messwerterfassung mit dem pc. 2 gliederung 1. was ist messen? 2. messeinrichtung 3....
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Messwerterfassung mit dem PC
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Gliederung
1. Was ist Messen?2. Messeinrichtung3. Signalaufbereitung4. Messfehler5. Vorteile/Nachteile der PC-
Messtechnik6. Anwendung7. Quellen
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1. Was ist Messen?
Messen ist ein Vorgang, bei dem der Wert einer physikalischen Größe als vielfaches einer Einheit oder eines Bezugswertes ermittelt wird.
z.B. phy. Größe: Temperatur Einheit: °C, °F oder K
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2. Messeinrichtung
Messarbeitsplatz
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2. Messeinrichtung
2 Arten Messkarten externe
Messinterface
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Messkarte• Kopplung mit PC durch PCI, ISA oder SCSI
•Trend geht heute zur PCI-Schnittstelle
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Externe Messsysteme•Kopplung mit PC durch USB, FireWire, Serial Port und Parallel Port
•da sich die Probleme der parallelen Datenübertragung bei hohen Übertragungsgeschwindigkeiten immer stärker bemerkbar machen, geht der Trend heute zur seriellen Übertragung, besonders USB
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3. Signalaufbereitung
Prozess der Messkette, den ein Signal durchläuft
Analogteil der Messdatenerfassungskette Komponenten zwischen Sensor und A/D-Wandler
Digitalteil der Messdatenerfassungskette A/D-Wandler
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nichtelektrischeMessgröße
elektrischeMessgröße
elektrisches Messsignal
genormtes elek.Messsignal
abgetastetesMesssignal
digitales Messsignal
Sensor
Mess-umformer
Verstärker
Tiefpass-filter
Abtast/Halte-glied
A/D-Wandler
PC
Die Messkette
Ist eine Zusammenschaltung von Komponenten, die alle Funktionen von der Wandlung einer nicht elektrischen Größe in ein elektrisches Signal bis zur Anzeige des Messwertes in ablesbarer Form beinhaltet.
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nichtelektrischeMessgröße
elektrischeMessgröße
elektrisches Messsignal
genormtes elek.Messsignal
abgetastetesMesssignal
digitales Messsignal
Sensor
Mess-umformer
Verstärker
Tiefpass-filter
Abtast/Halte-glied
A/D-Wandler
PC
Sensor•dient zur Umsetzung einer Messgröße (z.B. Temperatur), in ein elek. Signal
•unterscheiden sich in Funktion und Aufbau abhängig von den jeweiligen Einsatzbereich
•Prinzip: Sensor ändert sich gesetzmäßig mit der zu messenden Größe
•meistens Halbleitersensoren
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nichtelektrischeMessgröße
elektrischeMessgröße
elektrisches Messsignal
genormtes elek.Messsignal
abgetastetesMesssignal
digitales Messsignal
Sensor
Mess-umformer
Verstärker
Tiefpass-filter
Abtast/Halte-glied
A/D-Wandler
PC
Sensor•für jede zu messende Größe gibt es eine bestimmte Art von Sensor
z.B. Temperatur
Helligkeit
Druck
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nichtelektrischeMessgröße
elektrischeMessgröße
elektrisches Messsignal
genormtes elek.Messsignal
abgetastetesMesssignal
digitales Messsignal
Sensor
Mess-umformer
Verstärker
Tiefpass-filter
Abtast/Halte-glied
A/D-Wandler
PC
Messumformer•wandeln die Messgrößen von
Sensoren in ein normiertes analoges (Einheitssignal), meist elektrisches Ausgangssignal um
•Messgröße z.B. Temperatur oder Druck
•Ausgangssignal z.B. 4..20 mA, 0..10 V, Frequenz
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nichtelektrischeMessgröße
elektrischeMessgröße
elektrisches Messsignal
genormtes elek.Messsignal
abgetastetesMesssignal
digitales Messsignal
Sensor
Mess-umformer
Verstärker
Tiefpass-filter
Abtast/Halte-glied
A/D-Wandler
PC
VerstärkerSpannung, die vom Sensor
erfasst wurde, ist sehr klein und muss für die Weiterverarbeitung erst mit Hilfe von Signalverstärkern erhöht werden
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nichtelektrischeMessgröße
elektrischeMessgröße
elektrisches Messsignal
genormtes elek.Messsignal
abgetastetesMesssignal
digitales Messsignal
Sensor
Mess-umformer
Verstärker
Tiefpass-filter
