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Chemieschule Dr. Elhardt Messtechnik M. Scholz 1 Skriptum Einführung in die Messtechnik Stand 3.10.07 Die Wahrheit hinter dem Spruch: „Wer viel misst, misst Mist“

Skript Messtechnik - Kurzversion Stand 03.10.07

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Zusammenfassung der wichtigsten Messgeräte und Messprinzipien für chemisch-technische Assistenten und Chemie-Techniker

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    Skriptum

    Einfhrung in die Messtechnik

    Stand 3.10.07

    Die Wahrheit hinter dem Spruch:

    Wer viel misst, misst Mist

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    1. Messen und Messfehler

    1.1 Begriffsbestimmungen

    DIN 1319: Messen ist der experimentelle Vorgang, durch den ein spezieller Wert einer

    physikalischen Gre als Vielfaches einer Einheit oder eines Bezugswertes ermittelt wird

    Fundamentalvoraussetzungen:

    Die zu messende Gre muss qualitativ eindeutig definiert und quantitativ

    bestimmbar sein.

    Es muss ein durch Konvention festgelegtes Messnormal als

    Vergleichsmglichkeit geben.

    D.h., dass subjektive Gren wie Wohlbehagen, Schnheit, Geschmack oder

    Intelligenz keine messbaren Gren sind.

    Das Messnormal wird entweder direkt durch einen Gegenstand bereitgestellt (z.B.

    Urkilogramm) oder ber eine experimentelle Vorschrift realisiert (z.B. Tripelpunkt des

    Wassers als Messnormal der Temperaturmessung).

    1.1.1 Wichtige Begriffe

    Messen: Ttigkeiten und Vorgnge, mit denen eine quantitativ unbekannte Gre

    mit einer genauen, und konstanten Vergleichsgre (Messnormal)

    verglichen wird Messen heit Vergleichen.

    Messgre: Allgemeine Bezeichnung fr das zu bestimmende Objektmerkmal oder die

    physikalische, chemische oder sonstige Eigenschaft, die gemessen wird.

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    Messwert: Messwert = Zahlenwert * Einheit

    Beispiel: Lnge = 12 * 1m = 12 m

    Messprinzip: Physikalisches Prinzip oder grundstzlicher gesetzmiger

    Zusammenhang, der fr den Messvorgang verwendet wird.

    Messverfahren: Praktische Anwendung und Realisierung eines Messprinzips. Dazu gehrt

    auch die Ttigkeit der Messperson sowie die Handhabung des Messgerts

    1.1.2 Unterteilung der Messverfahren

    a)

    Direktes Verfahren:

    Im engeren Sinn: Der Messwert wird mit einem Normal derselben Messgre

    verglichen (Bsp.: Messung einer Tischkante mit einem Meterstab)

    Im erweiterten Sinn: Auch alle Messverfahren mit Messeinrichtungen, die den

    Messwert in Einheiten der Messgre anzeigen (Bsp Flssigkeitsthermometer: die

    Temperatur wird zwar in einen Weg umgesetzt, der Weg wird aber in Einheiten der

    Temperatur skaliert)

    Indirektes Verfahren:

    Der Messwert wird aus einer oder mehreren andersartigen physikalischen Messgren

    gewonnen. Der Messwert muss dann umgerechnet werden.

    Beispiel Widerstandsthermometer: Temperatur wird aus elektrischem Widerstand R

    berechnet, R()

    Beispiel Kolbenmanometer: Eine Masse muss in einen Druck umgerechnet werden

    b)

    Analoges Verfahren: Jedem Wert der Messgre wird ein eindeutiges Ausgangssignal

    bzw. eine eindeutige Anzeigewert zugewiesen. Diese Zuordnung ist (im

    Idealfall) eindeutig umkehrbar. Der Vorrat an Anzeigewerten ist unendlich.

    Digitales Verfahren: Die Messgre wird im Ausgangssignal bzw. auf der Anzeige

    nur in bestimmten Schritten abgebildet (Treppenkurve). Diese Zuordnung ist

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    nicht mehr eindeutig umkehrbar. Es gibt nur eine beschrnkte Anzahl an

    Anzeige-/Ausgabewerten.

    Analog: Digital:

    Beschreibung zeit- und wertkontinuierlich zeit- und wertdiskret

    Messwertausgabe Skalenanzeige, in Form einer

    Messgre (z.B. Lnge, Winkel,

    Intensitt)

    nderung des Messwerts

    Darstellung der Messgre

    ndert sich

    in Form einer Zahl (z.B. km-

    Zhler, ph-Wert, Digitaluhr,

    Stckzahlen)

    nderung des Messwerts

    Zahlenwert ndert sich

    (schrittweise)

    Ablesung langsam, unsicher, umstndlich fehlerfrei, sicher, bequem

    Messbereich schnell erfassbar,

    (grere nderungen schnell

    erkennbar)

    Erfassen des Messbereichs

    dauert oft lnger,

    (nderungen nicht sofort

    erkennbar)

    Stranflligkeit hoch gering

    Speicherung/Registrierung aufwendig wenig aufwendig

    Messwertnachbearbeitung aufwendig wenig aufwendig

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    c)

    Ausschlagmethode

    Dabei wird die Megre direkt in eine Ausgangsgre xa (z.B. Anzeige)

    umgewandelt, wobei keine Hilfsenergie zugefhrt werden muss. Die zur Messung

    bentigte Energie kommt aus dem Messmedium oder dem Umfeld (z.B. Schwerefeld

    der Erde)

    Beispiele: Flssigkeitsausdehnungsthermometer, Federwaage (Abb. 1-1)

    Abb. 1-1: Federwaage (links)

    Differenzmethode

    Der Messgre wird eine Vergleichsgre gegenber gestellt, die whrend des

    Messvorgangs konstant bleibt. Zur Anzeige kommt nur die Differenz zwischen Mess-

    und Vergleichsgre.

    Beispiel Differenzdruckmessgert: Das

    Messgert zeigt Null an, wenn der Druck P

    genauso gro ist wie der Vergleichsdruck in

    der oberen Kammer

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    Kompensationsmethode

    Der Messgre wird eine entgegen gerichtete Kompensationsgre entgegen gestellt.

    Wenn durch Verndern der Kompensationsgre das Messgert einen Nullausschlag

    zeigt, ist die Kompensationsgre zum Ma fr die Messgre geworden. Dazu wird

    Hilfsenergie bentigt.

    Abb. 1-2: Balkenwaage als Beispiel der Kompensationsmessmethode

    Die Kompensationsgre kann anderer Natur sein als die Messgre, d.h. es ist ein

    bergang auf einen anderen Signaltrger mglich.

    Beispiel: Hebelwaage Gewichtskraft Gewichtskraft

    oder Gewichtskraft Kraft durch Elektromagnet oder

    gespannte Feder

    1.2 Einheiten und SI-System

    Einfhrung des Systme International dUnits (in allen Sprachen mit SI abgekrzt) im Jahr

    1960. Es normiert international die Maeinheiten in der Physik und gilt ab dem 1.1.1978

    verbindlich in Deutschland. ltere Maeinheiten drfen nur noch ergnzend oder hilfsweise

    verwendet werden.

