Elektrisches Messen

1. Elektrisches Messen:

1.1. Allgemeines zu Messen:

Messen ist im weitesten Sinne die Feststellung des Istzustandes einer Größe. Meßvorgänge liefern die Informationen, die für den Erfolg des zielgerichteten Handelns unerläßlich sind. Die Kenntnis einer Abweichung ermöglicht einen korrigierenden Eingriff.

2. Kraftmessung:

2.1. Allgemeines:

Wird ein Metalldraht durch eine Kraft auf Zug beansprucht, so tritt eine Längenänderung auf. Diese ruft eine Widerstandsänderung hervor. Beide Größen stehen in einem Verhältnis.

Diese Gesetzmäßigkeiten nutzt man in der Meßtechnik aus. Man verwendet sogenannte Dehnungsmeßstreifen (DMS) um elastische Dehnungen an belasteten Bauteilen zu messen. Damit die Längenänderungen recht groß werden, führt man den Draht in Schleifen mehrfach hin und her. Dies kittet man fest auf einen Kunststoffstreifen auf. Neben den eben erwähnten Draht-DMS gibt es auch Folien-DMS.

2.2. Verschiedene Formen von Dehnungsmeßstreifen:

2.3. Temperaturkompensation durch Brückenschaltung:

Temperaturschwankungen an der zu messenden Oberfläche verursachen Wärmedehnungen, die als überlagerte Meßfehler vom DMS registriert werden. Durch Anbringen eines zweiten gleichartigen DMS in einer Brückenschaltung können auftretende Fehler kompensiert werden.

Dies funktioniert zum Beispiel so:

Andert sich durch Wärmeeinfluß (z.B.: Sonneneinstrahlung) zum Beispiel die Temperatur in DMS1, so wird DMS2 bei gleicher Temperatur den gleichen Spannungsabfall besitzen wie DMS1. Zu beachten ist, daß beide DMS in der gleichen Temperaturzone sind ( z.B.: Ist DMS1 auf der Sonnenseite, so sollte DMS2 nicht auf der Schattenseite sein). Wenn nämlich U_v1 = U_v2 , dann wird das Meßgerät keinen Ausschlag anzeigen.

Wird durch Krafteinfluß der zu messende Bauteil und das DMS1 gedehnt - DMS2 ist um 90° versetzt und erfährt deshalb bei Zugbelastung keine nennenswerte Dehnung -, so ändert sich nur U_v1 und nicht U_v2 .

Es wird vom Meßgerät die Differenzspannung U_v1  - U_v2 angezeigt.

2.4. Anwendungen von Dehnungsmeßstreifen:

2.4.1. Dehnungsmessung bei homogenen Spannungen:

Ein langer Stab, nach unten hängend eingespannt, wird auf Zug beansprucht (Bild4). Im mittleren Teil des Stabes entsteht ein in Richtung der Stabachse eine homogene Spannung. Der DMS wird in diesem mittleren Teil des Stabes so aufgeklebt,  daß die Hauptrichtung des DMS mit der Richtung der Spannungsachse zusammenfällt. Das Prinzip der Temperaturkompensation durch Brückenschaltung wird hier angewendet.

In der Praxis werden oft auch fertige Doppel-Dehnungsmeßstreifen mit einer Anordnung 0°/90° verwendet (Bild4 unten).

2.4.2. Messen von Biegespannungen:

Lenkt man den fest eingespannten Stab seitlich aus, so entstehen Biegespannungen (Bild5). Dabei wird die mittlere Schicht des Stabes weder gedehnt noch gestaucht. Die größten Spannungen treten an der Oberfläche auf, und zwar in der Nähe der Einspannstelle. Dort wird der DMS aufgeklebt, da die am stärksten belastete Stelle kontrolliert werden soll. Durch die Vollbrückenschaltung mit vier DMS können Biegespannungen in zwei Richtungen gemessen werden (Bild6).  Gleichzeitig wird die Empfindlichkeit der Schaltung erhöht und der Einfluß unerwünschter Temperatur ausgeschaltet.

2.4.3. Messen von Torsionsspannungen:

Durch Torsion eines eingespannten Stabes erhält man Scherspannungen. Eine vorher gerade Längslinie auf der Staboberfläche verformt sich zu einer Schraublinie. Ein rechteckiges Flächenelement verformt sich zu einem Parallelogramm. Dabei erfahren die Diagonalen der Fläche die stärksten Veränderungen. Aus diesem Grunde werden die DMS unter 45° zur Stabachse aufgeklebt (Bild7).

Speziell für Wellen werden Spezialrosetten mit 45° Anordnung hergestellt (Bild8).

2.4.4. Druckmessung mit Membrane und Sonderdehnungsmeßstreifen:

Die Dehnung des Gehäusebodens wird auf die spiralförmige Leiterbahn des DMS übertragen.

