Messtechnik

Die Messtechnik befasst sich mit Geräten und Methoden zur Bestimmung (Messung) physikalischer Größen wie beispielsweise Länge, Masse, Kraft, Druck, elektrischer Strom, Temperatur oder Zeit. Wichtige Teilgebiete der Messtechnik sind die Entwicklung von Messsystemen und Messmethoden, sowie die Erfassung, Modellierung und Reduktion (Korrektur) von Messabweichungen und unerwünschten Einflüssen. Dazu gehört auch die Justierung und Kalibrierung von Messgeräten sowie die korrekte Reduktion der Messungen auf einheitliche Bedingungen.

Die Messtechnik ist in Verbindung mit Steuerungs- und Regelungstechnik eine Voraussetzung der Automatisierungstechnik. Für die Methoden und Produkte der industriellen Fertigung kennt man den Begriff der Fertigungsmesstechnik.

Die für die Messtechnik grundlegende Norm ist in Deutschland die DIN-Norm DIN 1319 und in Österreich die OENORM M 1330.

Einteilung

Die Messtechnik lässt sich nach verschiedenen Arten des Vorgehens bei einer Messung (Messmethoden) gliedern.

Ausschlags-Methode, Nullabgleichs-Methode und Konkurrierendes

Bei der Ausschlags-Messmethode wird der Messwert aus dem Ausschlag oder einer anderen Anzeige eines Messgerätes ermittelt.

• Beispiel: Federwaage mit Skalenbeschriftung in Gramm.

  Bei dieser Methode muss die Waage justiert sein.

Bei der Nullabgleichs- oder Kompensations-Messmethode wird eine bekannte Größe so eingestellt, dass die Differenz mit der zu messenden Größe den Wert null ergibt.

• Beispiel: Balkenwaage mit Anzeige für Drehmomenten-Gleichgewicht.

  Bei dieser Methode verwendet man einen Satz von Gewichtsstücken oder verschiebbare Gewichte.

Abwandlungen dieser Grundformen; Beispiele

Bei der Vergleichs- oder Substitutions-Messmethode wird die (zur quantitativen Auswertung ungeeignete) Anzeige der zu messenden Größe nachgebildet durch eine gleich große Anzeige mittels einer einstellbaren bekannten Größe.

• Beispiel: Federwaage mit Skalenbeschriftung in Millimeter.

  Bei dieser Methode muss für die Waage ein Satz von Gewichten zur Verfügung stehen.

Bei der Differenz-Messmethode wird statt der zu messenden Größe ihr Unterschied zu einer Vergleichsgröße ermittelt.

• Beispiel: Balkenwaage mit Skale (also mehr als nur Nullpunkt-Anzeige).

  Bei dieser Methode entsteht ein Ausschlag, mit dem kleine Änderungen einer Größe wesentlich genauer messbar sind als durch Differenzbildung nach Messungen der Größe selber.

Bei der integrierenden Messmethode wird die zu messende Größe aus Augenblickswerten durch Integration (je nach Technik auch durch Summation oder Zählung) gewonnen, vorzugsweise über der Zeit.

• Beispiel: Zählwerk zur Entfernungsmessung, das die Umdrehungen eines Rades erfasst.

  Bei dieser Methode kann auch bei starken Schwankungen (im Beispiel in der Drehzahl) eine zuverlässige Aussage gewonnen werden.

Analoge oder digitale Methode

Siehe hierzu – auch zu einer Gegenüberstellung der Methoden – den Artikel Digitale Messtechnik

Direkte oder indirekte Methode

Direkte Messtechnik

Bei der direkten Messmethode wird die Messgröße unmittelbar mit einem Maßstab oder Normal verglichen. Beispiele einer direkten Messung sind das Anlegen eines Maßstabes an die zu bestimmende Länge oder der direkte Vergleich einer zu messenden elektrischen Spannung mit einer einstellbaren Referenz-Spannung auf einem Spannungs-Kompensator.

Indirekte Messtechnik

Messsysteme und indirekte Messmethoden machen Größen auch dann messbar, wenn sie auf direktem Wege nicht zugänglich sind. Man misst eine andere Größe und bestimmt daraus die Messgröße, wenn zwischen beiden aufgrund eines Messprinzips ein bekannter eindeutiger Zusammenhang besteht. Beispielsweise wäre der Abstand von Erde und Mond durch direkten Vergleich mit einem Maßstab niemals zu bestimmen. Über die Laufzeit von Licht- oder Radiowellen gelingt es hingegen seit 30 Jahren (heute schon auf wenige Millimeter genau).

Eine sehr alte Methode der indirekten Entfernungsmessung, mit der auch der Radius der Mondbahn bestimmt werden kann, ist die Triangulation. Von zwei Standpunkten mit bekanntem Abstand bestimmt man den Winkel, unter dem ein dritter Punkt zu sehen ist. Aus den beiden Winkeln und der bekannten Distanz kann der Abstand des dritten Punktes berechnet werden. Ähnlich kann der Abstand des Mondes durch indirekten Vergleich mit einem relativ kurzen Maßstab bestimmt werden.