    1.2.1 Basiseinheiten

    7 Basiseinheiten: m, s, kg, A, K, cd, mol

    Alle anderen Einheiten werden aus diesen Basiseinheiten abgeleitet.

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    Gre Formel-

    zeichen Name

    Einheiten

    zeichen Definition

    Lnge L, r, d Meter m Lnge der Strecke, die das Licht im Vakuum

    whrend der Dauer von (1/299 792 458)

    Sekunden durchluft

    Masse m Kilogramm kg Einheit der Masse; es ist gleich der Masse des

    internationalen Kilogrammprototyps

    Zeit t Sekunde s

    das 9 192 631 770fache der Periodendauer der

    dem bergang zwischen den beiden

    Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes

    von Atomen des Nuklids 133

    Cs entsprechenden

    Strahlung

    Stromstrke I Ampere A

    Strke eines konstanten Stromes, der, durch zwei

    parallele, geradlinige, unendlich lange und im

    Vakuum im Abstand von einem Meter

    voneinander angeordnete Leiter von

    vernachlssigbar kleinem, kreisfrmigem

    Querschnitt flieend, zwischen diesen Leitern je

    einem Meter Leiterlnge die Kraft 2 10 7

    Newton hervorruft

    Temperatur T Kelvin K der 273,16te Teil der thermodynamischen

    Temperatur des Tripelpunktes des Wassers1

    Stoffmenge n Mol mol

    die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensoviel

    Einzelteilchen besteht, wie Atome in 0,012

    Kilogramm des Kohlenstoffnuklids 12

    C enthalten

    sind.

    Lichtstrke lV Candela cd

    Lichtstrke in einer bestimmten Richtung einer

    Strahlungsquelle, die monochromatische

    Strahlung der Frequenz 540 1012

    Hertz

    aussendet und deren Strahlstrke in dieser

    Richtung (1/683) Watt durch Steradiant betrgt

    1 Zwischen der thermodynamischen Temperatur T und der Celsiustemperatur besteht der Zusammenhang:

    /C = T/K + 273,15

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    1.2.2 Schreibweise

    [ ]m

    vs

    Die Einheit der Geschwindigkeit ist Meter durch Sekunde.

    Beschriftung von Tabellenkpfen oder Koordinatenachsen in Diagrammen:

    Kraft

    N oder

    F

    N Werte der Messgre Kraft, angegeben in Newton

    Innerhalb der Tabelle bzw. an den Koordinatenachsen stehen dann nur noch die Zahlenwerte.

    1.2.3 Dezimale Teile (Zehnerpotenzen)

    Nano Mikro Milli Zenti Dezi Deka Hekto Kilo Mega Giga

    10-9

    10-6

    10-3

    10-2

    10-1

    101 10

    2 10

    3 10

    6 10

    9

    n m c d D H K M G

    Tabelle 1: Zehnerpotenzen und Vorsilben

    Die Vorsilben sind so zu gebrauchen, dass sich der Zahlenwert der Gre im Bereich 0,1 bis

    100 befindet. Hekto, Deka, Dezi sowie Zenti als Vorsilben wenn mglich nur dort verwenden,

    wo sie ohnehin gebruchlich sind (z.B. Dezimeter fr 0,1 m, aber NICHT Dezikelvin fr

    0,1 K).

    1.3 Messfehler

    Physikalische Messungen beinhalten oft nicht nher bestimmbare Streinflsse, z.B.

    Unvollkommenheiten unserer Messgerte und unser Umgang mit ihnen. Diese fhren zu einer

    Abweichung des Messwerts vom wahren Wert, den man nicht kennt. Zu einem

    vollstndigen Messergebnis gehrt also auch die Angabe des Bereichs, innerhalb dessen sich

    der wahre Wert befinden kann. Dieser Bereich spiegelt die gesamten Unsicherheiten bei der

    Messung wider; man nennt ihn Messunsicherheit bzw. Messfehler.

    Normalerweise verhalten sich Messfehler und Messaufwand umgekehrt proportional. Deshalb

    unterscheidet man:

    Betriebsmessung: Zuverlssigkeit und niedriger Preis haben Vorrang vor

    Fehlerminimierung.

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    Labormessungen Messungen mit hohen "Genauigkeitsansprchen zur berprfung

    theoretischer Untersuchungen. Hier herrscht ein Kompromiss zwischen der

    Messgenauigkeit bzw. -fehler und den Kosten fr die Messungen.

    Przisionsmessungen: z.B. Eichmessungen. Die Fehlerminimierung hat hier absoluten

    Vorrang vor der Wirtschaftlichkeit.

    Neben der Genauigkeit der verwendeten Messgerte spielt aber auch deren Einfluss auf den

    gemessenen Vorgang eine Rolle. So kann das Messgert z.B. als zustzlicher "Verbraucher"

    elektrischer Energie auftreten, sein Einfluss muss dann rechnerisch eliminiert werden, was

    weitere Ungenauigkeiten nach sich ziehen kann. Dieser Typ von Mess-Abweichung ist kein

    Mess-Fehler - der ermittelte Wert liegt ja zum Zeitpunkt der Messung real vor - trotzdem ist

    es eine Abweichung von dem gewnschten Messergebnis, da man sich ja eigentlich fr den

    "ungestrten" Zustand interessiert.

    Fehler bei der Messung, die auf dem Versagen des Messenden oder seiner Messapparatur

    beruhen (wenn z.B. statt 1,2 cm 12 cm abgelesen oder bei einer Wgung Gewichte benutzt

    werden, bei denen durch Herunterfallen ein Teil abgeplatzt ist), nennt man

    grobe Messfehler.. Diese Fehler lassen sich zum grten Teil umgehen, wenn man sorgfltig

    arbeitet und wichtige Schritte nochmals kontrolliert. Da man sie darber hinaus jedoch nicht

    mathematisch erfassen kann, sollen sie bei den folgenden Betrachtungen nicht bercksichtigt

    werden.

    Um die Abweichungen abschtzen zu knnen, ist es notwendig sie nach formalen Kriterien zu

    klassifizieren.

    1.3.1 Einteilung der Fehler nach ihrer Berechnung

    a) Absoluter Messfehler

    Der absolute Messfehler ist die Abweichung des angezeigten Wertes vom richtigen, wahren

    Wert. Er besitzt dieselbe Einheit wie die Messgre selbst.

    a rF x x (1-1)

    F = absoluter Fehler; xa = angezeigter, gemessener Wert; xr = richtiger, wahrer Wert

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    b) Relativer Messfehler Fr

    Absoluter Messfehler F dividiert durch eine bestimmte Bezugsgre xB

    a rr

    B B

    F x xF

    x x (1-2)

    Meistens wird der Messwert xa selbst als Bezugsgre verwendet. Der relative Fehler Fr ist

    einheitenlos (Einheit = 1 bzw. [Fr] = 1), da sich in Gl. (1-2) die Einheit des absoluten Fehlers

    F mit der Einheit der Bezugsgre xB wegkrzt.

    bliche Angaben:

    Prozent (1 % 10-2 1

    100)

    ppm (parts per million; 1 ppm 10-6 1

    1Million)

    1.3.2 Einteilung der Fehler nach ihrer Entstehung

    a) Systematische Fehler

    reproduzierbar und gerichtet

    Ursache sind konstante, erfassbare, messbare Einflussgren wie z.B.

