Grundlagen der Messtechnik (GMT)
- Dozent/in
- Prof. Dr.-Ing. habil. Tino Hausotte
- Angaben
- Vorlesung
2 SWS, ECTS-Studium
nur Fachstudium, Sprache Deutsch und Englisch
Zeit und Ort: Mo 12:15 - 13:45, H12; Bemerkung zu Zeit und Ort: Vorlesung statt Übung: 1. bis 2. Vorlesungswoche; weitere Verschiebungen werden in der Vorlesung und auf StudOn bekanntgegeben.
ab 18.4.2013
Vorbesprechung: 18.4.2013, 8:15 - 9:45 Uhr, Raum H4
- Studienfächer / Studienrichtungen
- PF IP-BA 2 (ECTS-Credits: 2,5)
PF IP-BA-S 1 (ECTS-Credits: 2,5)
- Voraussetzungen / Organisatorisches
- Kenntnisse in Physik, Mathematik und Elektrotechnik
Unterlagen zur Lehrveranstaltung werden passwortgeschützt auf der Lernplattform StudOn (http://www.studon.uni-erlangen.de/cat1205.html) bereitgestellt. Das Passwort wird in der ersten Vorlesung bekannt gegeben.
Informationen zur Prüfung erhalten Sie unter der zugeordneten UnivIS-Modulbeschreibung (siehe Link unten)
Ansprechpartner für organisatorische Fragen: Dipl.-Ing. Wito Hartmann (http://www.fmt.tf.fau.de/wir-ueber-uns/mitarbeiter/hmn.shtml)
- Inhalt
- Allgemeine Grundlagen
Wesen des Messens: SI-Einheitensystem • Definitionen der SI Einheiten (cd, K, kg, m, s, A, mol) • Messung • Extensive und intensive Größen • Messen, Prüfen und Lehren • objektives und subjektives Prüfen • Grundvoraussetzungen für das Messen • Weitergabe und Rückführung der Einheiten • Gebrauch und korrekte Angabe der Einheiten • Messwert, wahrer Wert, ausgegebener Wert • Messabweichung
Messprinzipien und Messmethoden: Messprinzip, Messmethode und Messverfahren • Ausschlagmessmethode, Differenzmessmethode, Substitutionsmessmethode und Nullabgleichsmethode (Kompensationsmethode) • direkte und indirekte Messmethoden • analoge und digitale Messmethoden • absolute und inkrementelle Messmethoden • Auflösung und Empfindlichkeit • Kennlinie und Kennlinienarten
Statistik – Auswertung von Messreihen: Berechnung eines Messergebnisses anhand von Messreihen • Grundbegriffe der deskriptiven Statistik • Darstellung und Interpretation von Messwertverteilungen (Histogramme) • Häufigkeit (absolute, relative, kumulierte, relative kumulierte) • Berechnung und Interpretation grundlegender Parameter: Lage (Mittelwert, Median, Modus), Streuung (Spannweite, Varianz, Standardabweichung), Form (Schiefe, Kurtosis bzw. Exzess) • Stochastik und Verteilungen (Rechteck-, U- und Normalverteilung) • statistische Tests und statistische Schätzverfahren • Korrelation und Regression
Messabweichungen und Messunsicherheit: Messwert, Wahrer Wert, vereinbarter Wert, erfasster Wert, ausgegebener Wert • Einflüsse auf die Messung (Ishikawa-Diagramm) • Messabweichung (systematische, zufällige) • Korrektion bekannter systematischer Messabsweichungen • Kalibrierung, Verifizierung, Eichung • Messpräzision und Messgenauigkeit • Wiederholbedingungen/-präzision, Vergleichsbedingungen/-präzision, Erweiterte Vergleichsbedingungen/-präzision • Messunsicherheit • korrekte Angabe eines Messergebnisses • Übersicht über Standardverfahren des GUM (Messunsicherheit)
Messgrößen des SI Einheitensystems
Messen elektrischer Größen und digitale Messtechnik: Messung von Strom und Spannung (strom- und spannungsrichtige Messung), Bereichsanpassung • Wheatstonesche Brückenschaltung (Viertel-, Halb- und Vollbrücke, Differenzverfahren und Nullabgleichverfahren) • Charakteristische Werte sinusförmiger Wechselgrößen (Wechselspannungsbrücke) • Operationsverstärker (Invertierender Verstärker, Nichtinvertierender Verstärker, Impedanzwandler) • Digitalisierungskette (Filter, Abtast-Halte-Glied, Analog-Digital-Wandlung) • Abweichungen bei der Analog-Digital-Wandlung
