Praxiswissen in der Messtechnik

Messen ist die quantitative Bestimmung von Größen, wobei genormte Grundbegriffe und Grundstrukturen zur Anwendung kommen. Nach Konkretisierung der Messaufgabe erfolgt die Auswahl geeigneter Messverfahren sowie Messmethoden, um ein optimales Messergebnis zu erhalten. Dabei werden Rückwirkungen und Wechselwirkungen in Messsystemen betrachtet. Für den Informationsaustausch werden unterschiedliche Signalarten benötigt, welche in einer Übersicht dargestellt sind. Die meisten Messsignale können nicht direkt weiterverarbeitet werden, sodass eine Signalumformung erfolgen muss. Anschließend werden die Hauptgebiete der Messwertverarbeitung erläutert, welche sich in Messwerterfassung, Messdatenverarbeitung und Messwertausgabe gliedern. Zum besseren Verständnis aller Kapitel erfolgt eine Zusammenstellung von wichtigen messtechnischen Begriffen.

Das neue Internationale Einheitensystem (SI) beruht auf definierten Basiseinheiten und nimmt in seiner Neudefinition auf Naturkonstanten Bezug. Diese sind universell, unabhängig von Zeit und Ort. Neue Definitionen gibt es durch die Elementarladung e, die Planck-Konstante h, die Boltzmann-Konstante K_B sowie die Avogadro-Konstante N_A. Zur Darstellung von Verhältnisgrößen werden Kennwörter wie Prozent % oder Promille ‰ verwendet. Um das Vielfache oder Teile von Einheiten zu bilden, werden SI-Vorsätze benötigt.

Auf der Basis internationaler Normenwerke erfolgt die Ermittlung von Messunsicherheiten. Diese müssen nach anerkannten Messmethoden ermittelt werden und für gesamte Messketten berechenbar sein. In der Praxis treten systematische und zufällige Fehler auf, wobei eine genaue Ursachenanalyse erfolgen muss. Zur Bewertung von Messabweichungen werden Verteilungsarten wie z. B. die Normalverteilung (Gauß-Verteilung) sowie die Studentverteilung (t-Verteilung) herangezogen. Zur rechnerischen Erfassung zufälliger Fehler werden Messreihen gebildet und aus vielen einzelnen Messwerten wird der arithmetische Mittelwert gebildet. Zur Festlegung von Vertrauensgrenzen wird der Vertrauensbereich des Mittelwertes für unterschiedliche statistische Sicherheiten berechnet. Weitere Beispiele sind für den Praktiker zur Untersuchung der Prüfmitteleignung ausführlich dargestellt.

Vor der Ausführung von Messaufgaben ist eine gründliche Vorbereitung sehr wichtig, da die Auswahl der Prüfmethode, des Prüfmittels sowie der Rahmenbedingungen die Messabweichungen beeinflussen. Aufgrund ihrer Messwertausgabe werden Messgeräte in analoge und digitale Geräte unterteilt. Bei den analogen Messgeräten werden die Vor- und Nachteile von Drehspul- und Dreieisenmesswerken sowie von elektrodynamischen Messwerken gegenübergestellt. Die Fehleranteile dieser Messgeräte werden in Grundfehlergrenzen zusammengefasst und als Fehlerklassen bezeichnet. Im Grundfehler sind Fehleranteile durch die Umkehrspanne, die Ansprechunempfindlichkeit, die Drift sowie die Linearität enthalten. Zur Messung größerer Spannungen oder höherer Ströme werden Messbereichserweiterungen vorgenommen. In der digitalen Messwertverarbeitung nehmen Signalparameter nur definierte Werte an und die Darstellungsgenauigkeit wird durch die Anzahl der Zustände bestimmt. Zur Analog-Digital-Wandlung werden unterschiedliche Verfahren, wie z. B. das Mehrfach-Rampen-Verfahren, das Single-Slope-Einrampen-Verfahren oder die sukzessive Approximation verwendet. In der Digitaltechnik werden zur Messung von Gleich- und Wechselgrößen sowie von unterschiedlichen Bauelementen, z. B. Widerstände in Zwei- und Vierdrahttechnik, Digitalmultimeter verwendet. Für die am häufigsten verwendeten Messverfahren werden viele messtechnische Hinweise gegeben.