    Gertefehler (Justage, z.B. Waage nicht im Wasser)

    Einflussfehler (Temperatur, elektrische oder magnetische Felder etc.)

    persnlicher Fehler (Ablesen, Auswertung)

    Das aufgrund systematischer Fehler unrichtige Messergebnis kann oft korrigiert werden:

    Bestimmung der systematischen Abweichung durch

    Parallelmessung mit einem richtig und genau messenden Referenzmessgert (mit

    hherer Genauigkeit). Dessen Messwert xRef wird als richtiger Wert angenommen,

    so dass man mit Gleichung (1-1) den systematischen Fehler bestimmen kann.

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    Messen eines exakt bestimmten und bekannten Eichnormals, z.B. Przisionslineal

    oder Kalibrier-Gewichtsstck.

    Indirekte Messung z.B. fr Volumenmessgefe ber Masse, Temperatur und Dichte

    des Wassers

    b) Zuflliger/statistischer Fehler

    zeitlich verndernde Schwankungen im Messvorgang

    Abweichungen knnen in beide Richtungen erfolgen. Dieser Typ Abweichung ist nicht

    reproduzierbar, kann aber durch Wiederholung der Messung unter selben Bedingungen

    vermindert werden.

    Beispiele:

    Lngenmessung: minimale Unsauberkeiten beim Anlegen eines Lineals (Ermdung,

    Verschmutzung der Anlegeflche)

    Zeigermessgert: hakelnde Anzeige aufgrund von Reibung im Kugellager des Zeigers

    Temperaturmessung: ungleichmige Temperaturverteilung im Messbecher aufgrund

    unzureichenden Rhrens

    Anhand der Lngenmessung eines Aluminiumquaders werden die Fehlerarten weiter

    verdeutlicht.

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    Mit einem Lineal als Messgert soll die Lnge eines Aluminiumquaders gemessen werden.

    Zu diesem Zweck legt man das Lineal mit dem Nullpunkt der Skala an das eine Ende des

    Quaders und liest am anderen Ende des Quaders auf der Skala den Messwert ab.

    Fehlerquellen:

    1. Das Anlegen des Lineals an den Quader (Nullposition) erfolgt mit einer

    gewissen Genauigkeit, die in das Ergebnis eingeht. Dieser Vorgang wird sicher zu

    einem anderen Ergebnis fhren wenn man ihn wiederholt, ist also statistischer

    Natur.

    2. Das Ablesen am anderen Ende des Lineals wird bei einer Wiederholung zu

    einem neuen Ergebnis fhren, ist also ebenfalls statistischer Natur.

    3. Weitere Abweichungen liegen in der Eichung des Messgerts" begrndet. Wurde bei der Herstellung des Lineals die Skala in "falschem Abstand"

    aufgedruckt, so werden alle Messungen mit diesem einen Lineal ein spezifisches

    falsches Ergebnis liefern. Diese Abweichung ist von systematischer Natur. Ohne

    eine Wiederholung des Herstellungsprozesses wird sich an der falschen Eichung

    nichts ndern.

    4. Schlielich kann die Eichung des Lineals zunchst mit nur geringer

    Abweichung erfolgt sein, aber das verwendete Material hat einen groen

    thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Findet die Messung hei einer anderen

    Temperatur statt, so ergibt sich eine Abweichung, die fr diese Temperatur

    reproduzierbar ist, also eine systematische Abweichung. Einen hnlichen Einfluss

    kann die Luftfeuchtigkeit haben oder Alterungsprozesse im Trgermaterial.

    1.3.3 Einteilung der Fehler nach dem Verursacher

    a) Objektiver Messfehler

    gertebedingt, kann systematischer oder zuflliger Natur sein.

    Beispiele:

    Lagefehler: Das Messgert wird nicht entsprechend der geforderten Gebrauchslage

    bzw. -position bedient (gekippt statt senkrecht gehalten, Waage nicht im Wasser)

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    Temperaturfehler: Anzeigenderung durch nderung der Temperatur oder

    berschreiten der Hchsttemperatur fr das Messgert

    b) Subjektiver Messfehler

    personenbedingt, wird vom Messenden verursacht. kann ebenfalls systematischer oder

    statistischer Natur sein.

    Beispiele:

    Parallaxenfehler: Schrges Ablesen der Skala eines Zeigerinstruments

    Ablesefehler: falsches Ablesen der Skaleneinteilung (diesen Fehler wrde man auch

    als groben Fehler werten); ungenaues Ablesen aufgrund schlechter Lichtverhltnisse

    1.3.4 Weitere Angaben zu Messfehlern

    Auflsung

    kleinste erkennbare nderung der Messwertanzeige; sagt jedoch nichts ber den Messfehler

    aus.

    Bei digitalen Ziffernanzeigen: Wert der letzten Stelle,

    Bei Skalenanzeigen: blicherweise ungefhr 1/10 eines Skalenteils

    2. Messen nichtelektrischer Gren

    Bsp: Druck, Temperatur, Volumen, Masse etc.

    Meistens wird angestrebt, die nichtelektrische Messgre auf einen elektrischen Signaltrger

    abzubilden. Die technische Realisierung dieser Messgrenumwandlung steht deshalb oft im

    Mittelpunkt der Thematik Messen nichtelektrischer Gren. Einrichtungen, die diese

    Gren in elektrische Signale umformen, heien Sensoren.

    Der Sensor nutzt einen physikalischen Effekt (Messprinzip), der die nichtelektrische

    Messgre in eindeutiger Weise in ein elektrisches Ausgangssignal umformt. Diese knnen

    z.B. Spannungen, Strme oder Widerstnde bzw. deren nderungen sein.

    aktive Sensoren: geben ein Signal ohne zustzliche Hilfsenergie ab

    passive Sensoren bentigen eine Hilfsschaltung und Hilfsenergie

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    Abb. 2-1: Allgemeines Funktionsprinzip eines Sensors

    2.1 Temperatursensoren

    Temperaturen sind die in der Verfahrenstechnik am hufigsten gemessenen Prozessgren.

    Grundstzliche Unterscheidung: Berhrungsthermometer und Strahlungsthermometer. Die

    Berhrungsthermometer stehen in direktem Kontakt mit dem Medium, dessen Temperatur zu

    erfassen ist. Die Strahlungsthermometer stehen mit dem Messobjekt im Strahlungsaustausch;

    eine Berhrung oder ein materieller Trger fr die Wrmebertragung ist hier nicht

    erforderlich.

    Bei der Temperaturmessung mssen in der Praxis mssen zwei wesentliche Gesichtspunkte

    stets beachtet werden:

    Aufgrund thermodynamischer Zusammenhnge kann ein Thermometer nur die

    Temperatur anzeigen, die es selbst hat.

