Theorie Fragen Flashcards
(147 cards)
1
Q
Wie genau soll gemessen werden?
A
Eine Messung sollte Gebietsspezifisch genau sein, d.h. immer so genau wie das Ergebnis benötigt wird.
2
Q
Wozu benötigt man ein Normal?
A
Ein Normal hat die Aufgabe, die internationale Vergleichbarkeit der SI-Einheiten (und anderer Grundeinheiten) bzw. die Einhaltung gesetzlicher Forderungen im geschäftlichen Verkehr (Eichgesetz) zu garantieren. Es handelt sich um Vergleichsgegenstände oder präzise Messgeräte, die zur Kalibrierung anderer (weniger genauer) Messgeräte dienen.
3
Q
Was wissen Sie über das Eichen?
A
Eichung ist die Prüfung eines Messgerätes auf Einhaltung der zugrundeliegenden eichrechtlichen Vorschriften, insbesondere der Eichfehlergrenzen. Als Messgerät kann dabei auch ein einfaches Gefäß, etwa ein Bierglas oder ein Eimer mit Eichstrichen gelten. Mit einem Stempel wird die Einhaltung für die Gültigkeitsdauer der Eichung bestätigt. Eichungen werden in der Bundesrepublik Deutschland von den Landeseichämtern unter fachlicher Aufsicht durch die Physikalisch-Technische Bundesanstalt durchgeführt.
4
Q
Erläutern Sie den Begriff Signal und geben Sie die Einteilung determinierter Signale an!
A
Der Begriff Signal ist ein optisches oder akustisches Zeichen mit einer bestimmten Bedeutung, in der Physik, Kybernetik und Technik als Träger einer Information.
5
Q
Welche Werte einer sinusförmigen Wechselspannung können Informationsparameter sein?
A
Informationsträger einer sinusförmigen Wechselspannung können Frequenz, Amplitude und ihre Phase sein.
6
Q
Welchen Eingangswiderstand sollte ein Messgerät idealerweise haben? a) für die Messgröße elektrischer Strom b) für die Messgröße elektrische Spannung Begründen Sie Ihre Antwort!
A
a) Für die Messung von elektr. Strom mit einem Amperemeter empfiehlt sich ein geringer Innenwiderstand, da die Strommessung, welche in Reihe durchgeführt wird, von zu großen Innenwiderständen negativ beeinflusst wird. b) Für die Messung von elektr. Spannung mit einem Voltmeter empfiehlt sich ein sehr großer Innenwiderstand, da die Spannungsmessung parallel durchgeführt wird und von sehr kleinen Innenwiderständen negativ beeinflusst wird (Weg des geringsten Widerstandes)
7
Q
Welche messtechnischen Eigenschaften wünscht man sich bei Messgeräten?
A
Messgeräte sollten ein statisches Verhalten aufweisen, d.h. sie sollten eine konstante Empfindlichkeit und lineare Kennlinien haben. (also konstante Messeigenschaften bei wechselnden Messbedingungen)
8
Q
Was sagt der Effektivwert eines Wechselstroms im Vergleich zum Wert eines Gleichstroms aus?
A
Als Effektivwert eines elektrischen Stromes von wechselnder Größe wird derjenige Wert angegeben, der in einem (rein ohmschen) Wirkwiderstand R die gleiche Wärmemenge erzeugt, wie ein gleich großer Gleichstrom I in gleicher Zeit t.
9
Q
Was bedeutet „rms (sinus)“ und was bedeutet „true rms“?
A
RMS =Root Mean Square heißt Effektivwert oder quadratischer Mittelwert. Messgeräte, welche den Effektivwert tatsächlich nach den mathematischen Grundlagen bestimmen, werden zur Verdeutlichung Echteffektivwert-Messgeräte true RMS genannt und mit der Bezeichnung True RMS bzw. TRMS ausgewiesen.
10
Q
Wie kann der Messbereich vergrößert werden?
a) bei einem Spannungsmessgerät
b) bei einem Strommessgerät
A
a) Um das Messwerk an den gewünschten Messbereich anzupassen, wird es mit einem geeigneten Vorwiderstand Rv in Reihe geschaltet. Von der zu messenden Spannung U entfällt dann höchstens ein Teil Umax auf das Messwerk, der Rest Uv = U - Umax auf den Vorwiderstand.
b) Zur Anpassung an den gewünschten Messbereich wird zum Messwerk parallel ein Nebenschlusswiderstand (Shunt) Rs geschaltet, der den Teil des Stroms aufnimmt, der nicht durch das Messwerk fließen soll. Man berechnet ihn so, dass beim gewünschten Vollausschlag I der Anteil Imax durch das Messwerk und der Rest Is = I - Imax durch den Shunt fließt.
11
Q
Was unterscheidet das Justieren vom Kalibrieren?
A
Kalibrierung: Beim Kalibrieren wird lediglich der Fehl- bzw. Differenzbetrag zwischen Ist- und Sollgröße festgestellt bzw. dokumentiert. Bei der Kalibrierung erfolgt also keine Justage. Somit ist eine Kalibrierung eine verbleibende Messabweichung am fertigen Messgerät.
Eichung: Werden bei der Kalibrierung Abweichungen durch eine Eichbehörde festgestellt und durch ein entsprechendes Zertifikat oder einen Stempel bestätigt, handelt es sich um einen Eichvorgang. Das Eichen eines Messgeräts umfasst die von der zuständigen Eichbehörde nach den Eichvorschriften vorzunehmenden Prüfungen. Welche Messgeräte der Eichpflicht unterliegen und welche davon befreit sind, ist gesetzlich geregelt.
12
Q
Welche Abweichungen werden bei der Justage einer Messkette minimiert?
A
Justage: In der allgemeinen Messtechnik wird beim Justieren ein Messwert beispielsweise “von Hand” zu einer Referenzgröße deckend abgeglichen, damit das Produkt bzw. Ergebnis so wenig wie möglich, über einen weiten Bereich, vom tatsächlichen Sollwert abweicht. Das Justieren erfordert also einen Eingriff, der das Messgerät bleibend verändert.
13
Q
Was versteht man unter dem „Anschluss von Messgeräten“ an Nationale Normale?
A
Ein Anschluss an nationale Normale bedeutet so viel, wie das Anpassen eines Messgerätes an national (in diesem Land) geltende Normen.
14
Q
Wann sind Messergebnisse rückführbar?
A
Definition Rückführbarkeit: Eigenschaft eines Messergebnisses oder Wertes eines Normals, durch eine ununterbrochene Kette von Vergleichsmessungen mit gegebenen Messunsicherheiten auf geeignete Normale, im allgemeinen internationale oder nationale Normale, bezogen zu sein.
15
Q
Worin unterscheiden sich additive von multiplikativen Fehlern? Nennen Sie je ein Beispiel!
A
additive Fehler entstehen bei Addition
multiplikative bei Multiplikation
16
Q
Wie lauten Name und Abkürzung des metrologischen Staatsinstituts in Deutschland?
A
Die während des Krieges ausgelagerten Laboratorien wurden nach dem Zusammenbruch in Braunschweig zusammengezogen, wo es 1950 zur Neugründung als Physikalisch-Technische Bundesanstalt kam (PTB; ,,Metrologisches Staatsinstitut der Bundesrepublik Deutschland“). In den Räumen der alten PTR in Berlin-Charlottenburg entstand 1953 als Außenstelle das Institut Berlin der PTB.
17
Q
Was heißt DKD? Wann wenden Sie sich an den DKD?
A
DKD = Deutscher Kalibrierungs-Dienst - er ist verantwortlich für das kalibrieren von Messgeräten und Messverköperungen - gibt Sicherheit für Anwender für die Verlässlichkeit von Messergebnissen - ist erforderlich bei hoher Genauigkeitsanforderung, bei Prüfnormalen in Unternehmen, bei Ausweisung einer Messunsicherheit
18
Q
Erläutern Sie die Kompensationsmethode anhand eines Signalflussbildes und nennen Sie ein praktisches Beispiel!
A
Durch Variation einer der Messgröße entgegen gesetzten Größe, wird ein Nullindikator festgelegt (Differenz ergibt Null). Die Kompensationsgröße ist jetzt das Maß für die Messgröße. - Empfindlichkeitsschwankungen des Nullindikators sind unbedeutend - Offsetdrift (Nullpunktabweichung) erzeugt Messfehler
19
Q
Erläutern Sie die Größen Gleichrichtwert, Effektivwert und Spitzenwert einer sinusförmigen Spannung und geben Sie die Faktoren an, mit denen diese Werte untereinander verknüpft sind.
A
Gleichrichtwert: ist der Mittelwert der Betrages einer Periode (63,7 %)
Effektivwert: Der Effektivwert einer Wechselspannung oder -stromes bewirkt in einem ohmschen Widerstand den gleichen Wärmeenergieumsatz wie die äquivalente Gleichgröße! (70,7%) Oder … es ist der quadratische Mittelwert über 1 Periode.
Spitzenwert: Die maximale Elongation einer Schwingung nennt man Amplitude oder Spitzenwert.
20
Q
Mit einem Volt- und einem Amperemeter soll zeitgleich Spannung und Strom zum Zweck der Leistungsermittlung gemessen werden. Skizzieren Sie die strom- sowie die spannungsrichtige Schaltung! Von welchen Messgeräteeigenschaften hängt die systematische Messabweichung infolge Energieentzug ab?
A
Innenwid. von Voltmeter sehr hoch, Innenwid. von Amperemeter sehr klein damit V I möglichst klein bleibt damit A U möglichst klein bleibt - der Energieentzug entsteht durch die Innenwiderstände der Messgeräte
21
Q
Was ist der Informationsparameter des Ausgangssignals eines inkrementalen Drehgebers (z.B. einer Gabel-Lichtschranke)?
A
Der Informationsgehalt ist, der Drehwinkel (vorbestimmt durch die Anordnung der Löcher bzw. Schlitze).
Man kann z.B. einfach nur Impulse zählen oder sie dann pro Zeiteinheit (s, min) ausdrücken.
22
Q
Wie kann bei Inkrementalgebern die Rechts/Links bzw. Vor/Rückerkennung erfolgen?
A
Durch zusätzliche Löcher (bzw. Unregelmäßigkeiten) auf den Drehscheiben, ist es möglich zu erkennen in welcher Richtung gedreht wird! Oder man verwendet eine zweite Lichtschranke, die kurz vor oder nach der ersten auslöst. Damit kann auch eine zusätzliche Richtungsinformation generiert werden.
23
Q
Erläutern Sie anhand einer Skizze die Arbeitsweise eines Dual-Slope-ADU!
A
anlegen einer zu messenden Spannung
Kondensator lädt sich auf einen bestimmten Wert auf
umschalten auf eine Vergleichsspannung und Rückintegration bis
24
Q
Welche Vorteile hat ein ADU, der nach dem Zweiflankenverfahren (Dual-Slope) arbeitet gegenüber einem Momentanwertumsetzer?
A
- hoch auflösender, störfest (Störspitzen werden durch Integration geglättet) - Momentanumsetzer benötigt konstante Signale, da er nicht integriert S/H-Glied
25
Warum wird in der Messtechnik häufig die Wheatstone-Brücke angewendet? Benutzen Sie in Ihrer Antwort die Begriffe Differenzmethode, Parallelstruktur und Einflussgröße (Störgröße).
