Messwerterfassung mit dem PC

Gliederung Was ist Messen? Messeinrichtung Signalaufbereitung Messfehler Vorteile/Nachteile der PC-Messtechnik Anwendung Quellen

1. Was ist Messen? Messen ist ein Vorgang, bei dem der Wert einer physikalischen Größe als vielfaches einer Einheit oder eines Bezugswertes ermittelt wird. z.B. phy. Größe: Temperatur Einheit: °C, °F oder K

2. Messeinrichtung Messarbeitsplatz

2. Messeinrichtung 2 Arten Messkarten externe Messinterface

Messkarte Kopplung mit PC durch PCI, ISA oder SCSI Trend geht heute zur PCI-Schnittstelle

Externe Messsysteme Kopplung mit PC durch USB, FireWire, Serial Port und Parallel Port da sich die Probleme der parallelen Datenübertragung bei hohen Übertragungsgeschwindigkeiten immer stärker bemerkbar machen, geht der Trend heute zur seriellen Übertragung, besonders USB

3. Signalaufbereitung Prozess der Messkette, den ein Signal durchläuft Analogteil der Messdatenerfassungskette Komponenten zwischen Sensor und A/D-Wandler Digitalteil der Messdatenerfassungskette  A/D-Wandler

Die Messkette Ist eine Zusammenschaltung von Komponenten, die alle Funktionen von der Wandlung einer nicht elektrischen Größe in ein elektrisches Signal bis zur Anzeige des Messwertes in ablesbarer Form beinhaltet.

Sensor dient zur Umsetzung einer Messgröße (z.B. Temperatur), in ein elek. Signal unterscheiden sich in Funktion und Aufbau abhängig von den jeweiligen Einsatzbereich Prinzip: Sensor ändert sich gesetzmäßig mit der zu messenden Größe meistens Halbleitersensoren

Sensor für jede zu messende Größe gibt es eine bestimmte Art von Sensor z.B. Temperatur Helligkeit Druck

Messumformer wandeln die Messgrößen von Sensoren in ein normiertes analoges (Einheitssignal), meist elektrisches Ausgangssignal um Messgröße z.B. Temperatur oder Druck Ausgangssignal z.B. 4..20 mA, 0..10 V, Frequenz

Verstärker Spannung, die vom Sensor erfasst wurde, ist sehr klein und muss für die Weiterverarbeitung erst mit Hilfe von Signalverstärkern erhöht werden

Tiefpassfilter auch bekannt als Rauschfilter ist der in der Messtechnik am häufigsten benutzte Filter Prinzip: 1. der Tiefpassfilter lässt tieffrequente Signale passieren 2. filtert höherfrequente Signale aus 4 häufigsten Tiefpassfilter-Typen: kritische Dämpfung, Bessel, Butterworth und Tschebyscheff

Tiefpassfilter Beispiel: Rauschunterdrückung

Abtast/Halteglied auch Sample and Hold Aufgabe: eine sich kontinuierlich ändernde Spannung abzutasten und den Spannungswert für einen kurzen Moment zu halten Ursache: die Analog-Digital-Wandlung dauert eine kurze Zeit, in der sich der Spannungswert nicht ändern darf Vorteil: Abtast-Halte-Schaltung erlaubt eine korrekte Wandlung auch bei schnellen Änderungen der Eingangsspannung

Beispiel zur Veranschaulichung weiter zum A/D Wandler

Analog-Digital-Wandler Wozu Braucht man das? um analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln PC verarbeitet nur digitale Signale

Zur Veranschaulichung

Analog-Digital-Wandler Analogsignale kontinuierlich variierende Spannungsimpulse, deren Werte in gleichbleibenden Zeitabständen gemessen werden (Sampling) Digitalsignale arbeitet nicht mit kontinuierlich verlaufenden Signalen pro digitalem Signal nur zwei Zustände unterschieden Binärsignale (0 oder 1)

Analog-Digital-Wandler 1. Quantisierung ist die Einteilung des analogen Spannungsbereichs in Spannungsstufen Spannung: ±4 V Spannungsstufen: 8

Analog-Digital-Wandler 2. Codierung jedem Quantisierungsintervall wird ein binäres Codewort zugeordnet Spannungsstufen: 8 8 Codewörter notwendig 23=8 3Bit

Analog-Digital-Wandler

Analog-Digital-Wandler Vorteile digitaler Signale: nur digitale Signale können in PCs verarbeitet werden lassen sich einfacher speichern als analoge Signale werden bei der Übertragung weniger verzerrt Übertragung ist weniger störanfällig

4. Messfehler Messwerte einer zu messenden phy. Größe stimmen selten mit dem wahren Wert dieser Größe überein ist die Differenz zwischen dem physikalischen Wert der Einzelmessung und dem wahren Wert der Messgröße sind aus mehreren Komponenten unterschiedlichen Charakters zusammengesetzt