    Falls das Thermometer (oder ein Teil des Thermometers, Gehuse etc.) anfangs nicht

    dieselbe Temperatur wie das zu messende Objekt hat, findet ein Wrmeausgleich

    innerhalb der Thermometerkonstruktion statt. Dies fhrt zu Zeitverzgerungen in der

    Anzeige, sowie unter Umstnden zu einer bleibenden Verflschung des Messwerts.

    In der Technik haben sich hauptschlich zwei Sensorarten durchgesetzt: die Thermoelemente

    und die Widerstandsthermometer. Sie gehren zur Gruppe der Berhrungsthermometer.

    2.1.1 Thermoelemente

    Physikalische Wirkungsweise: Befinden sich die zwei Enden eines Leiters auf

    unterschiedlichen Temperaturen, bildet sich zwischen ihnen eine Thermospannung Uth aus.

    Die Gre dieser Thermospannung ist materialabhngig und bewegt sich bei Metallen im

    Bereich einiger bis einiger zehn Mikrovolt pro Kelvin Temperaturunterschied.

    Unterschiedliche Materialien besitzen also unterschiedliche Thermospannungen trotz gleicher

    Temperaturdifferenz.

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    Technische Realisierung: Man verbindet zwei Drhte aus den unterschiedlichen Materialien

    A und B an einem Ende miteinander, z. B. durch Lten Schweien, Quetschen. Diese

    Kontaktstelle liegt auf der Temperatur T2 (Abb. 2-2a). An den freien Enden sind diese

    Thermodrhte meist an Kupferleitungen angeschlossen, die die Verbindung zum

    Spannungsmessgert oder der elektronischen Auswerteschaltung bernehmen. Diese

    bergangsstelle liegt auf der Temperatur T0. In den zwei Leitern entstehen zwischen der

    Kontaktstelle 2 und der bergangs- bzw. Vergleichsstelle 0 unterschiedliche Spannungen, so

    dass man an der Vergleichsstelle 0 eine Spannungsdifferenz U zwischen den Enden der

    beiden Leiter messen kann.

    Diese Spannung U hngt von den Materialien A und B ab, ausgedrckt durch den

    Proportionalittsfaktor kAB, und der Temperaturdifferenz T2 T0:

    Thermoelemente messen also die Temperaturdifferenz zwischen der heien Verbindungsstelle

    mit der Temperatur T2 und der kalten Verbindungsstelle mit der Temperatur T0, an der (evtl.

    unter Verwendung von Kupferleitungen) die Spannungsmessung ansetzt.

    Abb. 2-2: Aufbau eines Thermoelements aus den Materialien A und B; Anschluss ans

    Spannungsmessgert mit Kupferleitungen Cu

    Empfindlichkeit und Kennlinie. Der in Gl. (2.1) stehende Proportionalittsfaktor kAB gibt

    die Empfindlichkeit des Thermoelements an. Sie wird entweder in V/K oder in mV/100 K

    U = kAB (T2

    T0)

    (2.1)

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    angegeben. Die wichtigsten Materialpaarungen sind genormt. Sie werden mit groen

    Buchstaben bezeichnet, wie z. B. Typ K fr die Materialpaarung NiCr-Ni, Typ J fr Fe-CuNi

    oder Typ E fr NiCr-CuNi. Die Empfindlichkeiten von Thermoelementen bewegen sich

    blicherweise zwischen 5 und 70 mV/1000K.

    Abb. 2-3: Kennlinien von Thermoelementen

    Vergleichsstelle. An der Vergleichsstelle findet der bergang von den Thermodrhten auf die

    Kupferleitung statt. Die Vergleichsstellentemperatur T0 muss bekannt sein, um aus der

    gemessenen Spannung U die Temperatur T2 der heien Ltstelle berechnen zu knnen.

    Oftmals wird diese Temperatur einfach mit einem przisen Widerstandsthermometer

    gemessen. Darber hinaus kann die Temperatur T0 der Vergleichsstelle auch durch einen

    Thermostaten mit einer Heizung auf z. B. 60 C geregelt und konstant gehalten werden.

    Ausfhrungsformen. Unterschieden werden Thermoelemente in Messeinstzen und

    Mantelthermoelemente.

    Um die Thermodrhte vor einer mechanischen Beschdigung und einer chemischen

    Einwirkung durch das zu messende Medium zu schtzen, sind sie zunchst in eine Hlse

    eingesetzt und bilden mit dieser den sogenannten Messeinsatz (Abb. 2-4). Dieser steckt

    seinerseits in einem Schutzrohr, das die Wand der Rohrleitung oder des Behlters nach auen

    abschliet. ndert sich die Temperatur des Mediums, so muss erst das Schutzrohr, dann die

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    Hlse und dann die Ltstelle die neue Temperatur annehmen, bevor die-se zu einer nderung

    der Thermospannung fhrt. Die Temperaturmessung ist also trge.

    Abb. 2-4 Einbau von Thermoelementen

    a) Messeinsatz mit Thermopaar 1 und Anschlussklemmen 2

    b) Armatur mit Messeinsatz a; 3 Schutzrohr, 4 Anschlusskopf 5 Wand der Rohrleitung

    oder des Behlters

    Schneller sind die Mantelthermoelemente (Abb. 2-5). Dort sind die Thermodrhte von einem

    Metallrhrchen als Mantel umgeben und durch Al2O3 oder MgO von diesem isoliert. Die

    Mantelthermoelemente haben eine geringere Masse und eine geringere Wrmekapazitt als

    die Thermoelemente in Messeinstzen und Schutzrohren. Besonders schnell sprechen

    diejenigen an, bei denen die Ltstelle mit dem Mantel verschweit ist oder berhaupt offen

    liegt. Mantelthermoelemente sind mit Auendurchmessern zwischen 0,1 und 3 mm erhltlich.

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    Abb. 2-5 Mantelthermoelemente; 1 Thermopaar offen, 2 Thermopaar mit dem Mantel

    verschweit, 3 Thermopaar vom Mantel isoliert

    Abb. 2-6: Verschiedene technische Ausfhrungen von Mantelthermoelementen

    Signalverarbeitung. Die Thermoelemente liefern Spannungen im Bereich von mV. Diese

    sind vor ihrer Weiterverarbeitung zu verstrken (Messverstrker).

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    2.1.2 Metall-Widerstandsthermometer

    Wirkungsweise. Der Widerstand R( ) eines metallischen Leiters hngt gem Gl. (2.2)

    quadratisch von der Temperatur ab. R0 bezeichnet den Widerstand bei der

    Referenztemperatur 0, und sind materialabhngige Temperaturkoeffizienten.

    2

    0 0 0( ) 1 ( ) ( )R R

    (2.2)

    Meist wird als Bezugstemperatur 0 = 0 C gewhlt. Wenn man nur den linearen

    Temperaturkoeffizient bercksichtigt (dies darf man, wenn man nicht allzu groe

    Temperaturbereiche mit einem Sensor abdecken muss, also z.B. nur zwischen 0 und 100 C

    misst), so kann man die vorstehende Gleichung umformen zu

    0( ) 1R R bzw.