Das beste Beispiel für das Messen nach der Differenzmethode, sind Wheatstone-DMSBrücken. Hierbei wird die Eingangsgröße (Krafteinwirkung) und somit Dehnung bzw. Stauchung als Widerstandsänderung umgesetzt. Des Weiteren findet die Parallelstruktur ihre Anwendung. Da bei dieser zwei prinzipiell gleiche Wandlungsglieder, gegensinnig auf die Messgröße (x), aber gleichsinnig auf die Störgröße (z) reagieren erfolgt eine sehr gute Kompensation von mechanischen und thermischen Einflussgrößen! Eine Verdoppelung des Übertragungsfaktors ist eine weitere Folge. Bei Wheatstone-Brücken ist es einfach, einen Nullpunktund Empfindlichkeitsabgleich durch zu führen.
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Was ist bezüglich der Speisespannung einer Wheatstone-Brücke zu beachten, wenn die beiden darin befindlichen messgrößenempfindlichen Elemente kapazitiv arbeiten?
- es ist Wechselspannung an zu legen - da die Elemente kapazitiv und damit frequenzabhängig sind, ist auf die Frequenzstabilität zu achten (Stromaufnahme ist auch abhängig davon)
27
Ein Einheitsspannungssignal (0 bis 10 V) soll in ein Einheitsstromsignal (4 bis 20 mA) gewandelt werden. Welchen Nullpunktversatz (Offset) und welchen Übertragungsfaktor muss der Spannungs-Strom-Wandler haben?
Offset …. Bei 0V am Eingang, müssen 4mA am Ausgang fließen. Übertragungsfaktor … V mA V mA U I KTH 1,6 10 16 = = D
28
Eine Messkette soll den Druck in bar ziffernrichtig digital anzeigen. Welche Empfindlichkeit (welchen Übertragungsfaktor) muss die Messkette haben?
Übertragungsfaktor … bar digit bar digit X X K E A TH 1 1 =
29
Skizzieren Sie den Frequenzgang (Bodediagramm) für ein Messsystem mit Tiefpassverhalten erster Ordnung (T1-System). Erläutern Sie den Begriff Grenzfrequenz. Geben Sie die Größe der Messabweichung für Amplitude und Phase bei der Grenzfrequenz an und erläutern Sie die Konsequenzen für die messtechnische Praxis!
Grenzfrequenz: bei ihr, unterschreitet die Empfindlichkeit einen bestimmten Wert (üblich sind -3dB … Amplitude sinkt um 30%, Phasenwinkel -45°) Als Konsequenz gilt, dass das Ausgangssignal um 45° nacheilt und die Amplitude sich um 3dB verkleinert.
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Nennen Sie Kenngrößen von Messeinrichtungen und teilen Sie diese ein!
statische Kenngr.: beschreiben quantitativ die Systemeigenschaften im statischen Zustand (nach Übergangsvorgänge) Messbereich, Fehlergrenze, Auflösung, Umkehrspannung, Langzeitstabilität (Drift), Empfindlichkeit dynamische Kenngr.: beschrieben quantitativ die dynamischen Merkmale von Messsystemen oder Teilen davon (Reaktionen auf Veränderungen am Eingang) Einschwingzeit, Messrate, Grenzfrequenz, Eigenfrequenz
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Was geben folgende Kenngrößen an bzw. welche Bedeutung haben diese für das praktische Messen: - Messbereich: - Genauigkeitsklasse (Fehlerklasse): - Empfindlichkeit (Übertragungsfaktor): - Temperaturkoeffizient des Nullpunkts: - Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit: - Langzeitstabilität (zeitliche Drift): - Einflussgrößenempfindlichkeit (Störgrößenübertragungsfaktor): - Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) - Untere Grenzfrequenz: - Obere Grenzfrequenz: - Einschwingzeit: - Abtastperiode: - Abtastfrequenz (Messrate): - Summenmessrate: - Auflösung:
Messbereich: Ist der Änderungsbereich der Messgröße, in dem die Messabweichung innerhalb festgelegter Grenzen bleibt ( Endwert – Anfangswert = Bereich ) 10 von 53 Genauigkeitsklasse (Fehlerklasse): Ist eine Messgeräteigenschaft und hilft sie zu vergleichen. Weiterhin ist es möglich, eine grobe Schätzung der Messunsicherheit damit zu machen. z.B. Klasse 0,5 bei einem Voltmeter heißt … 0,5% vom Skalenendwert, wird als statischer Fehler mit ±0,5% angenommen! Empfindlichkeit (Übertragungsfaktor): Ist das Verhältnis, zwischen Ausgangs- zu Einganssignal! Temperaturkoeffizient des Nullpunkts: Veränderung der Nullpunktkennlinie durch Temperatureinfluss … ist additiv! y = y (T )+ K(T ) 0 Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit: Veränderung der Nullpunktkennlinie durch Temperatureinfluss … ist multiplikativ! y y (T ) K(T )\* x 0 = + Umkehrspanne (Hysterese): Zu ein und demselben Werte des Eingangssignals, werden Ausgangswerte geliefert, die von vorherigen Abfolge der Eingangswerte abhängen. Die Umkehrspannung U d ist ein quantitatives Maß dafür. Langzeitstabilität (zeitliche Drift): Kommt durch Eigenerwärmung, alternde Bauelemente und Änderungen im Gefüge des Aufnehmermaterials zu Stande. Einflussgrößenempfindlichkeit (Störgrößenübertragungsfaktor): Ist ähnlich dem Übertragungsfaktor, nur Ausgangssignal bezogen auf die Störgröße. Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz): Nicht alle Messeinrichtungen haben eine Eigenfrequenz (z.B. Widerstandsthermometer), aber z.B. Sensoren für Kraft, Druck, Drehmoment … also Systeme 2. Ordnung mit einer physikalischen Dämpfung kleiner 1, sind dagegen schwingungsfähig! Die Eigenfrequenz, ist die Frequenz mit der das System schwingt, wenn es angeregt wird. Sie ist somit eine dyn. Kenngr. und beeinflusst erheblich die Messergebnisse. Untere Grenzfrequenz: Für die Beschreibung eines Messsytems ist die Bandbreite ein sehr wichtiges Kriterium. Die GU f ist der min. Wert der Bandbreite und liegt meist bei 0 Hz! (siehe Bodediagramm) Obere Grenzfrequenz: Für die Beschreibung eines Messsytems ist die Bandbreite ein sehr wichtiges Kriterium. Die GO f ist der max. Wert der Bandbreite und liegt meist bei -3dB bzw. 70% der Amplitude! (siehe Bodediagramm) Einschwingzeit: Zeitspanne zwischen sprunghafter Änderung der Eingangsgröße und dem Moment, ab dem die Ausgangsgröße dauernd innerhalb vorgegebener Grenzen bleibt! Abtastperiode: Ist die Zeit, die an einem Messsystem zur Erfassung eins Messwertes bzw. Impulszählers eingestellt ist. Zum Beispiel durch einen Sägezahn oder RC-Glied realisiert. Abtastfrequenz (Messrate): Nach dem Abtasttheorem von Shannon-Nyquist gilt, das abtast Signal f \> 2 \* f (min.!!!) sonst kommt es zum Aliasingeffekt. Des Weiteren ist darauf zu achten, da Messwerte pro Sekunde eingestellt werden, ob die Auswertung überhaupt so schnell stattfinden kann … z.B. Schnittstellengeschwindigkeit (Bauterate) …messe so genau wie nötig und nicht wie möglich !!!!!! Summenmessrate: Ist ein Merkmal für Geräte mit mehreren Messkanälen! Hier bei wird die Messrat (Messwert pro Sekund) von allen Kanälen add. und als max. Anzahl von Messwerten definiert, die vom System ausgewertet bzw. übertragen werden können. Auflösung: Eigenschaft eines Messgerätes, zwischen nahe beieinander liegenden Messwerten eindeutig zu unterscheiden (kleinste eindeutig unterscheidbare Differenz). Weiterhin ist es das Verhältnis zwischen Signal und Rauschen! Rauschen ist ein regelloses, inneres Störsignal (z.B. thermisches Rauschen) und begrenzt die Möglichkeit, ein Messsignal unendlich genau darzustellen.
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Ihre Messkette besteht aus Aufnehmer, Messverstärker, ADU und PC. Nennen Sie alle Eigenschaften der einzelnen Glieder, welche für das Auftreten von statischen Messabweichungen relevant sind!
Aufnehmer: Nullpunktabweichung, Empfindlichkeitsabweichungen, Empfindlichkeit, Drift Messverstärker: Einschwingzeit, Messbereich, Empfindlichkeit, Auflösung ADU: Messrate bzw. Schnelligkeit des A/D-Wandlers, Schnittstellengeschwindigkeit PC: Softwareprobleme, Schnittstellengeschwindigkeit
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Nennen Sie alle Eigenschaften der Einzelkomponenten (Aufnehmer, Messverstärker, ADU und PC), die für das Auftreten von dynamischen Messabweichungen relevant sind!
Aufnehmer: Eigenfrequenz/ Einschwingzeit (abhängig von Prozessanbindung) Verstärker: Analogbandbreite (Grenzfrequenz) AD-Umsetzer: Umsetzrate (Abtastzeit)
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Geben Sie die Gleichung für die Umrechnung der Grenzfrequenz in die Einschwingzeit an! Was ist dabei zu beachten?
T\_E=1/(2\*fg)
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Welche Größe ist am genauesten und am einfachsten messbar (PTB schafft es mit besser 10-13) und wie haben sich Messgerätehersteller darauf eingestellt?
Zeit Die Sekunde ist eine der Basiseinheiten im internationalen Einheitensystem SI und seit 1967 folgendermaßen definiert: Die Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung. Die Realisierung der Zeiteinheit nach dieser Definition erfolgt mit Caesium-Atomuhren, die industriell gefertigt oder für höchste Genauigkeitsansprüche von Forschungslaboratorien gebaut und betrieben werden. Weltweit gibt es von letzteren, den sogenannten primären Uhren, nur etwa zehn Exemplare.
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Mit welchem Amplitudenfehler ist bei einem Oszilloskop zu rechnen?
-Fehlergrenzen Analog-Oszilloskop Vertikal-Ablenkung: ± 1,3% vom MB (6 div) -Fehlergrenzen Digital-Oszilloskop Vertikal-Ablenkung: ± 2% vom MB (6 div)
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Welche Vorteile hat ein Digitaloszilloskop gegenüber einem analog arbeitenden?
Hauptvorteile der Digital-Oszilloskope: - Signalspeicherung - Analyse der Trigger-Vorgeschichte (PRE-Trigger) und der Trigger- Nachgeschichte (POST-Trigger) - Mathematikfunktionen (FFT) - Möglichkeit von Datentransfer und externem Setup
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In einem Hydrauliksystem treten ganz offensichtlich kurzzeitig Druckspitzen auf. Sie sollen diese mit einem Digitaloszi aufzeichnen. Ein passiver Druckaufnehmer sowie für diesen ein Messverstärker mit 0 bis 20 mA-Ausgang sind vorhanden. a) Was benötigen Sie, als Signalwandler zwischen Druckmessumformer und Oszi? b) Welche speziellen Eigenschaften muss der Druckaufnehmer haben? c) Welche speziellen Eigenschaften muss der Messverstärker haben?
a) Das Oszi benötigt als Eingangssignal eine Spannung. Für die Umformung des Stromes am Ausgang des Druckmessumformers in eine Spannung wird ein Strom- Spannungswandler, im einfachsten Fall ein ohmscher Widerstand verwendet. b) Druckaufnehmer sollte beständig gegenüber Drückspitzen konstruiert sein, z.B. in einem ölgefüllten, vollverschweißten Edelstahlgehäuse c) Messverstärker sollte gegen zu hohe Spannungsspitzen geschützt sein
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Beschreiben Sie die Funktionsweise eines 1-Kanal-Oszilloskops und gehen Sie dabei auf die Synchronisation ein!
