Messwerterfassung mit dem PC

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Gliederung

1. Was ist Messen?2. Messeinrichtung3. Signalaufbereitung4. Messfehler5. Vorteile/Nachteile der PC-

Messtechnik6. Anwendung7. Quellen

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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

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2. Messeinrichtung

Messarbeitsplatz

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2. Messeinrichtung

2 Arten Messkarten externe

Messinterface

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Messkarte• Kopplung mit PC durch PCI, ISA oder SCSI

•Trend geht heute zur PCI-Schnittstelle

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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

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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

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nichtelektrischeMessgröße

elektrischeMessgröße

elektrisches Messsignal

genormtes elek.Messsignal

abgetastetesMesssignal

digitales Messsignal

Sensor

Mess-umformer

Verstärker

Tiefpass-filter

Abtast/Halte-glied

A/D-Wandler

PC

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.

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nichtelektrischeMessgröße

elektrischeMessgröße

elektrisches Messsignal

genormtes elek.Messsignal

abgetastetesMesssignal

digitales Messsignal

Sensor

Mess-umformer

Verstärker

Tiefpass-filter

Abtast/Halte-glied

A/D-Wandler

PC

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

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nichtelektrischeMessgröße

elektrischeMessgröße

elektrisches Messsignal

genormtes elek.Messsignal

abgetastetesMesssignal

digitales Messsignal

Sensor

Mess-umformer

Verstärker

Tiefpass-filter

Abtast/Halte-glied

A/D-Wandler

PC

Sensor•für jede zu messende Größe gibt es eine bestimmte Art von Sensor

z.B. Temperatur

Helligkeit

Druck

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nichtelektrischeMessgröße

elektrischeMessgröße

elektrisches Messsignal

genormtes elek.Messsignal

abgetastetesMesssignal

digitales Messsignal

Sensor

Mess-umformer

Verstärker

Tiefpass-filter

Abtast/Halte-glied

A/D-Wandler

PC

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

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nichtelektrischeMessgröße

elektrischeMessgröße

elektrisches Messsignal

genormtes elek.Messsignal

abgetastetesMesssignal

digitales Messsignal

Sensor

Mess-umformer

Verstärker

Tiefpass-filter

Abtast/Halte-glied

A/D-Wandler

PC

VerstärkerSpannung, die vom Sensor

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

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nichtelektrischeMessgröße

elektrischeMessgröße

elektrisches Messsignal

genormtes elek.Messsignal

abgetastetesMesssignal

digitales Messsignal

Sensor

Mess-umformer

Verstärker

Tiefpass-filter

Abtast/Halte-glied

A/D-Wandler

PC

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

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nichtelektrischeMessgröße

elektrischeMessgröße

elektrisches Messsignal

genormtes elek.Messsignal

abgetastetesMesssignal

digitales Messsignal

Sensor

Mess-umformer

Verstärker

Tiefpass-filter

Abtast/Halte-glied

A/D-Wandler

PC

Tiefpassfilter

Beispiel: Rauschunterdrückung

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nichtelektrischeMessgröße

elektrischeMessgröße

elektrisches Messsignal

genormtes elek.Messsignal

abgetastetesMesssignal

digitales Messsignal

Sensor

Mess-umformer

Verstärker

Tiefpass-filter

Abtast/Halte-glied

A/D-Wandler

PC

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

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4321-1-2-3-4

1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8

in V

in msIntervallIntervall Intervall

weiter zum A/D

Wandler

Beispiel zur Veranschaulichung

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Analog-Digital-Wandler

Wozu Braucht man das?• um analoge Signale in digitale

Signale umzuwandeln• PC verarbeitet nur digitale Signale

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Zur Veranschaulichung

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Analog-Digital-Wandler

Analogsignalekontinuierlich variierende Spannungsimpulse, deren Werte in gleichbleibenden Zeitabständen gemessen werden (Sampling)

Digitalsignalearbeitet nicht mit kontinuierlich verlaufenden Signalen

pro digitalem Signal nur zwei Zustände unterschieden

Binärsignale (0 oder 1)

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Analog-Digital-Wandler1. Quantisierung ist die Einteilung des analogen

Spannungsbereichs in Spannungsstufen

4321-1-2-3-4

1 2 3 4 5 6 7 8

in V

100101110111

Intervall

Cod

ewor

t

in ms

011

000001010

Spannung: ±4 V

Spannungsstufen: 8

22

Analog-Digital-Wandler

2. Codierung

jedem Quantisierungsintervall wird ein binäres Codewort zugeordnet

4321-1-2-3-4

1 2 3 4 5 6 7 8

in V

100101110111

Intervall

Cod

ewor

t

in ms

011

000001010

Spannungsstufen: 8

8 Codewörter notwendig

23=8 3Bit

23

4321-1-2-3-4

1 2 3 4 5 6 7 8

in V

100101110111

Intervall

C

odew

ort

in ms

011

000001010

Codewort101111111110010001010101

78

456

Intervall123

010 1011 2 3 4 5 6 7 8

111 110 010 001BinärfolgeIntervall

101 111

Analog-Digital-Wandler

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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

Analog-Digital-Wandler

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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

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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

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Art von Messfehler

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Zufällige Messfehler abs. Messfehler: ist die Abweichung des angezeigten

Wertes vom wahren Wert

rel. Messfehler: ist das Verhältnis zwischen abs.

Messfehler und wahren Wert

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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

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Systematische Messfehler Messfehler, die bei Wiederholung der

Messung konstant bleiben Ursache: -Gerätefehler -Einflussfehler (Temperatur, Felder)

diese Ursachen sind erfassbare Einflussgrößen und können korrigiert werden

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Kampf gegen Messfehler

1. Kalibrieren2. Justieren3. Eichen

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Kalibrieren

Feststellen und Dokumentieren der Abweichung des Anzeigewertes vom wahren Wert der Messgröße.

Erstellung eines math. Modells

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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

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Justieren Ermitteln des für eine

Messeinrichtung gültigen Zusammenhangs zwischen dem Messwert (Anzeigewert)und dem wahre Wert der Messgröße

Eingriff in das Messsystem

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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

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Eichen

Ladentischwaagen, Brückenwaage etc.

Zapfsäulen an Tankstellen Gaszähler, Wasserzähler,

Stromzähler, Wärmezähler

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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

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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

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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

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6. PC als Steuer- und Regelgerät

Steuern: ist das Beeinflussen von technologischen

Prozessen nach einem vorgegebenen PlanRegeln: ist das Beeinflussen von technologischen

Prozessen so, dass eine bestimmte Größe zu jeder Zeit einen vorgegebenen Wert aufweist

(Vergleich von Istwert und Sollwert)

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gesteuerte Heizanlage

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

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geregelte Heizanlage

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

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Wie ist der Aufbau einer Steuer- oder Regelkarte?

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Anwendung

Industrie: Automobilbau Lebensmittelherstellung Kraftwerke etc.

Forschung:Labor UntersuchungenStatistik

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Haushalt: Heizanlage Herd Kühlschrank

Anwendung

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Quellen

Literatur- Einfache IT-Systeme (Stam)- Messtechnik und

Messdatenerfassung (Oldenburg)Internet- www.wikipedia.de- www.google.de

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Herr Rautenberg, bitte wachen Sie

auf!

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In der 7. Stunde finden Sie sich bitte in den

Physikraum (Raum 103) ein!