    0( )R R E

    (2.3)

    Aus dem gemessenen Widerstand R() ergibt sich nach Gl. (2.3) die gesuchte Temperatur

    zu

    0( )R R

    E

    (2.4)

    E ist die Empfindlichkeit und gibt die nderung des Widerstands pro C an ( [E] = /C).

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    Empfindlichkeit und Kennlinie. Als Materialien fr Widerstandsthermometer werden

    vorzugsweise Nickel und Platin verwendet. Die Drhte sind blicherweise so abgeglichen,

    dass ihr Widerstand 100 bei 0 C betrgt (Pt100 und Ni100, siehe Abb. 2-7). Weniger

    gebruchlich sind Werte von 200 (Pt200), 500 (Pt500) und 1000 (Pt1000). Der

    Einsatzbereich des Pt100 liegt im Bereich von -250+800 C, in Spezialausfhrungen auch

    bis +850 C. Die Empfindlichkeiten betragen ungefhr

    Pt100 0,4 /K

    Ni100 0,6 /K

    Pt500 2,0 /K

    Pt1000 4,0 /K

    Bei einer Temperaturnderung von 0 auf 100 C ndert sich also der Widerstand eines Pt100

    um ca. 40 , der eines Pt1000 um ca. 400 . Mit einem Pt1000 knnen

    Temperaturschwankungen somit viel feiner aufgelst werden, und die Messung wird exakter.

    Abb. 2-7 Kennlinie des Pt- und des Ni-Messwiderstandes.

    Ausfhrungsformen. Die metallischen Messwiderstnde werden als Draht- oder als

    Schichtwiderstnde gefertigt.

    Fr die Drahtmesswiderstnde werden dnne Drhte verwendet, die auf einen Glas- oder

    Keramikkrper entwickelt werden (Abb. 2-8). Bei der Glasausfhrung erhlt der gewickelte

    Draht eine Glasschutzschicht, in die er eingeschmolzen wird. Bei den Keramikmesseinstzen

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    21

    ist die Platinwendel in Kapillaren aus hochreinem Aluminiumoxid spannungsfrei eingebettet

    und vor Umgebungseinflssen geschtzt. Die Glasausfhrung kann bis 500 C, die Kera-

    mikausfhrung bis 850 C eingesetzt werden.

    Abb. 2-8 Platinmesswiderstnde

    a) Glasausfhrung: 1 Glaskrper, 2 bifilar gewickelter Platindraht, 3 Glasberzug, 4

    Anschlussdrhte

    b) Schichtwiderstand: 1 Substrat, 2 Widerstandsschicht, 3 Anschlussdrhte

    Die Schichtwiderstnde lassen sich billiger herstellen als Drahtwiderstnde. Die

    Dnnschichttechnologie ermglicht eine reproduzierbare, automatisierbare Fertigung von

    groen Stckzahlen bei niedrigeren Kosten.

    Dabei werden die Platin- oder Nickelschichten auf einen isolierenden Trger entweder

    aufgestubt oder aufgedampft. In die zunchst flchenhafte Schicht wird mit Hilfe eines

    Laserstrahls eine manderfrmige Struktur gebrannt. An-schlieend wird dann der

    strukturierte Schichtwiderstand wieder mit Hilfe eines Laserstrahls auf den Normwert

    von 100 bei 0 C abgeglichen. Die Platin- und Nickelschichten werden dann noch mit einer

    Schutzschicht berzogen, um eine Verschmutzung oder eine Zerstrung durch Feuchtigkeit

    zu verhindern. Zur praktischen Handhabung knnen die Schichtwiderstnde auch in

    Transistorgehuse eingebaut werden.

    Signalverarbeitung. Im einfachsten Fall misst man den Widerstand, des Pt100, in dem man

    einen konstanten Strom durch den Messwiderstand schickt und den Spannungsabfall misst.

    Dabei ist der durch den Messwiderstand flieende Strom gering zu halten (z.B. 1 mA). Es ist

    darauf zu achten, dass infolge der umgesetzten elektrischen Leistungen keine

    Eigenerwrmung des Messwiderstandes auftritt, die dann die Temperaturanzeige verflschen

    wrde.

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    22

    2.1.3 Vergleich zwischen Thermoelement und Widerstandsthermometer

    Die Widerstandsthermometer sind genauer als Thermoelemente. Sie haben aber im

    Allgemeinen eine grere Zeitkonstante und ermglichen keine punktfrmige

    Temperaturmessung. Ihr Einsatzbereich ist auf 850 C begrenzt. Fr die Messung hherer

    Temperaturen muss auf Thermoelemente zurckgegriffen werden.

    Thermoelement Widerstandsthermometer

    (Pt 100)

    Messbereich 200 C bis 1200 C 250 C bis 850 C

    Genauigkeit Niedrig, typ. 0,5 - 1 C Sehr hoch, typ. 0,05 C

    Reaktionsgeschwindigkeit* Hoch Niedrig

    Kosten Niedrig Hoch

    Wrmerauschen Hoch Mittel

    Langfristige

    Stabilitt

    lNiedrig Hoch

    Kosten des

    Messgerts Mittel Hoch

    * Die Reaktionsgeschwindigkeit wird nur fr das Messelement betrachtet, nicht fr dessen

    Gehuse.

    Tabelle 2: Die am hufigsten eingesetzten Temperaturfhler und ihre Eigenschaften

    2.1.4 Strung des Temperaturfeldes durch die Berhrungsthermometer

    Jedes Thermometer zeigt zunchst seine eigene Temperatur an. Ob dies die Temperatur des

    Messobjekts ist, bleibt dahingestellt. Damit das Berhrungsthermometer die Temperatur des

    Mediums annehmen kann, muss auf die Einbaubedingungen geachtet werden.

    Der Temperaturfhler ist zunchst ein Fremdkrper und strt das Temperaturfeld. Solange er

    noch nicht die Temperatur des Mediums erreicht hat, entzieht er diesem Wrme oder er fhrt

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    23

    Wrme zu. Er zeigt so nicht die tatschliche, sondern eine durch ihn verflschte Temperatur

    an. Die Messung ist nicht rckwirkungsfrei. Um dies zu vermeiden, ist auf einen guten

    Wrmebergang auf den Sensor, eine ausreichende Einbautiefe und auf eine geringe

    Wrmeableitung zwischen Messobjekt und Fhler zu achten. Besonders schwierig ist die

    Messung von Oberflchentemperaturen an Krpern mit geringer Wrmeleitfhigkeit.

    Generell sollte man

    den Wrmeaustausch zwischen dem Messobjekt und dem Temperaturfhler

    begnstigen (z.B. Wrmeleitpaste) und

    die Abfuhr oder Zufuhr von Wrme durch den Messfhler soweit wie mglich

    vermeiden (komplett eintauchen).

    Bei greren Objekten, wie z. B. fen, Kessel, Behlter oder Rumen ist der Messort mit

    Bedacht zu whlen. Diese Objekte haben nicht an allen Punkten die gleiche Temperatur. Hier

    besteht die Aufgabe, eine reprsentative Stelle fr den Einbau des Thermometers zu finden.

    In Behltern wie z.B. Messbechern oder Kolben ist das Medium umzuwlzen, um

    Temperaturschichtungen zu vermeiden. Fr eine Messung der Raumtemperatur ist der

    Temperaturfhler so anzuordnen und gegebenenfalls auch von der Wand zu isolieren, dass er

    die Luft- und nicht die Wandtemperatur erfasst. In einem Ofen soll das Thermometer weder

    in der direkten Flamme noch in einem toten Winkel sitzen.

    2.1.5 Temperatur-Strahlungssensoren

    Jeder Krper gibt eine seiner Temperatur entsprechende charakteristische elektromagnetische

    Strahlung ab. Diese Strahlung eines Krpers kann man zur Temperaturmessung nutzen, z.B.

    ber die Erwrmung von Widerstnden und deren Temperaturverhalten.

    2.1.6 Thermosule

    Eine Thermosule oder Thermokette besteht aus einer Vielzahl (bis zu 1000) von einzelnen

    Thermoelementen, die in Reihe geschaltet sind (Abb. 2-9). Dadurch addieren sich die

    einzelnen Thermospannungen. Thermosulen werden als Sensoren fr die Wrmestrahlung

    im infraroten Spektralbereich oder als thermoelektrische Generatoren verwendet (siehe

    Anmerkung am Ende Kap. 2.1.1)

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    24

    Abb. 2-9: Prinzipschaltung einer Thermosule: 1 Membran mit heien Kontaktstellen, 2

    Substrat mit kalten Kontaktstellen, 3 Anschlusspunkte

    2.1.7 Bolometer

    Bolometer bestehen aus einer dnnen Trgerfolie, auf die eine Widerstandsschicht wie z.B.

    Platinschichtwiderstand aufgebracht ist (Abb. 2-10). Trifft eine Temperaturstrahlung diese

    Schicht, so ndert sie ihre Temperatur und damit ihren Widerstand. Dieser wird als Ma fr

    die absorbierte Strahlungsleistung genommen. Die Trgerfolie muss dabei im Interesse einer

    groen Empfindlichkeit eine geringe Wrmekapazitt und Wrmeleitfhigkeit haben.

    Abb. 2-10: Prinzip eines Bolometers zum Nachweis einer thermischen Strahlung 1

    Substrat, 2 Membran, 3 Widerstandsschicht, 4 Kontaktierung

    Die zwei voran genannten Sensortypen finden Anwendung in Strahlungsmessgerten zur

    Temperaturmessung, den Strahlungspyrometern. Bei hheren Temperaturen, wenn ein Krper

    auch sichtbare Strahlung aussendet, knnen auch Fotodioden verwendet werden.

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    25

    2.1.8 Strahlungspyrometer

    Aufbau und Wirkungsweise. Pyrometer oder Strahlungsthermometer erfassen

    berhrungslos die Objekttemperatur (Abb. 2-11). Die thermische Strahlung des Messobjekts

    wird ber eine (fr den infraroten Spektralbereich ausgelegte) Optik an den

    Strahlungsempfnger geleitet. Bei niedrigen Temperaturen sind die Signale sehr schwach.

    Weiterhin ist von Nachteil, dass die Messung sehr von dem Emissionsgrad des Messobjekts

    abhngt, der sich mit der Temperatur ndern kann. An den meisten Strahlungspyrometern

    kann man den Emissionsgrad dem zu untersuchenden Objekt anpassen. Die Messung kann

    durch die Umgebungstemperatur oder durch die Eigenstrahlung des Pyrometers gestrt

    werden.

    Abb. 2-11: Messkopf eines Infrarotpyrometers 1 Messobjekt, 2 Optik, 3

    Schwingmodulator, 4 Strahlungssensor, 5 Vergleichsstrahler

    Beispiele:

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    26

    Abb. 2-12: Ohr-Fieberthermometer (links), Temperatur-Messpistolen (Mitte und rechts)

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    27

    2.2 Druckmessgerte

    Der Druck ist als Kraft pro Flche definiert.

    Zur Messung eines Druckes verwendet man fast immer das Prinzip, den Druck auf eine

    definierte Flche einwirken zu lassen und so zunchst in eine Kraft umzuformen. Dadurch

    wird die Druckmessung auf eine Kraftmessung zurckgefhrt. Diese Gesamtkraft auf eine

    bestimmte Flche gibt ein Ma fr den Druck.

    Abb. 2-13: Druckmessung als Kraftmessung

    Unter einer Druckmessung versteht man das Messen eines Druckes gegenber einem

    Referenzdruck. Als Referenzdruck whlt man im Allgemeinen

    den Atmosphrendruck (Angabe des Druckes als ber- oder Unterdruck)

    seltener den Druck Null (man erhlt so den Absolutdruck)

    einen anderen Druck dann liegt eine Differenzdruckmessung zwischen diesen beiden

    Drcken vor.

    Die Einheit des Drucks ist Pascal (Pa) = Newton je m2 = N/m

    2. Gebruchlich sind auch

    Vielfache dieser Einheit, z. B.

    Millibar: 1 mbar = 102 N/m

    2 = 10

    2 Pa Bar: 1 bar = 10

    5 N/m

    2 = 10

    5 Pa

    2.2.1 Federelastische Druckmessgerte

    Durch den zu messenden Druck wird eine Feder, ein Federbalg, eine Plattenfeder oder ein

    Federrohr ausgelenkt, und diese Verformung liefert dann die Messgre fr den Druck. Meist

    wird die Auslenkung auf einen Zeiger bertragen und der Druck als Weg oder Winkel auf

    einer Skala abgebildet. Handelsbliche Messbereiche gehen von wenigen mbar bis zu einigen

    tausend bar. Diese Messgerte, die oft in groen Stckzahlen eingesetzt werden, sind

    preiswert, robust und sehr einfach einzubauen.

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    28

    a) Kolbenmanometer.

    Kolbenmanometer messen die Kraft, die von dem zu messenden Druck auf einen Kolben

    wirkt, der in einem Zylinder gleitet. Die Gegenkraft wird von einem Gewicht, einer Feder

    oder einer elektromagnetischen Anordnung erzeugt.

    Bei besonders genauen Kolbenmanometern verwendet man eine lvorlage, ber die der zu

    messende Druck auf den Kolben bertragen wird. Um die Reibung weiter zu reduzieren, wird

    der Kolben von einem kleinen Elektromotor stndig langsam gedreht.

    Vorteile: Hohe Genauigkeit (Verwendung als Kalibrier- und Eichinstrument),

    berlastungssicherheit, Einsatzmglichkeit bis zu hohen Drcken

    Nachteile: Trgheit (Einsatz auf statische und sich langsam ndernde Drcke beschrnkt);

    schlecht einsetzbar bei besonders rauhen Betriebsbedingungen und bei Erschtterungen;

    Reibung des Kolbens als Strgre.