Die Mehrzahl der in Alltag, Wissenschaft oder Industrie eingesetzten Messverfahren verwenden indirekte Methoden. Das unterstreicht auch die Bedeutung des Verständnisses von Messabweichungen und ihrer Fortpflanzung durch mehrstufige Messsysteme (siehe auch Ausgleichsrechnung und Varianzanalyse).

Simultanmessungen

Als Variante bzw. Erweiterung der indirekten Messmethoden können sog. Simultanmessungen gelten. In vielen Bereichen von Naturwissenschaft und Technik werden gleichzeitige Messungen von verschiedenen Punkten aus vorgenommen. Der Zweck ist die Elimination von Zeitfehlern, die Minimierung der Messabweichung oder die Aufdeckung von Quellen systematischer Messfehler.

Schnellreferenz

Portal: Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik

Messgerät, Messeinrichtung, Multimeter
Messwert, Messergebnis
Messabweichung, Messgeräteabweichung, Messunsicherheit
Fehlergrenze, Fehlerfortpflanzung, Fehlerrechnung
Reduktion (Messung), Eichung
Sensor, Sensorik, Messprinzip
Messung (Das Messen an sich), Metrologie (Die Lehre von den Maßen und Gewichten)

Schaltzeichen zur Messtechnik

Grundlagen der elektrischen Messtechnik

Vertiefend zu den vorstehenden Themen sind zu nennen:

• Zeitabhängigkeit von Messgrößen
  • konstante oder in ihrer (langsamen) Veränderung erfassbare Größen

    als einzelner Messwert, Folge von Messwerten, Liniendiagramm

  • Augenblickswerte schnell veränderlicher, vorzugsweise periodischer Größen

    als stehendes Bild auf Bildschirm

  • durch Mittelwertbildung erfassbare Größen

    als Gleichwert, Gleichrichtwert, Effektivwert

• Elektromechanische anzeigende Messgeräte

  z. B. Analogmultimeter

  deren Fehlergrenzen

• Digitalelektronische anzeigende Messgeräte

  z. B. Digitalmultimeter

  deren Fehlergrenzen

• Registrierende Messgeräte

  z. B. Oszilloskope, Messschreiber

• Anpassende Messgeräte

  z. B. Messumformer, Messumsetzer, Messverstärker

  deren Messsignale

• Messverfahren

  für elektrische Größen

  z. B. Widerstandsänderung, Wirkleistung

  für nicht elektrische Größen

  z. B. Temperatur, Druck (siehe unten, physikalische Größen)

Typen von Messgeräten

Eine ausführliche Aufzählung von Messgeräten findet sich im Artikel Messgerät.

Einen Überblick, wie teilweise erst eine Kette aus Messgeräten von unterschiedlichem Typus zum gesuchten Messwert führt, findet sich im Artikel Messeinrichtung.

Einteilung nach physikalischen Größen

• Elektrische Spannung → Spannungsmessgerät - V
• Elektrischer Strom → Strommessgerät - A
• Temperatur → Thermometer, Widerstandsthermometer, Thermoelemente - K, °C, °F
• Feuchtigkeit → Luftfeuchte, Materialfeuchte, Holzfeuchte, (Feuchtigkeitssensor) - g/m³, %RF, °Ctp
• Länge/Weg/Tiefe → Entfernungsmessung - m
• Geschwindigkeit → Geschwindigkeitsmessung, Tachometer - m/s
• Frequenz → Frequenzmesser, Frequenzzähler - Hz
• Druck → Druckmessgerät, Dehnungsmessstreifen, Barometer - Pa
• Kraft → Kraftmessung, Kraftaufnehmer - N
• Durchfluss → Durchflussmesser, Durchflusssensor - m³/s, l/min, kg/s
• Schallpegel → Schallpegelmesser - dB
• Beleuchtungsstärke → Luxmeter - Lux
• Magnetische Flussdichte → Magnetometer - T

Literatur

• Elmar Schrüfer: Elektrische Messtechnik. Carl Hanser. ISBN 978-3-446-40904-0
• Kurt Bergmann : Elektrische Messtechnik. Vieweg. ISBN 978-3-528-54080-7
• Jörg Hoffmann : Handbuch der Messtechnik. Carl Hanser, München 2007 (3. Aufl.). ISBN 978-3-446-40750-3
• Jörg Hoffmann : Taschenbuch der Messtechnik. Fachbuchverlag, Leipzig 2007 (5. Aufl.). ISBN 978-3-446-40993-4
• Hans Hart  : Einführung in die Meßtechnik. VEB Verlag Technik, Berlin 1989 (5. Aufl.)
• Norbert Weichert : Messtechnik und Messdatenerfassung. 2., aktualisierte und erw. Aufl. Oldenbourg, München 2010, ISBN 978-3-486-59773-8

Weblinks

• Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik