Messtechnik – Grundlagen
Du wolltest schon immer wissen was Messtechnik ist? Dann bist du hier genau richtig! In diesem Artikel dreht sich alles um Geräte mit Skalenanzeige und wie man Messungenauigkeiten korrigiert.
Inhaltsübersicht
Messungenauigkeiten und die Skalenanzeige
Bevor wir auf Geräte mit Skalenanzeige eingehen, solltest du wissen wieso Messungen an Maschinen und Anlagen überhaupt durchgeführt werden. Die drei wichtigsten Gründe sind:
Leistungsbewertung, also zum Beispiel Garantienachweis oder Handel mit Mengen;
Betriebs-überwachung wie Betriebssicherheit, Wirtschaftlichkeit und die Kontrolle von Grenzwerten;
Forschung und Entwicklung, also die Bestätigung oder Erarbeitung einer Theorie.
Alle Messtechnische Regeln sind in Gesetzen und Normen niedergelegt. So enthält z.B. DIN 1301 die Einheiten und DIN 1319 die Grundbegriffe der Messtechnik.
Bei den Messverfahren kannst du zwischen mechanischen, elektrischen und elektronischen Verfahren unterscheiden. Gerade bei Aufgaben der Regelung, Steuerung, Überwachung und Zustandsanalyse von umfangreichen Systemen wie Maschinen und Anlagen spielen elektrische und elektronische Verfahren eine wichtige Rolle.
Mechanisches Verfahren
Um uns mit messtechnischen Verfahren vertraut zu machen, starten wir mit einem mechanischen Verfahren. Dabei verwenden wir die Skalenanzeige. Bei dieser wird die Ausschlagmethode eingesetzt, bei der die zu messende Größe unmittelbar als Ausschlag abgebildet wird. Um dir das besser vorstellen zu können, siehst du hier eine Federwaage, die nach der Ausschlagmethode arbeitet. Sie wird verwendet, um Zug- und Gewichtskräfte zu ermitteln. Hängt man eine Masse mx an die Feder, so kann mit ihr die elastische Dehnung der Feder an einem Lineal abgelesen werden. Die Anzeige bzw. der abgelesene Wert ist der Augenblickswert der Messgröße.
Es handelt sich hier um eine skalare, analoge Messung, bei der eine Längsbewegung im Messsystem erfolgt, bis ein Kräftegleichgewicht eintritt. Mithilfe der Formeln:
kannst du das Kräftegleichgewicht berechnen. Aber Achtung! Diese Formel ist nicht allgemein gültig, wir können sie nur im Fall der Federwaage verwenden.
Drehimpulsinstrument
Ein weiteres Messgerät, das nach der Ausschlagmethode arbeitet, ist das Drehimpulsinstrument. Wie du hier erkennen kannst, ist diese Methode vom Winkel abhängig. Das heißt: in diesem Fall ist unsere Messgröße der Drehwinkel einer Spule, die im Feld eines Dauermagneten ist. Beim Drehpulsinstrument wird elektrische Energie verwendet. Das können wir an dieser Skizze oder auch beim Kräftegleichgewicht erkennen. Um ein Kräftegleichgewicht bei einem Drehimpulsinstrument zu erstellen, muss gelten: Mel=Mmech .
Für Mel lautet die Formel:
und für Mmech:
Dabei gilt für die einzelnen Buchstaben und Indizes:
- Mel= Drehmoment elektrisch,
- U=Spannung,
- Rv=Vorschaltwiderstand,
- Rg=Gerätewiderstand,
- Kg=Gerätekonstante,
- cf=Federkonstante
- und α=Weg in Grad
Genauigkeit
Bis jetzt ist das alles noch ziemlich einfach, oder? Machen wir also gleich weiter. Du hast bereits zwei Messgeräte kennen gelernt – nun ist es auch interessant zu wissen wie genau solche Messgeräte eigentlich sind. Wenn die Rede von Messungenauigkeiten ist, fragst du dich bestimmt, wie es überhaupt dazu kommen kann, dass Messgeräte ungenau messen.
Das kann man sich ganz leicht erklären. Wir betrachten als Beispiel nochmal die Federwaage. Welche Faktoren können hier zu Messungenauigkeiten führen? Wie du erkennen kannst, ist die Genauigkeit abhängig von der Feder, davon wie präzise das Lineal ist und wie genau die Person es ablesen kann. Durch diese drei Faktoren kann der durch uns ermittelte Wert nicht mehr dem Realwert übereinstimmen.
Ausgleichsmethode
Nun wissen wir zwar, das Messgeräte ungenau sein können, aber es muss ja sicherlich auch eine Lösung für dieses Problem geben. Mithilfe der Ausgleichsmethode kann dieser Fehler behoben werden. Messgeräte, die die Ausgleichsmethode verwenden, sind z.B. die Balkenwaage Bild a oder das Kompensationsgerät. Mit der Balkenwaage können wir den Fehler beheben, indem wir den Wert der zu messenden Größe durch eine bekannte gleichartige Größe abgleichen, bis die Differenz zwischen beiden Größen Null ist. Beim Kompensationsmessgerät wird die zu messende Größe mit einer Kompensationsgröße abgeglichen, bis die Differenz zwischen beiden Größen Null ist.
Die Ausgleichsmethode besteht aus 2 Schritten:
- Erstens: Dem Ausgleich zur Null-Lage
- Zweitens: Der Bestimmung der dazu nötigen äußeren Richtkräfte.
Beide Methoden funktionieren gleich und sind sehr genau. Jedoch hat die elektronische Variante den Vorteil, dass sie schneller und weniger umständlich ist.