    Abb. 2-14: Darstellungen von Kolbenmanometern

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    29

    b) Federbalgmanometer

    Balgenfedern bzw. Wellrohrfedern werden

    aus dnnen Metallrohren durch Einpressen in

    eine Form hergestellt. Das kalt verformte

    Metall hat keine besonders guten

    Federeigenschaften. Deshalb wird bei

    praktisch ausgefhrten

    Federbalgmanometern meist durch eine

    Spiralfeder die Gegenkraft erzeugt.

    Proportional zum Druck wird die Spiralfeder

    verformt; der Federweg wird dann auf einer

    Skale zur Anzeige gebracht.

    Abb. 2-15:Federbalgmanometer

    Vorteile: praktisch keine Reibung, vollstndige Abdichtung

    Nachteile: berlastungsempfindlich durch zu hohen Innen- oder Auendruck (Knickgefahr),

    von Zeit zu Zeit Nachkalibrieren erforderlich.

    c) Federrohrmanometer (Bourdon-Manometer)

    Es bestimmt die Druckdifferenz zwischen dem Messdruck und dem Bezugsdruck, der

    normalerweise der Atmosphrendruck ist. Abb. 2-16 zeigt das Prinzip und den Querschnitt

    durch ein Federrohrmanometer.

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    30

    Abb. 2-16: Skizze eines Federrohrmanometers

    Die bliche Bauform ist ein flachgedrcktes (ovales) und zu einem Dreiviertel-Kreis

    gekrmmtes Metallrohr (Abb. 2-18). Die Bewegung des verschlossenen Federendes ist ein

    Ma fr den zu bestimmenden Druck. Unter dem Innendruck strebt sein ovaler Querschnitt

    der Kreisform zu und biegt das Rohr auf (Bourdon-Prinzip, Abb. 2-19). Diese Bewegung wird

    ber ein Gestnge auf einen Zeiger bertragen oder in ein elektrisches Signal umgeformt.

    Abb. 2-17: Federrohrmanometer

    Abb. 2-18: Kreisformfeder (li.) und

    Schraubenformfeder

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    31

    Abb. 2-19: Bourdon-Prinzip

    Vorteile: sehr preisgnstiges, robustes Druck-Messgert (sehr weite Verbreitung); durch

    Verwendung von Spiralfedern bzw. Schraubenfedern auch bis zu sehr hohen Drcken

    verwendbar.

    Nachteile: empfindlich gegen berlastung; Kompromiss ntig zwischen mglichst groer

    Auslenkung des Rohrendes und der Hysteresefreiheit; fr dynamische Druckmessungen

    weniger geeignet.

    d) Flssigkeitsmanometer

    Flssigkeitsmanometer, die mit einer Sperrflssigkeit arbeiten, werden vor allem zur Messung

    kleiner Drcke und Druckdifferenzen eingesetzt. Als Sperrflssigkeit verwendet man im

    Allgemeinen Wasser, das meist gefrbt wird. Fr die Messung kleiner Drcke werden wegen

    der besseren Benetzungseigenschaften thylalkohol und ther, aber auch Silikon und

    Frostschutzmischungen verwendet. Fr hhere Drcke benutzt man Tetrabromthan ( =

    96 kg/dm3), Tetrachlorkohlenstoff ( = 1, 6 kg/dm3) und Quecksilber ( = 13,55 kg/dm3).

    U-Rohrmanometer. Aus der Hhendifferenz der beiden Flssigkeitssulen lsst sich der zu

    messende Druck errechnen. In das Messergebnis geht die Dichte der Sperrflssigkeit ein.

    Die Hhendifferenz h der beiden Flssigkeitsspiegel rhrt von der Differenz der Drcke in

    den Schenkeln des Manometers her. Im Gleichgewichtszustand entspricht die Druckdifferenz

    genau der Kraft durch die lngere Flssigkeitssule in dem einen Schenkel. Die Wirkung

    einer Flssigkeitssule hngt von der Hhendifferenz . h der Flssigkeitsspiegel und von der

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    32

    Dichte der Flssigkeit ab, also nicht vom Querschnitt und damit auch nicht von

    Querschnittsunterschieden. Deshalb knnen Drcke auch in mm Wassersule oder mm

    Quecksilbersule angegeben werden. Fr die Druckdifferenz erhlt man

    1 2p p p g h (2.5)

    Abb. 2-20: Abslolutdruckmesung mit U-Rohrmanometer

    Neben den oben genannten mechanischen Druckmessgerten gibt es Gerte, die den Druck

    bzw. eine Druckdifferenz in ein elektrisches Signal umformen.

    2.2.2 Druckmessumformer (Drucksensoren)

    a) Druckmessumformer nach dem Dehnungsmessstreifen-Prinzip

    Hier wird der Druck in eine Kraft umgewandelt, welche

    einen Federkrper bzw. eine Membran dehnt. Diese

    Gestaltnderung wird dann auf aufgeklebte

    Dehnmessstreifen oder freigespannte Dehndrhte

    bertragen und in ein elektrisches Signal umgeformt (Abb.

    2-21). Im Allgemeinen werden Metallfolien-

    Dehnmessstreifen verwendet, mit denen sehr hohe

    Genauigkeiten erreicht werden knnen. Abb. 2-21: Druckmessung mittels

    Dehnmessstreifen

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    33

    Dehnmessstreifen (DMS), bestehend aus Metalldrhten oder folien, knnen eine me-

    chanische Verformung in einen Widerstandswert umwandeln. Der Widerstand eines

    elektrischen Leiters berechnet sich nach Gl. (2.6).

    2

    4lR

    d

    (2.6)

    R elektrischer Widerstand

    p spezifischer Widerstand

    1 Lnge des Leiters

    d Durchmesser des Leiters

    Der Gesamtwiderstand kann also durch mechanische nderungen der Lnge und des

    Durchmessers beeinflusst werden.

    Draht DMS basieren auf dem geometrischen Effekt, d.h., durch eine mechanische

    Beanspruchung des Leiters in Form von Streckung oder Stauchung wird die Geometrie

    verndert (Abb. 2-22).

    Abb. 2-22: Draht-Dehnmessstreifen

    Vernderungen von Lnge (l) und Querschnitt des Leiters fhren zu einer Vernderung des

    elektrischen Widerstandes. Der spezifische Widerstand ndert sich bei einer elastischen

    Verformung von Metallen nur wenig und kann daher in erster Nherung vernachlssigt

    werden.

    Die Herstellung und Applizierung von Drahtdehnmessstreifen ist relativ auf-wendig. Sie sind

    deshalb fast vollstndig durch die Foliendehnmessstreifen verdrngt worden.

    Folien-DMS. Der Messeffekt entspricht dem der Drahtdehnmessstreifen. Sie bestehen aus

    sehr dnn gewalzten Metallfolien, meist aus Konstantan oder einer Ni-Cr-Legierung. Diese

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    34

    Folien werden auf einen Trger aufgebracht und anschlieend werden die entsprechenden

    Leiterstrukturen herausgetzt. Auf diese Weise ist eine effektive Massenfertigung mglich,

    wobei auch spezielle Anordnungen mglich sind fr alle mglichen Arten von

    Materialbeanspruchungen (Abb. 2-23).

    Abb. 2-23: Folien-Dehnmessstreifen

    Beispiel: Typische Widerstandswerte von Foliendehnmessstreifen liegen zwischen 120 und

    1 k.

    Vorteile der Druckaufnehmer nach dem DMS-Prinzip

    hohe Genauigkeit

    groe Druckmessbereiche mglich

    sehr robust

    hohe Korrosionsbestndigkeit

    gute Langzeitstabilitt

    Nachteile

    relativ hoher Preis wegen des Prfaufwandes und enger Toleranzen

    Temperaturbereich vom Kleber abhngig (z. B. bis 120 C)

    Druckbereiche unter 5 bar schlecht zu fertigen

    Miniaturisierung begrenzt.

    2.2.3 Vakuumdruckmessung (Pirani-Vakuummeter)

    Zur Messung eines Vakuums oder extrem geringer Drcke werden andere Verfahren als die

    vorab beschriebenen eingesetzt. In diesem Kapitel wird die Funktionsweise des Pirani-

    Manometers auf Basis von Wrmeleitungseffekten beschrieben.

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    35

    Prinzip: Die Wrmeleitfhigkeit eines ruhenden Gases nimmt im Feinvakuumbereich (p < 1

    mbar) proportional mit dem Druck ab (vgl. auch Kapitel Fehler! Verweisquelle konnte nicht

    gefunden werden.)

    Funktionsweise: Ein von einem konstanten elektrischen Strom durchflossener dnner Draht

    (auf 100 -150C erhitzt) gibt Wrme an das Gas ab. Mit zunehmendem Gasdruck nehmen

    aufgrund der Erhhung der Wrmeleitung und der strkeren Auskhlung des Drahtes die

    Temperatur (und damit der Widerstand) des Drahtes ab. Diese Abnahme ist ein Ma fr den

    Gasdruck.

    Alternativ kann man den Draht auch auf konstanter Temperatur halten. Bei hheren

    Gasdrcken erfordert dies einen entsprechend greren elektrischen Heizstrom.

    Eigenschaften geregelter PIRANIs:

    Anzeigebereich: 10-4

    bis 1013 mbar

    Genauigkeit: 10% der Druckanzeige im Bereich 10-3

    bis 1 mbar

    Zeitkonstanten von wenigen ms, damit schnell schwankende Drcke messbar

    2.3 Durchflussmessgerte

    Ein wichtiger Teil im Bereich des elektrischen Messens nichtelektrischer Gren ist die

    Durchflussmessung. Nach Temperatur und Druck gehrt der Durchfluss zu den wichtigsten

    Messgren in der industriellen Messtechnik. So ist die Durchflussmessung z. B. in der

    verfahrenstechnischen Industrie eine wesentliche Grundlage der Prozessautomatisierung.

    Mittlerweile knnen die Druckmessaufnehmer kompakt und robust realisiert werden. Es sind

    auch preisgnstige Durchflussmessaufnehmer aus Kunststoff erhltlich. Daneben erlauben

    Fortschritte in der Werkstofftechnologie neue resistente Materialien fr die Messaufnehmer

    und die Auskleidungen gegen aggressive Fluide

    Der Durchfluss eines Fluids in einer gefllten Rohrleitung ist die durch den Querschnitt

    flieende Stoffmenge pro Zeit. Hierbei sind zu unterscheiden:

    Volumendurchfluss V

    Vt

    Einheit m/s:

    und Massendurchfluss m

    mt

    Einheit kg/s

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    36

    Beachte: Der Volumendurchfluss wird oftmals auch als Volumenfluss oder Volumenstrom

    und entsprechend der Massendurchfluss als Massenfluss oder Massenstrom bezeichnet.

    In vielen Anwendungsfllen ist der Massendurchfluss die wichtigere gesuchte Gre, weil er

    in einem geschlossenen System konstant ist, whrend der Volumendurchfluss von

    kompressiblen Fluiden von der Dichte und somit von den Gren Druck und Temperatur

    abhngig ist.

    2.3.1 Durchflussmessung nach dem Wirkdruckverfahren

    das meistverwendete Messverfahren im Bereich Durchflumessung.

    Funktionsprinzip: Man bringt ein Drosselelement in die Rohrleitung ein; dies fhrt zu einer

    Druckdifferenz p zwischen den Punkten vor und nach der Drossel. Diese Druckdifferenz p

    ist proportional zum Quadrat des Volumendurchflusses V, bzw. andersherum der Durchfluss

    ist proportional zur Wurzel der Druckdifferenz

    V const p (2.7)

    Die Drosselelemente sind robuste und einfache mechanische Bauteile ohne bewegte

    Elemente, die harten Betriebsbedingungen ausgesetzt werden knnen.

    Abb. 2-24 bersicht ber die in der Bundesrepublik Deutschland

    genormten Drosselgerte:

    a) Blende, b) Dse, c) Venturidse, kurz, d) Venturidse, lang

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    37

    Vorteile: International genormt, keine Kalibrierung erforderlich, einfach zu fertigen

    Nachteile: groe Ein- und Auslaufstrecken erforderlich, empfindlich gegen Verschmutzung

    und Kantenunschrfe

    2.3.2 Volumenzhler

    Das Fluid fliet durch Messkammern hindurch bzw. an Messflgeln vorbei und versetzt diese

    in Rotation. Die Umdrehungen der Messkammern oder Messflgel werden fortlaufend

    gezhlt und als durchtransportiertes Volumen angezeigt.

    Eigenschaften: groer Messbereich, sehr empfindlich bei Verschmutzungen des Fluids wegen

    der bewegten Teile

    Beispiele: Ovalradzhler, Zhler mit Axialflgel (wie Turbine), Zhler mit Senkrechtflgeln

    Abb. 2-25: Ovalradzhler Abb. 2-26: Zhler mit Axialflgeln

    (Turbinenrad)

    Abb. 2-27: Zhler mit Senkrechtflgeln (Schaufelrad)

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    38

    2.3.3 Schwebekrper-Durchflussmessung

    Widerstandskrper (zylindrisch oder kugelfrmig), senkrecht von unten nach oben umstrmt.

    Durchfluss kann dann anhand des Hhenstands des Schwebekrpers abgelesen werden. Sie

    stellen zudem kein elektrisches Ausgangssignal zur Verfgung.

    Durch die konische Form wird der Schwebekrper so weit nach oben getragen, bis seine

    Gewichtskraft mit der Kraft des strmenden Fluids im Gleichgewicht ist. Bei einem greren

    Durchfluss ist dies erst weiter oben der Fall, bei niedrigem Durchfluss bereits weiter unten in

    dem konischen Rohrstck.

    Vorteile: Relativ unempfindlich gegen Verschmutzungen, keine Einlaufstrecke erforderlich,

    Nachteil: Einbau muss immer senkrecht erfolgen; sie stellen kein elektrisches Ausgangssignal

    zur Verfgung.

    Abb. 2-28: Verschiedene Formen des Schwebekrper-Durchflussmessers (konische

    Form der Messgertewand

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    02.07.2015