegt. Gemessen wird der Weg den das objektiv verschoben werden muss. --> (hohe Genauigkeit) Lasertriangulation: Ein nahezu paralleler Lichtstrahl einer Laserdiode wird auf ein Messobjekt gerichtet. Dort entsteht ein heller Lichtfleck der von einem positionsempfindlichen Detektor abgebildet wird. Aus dem Abbildungsort kann der Auftreffpunkt des Leuchtflecks bestimmt werden. ( Dient zur Abstands & Längenmessung) Streifenprojektion
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Oberflächenmessung - Taktile Messgeräte: direkte Berührung der Oberfläche der Probe, die vertikale Bewegung der Tasterspitze wird erkannt, Radius der Tasterspitze muss möglichst klein sein & Kontaktdruck gering, Taster bestehend aus Diamant oder Saphir; ideale Tasterform - Kegel mit Messkugel an der Spitze Nachteile: Verschleiß des Tasters, Kratzer auf der Oberfläche, für viskose Stoffe ungeeignet, zeitaufwändige Messung Vorteile: klares Wellenprofil, auch für Messungen mit großem Messabstand geeignet Rasterkraftmikroskop: Die atomaren Kräfte zwischen Spitze und Probe werden gemessen, Sonde wird bis auf wenige Nanometer an die Probe herangeführt Nachteile: keine Messungen im breitem Bereich möglich, keine großen Proben möglich weil Vorbehandlung nötig ist, schwer bedienbar Autofokussensor (siehe Optik) Weißlichtinterferometer:  Die Lichtinterferenz zweier Strahlen wird ausgewertet Der durch eine Wolframhologen Lampe erzeugte Lichtstrahl wird von einem Strahlteiler in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, ein Teilstrahl trifft auf die Oberfläche des Messobjektes während der andere Teilstrahl auf einen Referenzspiegel gelenkt wird, An beiden Oberflächen wird der Strahl reflektiert, zur Interferenz gebracht und von einem Mikroskop analysiert Der optische Pfad vom Referenzspiegel zum CCD Element und des Messobjektes zum CCD Element sind grundsätzlich gleich lang aber durch die Rauheit des Messobjektes werden die Pfade ungleichmäßig und es kommt zu einem Interferenzmuster Vorteile: schnelle Messung, breites Bildfeld ermöglicht Messungen im Sub-Nanometer-Bereich Nachteile: eingeschränkte Winkeleigenschaften, Neigungskorrektur erforderlich, empfindlich für Vibration Konfokal Chromatisches Prinzip: spektral breitbandige Lichtquelle, chromatische Aufspaltung der Brennweite, Faserende als konfokale Blende, Spektralanalyse des reflektirten Lichtes maximaler Peak im Spektrum führt auf Oberflächenhöhe, kein mechanischer Tiefenscan erforderlich 3D-Laserscanning-Mikroskop: keine Vorbehandlung des Materials nötig, vielseitig einsetzbar, einfach zu bedienen
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Methoden der Kraftmessung: Resistive Sensoren: beruhen auf dem Prinzip der elektrischen Widerstandsänderung, der Widerstand eines Leiters steht in Relation zur Länge und Querschnittsfläche des Leiters, beim DMS wird über die Widerstandsänderung die Dehnung des Bauteils gemessen welche widerum zur Berechnung der wirkenden Kraft verwendet wird Piezoelektrisch: Nicht zentralsymmetrische Kristalle können durch eine äußere Kraft polarisiert werden und die Ladung kann an der Oberfläche abgetragen werden, der Sensor ist als Kondensator aufgebaut bei dem die Spannungsdifferenz bei zunehmender Krafteinwirkung steigt, kann nicht zur Messung konstanter Kräfte verwendet werden weil stetig Ladung abgetragen wird Induktiv: Querankersensor & Tauchankersensor --> hohe Empfindlichkeit und Auflösung, sowie schmutzbeständig Kapazitiv: Messung erfolgt durch Änderung des Plattenabstandes, der Plattenflächen oder des Dielektrikum
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Ausdehnungsthermometer:  Flüssigkeitsthermometer:  Ausdehnung der Thermometerflüssigkeit bei Temperaturerhöhung,  oberhalb der Fadenflüssigkeit befindet sich entweder ein Vakuum oder ein Gas (z.B. Stickstoff) dass eine Oxidation der Flüssigkeit vermeidet , diese Thermometer werden in der Regel zur Kalibrierung anderer Thermometer verwendet Bimetallthermometer: Zwei Metalle mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung werden miteinander verbunden und bei steigender Temperatur kommt es zur Krümmung, das Thermometer biegt sich zur Seite mit dem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Bewegung wird auf einen Zeiger übertragen, Verwendung in Kaffeemaschinen und Bügeleisen Widerstandsthermometer: Der Widerstand eines metallischen Leiters hängt von seiner Temperatur ab, Platin und Nickel haben sich als Werkstoff in W-thermometern durchgesetzt, Kompensation von Leitungswiderständen durch Drei- bzw. Vierleiterschaltung Halbleiter-widerstandselemente: Aufteilung in NTC (negative temperature coefficient) und PTC (positive temperature coefficient), bei NTC's nimmt die Eigenleitfähigkeit bei steigender Temperatur zu und der elektrische Widerstand ab, bei PTC's nimmt die Leitfähigkeit bei steigenden Temperaturen ab --> stark streuende Materialkonstanten führen dazu dass diese Methode nicht besonders präzise ist, allgemeine Vor und Nachteile punktförmige Messungen möglich, keine Zuleitung zur Kompensation notwendig, kleine Zeitkonstanten, geringe Langzeitstabilität Themoelement: beruht auf dem Seebeckeffekt, die frei beweglichen Elektronen in einem metallischen Leiter besitzen bei höheren Temperaturen eine höhere kinetische Energie/Geschwindigkeit und bringt man die Enden eines Leiters auf unterschiedliche Temperaturen so bewegen sich mehr Elktronen vom heißen zum kalten Ende als umgekehrt dadurch kommt es zu einer Spannungsdifferenz die den Prozess letztlich zum Stillstand bringt, beim Thermoelement sind zwei Drähte an einem Ende mit unterschiedlichem Seebeckkoeffizienten miteinander verbunden sodass die Spannungsdifferenz die durch den Temperaturunterschied entsteht nicht kompensiert wird Sonstige: Pyrometer - bei sehr hohen Temperaturen wird die emittierte sichtbare und infrarot Strahlung gemessen
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Druckmessverfahren: U-Rohr-Manometer: Bestehend aus zwei senkrechten Rohrschenkeln die in U Form miteinander verbunden sind, Darin befindet sich eine Flüssigkeit, Wirken an beide Schenkelanschlüssen verscheiden große Drücke so verändert dies die Gleichgewichtslage sodass es zu zwei verschieden Höhenständen der Flüssigkeit kommt, Aus der Höhendifferenz und der Dichte der Flüssigkeit lässt sich die Druckdifferenz berechnen Schrägrohrmanometer wird verwendet um eine höhere Ablesegenauigkeit zu erreichen  Kolbenmanometer - Zu Kalibrierungszwecken verwendet, durch auflegen von Gewichten auf einen Kolben wirkt ein Druck auf eine Flüssigkeit der an eine Messstelle weitergegeben wird, der Kolbenboden ist dabei auf der selben Höhe wie die Messstelle sodass das Eigengewwicht der Flüssigkeit keinen zusätzlichen Druck ausmacht (auch Gewichtsmanometer)  Elastische Manometer Mechanisch:   Plattenfedermanometer - kreisförmige gewellte Membran die bei Messdruck zur