Abtast/Halte-glied
A/D-Wandler
PC
Tiefpassfilter• auch bekannt als Rauschfilter
• ist der in der Messtechnik am häufigsten benutzte Filter
• Prinzip:
1. der Tiefpassfilter lässt tieffrequente Signale passieren
2. filtert höherfrequente Signale aus
• 4 häufigsten Tiefpassfilter-Typen:
kritische Dämpfung, Bessel, Butterworth und Tschebyscheff
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nichtelektrischeMessgröße
elektrischeMessgröße
elektrisches Messsignal
genormtes elek.Messsignal
abgetastetesMesssignal
digitales Messsignal
Sensor
Mess-umformer
Verstärker
Tiefpass-filter
Abtast/Halte-glied
A/D-Wandler
PC
Tiefpassfilter
Beispiel: Rauschunterdrückung
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nichtelektrischeMessgröße
elektrischeMessgröße
elektrisches Messsignal
genormtes elek.Messsignal
abgetastetesMesssignal
digitales Messsignal
Sensor
Mess-umformer
Verstärker
Tiefpass-filter
Abtast/Halte-glied
A/D-Wandler
PC
Abtast/Halteglied• auch Sample and Hold
•Aufgabe: eine sich kontinuierlich ändernde Spannung abzutasten und den Spannungswert für einen kurzen Moment zu halten
•Ursache: die Analog-Digital-Wandlung dauert eine kurze Zeit, in der sich der Spannungswert nicht ändern darf
•Vorteil: Abtast-Halte-Schaltung erlaubt eine korrekte Wandlung auch bei schnellen Änderungen der Eingangsspannung
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4321-1-2-3-4
1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8
in V
in msIntervallIntervall Intervall
weiter zum A/D
Wandler
Beispiel zur Veranschaulichung
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Analog-Digital-Wandler
Wozu Braucht man das?• um analoge Signale in digitale
Signale umzuwandeln• PC verarbeitet nur digitale Signale
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Zur Veranschaulichung
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Analog-Digital-Wandler
Analogsignalekontinuierlich variierende Spannungsimpulse, deren Werte in gleichbleibenden Zeitabständen gemessen werden (Sampling)
Digitalsignalearbeitet nicht mit kontinuierlich verlaufenden Signalen
pro digitalem Signal nur zwei Zustände unterschieden
Binärsignale (0 oder 1)
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Analog-Digital-Wandler1. Quantisierung ist die Einteilung des analogen
Spannungsbereichs in Spannungsstufen
4321-1-2-3-4
1 2 3 4 5 6 7 8
in V
100101110111
Intervall
Cod
ewor
t
in ms
011
000001010
Spannung: ±4 V
Spannungsstufen: 8
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Analog-Digital-Wandler
2. Codierung
jedem Quantisierungsintervall wird ein binäres Codewort zugeordnet
4321-1-2-3-4
1 2 3 4 5 6 7 8
in V
100101110111
Intervall
Cod
ewor
t
in ms
011
000001010
Spannungsstufen: 8
8 Codewörter notwendig
23=8 3Bit
23
4321-1-2-3-4
1 2 3 4 5 6 7 8
in V
100101110111
Intervall
C
odew
ort
in ms
011
000001010
Codewort101111111110010001010101
78
456
Intervall123
010 1011 2 3 4 5 6 7 8
111 110 010 001BinärfolgeIntervall
101 111
Analog-Digital-Wandler
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Vorteile digitaler Signale:
- nur digitale Signale können in PCs verarbeitet werden
- lassen sich einfacher speichern als analoge Signale
- werden bei der Übertragung weniger verzerrt
- Übertragung ist weniger störanfällig
Analog-Digital-Wandler
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4. Messfehler Messwerte einer zu messenden phy.
Größe stimmen selten mit dem wahren Wert dieser Größe überein
ist die Differenz zwischen dem physikalischen Wert der Einzelmessung und dem wahren Wert der Messgröße
sind aus mehreren Komponenten unterschiedlichen Charakters zusammengesetzt
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Wie ermittelt man wahre Werte? wahre Werte sind nicht messbar sie sind nur mit Hilfe von
Intervallen eingrenzbar sie sind immer nur im Rahmen der
Messunsicherheit möglich deshalb Angabe von
Toleranzbereichen bei Messungen
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Art von Messfehler
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Zufällige Messfehler abs. Messfehler: ist die Abweichung des angezeigten
Wertes vom wahren Wert
rel. Messfehler: ist das Verhältnis zwischen abs.