Ein Oszilloskop stellt Spannung über ihren zeitlichen Verlauf dar, d. h. es werden die physikalischen Größen Spannung und Zeit gemessen. Ein Oszilloskop wird verwendet, wenn periodische wiederkehrende Signale bildlich dargestellt und schnelle elektrische Vorgänge sichtbar gemacht werden müssen. Das Messsystem des Oszilloskops ist die Braunsche Röhre. Es ist eine Elektronenstrahlröhre mit einem masselosen Elektronenstrahl. Die Braunsche Röhre dient in einem Oszilloskop der Darstellung des zu messenden Spannungsverlaufs. Als Anzeigemedium werden Elektronen verwendet. Diese haben eine geringe Masse und sind sehr schnell. Die Elektronenstrahlröhre dient hierbei zur Erzeugung, Bündelung, Ablenkung und Beschleunigung der Elektronen. Damit statt eines Leuchtpunktes ein Bild bzw. Linienverlauf entsteht, werden die Elektronen mit sich gegenüberliegenden Platten abgelenkt. Die XPlatten sind für die Zeitmessung. Sie lenken den Elektronenstrahl horizontal ab (links oder rechts). Die Y-Platten sind für die Spannungsmessung. Sie lenken den Elektronenstrahl vertikal ab (hoch oder runter). Den Platten sind Verstärker vorgeschaltet, damit auch die kleinste Spannung leistungslos gemssen und angezeigt werden kann. Zeitablenkung Die Zeitablenkung erfolgt durch einen Zeitablenkgenerator. Sein Signalverlauf ist eine Sägezahnspannung. Im Zeitraum t0 - t1 wird der Elektronenstrahl vom linken zum rechten Bildrand abgelenkt. Im steilen Spannungsabfall bei t1 wird der Elektronenstrahl an den linken Bildschirmrand abgelenkt. Die Zeitablenkung kann mittels eines Schalters verändert werden. Betriebsarten der Spannungsmessung Die Spannungsmessung erfolgt durch den Y Eingang. Wie bei jedem analogen Messgerät, muss über Schalter der Messbereich eingestellt werden. Bei richtig eingestelltem Messbereich wird der Signalverlauf auf dem Bildschirm sichtbar. Um bei der Messung, mit einem Oszilloskop, ein stehendes Bild zu erhalten, muss das zu messende Signal richtig getriggert werden. Triggern bedeutet Auslösen. Manches Oszilloskop hat auch einen zusätzlichen externen Triggereingang. Der Zeitablenkgenerator wartet nach einem Darstellungsdurchgang bis das Messsignal wieder gleichen Pegel und gleiche Richtung hat. Erst dann wird erneut getriggert/ausgelöst und das Signal erneut dargestellt.
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Mit einem PC-gestützten Messsystem wollen Sie über eine lange Zeit ein Messsignal erfassen und aufzeichnen, das Frequenzen bis 1,2 kHz enthält. Am Messsystem kann zwischen den Abtastraten (Messraten) 1, 2, 4, 8, 16 und 32 kHz gewählt werden. Welche Rate stellen Sie ein? Begründen Sie Ihre Wahl!
Minimum: 4kHz gewählt: 8/16kHz (32kHz zu hohe Abtastrate, da Messung über lang Zeit zu viele Messwerte liefert; Messen so genau wie nötig, nicht wie möglich)
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Warum unterscheidet man zufällige und systematische Messabweichungen?
Systematische Messabweichungen die jede Einzelmessung in die gleiche Richtung um den gleichen Betrag verschieben, Beispiel: falsche Justierung des Messgerätes (Nullpunkt), Parallaxefehler die sich zeitlich verändern und den Messwert in eine bestimmte Richtung verschieben, Beispiel: Alterung und Abnutzung eines Messgerätes, gerichteter Temperaturgang die mit dem Messverfahren und dem experimentellen Aufbau vorgegeben sind. Beispiel: Wärmeabstrahlung bei kalorischen Messungen, schädliches Volumen Zufällige Messabweichung die nicht einseitig gerichtet sind und zu einer Streuung der Messergebnisse führen. Beispiel: - Messungen von Zeiten, Strecken am selben Messobjekt mit denselben Messgeräten unter gleichen Bedingungen - Inhomogenitäten des Messobjektes (Durchmesser eines Drahtes an verschiedenen Stellen) Zufällige Messabweichung treten nach keiner bekannte Gesetzmäßigkeit auf. Sie lassen sich auch unter gleichen Bedingungen nicht reproduzieren. Systematische Messabweichung treten regelmäßig auf. Die Abweichung können bei der Prüfung berücksichtigt werden
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Was sagt die Unsicherheit eines Messergebnisses aus?
Messunsicherheit ist der Kennwert, der den Bereich der Werte charakterisiert, die der Messgröße durch die durchgeführte Messung vernünftigerweise zugeschrieben werden können. Die nach einem einheitlichen Verfahren berechnete und in einer bestimmten Weise mitgeteilte Messunsicherheit drückt so die Stärke des Vertrauens aus, mit der angenommen werden darf, dass der Wert der gemessenen Größe unter den Bedingungen der Messung innerhalb eines bestimmten Werteintervalles liegt.
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Weisen Sie anhand eines selbst gewählten Beispiels nach, dass die relative Abweichung sehr groß werden kann, wenn man aus zwei beinahe gleich großen unmittelbar gemessenen Werten einen dritten Wert (den Messwert, dem das Ziel der Messung gilt) durch Subtraktion bildet!
Temperaturmessung: Messung einer Temperaturänderung mit PT100 (Toleranz ± 0,15°C): Messungsbeispiel: T1 = 20°C T2 = 21°C T = T2 - T1 = 1°C Messfehler aus 2 Messungen: D T =D T1 + D T2 = 0,3°C Relative Abweichung: D T / T = 0,3°C /1 °C =30% Je kleiner die Messspanne, desto größer die relative Abweichung!
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Was sagt die Auflösung eines Messgeräts über den Wahrheitsgehalt des Messergebnisses aus?
Eine analoge Spannung benötigt grundsätzlich unendlich viele Bits zur vollständigen Wertebildung (sprich Auflösung), da sie N Kommastellen besitzt. Da man diese in der Praxis nicht umsetzen kann (man würde unendliche Ressourcen und Zeit benötigen um eine unendliche Zahl zu bilden), reduziert sich bei der Wandlung die Auflösung einer gewandelten Spannung in eine dem Wandler zugeordnete Bit-Tiefe. Die Auflösung eines Wandlers gibt somit an, wie fein der Meß- oder Ausgabebereich unterteilt ist, bzw. bei welcher kleinsten Spannungsänderung ein Wandler bereits sein digitales Datum abändert. Eine alleinige Angabe der Auflösung ist jedoch unzureichend, da man unter Einbeziehung von thermodynamischen Eigenschaften auch Fehler wie Systemrauschen (bsp. Quantisierungseffekte u.a. nichtlineare Verzerrungen...) sowie Offset- und Linearitätsfehler ebefalls in einer "Genauigkeitskalkulation" berücksichtigen muss. Ein vereinfachtes Beispiel: Bei einer Auflösung von acht Bit wird beispielsweise der Bereich in 2hoch8=256 Stufen unterteilt. Bei einem Meßbereich von null bis fünf Volt bedeutet das, daß der Bereich in Schritten von 5V/256=19,5 Millivolt angesprochen werden kann (zum Vergleich: Bei sechzehn Bit Auflösung erreichen Sie eine Unterteilung desselben Bereichs in Schritte von 0,076 Millivolt). Beachten Sie dabei aber, daß Sie, wenn Sie nicht den vollen Meßbereich ausnutzen, eine geringere "Genauigkeit" erwarten müssen. Ist der Meßbereich ±10 Volt voreingestellt aber messen tatsächlich nur im ±1 Volt-Bersich, so erreichen Sie bei einer Auflösung von acht Bit nur effektiv eine Unterteilung in 2V/(20V/256)=25 Schritte. Wählen Sie daher den Meßbereich immer möglichst so, daß er dem Bereich der tatsächlich zu erfassenden Meßwerte entspricht.
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Strom und Spannung wurden mit einem Messgerät der Fehlerklasse 1 (Genauigkeitsklasse 1) im 10A-Messbereich mit 5 A und im 50V-Messbereich mit 20 V gemessen. Berechnen Sie die Unsicherheit der Leistung über das totale Differential! Geben Sie das vollständige Messergebnis für die Leistung an! Gehen Sie vom schlimmsten Fall aus!
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Berechnen Sie die relative Abweichnung der gemessenen Leistung!
P=(100+4,5)W
rel Abweichung = DP/P=4,5W/100W=4,5%
47
Ein Einheitsspannungssignal (0 bis 10 V) soll in ein Einheitsstromsignal (4 bis 20 mA) gewandelt werden. Welchen Nullpunktversatz (Offset) und welchen Übertragungsfaktor muss der Spannungs-Strom-Wandler haben? Skizzieren Sie die statische Kennlinie!
Offset: 4mA Übertragungsfaktor: (20mA – 4mA)/10V = 1,6mA/V -\> 625W
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Wie verhindert man Alias- bzw. Aliasingeffekte?
* Einhalten des Abtastheorems
fa \> fmax
* Verwenden von Anti-Aliasing-Filter
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Für die Messung von Widerstandswerten über größere Entfernungen wird häufig die 4-Leiterschaltung benutzt. Skizzieren Sie diese und beschreiben Sie stichpunktartig deren Funktion!
In der Vierleitermessschaltung werden zwei der viel Leitungen verwendet, um einen konstanten Strom durch den Pt100 zu schicken. Mit Hilfe der anderen beiden Leitungen wird die Spannung am Pt100 abgegriffen. Der Widerstand der Zuleitungen ist, in gewissen Grenzen, egal, da es sich um eine Konstantstromquelle handelt. Da über die beiden Messleitungen nur die Spannung am Pt100 gemessen wird, fließt über diese ein vernachlässigbar kleiner Strom. Das heißt, ein vernachlässigbar kleiner Spannungsabfall an den Messleitungen, so gut wie keine Messverfälschung.
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Wann entsteht eine dynamische Messabweichung?
- entstehen beim Messen von zeitlich veränderlichen Messgrößen mit Hilfe von Messgeräten
- dynamische Messabweichungen beschreiben ein Messgerät
- ändert sich die Messgröße während der Messung können dynamische Messabweichungen entstehen sobald ein Glied der Messkette nicht schnell genug ist -\> Dyn. Messabweichung ist Funktion der Zeit -\> Glieder der Messkette arbeiten nicht verzögerungsfrei
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Messsysteme haben allgemein Tiefpassverhalten. Es gibt durchaus Systeme die ein Bandpassverhalten aufweisen bzw. eine untere Grenzfrequenz größer 0 Hz aufweisen. Das kann messprinzipbedingt (piezoelektrische Aufnehmer) oder auch gewollt sein. Nennen Sie für letzteres ein Beispiel! Welchen Vorteil kann das haben?