Seite hin wölbt, die Stärke der Durchbiegung wird über ein Gestänge auf ein Zeigerwerk übertragen, Einsatzbereich 0...40 bar Mechanisch:   Kapselfeder -  zwei konzentrisch geformten Metallmembranen die druckdicht miteinander verbunden sind, die sich bei Druckaufbau aufwölbt und bei Unterdruck zusammenzieht, Einsatzbereich 0...600 mbar, Messung kleiner positiver oder negativer Überdrücke in gasförmigen Messstoffen Mechanisch: Rohrfedermanometer: Die Rohrfeder verformt sich proportional zum einwirkenden Druck, Das Prinzip ist das die äußere Fläche der Feder größer ist als die innere und bei Druckeinwirkung sich die Feder nach außen aufbiegt elektrisch: Membrandruckgeber - Eine Messzelle die aus zwei Kondesnsatorplatten besteht, die Kammer wird durch eine Membran in zwei Hälften getrennt und eine flexible Trennmembran schließt die Kammern nach außen hin ab, die Kammer sind mit l geffüllt die eine Kraftübertagung von Trenn zu Kammermebran ermöglicht, bei einer Auslenkung der Kammermembran entsteht eine Differenzkapazität die  in elekt. Signal umgewandelt wird (Piezoelektrischer Druckgeber - vgl. Kraftmessung)
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Infrarot-Absorptionsmessung: Wasserdampf besitzt im nahen infrarot Bereich eine Absorptionsbande. Der Absorptionskoeffizient ist proportional zum Partialdruck des Wasserdampfes Haarhygrometer: ein entfettetes menschliches Haar oder ein geeigneter Kunststofffaden wird verwendet, diese verlängern sich bei Wasseraufnahme, über ein Zeigersystem wird kann die Verlängerung auf eine Skala übertragen werden Darr-Wäge methode: Bei Feststoffen geignet, Vergleich Nass zu Trockengewicht Dielektrisches Verfahren: Die Dielektrizitätszahl von Wasser ist viel höher als die von Luft (80mal), z.B. werden zwei Kondensatorplatten so an das Prüfgut angelegt dass die Feuchtigkeit die Kapazität des Kondensators beeeinflusst, um die Luftfeuchte zu messen wird ein wasseraufnehmendes Polymer zwischen die Kondensatorplatten geführt, die Kapazität hängt nicht linear von der Feuchte ab Leitfähigkeitsverfahren:    Ein mit zwei Messfühlern versehenes Gerät wird in das Messobjekt gesteckt, der elektrische Widerstand wird gemessen, das ergebnis wird in Feuchtigkeitsprozente umgerechnet einfache Bestimmung der Feuchtigkeit in Bauteilen, Messwerte können schnell sehr große Verfälschungen annehmen durch ungleiche Feuchteverteilung oder Temperatur und Dichteschwankungen
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Volumenzähler: Auslaufzähler - Das Fluid wird in Kammern mit bekanntem Volumen gefüllt und die Anzahl an Füllungen bzw. Leerungen werden gezählt (keine Gase) Verdrängungszähler - Das Messgut wird durch bewegliche Messkammerwände verdrängt (auch Gase) Volumenzähler mit Messflügeln - Die Strömungsgeschwindigkeit wird gemessen (Multiplikation mit Querschnittsfläche) Strömungsmesser: Wirkdruckverfahren -    Basiert auf der Messung des statischen Druckes in zwei unterschiedlichen Rohrquerschnitten, wird der Strömungsquerschnitt verengt so kommt es zu einer erhöhten  Strömungsgeschwindigkeit und einem Abfall des Druckes, aus der Druckdifferenz wird die mittlere Strömungsgeschwindigkeit gemessen Schwebekörper Durchflussmesser - ein beweglicher Körper wird senkrecht von unten nach oben in einem konischen Rohr umströmt, die Steighöhe des Körpers gibt Aufschluss über den vorhandenen Volumenstrom
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