Sensoren sind Messfühler, welche zur elektrischen Erfassung nichtelektrischer Messgrößen eingesetzt werden. Die Messgrößenerfassung aller Einflussgrößen auf den Messprozess bildet die Voraussetzung für genaues Messen. Alle Rahmenbedingungen zum Messen, wie z. B. Temperatur, Luftfeuchte und Strömungsgeschwindigkeit, sind in Normen oder Herstellerangaben festgelegt und müssen eingehalten werden. Durch unterschiedliche Einflüsse (Umwelt) tritt zwischen Messobjekt und Messgerät immer eine Wechselwirkung ein. Die Genauigkeitsanforderung der Messaufgabe legt fest, ob Wechselwirkungen oder Rückwirkungen bei der Fehlerbetrachtung berücksichtigt werden müssen. Bei der Wandlung nichtelektrischer in elektrische Größen wird der Wert einer Messgröße erfasst und durch einen Sensor in ein primäres Abbildungssignal umgewandelt. Durch Hinzufügen eines Messwandlers und der Messwertausgabe wird der Sensor zu einem Messgerät. Das vom Sensor ausgehende sekundäre Messsignal wird zur Signalverarbeitung, Signalanalyse, Informationsspeicherung und zur Messwertausgabe genutzt. Um Querempfindlichkeiten so gering wie möglich zu halten, müssen Störgrößen vermieden werden und der Sensor darf möglichst nur auf eine Größe ansprechen. Zur Messung der Temperatur werden Widerstandsthermometer, Thermoelemente und NTC-Widerstände verwendet. NTC-Widerstände dienen auch zur Kompensierung von positiven Temperaturkoeffizienten und zur Stabilisierung des Arbeitspunktes von Transistoren. Je nach Einsatzgebiet werden Widerstandsthermometer und Thermoelemente in verschiedene Klassen und Bauformen eingeteilt. Für die Messung der Feuchte kommen unterschiedliche Feuchtesensoren zum Einsatz. Je nach Anwendungsgebiet werden Feuchtesensoren auf der Basis von Leitfähigkeitsänderungen oder Kapazitätsänderungen eingesetzt. Zur Bestimmung der Luftgeschwindigkeit werden Strömungssensoren verwendet. Für die richtige Auswahl muss zwischen turbulenter und laminarer Strömung unterschieden werden. Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt mit dem Heißfilm- oder dem Konstant-Temperatur-Anemometer.

Störeinflüsse auf Messstromkreise und Geräte erzeugen zusätzliche Fehlerquellen. Bei Störsignalen unterscheidet man zwischen internen und externen Störsignalen. Messstromkreise werden auch durch elektrische und magnetische Fremdfelder sowie Erdschleifenspannungen beeinflusst. Auf leitungsgebundene Signale erfolgt oft die Einkopplung von galvanischen, induktiven und kapazitiven Störungen. Für eine optimale Störspannungsunterdrückung muss zwischen Gleichtakt- und Gegentaktstörungen unterschieden werden. Gleichtaktstörspannungen treten zwischen Signaladern und Bezugsmasse auf. Gegentaktstörspannungen werden galvanisch oder induktiv eingekoppelt. Durch Unsymmetrien im Messstromkreis kommt es zu einer Gleichtakt-Gegentakt-Umwandlung. Durch viele aufgeführte Maßnahmen aus der Praxis können diese Störeinflüsse stark verringert werden.

Digitale Systemlösungen nehmen eine Schlüsselstellung in vielen unterschiedlichen Bereichen von Wissenschaft und Technik ein. Das Standard-Interface (SI) legt die Anschlussbedingungen für die digitale Datenübertragung fest. Die Übertragung der Daten erfolgt über serielle oder parallele Schnittstellen. Durch Einkopplung von induktiven und kapazitiven Störimpulsen können Informationsverluste entstehen. Für Messsignalleitungen sind die vom Hersteller angegebenen Leitungskapazitäten einzuhalten. In der Mess- und Prüftechnik erfolgt die Datenfernübertragung in den letzten Jahren oft im Online-Betrieb. Dabei sind die schnelle Erkennbarkeit von Abweichungen sowie der Schutz von Daten sehr wichtig. Zur Fehlererkennung wurden unterschiedliche Verfahren entwickelt. Die Fehlererkennung kann über Paritätsbit, durch Echobetrieb oder mithilfe der Prüfsumme vorgenommen werden. Zur Datensicherung bei Programmunterbrechungen wird der Kellerspeicher (Stapel) benutzt. Hier werden alle Registerinhalte gespeichert und nur durch die Freigabeantwort zurückgesendet.

Das Prüfmittelmanagement bildet die Basis für eine optimale Sicherstellung von Prozess- und Produktqualität, d. h. für jede Prüfaufgabe müssen geeignete und kalibrierte Prüfmittel zur Verfügung stehen. Alle Systeme und Prozesse unterschiedlicher Unternehmen müssen kontinuierlich optimiert werden, um die Produktqualität zu verbessern. Für Mess- und Prüfräume müssen die Referenzbedingungen eingehalten und turnusmäßig überwacht werden. Durch Absoluttemperatur, relative Luftfeuchte, Energieaustausch, Schwingungen, Fremdfelder und Luftverunreinigung kann die Messunsicherheit beeinflusst werden.eim Zur Auswertung der Messergebnisse wird ein Kalibrierschein nach DAkkS-Richtlinien erstellt. Dieser Schein muss eine Konformitätsaussage über Messergebnisse und Spezifikationen enthalten. Die Gesamtmessunsicherheit wird über Messwert, erweiterte Messunsicherheit, Standardmessunsicherheit und Standarderweiterungsfaktor ermittelt. Fehlerhafte Prüfmittel müssen gekennzeichnet, rückgestuft oder ausgesondert werden.