Erschütterungsmelder: - Ein Erschütterungsmelder dient zur Überwachung von Fenstern, Türen und Vitrinen auf gewaltsames Eindringen bzw. Entfernen. Ein piezoelektrischer Aufnehmer wandelt die am Objekt auftretenden Erschütterungen auf und wandelt sie in elektrische Signale um. Aus diesen Signalen werden Signale mit kleiner Amplitude aber mit hohen Frequenzanteilen herausgefiltert und als Alarm ausgewertet Filter: - Vorteile in der Hinsicht, in dem die unteren, bzw. niedrigen Frequenzen nicht mit in unserer Messreihe aufgenommen werden, und demzufolge herausgefilter werden und für unseren Aufnehmer nicht relevant sind
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Welche beiden Möglichkeiten gibt es, ein frequenzanaloges Signal auszuzählen bzw. mittels Zähler, Zeitgeber und Tor (Gate) in ein digitales Signal umzusetzen? Skizzieren Sie eine der beiden Möglichkeiten!
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Welche Temperatur misst ein Widerstandsthermometer?
Metall-Widerstandsthermometer ändern ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Änderung des elektrischen Widerstandes unter Temperatureinfluss hat seine Ursache im Leitungsmechanismus der Metalle. Grundlage für die Leitfähigkeit von Metallen sind die im Atomgitter frei beweglichen Elektronen. Ihre Anzahl und Bewegungsenergie sind temperaturabhängig. Wird nun über eine Temperaturerhöhung den Metallatomen Energie zugeführt, schwingen sie mit einer entsprechend größeren Amplitude und Frequenz. Der Elektronenbewegung wird zunehmend ein Widerstand entgegengesetzt, der der Erhöhung des elektrischen Widerstandes entspricht. Da sich der elektrische Widerstand proportional zur Temperatur erhöht spricht man von einem positiven Temperaturkoeffizienten. Das Metall mit den besten Eigenschaften ist Platin und daraus resultierend das Pt- Widerstandsthermometer das wichtigste in der Temperaturmesstechnik. Weitere Metalle die zur Temperaturmessung verwendet werden sind Kupfer (Cu), Nickel (Ni) oder Molybdän (Mo). Das Platin-Widerstandsthermometer wird in der EN 60751 ausführlich beschrieben. Am häufigsten wird das so genannte Pt100-Widerstandsthermometer eingesetzt. Das Thermometer hat bei t = 0 °C einen Nennwiderstand von R = 100 W und es gehorcht folgender Gleichung im Bereich -200 bis 850°C:
54
Wovon hängt die Einschwingzeit eines Berührungsthermometers (Thermoelement, Widerstandsthermometer, Fieberthermometer) maßgeblich ab?
Einschwingzeit ist die Zeitspanne zwischen sprunghafter Änderung der Eingangsgröße und dem Moment, ab dem das Ausgangssignal dauernd innerhalb vorgegebener grenzen bleibt. Das heißt, dass mit zunehmender Grenzfrequenz fg ist Grenzfrequenz bei der die Empfindlichkeit einen bestimmten Wert unterschreitet. (üblich 3dB). Des Weiteren ist diese Einschwingzeit abhängig von der Vorgabe in welchem Toleranzband der Output mindestens liegen soll.
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Warum haben Aufnehmer mit interner Wheatstonebrückenschaltung häufig 6adrige Kabel?
Die 6adrigen Kabel sind dafür da, um Störgrößenkompensation zu erzielen (siehe Heft Wheatstone Brückenschaltung, Störgrößen)
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Sie sind in Ihrer Firma unterwegs u. haben wie immer Phasenprüfer, Schraubendreher, ein kurzes Stück Cu-Draht, einen 100-Ohm-Widerstand und einen 10-nFScheibenkondensator bei sich. Der Betriebselektriker sagt Ihnen, dass eine Temperaturmessung soeben ausgefallen ist. Statt eines Zahlenwertes für die Temperatur zeigt das Display ERROR an. Der Elektriker hat schon mal den Klemmkasten geöffnet, in dem die beiden Adern des Sensors (a: Pt100 an die Elektronik; b: Thermoschenkel an die Vergleichsstelle) angeschlossen sind. Was tun Sie, um herauszufinden, ob der Temperatursensor oder die Folgeelektronik defekt ist? a) bei einem Widerstandsthermometer Typ Pt100 b) bei einem Thermoelement Typ K
a) beim Pt100: Anschluss an die Klemmen des Widerstandes von 100 Ohm, wenn Folgeelektronik 0° anzeigt, dann ist Pt100 defekt, wenn immer noch Error angezeigt wird, ist Pt100 defekt. (Pt100, bei 100 Ohm = 0°C) b) beim Thermoelement Zusammenschluss meines Schraubendrehers und meines Cu-Kabels zu einem Thermoelement und anschließend Anschluss an den Klemmkasten, wenn irgendeine Anzeige auf dem Display erscheint, dann ist das Thermoelement defekt, wenn nicht, dann die Folgeelektronik
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Auf einem einfachen Biegebalken sind zwei DMS installiert – einer oben und der andere unten. Zeichnen Sie eine Wheatstonebrücke mit Speise- und Ausgangsspannung, kennzeichnen Sie die beiden DMS in der Schaltung und geben Sie den Quotienten Ausgangs-/Speisespannung in Abhängigkeit des k-Faktors und der Dehnung an!
Bei Halbbrücke k=2 und ε3 und ε4 bewirken keine Änderung, da es sich hierbei um Festwiderstände handelt Es gilt also folglich
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Sie möchten die Frequenz einer sinusförmigen Spannung mit sehr kleiner Amplitude am PC auswerten. Ihre Aufgabe besteht darin, die vorzuschaltende Hardware (Verstärker + ADU) auszuwählen. Was ist für diese Aufgabe wichtig: hohe Genauigkeit oder große Auflösung? Begründen Sie!
Bei einer abzutastenden sinusförmigen Spannung mit geringer Amplitude ist es von Nöten eine Möglichst hohe Genauigkeit zu erzielen um die geringen Amplituden möglichst genau aufnehmen zu können, den bei einem rein sinusförmigen Signal ist der verlauf bekannt, somit bewirkt eine sehr hohe Auflösung nur eine “schnellere“ Abtastung. Mit der Genauigkeit jedoch werden trotz einer „geringen“ Auflösung die Amplitudendifferenzen bzw. -fehler geringer.
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Die obere Grenzfrequenz eines Messsystems beträgt 10 Hz (-3dB). Der Wert der Messgröße springt von 2 auf 4 Volt. Wie lange dauert es, bis die Abweichung vom stationären Endwert kleiner als 100 mV ist? Angenommen, der Wert der Messgröße springt von 10 auf 0 Volt; welchen Wert hätte das Ausgangssignal des Messsystems, wenn man die Einschwingzeit abwartet? Zeichnen Sie die Sprungantworten für beide Vorgänge unter der Annahme, dass sich das System wie ein T1-Glied (Tiefpass 1. Ordnung) verhält! Zeichnen Sie die Einschwingzeit (Achtung: Diese ist eine Zeitdauer und kein Zeitpunkt) ein!
Von 2 auf 4 Volt sind 2 Volt, davon 100mV sind 5 %, d.h. wir können die Formel anwenden: T\_E0, 95 = 1/(2\*f\_go)=1/(2\*10Hz)=0,05s
Wenn ich nun beim Pegelwechsel von 10 auf 0 V die Einschwingzeit abwarten soll, sind das wieder 5% vom Ausgangssignal, d. h. 5% von 10 V, d.h. 0,5V
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Ein Hersteller eines Messgeräts gibt im Datenblatt an: obere Grenzfrequenz: 10 kHz (-1 dB) bzw. 15 kHz (- 3dB) Wie groß ist die Bandbreite des Messgeräts?
Bandbreite: B = f go – f gu
Messsystem häufig: f gu = 0 Hz - B = 15 kHz – 0 Hz B = 15 kHz
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Zeichnen Sie das Ausgangssignal des Messgeräts (obere Grenzfrequenz: 10 kHz (-1 dB) bzw. 15 kHz (- 3dB)) für den Fall, dass das Eingangssignal den Verlauf x(t) = 2 + sin(2π · 1kHz · t) hat! Wie groß ist ca. die Messabweichung in Prozent, wenn die Frequenz des Eingangssignals 10 kHz und wenn diese 15 kHz beträgt? Wie groß ist die Einschwingzeit des Geräts? Wenn das Eingangssignal eine Frequenz von 20 kHz hat, ist dann diese Frequenz im Ausgangssignal zu erkennen? Begründen Sie Ihre Antwort!
Übliche Grenzwerte –3db (Kdyn = 071) und -1db (Kdyn = 0,89)
d.h. rund 30% Abweichung bei 15kHz und rund 11% bei 10kHz
Einschwingzeit T = 1 /2\*fgo = 1 /30000s
Die Frequenz muss erkennbar sein, denn eine größere Frequenz als in der Bandbreite vorhergesehen,
verschlechtert nur das Signal aber nicht dessen Frequenz, jedoch ist nur noch eine
sehr geringe Amplitude zu verzeichnen und eine Phasenverschiebung größer 45° hergeleitet
aus dem Übertragungsverhalten des Systems
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Ein Druckmessumformer hat die Eigenschaften:
Messbereich 0 bis 100 bar
Ausgang 0 bis 10 V
TKN 1%/10K
TKK 1%/10K
und wurde bei 20 °C exakt justiert.
Der Messumformer wird nun in einem Temperaturbereich von -20 bis +70 °C eingesetzt. Die tatsächlich auftretenden Drücke betragen bis 60 bar. Welche Messabweichung in bar kann infolge der Temperaturschwankung schlimmstenfalls auftreten?
- TKN 1% / 10K
- TKK 1% / 10K
- Maximale Abweichung von 20°C:
bei -20°C : 40K
bei 70°C : 50K
- UTKN = MB \* TKN \* ΔT = 100 bar \* 1% /(10K \*100%) \* 50K = 5 bar (max. mögliche Abweichung)
- UTKK = MW \* TKK \* ΔT = 60 bar \* 1%/ (10K \*100% )\* 50K = 3 bar
- Bei Messung bis 60 bar maximale Abweichung von 3 bar!
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Für ein Messgerät gibt der Hersteller folgendes an: ±(0,5% vom Messwert + 2 digit)
Das Gerät zeigt 2,000 Volt an.
Berechnen Sie die Unsicherheit und geben Sie das vollständige Messergebnis an!
Wie groß ist die relative Unsicherheit des Messergebnisses in Prozent?
- U = 2000 V
- εG = 0,5% vom MW + 2 dig.
- ΔU = 2000 V \* 0,5% /100% + 2 \* 1 V
- ΔU = (2000 ± 12) V
- rel. Unsicherheit ΔU/U= 12/2000 = 0,006
- rel. Unsicherheit = 6 ‰
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Ein Widerstandsthermometer wird in 2-Leiter-Technik betrieben.
a) Welche Werte benötigen Sie unbedingt, um die Messabweichung zu berechnen, die sich durch Zuleitungstemperaturschwankungen einstellen wird?
b) Ist dieser Messfehler systematischer oder zufälliger Natur? Begründen Sie Ihre Antwort!
- Zuleitungsquerschnitt - Leitermaterial - Leiterlänge - Offsetwert vom Widerstandsthermometer - Temperaturänderung - Temperaturkoeffizient - Systematischer Fehler - Temperaturänderung wirkt sich annähernd linear auf das Messgerät aus, da diese Schwankungen immer die selben Werte annehmen. Sie sind entweder + oder – und schwanken nicht. (Wenn Temperaturänderung 5K dann ist der Fehler bei der ersten Messung + und bei der der zweiten Messung auch, und nicht plötzlich -.)
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Mit einem 120Ohm-Metallfolie-DMS (k-Faktor = 2) untersuchen Sie die Dehnungen an der kritischsten Stelle eines Druckbehälter. Sie betreiben diesen in einer ¼- Brückenschaltung, die mit 5 V gespeist wird. Die Brückenausgangsspannung beträgt 1 mV. Wie groß ist die Dehnung in ‰ ? Wie wirkt sich eine Speisespannungsschwankung von +1% auf die Brückenausgangsspannung aus? Wie stark ändert sich dadurch der angezeigte Dehnungswert?
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Zeichnen Sie die 3-Leiter-Schaltung für den Betrieb eines einzigen DMS innerhalb einer Wheatstonebrücke! Welchen Vorteil hat diese Schaltung gegenüber der einfacheren 2-Leiter- Schaltung? Falls Crashversuche durchgeführt werden, bei denen der Messvorgang ja nur Zehntelsekunden dauert, lohnt es nicht, drei Adern zu benutzen. Wieso?
Vorteil der 3- Leiter Technik: - geringerer Temperatureinfluss
Lohnt sich bei Crashtestversuchen nicht, das der Vorgang so schnell abläuft, dass evtl. auftretende Temperatureinflüsse nicht ins Gewicht fallen.
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Der k-Faktor des DMS ist mit einer Toleranz von 1 % vom Hersteller auf der Verpackung angegeben. Mit welcher Abweichung in μm/m muss man dann bei einer Dehnung von
a) 50 μm/m
b) 100 μm/m
c) 1000 μm/m
rechnen?
D=Delta e=eppsilon
k- Faktor Toleranz = 1%
ges.: Abweichung in μm/m
Lös.:
a) 50 μm/m De=0,5 mm/m
b) 100 μm/m De=1 mm/m
c) 1000 μm/m De=10 mm/m
e=DR/(R\*k) die Fehler von R und DR heben sich gegenseitig auf, d.h. De=Dk
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Wieso ist es trotz der großen k-Faktortoleranz möglich, mit DMS Messgrößenaufnehmer herzustellen, die eine Genauigkeitsklasse von 0,02 % haben bzw. die Messwerte mit Unsicherheiten kleiner 0,02 % liefern?
Da die k-Faktortoleranz sehr genau bestimmt werden kann und dadurch mit eingerechnet wird.
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Ein Messsignal mit einer Amplitude von 0 bis 1 Volt soll digitalisiert werden.
Welche Auflösung in bit muss der ADU mindestens haben, wenn eine Änderung von 1 mV noch erkannt werden soll?
Messbereich : 0…1 V
Digitale Auflösung: 0,1mV
Ziffernschritte: 1V/0,1mV=10000
10000 \<= 2^n
n=lg10000/lg2=13,29
Die ADU sollte mindestens 14bit besitzen.
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Die Drehzahl (50 bis 3000 /min) einer Scheibe) soll gemessen werden.
Diese ist mit einem Schlitz versehen. Ein Impulsgeber liefert je Umdrehung der Scheibe genau einen Impuls, dessen positive Flanke die Torzeit steuert; so dass ein digitaler Drehzahlmesswert je Umdrehung der Scheibe erzeugt wird. Für die Digitalisierung steht ein hochgenauer Quarzgenerator zur Verfügung, der eine Frequenz von 1 MHz liefert. Geben Sie die relative Drehzahlabweichung in Prozent an, die in Folge des digitalen Restfehlers (Quantisierungsfehler) maximal entstehen kann! Wie lange muss man maximal auf einen Messwert warten? Geben Sie den funktionalen Zusammenhang (exakte Gleichung sowie statische Kennlinie ohne Zahlenwerte) des Zählergebnisses von der Drehzahl an! Was ist zu tun, um eine ziffernrichtige Anzeige zu erhalten? Welche Vor- und Nachteile sehen Sie darin, die Scheibe mit weiteren Schlitzen zu versehen?
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Berechnen Sie die mittlere Empfindlichkeit (den Übertragungsfaktor) eines Thermoelements im Bereich 1000 bis 1200 °C aus den Angaben:
Thermospannung bei 1000 °C: 41,269 mV
Thermospannung bei 1200 °C: 48,828 mV
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Berechnen Sie die Empfindlichkeit (den Übertragungsfaktor) eines Widerstandsthermometers unter der Annahme, dass folgender Zusammenhang gilt: R = 100(1 + t[°C] ·3,91·10^-3/°C)! Skizzieren Sie die statische Kennlinie des digital anzeigenden Auswertegeräts (x-Achse: R in , y-Achse t in digit bzw. °C)!
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Wie berechnet man aus der Phasenlaufzeit den Phasenwinkel?
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Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine Naturkonstante und wird mit 9 Ziffern exakt ohne jede Unsicherheit (!) von der PTB angegeben. Hat man die Lichtgeschwindigkeit ohne jede Abweichung gemessen? Wie geht das? Wie kann das sein? Kann das wirklich sein?
Messung der Lichtgeschwindigkeit nach „Michelson – Morley“
Die Angabe des PTB ist nach der Wert der mit Hilfe dieses Verfahrens erstellt worden ist.
Definition durch Meter
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Warum sind folgende Eigenschaften von Messsystemen bzw. von deren Komponenten relevant?
Unter welchen (speziellen, vollkommen unterschiedlichen) Umständen sind einzelne dieser Eigenschaften nicht von Bedeutung? Beispielsweise spielen die Temperatureinflusskoeffizienten keine Rolle, wenn die Messeinrichtung ausschließlich bei Referenztemperatur betrieben wird.
**Hohe Empfindlichkeit (Übertragungsfaktor)**: je Höher die Empfindlichkeit, umso höher ist die Möglichkeit aus kleinen Ausgangswertänderungen so genau wie möglich auf Änderungen der Eingangsgröße zuschließen. (100mV/V besser als 10mV/V)
**Niedriger Temperaturkoeffizient des Nullpunkts:** Temperatureinflüsse auf den Nullpunkt werden minimiert.
**Niedriger Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit**
Je niedriger der Temperaturkoeffizient desto stötunanfälliger ist das System für Temperaturschwankungen. 30 von 53
**Kleine Umkehrspanne (Hysterese):** Hysterese (gr. hysteros: hinterher), auch Verharrungseffekt, bezeichnet das Fortdauern einer Wirkung nach Wegfall ihrer Ursache.
**Hohe Langzeitstabilität (niedrige zeitliche Drift)**: Je niedriger die zeitliche Drift, umso genauer ist die Anzeige bzw. das Messgerät nach einer längeren Zeitdauer.
**Geringe Einflussgrößenempfindlichkeit (kleiner Störgrößenübertragungsfaktor, hohe Selektivität):** Es ist nicht nötig, Störgrößen zu kompensieren
**Große Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz):** Bessere Messung von schwingenden Systemen.
**Gute Linearität:** Wenig Näherung nötig um aus der Kennlinie auf Messwerte bzw. umgekehrt zu schließen.
**Große Bandbreite:** Messung in einem hohen Frequenzbereich möglich.
**Kurze Einschwingzeit:** Verwertbare Ergebnisse der Messung stehen schneller zu Verfügung.
**Kurze Abtastperiode:** =\> Abtastfrequenz ist hoch =\> schnelle Änderungen der Messgröße werden besser erfasst.
**Große Abtastfrequenz (Messrate):** =\> siehe kurze Abtastperiode
**Hohe Summenmessrate:** Die drei roten Fragezeichen haben zugeschlagen
**Hohe Kanalmessrate:** Die drei roten Fragezeichen haben zugeschlagen
**Hohe Auflösung:** Mehr Ziffernschritte sind abbildbar
**Hohe Reproduzierbarkeit:** Die drei roten Fragezeichen haben zugeschlagen
2. Teil der Aufgabe fehlt
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Beschreiben Sie mindestens drei praktische Fallbeispiele, für die gilt, dass infolge der Messeinrichtung die Messgröße selbst ungewollt verändert wird! (z.B. für Spannungsmessung, Strommessung, taktile Temperaturmessung)
a) Spannungsmessung: Durch einen Stromfluss durch das Voltmeter entsteht ein Spannungsfall über diesem =\> Spannung über Messstelle wird verfälscht.
b) Strommessung Spannungsfall über Amperemeter
c) taktile Temperaturmessung taktil bedeutet mit Berührung Durch die Eigentemperatur des Messfühlers wird die Temperatur des Messobjektes beeinflusst.
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Welche Aufgabe erfüllen in der Messkette folgende Glieder:
Aufnehmer, Sensor, Messfühler, Messumformer, Hochpassfilter, Tiefpassfilter,
Verstärker, Amplifier, ADU, Prozessor, DAU, Grenzwertschalter, Limitswitcher
Aufnehmer: Ist der Teil der Messeinrichtung, der auf die Messgröße direkt anspricht.
Sensor: siehe Aufnehmer
Messfühler: siehe Aufnehmer
Messumformer: Wandelt die Messgrößen von den Sensoren in ein normiertes analoges Einheitssignal
Hochpassfilter: Filtert tiefe Frequenzen (unterhalb einer einstellbaren Grenzfrequenz) heraus =\> Störsignale
Tiefpassfilter: Filtert hohe Frequenzen (oberhalb einer einstellbaren Grenzfrequenz) heraus =\> Störsignale
Verstärker/ Amplifier: verstärkt das Signal für die ADU
ADU: Wandelt das analoge Einheitssignal in ein digitales Ausgangssignal
Prozessor: Verarbeitet die digitalen Informationen.
DAU: Wandelt das digitale Einheitssignal in ein analoges Ausgangssignal
Grenzwertschalter: Die drei roten Fragezeichen haben zugeschlagen
Limitswitcher: Die drei roten Fragezeichen haben zugeschlagen
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Was ist die Bedeutung der Begriffe:
Verstärkung, Gain, Messspanne, Messbereich, Nullpunkt , Bandbreite, Messrate
Verstärkung: Unabhängige Erhöhung (z.B. der Amplitude) einer Messgröße.
Gain: Die drei roten Fragezeichen haben zugeschlagen
(Messspanne)/ Spanne: Die drei roten Fragezeichen haben zugeschlagen
Messbereich: Ist der Bereich eines Messinstrumentes, in dem man sinnvoll und mit der gewünschten Genauigkeit eine Messung vornehmen kann.
Range: siehe Messbereich
Nullpunkt: lebender: heißt der Anfangspunkt eines Ausgangssignal, der beim Eingangswert „Null“ ungleich „Null2 ist. toter: Ausgangswert „Null“ gleich Eingangswert „Null“. Zero: siehe Nullpunkt
Bandbreite: Differenz zweier Frequenzen B = FGO – FGU
Messrate: Zahl der Messwerte pro Zeiteinheit
Summenmessrate: Die drei roten Fragezeichen haben zugeschlagen
Kanalmessrate: Die drei roten Fragezeichen haben zugeschlagen
Abtastrate: Kehrwert des Abtastintervalls
Abtastfrequenz: Häufigkeit, mit der ein Wert gemessen wird. Abtastperiode: 1/ Abtastfrequenz
Abtastzeit: Die drei roten Fragezeichen haben zugeschlagen
Unsicherheit: Messunsicherheit bezeichnet einen Kennwert, der dem Ergebnis einer Messung beigeordnet ist.
Uncertainty: siehe Unsicherheit
Einheitssignal: normiertes elektrisches Signal z.B. 0mA…20mA 0V…10V
eingeprägter Strom: Strom der konstant in eine Messkette eingespeist wird.
Eingeprägte Spannung: Quellspannung
Frequenzanaloges Signal: Die Frequenz ist Signalträger für die zu wandelnde/ messende Größe
Inkrementsignal: Inkrement =\> Vergrößerung
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Geben Sie die Gleichung für das Abtasttheorem an und erläutern Sie dessen Bedeutung für die praktische Anwendung!
Ein Signal muss mit mindesten 2\* fmax abgetastet werden, damit man aus dem so erhaltenen zeitdiskreten Signal das ursprüngliche Signal ohne Informationsverlust rekonstruieren bzw. genau approximieren kann.
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Zeichnen Sie das Blockschaltbild eines analogen oder eines digitalen 2-Kanal- Oszilloskops und erläutern Sie die Wirkungsweise!
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Von einer Messeinrichtung mit Tiefpassverhalten 1. Ordnung wurde die Einschwingzeit tE0,95 experimentell mit 0,3 s bestimmt. Berechnen Sie Zeitkonstante und 3dB-Grenzfrequenz dieser Messeinrichtung!
ges.: Zeitkonstante für 3dB Grenzfrequenz
0,3s=3\*tau
tau=0,1
fgrenz=1/0,3s
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Die statische Kennlinie einer Temperaturmesseinrichtung mit Spannungsausgang wird durch folgende Gleichung beschrieben: U = f(T) = T² · 0,001 mV/K². Zeichnen Sie die statische Kennlinie für den Temperaturbereich von 200 bis 400K! Berechnen Sie hierzu drei Stützstellen. Berechnen Sie außerdem die Empfindlichkeit bzw. den Übertragungsfaktor für eine Temperatur von 300 K!
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Gegeben ist folgender periodischer Spannungsverlauf:
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Abgebildet wird folgender Spannungsverlauf auf dem Oszilloskop:
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Zu messen sei eine Gleichspannung von U = 50V. Zur Verfügung steht ein Messgerät der Fehlerklasse 2,5. Das Messgerät hat die Messbereiche 0,3V; 30V; 150V und 300V. Geben Sie den zu wählenden Messbereich an, damit der Fehler des Messergebnisses minimal wird. Berechnen Sie den absoluten und relativen Fehler des Messergebnisses.
Um große Messfehler zu vermeiden, sollte als MB immer der kleinst Mögliche gewählt werden!
Messgröße = 50 V ⇒kleinster Messbereich 150 V
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Gegeben ist die Gleichung nachfolgender Amplitudenfrequenzkennlinie:
G(w)= 10 / sqrt(1+(w\*0,005\*s)^2
Berechnen Sie die Grenzfrequenz.
Berechnen Sie die Einschwingzeit tE bei sprungförmiger Eingangsgröße am Übertragungsglied und Einschwingen auf 95 % des stationären Endwertes.
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Zu messen ist eine Spannung von ca. 40 V. Zur Verfügung stehen zwei Spannungsmesser mit folgenden Daten:
Messbereichsumfang (0...60)V, Klasse 0,5
Messbereichsumfang (0...250)V, Klasse 0,2
Wählen Sie das Messgerät aus, das die Messung mit der geringsten absoluten Messabweichung ermöglicht.
Berechnen Sie den relativen Messfehler für die Benutzung dieses Geräts.
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Warum sollte die Stromstärke, mit der ein Widerstandsthermometer gespeist wird, weder zu klein noch zu groß sein?
Man wählt die Stromstärke nicht zu groß, da sonst viel Leistung am Widerstand in Wärme umgewandelt und somit die Messtemperatur verändert wird. Auch zu gering sollte die Stromstärke nicht gewählt werden, damit kleine Temperaturänderungen messbare/auflösbare Spannungsänderungen über dem Widerstand bewirken, denn z.B. das Widerstandsrauschen (thermisches Tauschen durch unregelmäßige Bewegung der Elektronen im Widerstand) begrenzt die maximale Auflösung.
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Welche Vor- und welche Nachteile haben Digital- gegenüber Analoganzeigen?
Vorteile: - sie ermöglichen leichtes Ablesen des Messwertes - die Genauigkeit kann die von Zeigerinstrumenten übertreffen - die mechanische Unempfindlichkeit dieser Anzeiger ist besonders vorteilhaft für transportable Geräte - mechanische Teile des Analoganzeigers sind stoßempfindlich und unterliegen einer Abnutzung - das Ablesen des Messwertes auf der Skala der Analoganzeige erfordert Sorgfalt und Konzentration. Ablesefehler sind leicht möglich - die Genauigkeit ist vor allem durch die mechanischen Gegebenheiten begrenzt -\> die Klassengenauigkeit 0,1 (± 0,1% vom Endwert) erfordert bereits höchste Präzision und kennzeichnet etwa die Grenzen der Messgenauigkeit von Zeigerinstrumenten Nachteile: - Änderungen von Messgrößen können nur schlecht beurteilt werden, da sie zu einem ständigen Zahlenwechsel führen - Einstellen von Messwerten ist schwieriger als bei Zeigerinstrumenten - Überlagerte Störungen können unter Umständen das Ablesen eines Zahlenwertes verhindern - die Zeigerbewegung bei Analoganzeige lässt ein schnelles Erkennen der Tendenz von Messgrößenänderungen zu - bei Analoganzeige können Sprünge der Messgröße gut beurteilt werden - Störgrößenüberlagerungen bei Analoganzeige lassen sich durch eine Mittelwertbildung der Zeigerschwankungen mit dem Auge eliminieren - das Einstellen von Messwerten bei Analoganzeige ist gut möglich, da die Zeigerbewegung das langsame Annähern an den gewünschten Wert erleichtert
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Erläutern Sie den Hall-Effekt und dessen Anwendung bei der Messung der elektrischen Stromstärke?
In einem stromdurchflossenen elektrischen Leiter tritt in einem homogenen Magnetfeld, dessen Feldlinien senkrecht zur Richtung des elektrischen Stromes verlaufen, ein elektrischer Potentialunterschied senkrecht zur Stromrichtung und senkrecht zur Richtung der magnetischen Feldlinien auf. Die durch den Leiter fliesenden Ladungsträger werden durch die dabei wirkende Lorentz-Kraft seitlich abgelenkt und häufen sich an den seitlichen Begrenzungsflachen des Leiters, bis sich ein von ihrer Raumladung erzeugtes Gegenfeld ausbildet. Es stellt sich ein stationärer Zustand ein und die so genannte Hallspannung kann abgegriffen werden. Diese ist proportional zur magnetischen Flussdichte. Für die Spannung UH zwischen A und B, die ursprünglich gleiches Potential U hatten, ergibt sich folgender Zusammenhang: H 0 0 B I B H I b B I B I U R b S R R H S b R μ d μ d n e A n e d × × = × × × = × = × × × = × = × × = × × × × × × mit R als Hallkoeffizienten, S als Stromdichte, b die Breite, d die Dicke, A die Fläche (b ×d) , μ0 die magn. Feldkonstante, e die Elementarladung, n die Ladungsträgerdichte, H die magn. Feldstärke und B die magn. Flussdichte. Da die Hallspannung UH proportional zum durchflossenen Strom I ist, lässt sich mit Hilfe einer Hallsonde und bekannter magnetischer Flussdichte B der Strom mittels einer Stromzange die Stromstärke I messen (gemessen wird UH und in I umgewandelt).
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Welche Stromzangen sind nicht zum Messen von Gleichstrom geeignet? Warum?
Es gibt zwei Grundausführungen von Stromzangen: transformatorische Stromwandler, mit denen nur Wechselströme gemessen werden können, und Halleffekt-Wandler, mit denen man sowohl Wechsel- als auch Gleichströme messen kann. Beim transformatorischen Stromwandler handelt es sich um einen Transformator mit sekundärseitigem Kurzschluss. Da beim Gleichstrom sich nur ein konstantes und sich nicht zeitlich änderndes Magnetfeld ausbildet, funktioniert der Transformator und somit die Strommessung mit transformatorischen Stromwandler nicht.
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Die PTB gibt für ihre Normalzeit eine Unsicherheit von 1,5 · 10-14 an. Welche Zeit muss verstreichen, bis die absolute Unsicherheit eine Sekunde beträgt.
Unsicherheit =1,5×10-14 für 1 s ⇒für 1 s Unsicherheit: Dt =1,5×1014 s ı 4,76 Mio. Jahre
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Welche Folgen kann es haben, wenn Sie Ihr batteriebetriebenes Digitalvoltmeter mit Dual-Slope-ADU, dass Sie preiswert im Baumarkt gekauft haben, in den USA (60 Hz Netzfrequenz) verwenden? Begründen Sie kurz! Welche Integrationszeit für die zu messende Spannung wäre bei 60 Hz Netzfrequenz optimal? Mit welcher Integrationszeit könnten sowohl bei 50 als auch bei 60 Hz Netzstörungen unterdrückt werden?
Ein billiges Digitalvoltmeter mit Dual-Slope-ADU ist mit einer fest definierten Integrationszeit 1 Dt eingestellt, in der die zu messende (negative) Eingangsspannung -Ux mit dem Integrator aufintegriert wird. Danach wird die Referenzspannung Uref nun mit entgegengesetzter Polarität an den Integrator geschaltet und bis zum Nulldurchgang aufintegriert. Da nicht der Momentanwert der Messung, sondern der Mittelwert über die Zeit t1 für das Messergebnis relevant ist, werden Wechselspannungen hoher Frequenz gedämpft. Besitzt die Wechselspannung eine Frequenz mit ganzzahligem Vielfachen von 1/t1 , wird diese vollständig unterdrückt. Wird t1 gleich der Periodendauer, oder einem ganzzahligen Vielfachen, der Netzfrequenz gewählt, werden Netzbrummspannungen unterdrückt. Verwendet man nun ein hier gekauftes Digitalvoltmeter in den USA, werden die Netzbrummspannungen der 60 Hz Netzes nicht unterdrückt. Optimal wären: USA USA 1 1 1 f T 16,66 T f 60 ms Hz = ⇒ = = = Um beide Netzstörungen zu unterdrücken muss eine Integrationszeit gewählt werden, die ein ganzzahliges Vielfaches beider Netzfrequenzen ist. beide beide 1 1 T 3,33 oder T 100 300 10 ms ms
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Zeichnen Sie die Ausgangsspannung des OPV eines Dual-Slope-ADU über der Zeit auf.
Bekannt ist: Die zu messende Gleichspannung Ux von 1 V ist mit einer 50Hz- Brummspannung von 0,1 V überlagert.
Die Zeitkonstante des Integrators beträgt 10 ms.
Die Referenzspannung U0 beträgt 1,235 V.
Der Kondensator hat eine Kapazität von 1 μF und besteht nicht aus Keramik.
Der OPV ist ein BiFET-Typ mit vernachlässigbar kleiner Eingangsoffsetspannung.
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Der Integrator eines Dual-Slope-ADU verfügt über einen Widerstand und einen Kondensator. Beide Bauelemente unterliegen einer gewissen Drift. Welche Auswirkung hat diese auf das Messergebnis? Begründen Sie Ihre Antwort!
Der Widerstand und der Kondensator unterliegen einer Langzeitdrift. Mögliche Ursachen liegen z.B. in der Eigenerwärmung der Bauteile etc.. Durch diese Langzeitdrift verändert sich die statische Kennlinie der elektronischen Schaltung über der Zeit. Dadurch verändert sich, wenn diese Bauteile Bestandteile von Schaltungen sind, das Ausgangssignal bei gleichem Eingangssignal. Bei der Schaltung des Dual-Slope-ADU hat dies allerdings keine Auswirkung auf das Messergebnis, da die Zeitkonstante τ = R ×C bei der Integration des Messspannung Ux und der Referenzspannung Uref konstant ist. Das ist die einzige Bedingung, die eingehalten werden muss, dass während der Messung die Zeitkonstante bei beiden Spannungen konstant ist. Wie groß diese ist, beeinflusst das Messergebnis nicht.
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Spannungswandler werden praktisch im Leerlauf betrieben. Warum?
Spannungswandler werden praktisch im Leerlauf betrieben, d.h. mit (ideal gesehen) unendlich großer Bürde (Last an Sekundärseite), damit eine reine Spannungstransformation ohne Rückwirkung der Sekundärwicklung des Transformators die Folge ist. Würde ein Strom an der Sekundärwicklung fließen, würden die beiden Spulen sich gegenseitig beeinflussen (Gegeninduktion) und die Spannungswandlung hinge nicht mehr nur noch von den Wicklungen der Spulen ab. Bei großer Belastung oder gar bei einem Kurzschluss werden Spannungswandler zerstört, da ihre Kurzschlussspannung klein ist.
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Welchen Vorteil hat ein Spannungsteiler gegenüber einem Spannungswandler?
Ein Spannungsteiler besteht in der Regel aus zwei Widerständen, die in Reihe zusammen geschaltet sind. Weiter genutzt wird der Spannungsabfall (Potentialunterschied) über einem der beiden Widerstände. Nutzt man nun ein Potentiometer als den nicht genutzten Widerstand, können so schnell verschiedene Spannungsteiler am anderen Widerstand abgegriffen werden. Diese Schaltung ist sehr kostengünstig, leicht aufzubauen und zum Transformieren kleiner Spannungen ˆU
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Welchen Vorteil hat ein Spannungswandler gegenüber einem Spannungsteiler?
Welchen Vorteil hat ein Spannungswandler gegenüber einem Spannungsteiler?
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Warum dürfen Stromwandler nicht im Leerlauf betrieben werden?
Bei Leerlaufbetrieb eines Stromwandlers ( stromgespeister Trafo) wird Sekundärspannung extrem groß kann zur Zerstörung des Stromwandlers führen
100
Welchen Vorteil hat ein Messwiderstand gegenüber einem Stromwandler?
Vorteil Messwiderstand gegenüber Stromwandler: Zerstörungssicherer
101
Sie haben ein Voltmeter mit einem Messbereich von 10 V und einem Innenwiderstand
von 10 M. Sie möchten mit diesem Batterieströme zwischen 0 und 50 A
messen. Wie groß wählen Sie den in den Strompfad zu schaltenden Messwiderstand?
Welche Wärmeleistung wird in diesem maximal umgesetzt? Warum darf
sich der Messwiderstand nur unwesentlich erwärmen? Welche elektrische Eigenschaft
soll das Material des Messwiderstands haben? Nennen Sie einen Werkstoff
(Handelsname genügt), der diese Eigenschaft besitzt!
Messbereich: 0...10V
Ri = 10MW
I = 0...50A
Bei maximalem Strom darf maximaler Spannungsfall am Messgerät 10V betragen:
R = U/I = 10V / 50 A = 0,2W
Maximale Wärmeleistung: P = U\*I = 10V \* 50A = 500W
Der Messwiderstand darf sich nur unwesentlich erwärmen, da durch die Temperaturänderung
eine Widerstandsänderung hervorgerufen würde, die zu dem Messergebnis hinzugefügt werden
muss Falsches Messergenis
Wichtige elektrische Eigenschaft des Widerstandsmaterials: möglichst wenig Eigenerwärmung
bei Stromdurchfluss Material könnte Konstantan sein
102
Unten sehen Sie die zwei Zeitanzeigen der Windowsuhr. Die Digitalanzeige
09:28:00 zeigt die Zeit (wie der Name richtig sagt) digital an. Wie verhält es sich
mit der Zeigeranzeige? Würden Sie das von dieser abgegebene optische Signal
(klingt etwas hochtrabend) als analog, digital oder diskret bezeichnen? Begründen
Sie! Schauen Sie sich die laufende Uhr an Ihrem PC an.
Zeigeranzeige Windowsuhr: diskret
103
Ein Messumformer mit 4/20mA-Stromausgang wird in 2-Leiter-Technik betrieben.
Gemäß der Technischen Daten des Messformers benötigt dieser eine Versorgungsspannung
zwischen 10 und 28 Volt. In der Stromschleife befinden sich zwei
Verbraucher mit jeweils 200 Lastwiderstand. Welche Versorgungsspannung
muss das Netzteil in der Stromschleife mindestens zur Verfügung stellen?
Messumformer: I = 4...20mA
Versorgungsspannung: 10...28V
2 Verbraucher: je R = 200W
ges.: Versorgungsspannung die vom Netzteil in der Stromschleife mind. zur Verfügung stehen
muss.
zwei Verbraucher in der Stromschleife: R = (200 + 200) W = 400W
bei Imax = 20mA : Uv = R\*I = 20mA\*400W = 8V max. Spannungsfall über Verbraucher
Maschensatz: Uq = UM + UV Uq,min = UM,min + UV,max = 10V + 8V = 18V
Das Netzteil in der Stromschleife muss mindestens 18V zur Verfügung stellen.
104
Skizzieren Sie den Amplitudengang eines Widerstandsthermometers!
PT1
105
Unter welchen Umständen sind dynamische Kenngrößen von Messeinrichtungen relevant?
Dynamische Kenngrößen von Messeinrichtungen sind relevant wenn:
- zu messende Größen zeitlich nicht konstant sind
- Messsignale periodisch abgetastet werden (Einschwingzeit wichtig wegen Abtastfrequenz)
106
Erläutern Sie die Bedeutung des Grundgesetzes der Zählmesstechnik (bzw. der
digitalen Messtechnik) für die Praxis!
Grundgesetz: 1 = d \* fG \* tM
d ... relativer Fehler
fG ... Geberfrequenz / Frequenz der Messgröße
tM ... Messzeit
Praktische Bedeutung:
- Vergrößerung der Messzeit bedeutet Verringerung d. relativen Fehlers
- Gleichzeitig schlechtere Erfassung von zeitlichen Änderungen der Messgröße (z.B. Frequenzänderung...)
107
Zeichnen Sie die Draufsicht eines Metallfoliedehnungsmessstreifens und geben Sie
die Messrichtung an!
Metallfoliendehnungsmesstrefen
108
Für die Messung von Widerstandswerten (z.B. des Pt100) über größere Entfernungen wird häufig die 4-Leiter-Schaltung benutzt. Wie funktioniert diese?
Vierleiterschaltung bei Widerstandsmessung:
Über die inneren beiden Leitungen wird ein Konstantstrom durch den zu messenden Widerstand
getrieben der im Widerstand und in den Zuleitern einen Spannungsfall verursacht. Über
die restlichen / äußeren beiden Leiter wird die Spannung gemessen, wobei (fast) keine Abweichungen
durch den Leitungswiderstand auftreten, da der Innenwiderstand des Spannungsmessers
sehr hoch ist und somit (fast) kein Strom fließt.
109
Warum ist bei Messumformern die 2-Leiter-Technik nur bei einem Ausgangssignal mit lebendem Nullpunkt (4/20mA) möglich?
Weil es ansonsten zu negativen Werten kommen kann
110
Sie haben den Auftrag, die Kraft Fmess an einem Vierkant-Profil zu messen. Hierfür
sind DMS auf dem Profil zu applizieren und in einer Wheatstonebrücke zu verschalten.
Bei der Positionierung auf dem Profil und der Anordnung innerhalb der
Brückenschaltung ist auf minimalen Einfluss von Temperatur und Längskraft zu
achten. Die Empfindlichkeit soll natürlich hoch sein.
Skizzieren Sie die Anordnung der DMS auf dem Profil, nummerieren Sie diese und
bezeichnen Sie die Anschlüsse der Brückenschaltung mit Betriebsspannung und
Messsignal, so dass ein Techniker ohne Rückfrage Ihren Entwurf realisieren kann!
Ist Ihre Anordnung gegen Querkraft unempfindlich?
111
Eine Wägezelle (DMS-Vollbrücke 350 Ohm, Nennlast 10 t) befindet sich im Außenbereich
und ist über ein 100 m langes Kabel (4 x 0,14 mm² Cu; ρCu = 0,018
mm²/m; αCu = 0,0039 /K) an die Messelektronik (Verstärker + Betriebsspannungsgenerator)
angeschlossen. Wie viele Kilogramm beträgt die systematische
Abweichung infolge des Kabelwiderstandes bei einer Messgröße von 600 kg?
112
Die obere Grenzfrequenz eines Messsystems beträgt 250 Hz (-3dB). Der Hersteller
gibt außerdem die Phasenlaufzeit mit 1 ms an. Der Wert der Eingangsgröße hat
den im Diagramm dargestellten Verlauf.
Wie groß ist der Effektivwert der Spannung?
Zeichnen Sie den zu erwartenden Verlauf des gemessenen Signals (Output) in das
Diagramm ein!
Wenn das Eingangssignal eine Frequenz von 1 kHz hätte, wäre diese Frequenz im
Ausgangssignal zu erkennen? Begründen Sie Ihre Antwort!
```
fGo = 250Hz (-3dB)
tPh = 1ms
TE = 4ms fE =250Hz
```
Effektivwert der Eingangssignals:
UEmax = 500mV
UE,Eff =500mV/sqrt(2)= 353,55mV
Amplitude des Ausgangssignals:
20\*log(Ua/Ue)=-3db
Ua=Ue\*10\*exp(-3/20)
Ua = 354,0mV
Wenn das Signal eine Frequenz von 1kHz hätte wäre diese Frequenz im Ausgangssignal
trotzdem noch zu erkennen, allerdings läge die Amplitude weit unter der des Eingangssignals.
Genaue Aussagen lassen sich allerdings nicht treffen, da nicht vorliegt, um welches Verhalten
es sich hier handelt (Tiefpass 1.O. ...)
113
113: Beschreiben Sie das Wesen von Ausschlag-, Differenz- und Kompensationsmethode!
Ausschlagmethode: Wert der Messgröße wird direkt (oder über eine Zwischengröße durch die
auf den Messwert schließen lässt) am Messgerät abgebildet.
Differenzmethode: Der Messgröße wird eine Vergleichsgröße gegenüber gestellt und nur die
Differenz beider Größen ergibt das Messergebnis
Kompensationsmethode: Der Messgröße wird eine Vergleichsgröße gegenübergestellt die so
lange variiert wird bis die Differenz zwischen Mess- und Vergleichsgröße gleich Null ist. Die
Vergleichsgröße / Kompensationsgröße ist das Maß für die Messgröße.
114
Was haben Parallelstruktur und Differenzmethode mit der Wheatstonebrücke zu tun?
**Gemeinsamkeiten von Parallelstruktur mit Wheatstonebrücke:**
Bei der Parallelstruktur wirken zwei Wandlungsglieder auf die gleiche Messgröße gegensinnig
aber auf Störgrößen gleichsinnig, genau wie die Widerstände eines Zweiges
einer Wheatstonebrücke aus DMS Bsp: wird der DMS1 gedehnt, wird DMS2 verkürzt
größerer Spannungsunterschied; dehnt sich der Balken aufgrund von Temperaturänderung
werden DMS 1 und 2 gedehnt Verhältnis bleibt gleich
**Gemeinsamkeiten von Differenzmethode mit Wheatstonebrücke:**
Bei der Differenzmethode werden zwei unterschiedliche Größen miteinander verglichen
und das Messergebnis ergibt sich aus der Differenz beider Größen. Das gleiche geschieht
auch bei der Wheatstonebrücke die Spannungsverhältnisse UR1/UR2 und
UR4/UR3 sind unterschiedlich und jeweils zwischen den Widerständen abgegriffen und
ergeben eine Differenz.
115
Welche Messsignale bezeichnet man als analog, diskret, kontinuierlich und welche
als diskontinuierlich? Geben Sie je ein Beispiel!
Messsignal ist:
- Analog, wenn es jeden beliebigen Wert annehmen kann (kann auf einen best.
Wertebereich beschränkt sein)
- Diskret, wenn es nur bestimmte Werte annehmen kann
- Kontinuierlich, wenn es sich zu jedem beliebigen Zeitpunkt ändern kann
- Diskontinuierlich, wenn es sich nur zu bestimmten Zeiten / in best. Intervallen
ändert
Beispiele:
- analog: Tachoanzeige im Auto (Anzeige mit Zeiger)
- diskret: Anzeige eines Digitalmultimeters
- kontinuierlich: Fieberthermometer
- diskontinuierlich: Anzeige einer Uhr (ändert sich meist 1x in der Sekunde)
116
Nennen Sie alle Informationsparameter, die eine sinusförmige Wechselspannung
haben kann!
Amplitude, Frequenz, Phasenverschiebung, (Oberschwingungen)
117
Nennen Sie drei Messprinzipien!
* DMS
* piezoelektrisch
* kapazitiv
* piezoresistiv
* induktiv
* optisch
* potentiometrisch
* Ultraschall
118
Nennen Sie zwei Beispiele für gebräuchliche Einheitssignale!
Diracimpuls
Einheitssprung
119
Welchen Vorteil hat die Benutzung von Einheitssignalen!
Nichtelektrische Größen können auf elektrische Signale abgebildet werden, was dazu führt,
dass man diese Größen besser verarbeiten, wie etwa auf dem PC erfassen und in Zusammenhängen
darstellen, als auch besser anzeigen kann (Ablesen von einer Digital-Anzeige genauer
als von einer Analog-Anzeige
120
Was ist der Vorteil eines Signals mit lebendem Nullpunkt?
Überträgt man ein Signal mit lebendem Nullpunkt kann man besser erkennen ob eine Störung
in der Übertragungsstrecke vorliegt. Überträgt man beispielsweise mit einem 4/20mA-Signal
so fließen bei einem Signalwert von 0 schon 4mA Strom. Misst man am Ende der Übertragungsstrecke
einen geringeren Wert als 4mA so weiß man dass eine Störung in der Übertragungsstrecke
vorliegt.
121
Weshalb benutzt man bei großen Entfernungen häufig Stromsignale (4/20 mA oder 0/20 mA)?
Die Übertragung von Spannungswerten ist sehr störungsanfällig. Sie sollte deshalb nur über
kurze Entfernungen, z. B. innerhalb von Warten, ausgeführt werden. Die Hauptstörungsursachen
sind: Spannungsabfälle auf den Leitungen, Kontaktwiderstände an Verbindungsstellen,
induktive und kapazitive Einstreuungen sowie Wärmeprobleme.
122
Skizzieren Sie eine Stromschleife mit einem Messumformer in Zweileitertechnik
mit 4/20 mA – Ausgang, drei Verbrauchern und einem 24V-Netzteil! Welche Angaben
benötigen Sie, um auszurechnen, ob der Messumformer einwandfrei mit der
ihm zur Verfügung stehenden Spannung arbeiten wird? Geben Sie die Berechnungsgleichungen
an!
benötigte Angaben:
- Versorgungsspannungsbereich des Messumformers
- Widerstände der Verbraucher
Gleichungen: U1= 4mA(R1+R2+R3)Lbzw.LU 2= 20mA(R1+R2+R3)
Wenn Un-U1 und Un-U2 im Versorgungsspannungsbereich des Messumformers liegt, arbeitet
er einwandfrei.
123
Sie haben soeben Ihre komplette Messkette justiert. Kann mit dieser jetzt „ganz
genau“ gemessen werden? Begründung!
Nein. Man kann nie "ganz genau" messen. Es können und werden selbst bei frisch justierter
Messkette immer Fehler auftreten. Wenn ich die Messkette justiert habe dann kann ich so
genau messen wie ich es brauche und nicht so genau wie es möglich wäre.
124
Was hat die Messtechnik mit der DIN ISO 9001 zu tun?
Die DIN ISO 9001 ist eine Norm für das QM eines Betriebes.
Wird ein Betrieb nach der DIN ISO 9001 zertifiziert, so heißt das, dass ein gleich bleibend
hoher Qualitätsstand in dem Betrieb erreicht wird und auch weiterhin gehalten werden kann.
Für die Messtechnik heißt das, dass ein Betrieb der nach DIN ISO 9001 zertifiziert ist, Messgeräte
und -anlagen in gleichbleibend hoher Qualität herstellt.
125
Laut einer Norm darf der Tacho eines Autos niemals zu wenig anzeigen. Der Tacho darf aber 4 km/h und zusätzlich 10 % der Istgeschwindigkeit zu viel anzeigen. Zeichnen Sie die ideale statische Kennlinie und die schlechteste aber noch erlaubte in ein Diagramm! Diskutieren Sie das Diagramm unter Zuhilfenahme der Begriffe Linearitäts-, Nullpunkt-, Empfindlichkeitsabweichung, Umkehrspanne, Einflussgrößenabhängigkeit, Langzeitdrift!
kennline
126
Ihr Auftraggeber fordert von Ihnen, Druckspitzenwerte in einer Anlage zu messen. Vor Ort haben Sie ein Digital-Oszilloskop und die Druckmessumformer A und B. In den Techn. Daten lesen Sie für
A: obere Grenzfrequenz 1 kHz
für B: obere Grenzfrequenz 1 kHz (-1dB).
Welchen Aufnehmer benutzen Sie? Begründen Sie!
B. Grenzfrequenz (-3db) ist erst später
127
Ein Metallfolie-Dehnungsmessstreifen wird in einer Wheatstone-Brücke betrieben. Berechnen Sie die Höhe der Brückenspeisespannung für den Fall, dass die Dehnung ziffernrichtig in der Maßeinheit μm/m von einem Mikrovoltmeter angezeigt werden soll!
todo
128
Ein ADU arbeitet nach dem Dual-Slope-Verfahren. Zeichnen Sie die Ausgangsspannung Ua des Integrators über der gesamten Integrationszeit unter der Annahme, dass für die zu messende Spannung Ux gilt:
Ux(t) = 1V + 0,1V · sin(2π50Hz · t)!
Die erste Integrationsflanke dauert 20 ms.
Die Referenzspannung Uo beträgt 1 V.
Der OPV ist beschaltet mit R = 1 MΩ und C = 20 nF.
Welcher Zahlenwert steht nach der Umsetzung im Zähler, wenn der Impulsgenerator 1 MHz erzeugt?
Geben Sie die Auflösung des Messergebnisses in mV an!
Wovon ist die erzielbare Genauigkeit des Messergebnisses abhängig?
todo
129
Nennen und erläutern Sie mindestens fünf Kenngrößen, mit denen messtechnische Eigenschaften von ADUs beschrieben werden können!
1. Bandbreite
2. Abtastrate
130
Warum werden statt aenaloger Messsignal häufig diskrete Messsignale zur Informationsübertragung verwendet, obwohl letztere nur einen begrenzten Wertevorrat besitzen
hohe Störsicherheit
flexible Weiterverarbeitung
vielfältige Übertragungsmöglichkeiten
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Wodurch werden die Grenzen der erreichbaren Genauigkeit eines ADU vor allem bestimmt?
Bitbreite
132
Mit welcher relativen Abweichung infolge Quantisierung ist bei einem 12-bit-ADU zu rechnen?
+-1/4096
133
Primärnormale werden in der betrieblichen Messpraxis allgemein nicht benutzt. Warum?
Würde diese verändern?
Bsp: Abreibung durch Berührung von Urkilogramm
134
Wodurch ist ein frequenzanaloges Messsignal gekennzeichnet? Nennen Sie ein Beispiel!
Änderne Frequenzen
| (Radio)
135
Warum ist ein frequenzanaloges Messsignal relativ einfach digitalisierbar?
Es müssen nur die Zeiten zwischen den Nulldurchgängen gemessen werden.
136
Warum ist ein frequenzanaloges Messsignal mit hoher Genauigkeit digitalisierbar?
Zeit lässt sich sehr genau messen
137
Geben Sie das Spannungsverhältnis Ua/Ue = 100 in dB an!
40
138
Nennen Sie mindestens zwei Gründe, warum für hochgenaue Messysteme häufig die Kompensationsmethode angewandt wird!
Die Fehler heben sich gegenseitig auf
139
Welche praktische Bedeutung hat die relative Abweichung?
Damit lassen sich Messergebnisse vergleichen.
140
Warum sind bekannte systematische Abweichungen korrigierbar?
Da sie immer gleich auftreten lassen sie sich durch Justage kompensieren.
141
Wodurch werden zufällige Abweichungen erzeugt?
Durch Messfehler
142
Was versteht man unter einfacher und was unter erweiterter Messunsicherheit?
einfache:
erweiterte:
143
Warum sind bei der digitalen Frequenzmessung hohe Zählergebnisse anzustreben!
Da der Fehler immer +-1 ist wird der relative Fehler bei hohen Zählergebnissen kleiner.
144
Warum sind bei der digitalen Messung einer Zeitspanne hohe Zählergebnisse anzustreben?
Da der Fehler immer +-1 ist wird der relative Fehler bei hohen Zählergebnissen kleiner.
145
Was ist der Vorteil von analogen bzw. quasianalogen Anzeigen gegenüber Digitalanzeigen?
Es lassen sich Tendenzen erkennen.
Der Messwert lässt sich schnell erahnen.
146
Nennen Sie mindestens fünf physikalische Größen, die mit DMS erfasst werden können!
* Länge
* Drehmoment
* Kraft
* Masse
* Druck
147
Warum sind additive Fehler gefährlicher als multiplikative?
todo