Messfehler und wahren Wert
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Zufällige Messfehler treten zufällig nach beiden Seiten
des richtigen Messwertes auf Methoden der Stochastik können
heran gezogen werden um den Fehler abzuschätzen
Methode: mehrmaliges Messen und anschließendes Bilden des Mittelwertes
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Systematische Messfehler Messfehler, die bei Wiederholung der
Messung konstant bleiben Ursache: -Gerätefehler -Einflussfehler (Temperatur, Felder)
diese Ursachen sind erfassbare Einflussgrößen und können korrigiert werden
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Kampf gegen Messfehler
1. Kalibrieren2. Justieren3. Eichen
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Kalibrieren
Feststellen und Dokumentieren der Abweichung des Anzeigewertes vom wahren Wert der Messgröße.
Erstellung eines math. Modells
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Math. Modell
zur Auswertung der Kalibrierung unter Berücksichtigung aller bekannten systematischen Einflüsse, wie z.B. Umgebungsbedingungen, Vorgehensweise etc.
Kalibrierwert, mit dem der Messwert korrigiert wird
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Justieren Ermitteln des für eine
Messeinrichtung gültigen Zusammenhangs zwischen dem Messwert (Anzeigewert)und dem wahre Wert der Messgröße
Eingriff in das Messsystem
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Eichen ist die Prüfung eines Messgerätes
auf Einhaltung der zugrundeliegenden eichrechtlichen Vorschriften durch das Bundeseichamt
Vorgabe, wie viel Prozent ein Anzeigewert vom wahren Wert abweichen darf
dient dem Verbraucherschutz
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Eichen
Ladentischwaagen, Brückenwaage etc.
Zapfsäulen an Tankstellen Gaszähler, Wasserzähler,
Stromzähler, Wärmezähler
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Beispielrechnung Bierflasche hat einen Inhalt von 0,5l Jede Flasche bekommt absichtlich 2%
weniger eingefüllt Tatsächlich nur noch 0,49l Inhalt pro
Flasche Nach 50 Flaschen hab ich den Inhalt einer
Flasche gespart Preis:1€ Menge:100.000 pro Tag 100.000/50=2000
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Vorteile des rechnergestützten
Messens teure Messgeräte lassen sich durch die Messinterface und
Software ersetzen, z.B. Oszilloskop der Computer ermöglicht die Aufnahme von schnellen
Vorgängen, z.B. Drehzahl es sind Messung über längere Zeiträume möglich ohne
persönlich anwesend zu sein Messdaten können über ein längeren Zeitpunkt
gespeichert werden computererfasste Messdaten können einfacher
weiterverarbeitet werden Software erlaubt bestimmte Simulationen Vorgänge können am PC rekonstruiert werden
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Nachteile des rechnergestützten
Messens hohe Kosten einzelner Komponenten hohe Störanfälligkeit hochsensibler
Sensoren Standortgebundenheit gespeicherte Daten gehen einfacher
verloren als aufgeschriebene Daten, aber können dafür leichter vervielfältigt werden
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6. PC als Steuer- und Regelgerät
Steuern: ist das Beeinflussen von technologischen
Prozessen nach einem vorgegebenen PlanRegeln: ist das Beeinflussen von technologischen
Prozessen so, dass eine bestimmte Größe zu jeder Zeit einen vorgegebenen Wert aufweist
(Vergleich von Istwert und Sollwert)
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gesteuerte Heizanlage
Temperatur ändert sich durch äußere Einflüsse, z.B. Fenster Öffnen
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geregelte Heizanlage
Temperatur bleibt konstant, trotz äußerer Einflüsse wie z.B. Fenster Öffnen
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Wie ist der Aufbau einer Steuer- oder Regelkarte?
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Anwendung
Industrie: Automobilbau Lebensmittelherstellung Kraftwerke etc.
Forschung:Labor UntersuchungenStatistik
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Haushalt: Heizanlage Herd Kühlschrank
Anwendung
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Quellen
Literatur- Einfache IT-Systeme (Stam)- Messtechnik und
Messdatenerfassung (Oldenburg)Internet- www.wikipedia.de- www.google.de
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Herr Rautenberg, bitte wachen Sie
auf!
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In der 7. Stunde finden Sie sich bitte in den
Physikraum (Raum 103) ein!