Wie ermittelt man wahre Werte? wahre Werte sind nicht messbar sie sind nur mit Hilfe von Intervallen eingrenzbar sie sind immer nur im Rahmen der Messunsicherheit möglich deshalb Angabe von Toleranzbereichen bei Messungen

Art von Messfehler

Zufällige Messfehler abs. Messfehler: ist die Abweichung des angezeigten Wertes vom wahren Wert rel. Messfehler: ist das Verhältnis zwischen abs. Messfehler und wahren Wert

Zufällige Messfehler treten zufällig nach beiden Seiten des richtigen Messwertes auf Methoden der Stochastik können heran gezogen werden um den Fehler abzuschätzen Methode: mehrmaliges Messen und anschließendes Bilden des Mittelwertes

Systematische Messfehler Messfehler, die bei Wiederholung der Messung konstant bleiben Ursache: -Gerätefehler -Einflussfehler (Temperatur, Felder) diese Ursachen sind erfassbare Einflussgrößen und können korrigiert werden

Kampf gegen Messfehler Kalibrieren Justieren Eichen

Kalibrieren Feststellen und Dokumentieren der Abweichung des Anzeigewertes vom wahren Wert der Messgröße. Erstellung eines math. Modells

Math. Modell zur Auswertung der Kalibrierung unter Berücksichtigung aller bekannten systematischen Einflüsse, wie z.B. Umgebungsbedingungen, Vorgehensweise etc. Kalibrierwert, mit dem der Messwert korrigiert wird

Justieren Ermitteln des für eine Messeinrichtung gültigen Zusammenhangs zwischen dem Messwert (Anzeigewert)und dem wahre Wert der Messgröße Eingriff in das Messsystem

Eichen ist die Prüfung eines Messgerätes auf Einhaltung der zugrundeliegenden eichrechtlichen Vorschriften durch das Bundeseichamt Vorgabe, wie viel Prozent ein Anzeigewert vom wahren Wert abweichen darf dient dem Verbraucherschutz

Eichen Ladentischwaagen, Brückenwaage etc. Zapfsäulen an Tankstellen Gaszähler, Wasserzähler, Stromzähler, Wärmezähler

Beispielrechnung Bierflasche hat einen Inhalt von 0,5l Jede Flasche bekommt absichtlich 2% weniger eingefüllt Tatsächlich nur noch 0,49l Inhalt pro Flasche Nach 50 Flaschen hab ich den Inhalt einer Flasche gespart Preis:1€ Menge:100.000 pro Tag 100.000/50=2000

Vorteile des rechnergestützten Messens teure Messgeräte lassen sich durch die Messinterface und Software ersetzen, z.B. Oszilloskop der Computer ermöglicht die Aufnahme von schnellen Vorgängen, z.B. Drehzahl es sind Messung über längere Zeiträume möglich ohne persönlich anwesend zu sein Messdaten können über ein längeren Zeitpunkt gespeichert werden computererfasste Messdaten können einfacher weiterverarbeitet werden Software erlaubt bestimmte Simulationen Vorgänge können am PC rekonstruiert werden

Nachteile des rechnergestützten Messens hohe Kosten einzelner Komponenten hohe Störanfälligkeit hochsensibler Sensoren Standortgebundenheit gespeicherte Daten gehen einfacher verloren als aufgeschriebene Daten, aber können dafür leichter vervielfältigt werden

6. PC als Steuer- und Regelgerät Steuern: ist das Beeinflussen von technologischen Prozessen nach einem vorgegebenen Plan Regeln: ist das Beeinflussen von technologischen Prozessen so, dass eine bestimmte Größe zu jeder Zeit einen vorgegebenen Wert aufweist (Vergleich von Istwert und Sollwert)

gesteuerte Heizanlage Temperatur ändert sich durch äußere Einflüsse, z.B. Fenster Öffnen

geregelte Heizanlage Temperatur bleibt konstant, trotz äußerer Einflüsse wie z.B. Fenster Öffnen

Wie ist der Aufbau einer Steuer- oder Regelkarte?

Anwendung Industrie: Forschung: Automobilbau Lebensmittelherstellung Kraftwerke etc. Forschung: Labor  Untersuchungen Statistik

Anwendung Haushalt: Heizanlage Herd Kühlschrank

Quellen Literatur Einfache IT-Systeme (Stam) Messtechnik und Messdatenerfassung (Oldenburg) Internet www.wikipedia.de www.google.de

Herr Rautenberg, bitte wachen Sie auf!

In der 7. Stunde finden Sie sich bitte in den Physikraum (Raum 103) ein!