Messwerterfassung mit dem PC

1. Messwerterfassung mit dem PC

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

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

4. 2. Messeinrichtung Messarbeitsplatz

5. 2. Messeinrichtung 2 Arten Messkarten externe Messinterface

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

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

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

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

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

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

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

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

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

15. Tiefpassfilter Beispiel: Rauschunterdrückung

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

17. Beispiel zur Veranschaulichung weiter zum A/D Wandler

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

19. Zur Veranschaulichung

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

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

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

23. Analog-Digital-Wandler

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

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

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

27. Art von Messfehler

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

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

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

31. Kampf gegen Messfehler • Kalibrieren • Justieren • Eichen

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

43. Wie ist der Aufbau einer Steuer- oder Regelkarte?

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

45. Anwendung Haushalt: • Heizanlage • Herd • Kühlschrank

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

47. Herr Rautenberg, bitte wachen Sie auf!

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