Bei dieser Art von Messung muß die Meßstelle geöffnet und die Gehäusekonstruktionen aufgeflanscht

Das Bild10 zeigt eine entsprechende Anordnung der DMS in Vollbrückenschaltung. Die drei DMS bilden zueinander  einen Winkel von je 120°. Der vierte DMS wird auf einem Stück Material geklebt und dient zur Temperaturkompensation. Ein Flüssigkeits- oder Gasdruck im Inneren des Rohres bewirkt eine Dehnung des Rohres am Umfang und der in Richtung der Längsachse.

Auch hierfür gibt entsprechende DMS-Rosetten in 0°, 120°und 240° Anordnung (Bild11).

3.1. Drehzahlmessung mit Tachogenerator:

Der Tachogenerator ist mit einer Welle, deren Drehzahl n gemessen werden soll, fest verbunden. Der Tachogenerator liefert eine Wechselspannung, die über einen Gleichrichter umgewandelt auf ein Drehspulmeßwerk gegeben wird, dessen Skala in U/min geeicht wird (Bild12).

3.2. Drehzahlmessung mit Hilfe von Impulszählung (Bild13):

Bei diesem Verfahren werden über eine Lochscheibe Lichtimpulse auf eine Photozelle gegeben. Jeder Impuls erzeugt einen Spannungsstoß, der über einen Verstärker eine verwertbare Impulsspannung liefert. Dreht sich die mit der Welle verbundenen Lochscheibe schneller, so wächst die Anzahl der entstehenden Lichtimpulse proportional mit der Drehzahl. Gibt man die Impulsspannung auf ein Drehspulmeßwerk, so werden die Impulse zu einer Summengleichspannung zusammengefaßt. Diese wird dann vom Meßwerk angezeigt.

3.3. Digitale Drehzahlmessung (Frequenzmessung):

Die digitale Drehzahlmessung hat gegenüber den analogen Meßverfahren folgende Vorteile:

leichtere und sichere Ablesbarkeit

Irrtümer beim Ablesen sind sehr selten

Meßwerte können direkt in nachgeschalteten Geräten (Drucker, Rechner,) verarbeitet werden

Genauigkeit kann beliebig erhöht werden.

Digitale Frequenz und Drehzahlmessung (Bild14):

Beschreibung der Teile von Bild14:

1Taktgeber

2Frequenzuntersetzerstufe: Diese Untersetzerstufe setzt die Ausgangsfrequenz des Taktgebers auf    eine niedrige Basisfrequenz ab.

3UND-Glied

4Zähler

5Speicher

6Anzeigegerät

Sollen Drehzahlen gemessen werden, so braucht über einen Impulsgeber pro Umdrehung nur ein Impuls abgegeben werden um einen Frequenzmesser auch zur Messung von Drehzahlen benutzen zu können.

Der Taktgeber liefert eine Frequenz sehr hoher Genauigkeit, die in dem Frequenzuntersetzer auf eine niedrige Taktfrequenz herabgesetzt wird. Die Impulse dieser Frequenz bestimmen die Taktzeit, in der der Zähler die Impulse der zu messenden Frequenz zählt und aufaddiert. Dieses Ergebnis wird bis zur nächsten Zählung im Speicher gespeichert und durch das Anzeigegerät ausgewiesen.

4. Meßwertgeber für den Durchfluß:

4.1. Schwebekörper als Meßwertgeber für Durchfluß

Flüssigekeiten niedriger Viskosität (z.B.: Wasser, Kohlewasserstoffe) und Gasströme lassen sich mit dem Schwebekörperverfahren (Rotaverfahren) im Volumendurchfluß erfassen. In die Meßstrecke wird ein konisches Rohr senkrecht eingebaut. Hier handelt es sich um einen Schwebekörper, dessen Eigengewicht auf die Dichte des zu erfassenden Mediums abgestimmt werden muß, erhält im Flüssigkeitsstrom einen von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen Auftrieb. Die Differenz zwischen Eigengewicht und Auftrieb wächst mit der Geschwindigkeit der Strömung und damit mit dem Durchsatz in der Zeiteinheit. Auf induktivem Wege kann die Schwebekörperbewegung regelrecht gewandelt werden.

4.2. Meßwertgeber nach dem induktiven Verfahren (Bild15):

Ohne Beeinträchtigung der Strömung läßt sich der Durchfluß nach dem Induktionsprinzip erfassen. Im induktiven Durchflußgeber wird senkrecht zur Strömungsrichtung ein konstantes Magnetfeld erzeugt. Ist das strömende Medium elektrisch leitfähig, dann wird senkrecht zur Strömungsrichtung und ebenso senkrecht zur Richtung der Kraftlinien eine Spannung erzeugt, die der magnetischen Induktion und der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist. Da die Strömungsgeschwindigkeit die einzige Variable ist, ist die erhaltene Meßspannung ein Maß für den Durchfluß.