Messen optischer Größen: Licht und Eigenschaften des Lichtes • Fotodetektoren (Fotowiderstände, Fotodioden) • Empfindlichkeitsspektrum des Auges • Radiometrie und Photometrie • Lichtstärke (cd, candela) • Strahlungsgesetze
Messen von Temperaturen: Temperatur, SI-Einheit, Definition • Wärmeübertragung (Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung) • Fixpunkte (Tripelpunkte, Erstarrungspunkte), Fixpunktzellen, internationale Temperaturskala (ITS-90) • Berührungsthermometer • Metall-Widerstandsthermometer, Messschaltungen für Widerstandsthermometer • Thermoelemente, Messschaltungen für Thermoelemente • Messabweichungen von Berührungsthermometern • Strahlungsgesetze, Pyrometer (siehe Optische Größen) • Messabweichungen von Pyrometern
Zeit und Frequenz: Zeitmessung • Atomuhr • Globales Positionssystem • Darstellung der Zeit • Verbreitung der Zeitskala UTC • Frequenz- und Phasenwinkelmessung
Längenmesstechnik: Meterdefinition • Abbesches Komparatorprinzip, Abweichungen 1.- und 2.-Ordnung • Längenmessung mit Linearencodern, Bewegungsrichtung, Ausgangssignale, Differenzsignale • Absolutkodierung (V-Scannen und Gray Code) • Interferometer, Michelson-Interferometer, Grundlagen der Interferenz, Homodynprinzip, Heterodynprinzip, Interferenz am Homodyninterferometer, destruktive und konstruktive Interferenz, Einfluss Luftbrechzahl
Winkel und Neigung: ebener Winkel, Winkeleinheiten • Maßverkörperungen • Winkelmessgeräte • Neigungsmessung • optische Winkelmessgeräte • Messabweichungen • räumlicher Winkel, Raumwinkel
Kraft und Masse: Definition SI-Einheit Kilogramm, Massenormale, Prinzip der Masseableitung • Definition Masse, Kraft und Drehmoment • Messprinzipien von Waagen • Balkenwaage, Federwaage, Unter- und oberschalige Waagen, Ecklastabhängigkeit, DMS-Waage, EMK-Waage, Massekomparatoren • Einflussgrößen bei Massebestimmung • Kraftmessung, Kraftmessung mit DMS, magnetoelastische und piezoelektrische Kraftmessung
Teilgebiete der industriellen Messtechnik
Prozessmesstechnik (Druck und Durchfluss): Definition des Druckes • Druckarten (Absolutdruck, Überdruck, Differenzdruck) • Druckwaage (Kolbenmanometer), U-Rohrmanometer, Rohrfedermanometer, Plattenfedermanometer • Drucksensoren (mit DMS, piezoresistiv, kapazitiv, piezoelektrisch) • Durchflussmessung (Volumenstrom und Massestrom, Strömung von Fluiden) • volumetrische Verfahren, Wirkdruckverfahren, Schwebekörper-Durchflussmessung, magnetisch-induktive Durchflussmessung, Ultraschall-Durchflussmessung • Massedurchflussmessung (Coriolis, Thermisch)
Fertigungsmesstechnik: Teilaufgaben der Fertigungsmesstechnik, Ziele der Fertigungsmesstechnik • Gestaltparameter von Werkstücken (Mikro- und Makrogestalt), Gestaltabweichungsarten, Messen, Prüfen, Überwachen • Gegenüberstellung klassische Messtechnik und Koordinatenmesstechnik, Standardgeometrieelemente • Bauarten und Grundstruktur von Koordinatenmessgeräten • Vorgehensweise bei Messen mit einem Koordinatenmessgerät
Mikro und Nanomesstechnik: Anforderungen der Mikrosystemtechnik an die Messtechnik • Sensoren und Tastsysteme für Mikrosystemtechnik (taktile Sensoren, opto-taktiler Fasertaster, Fokussensor, Chromatischer Weißlichtsensor) • Rasterkraftmikroskop (Aufbau, Arbeitsweisen), Rastertunnelmikroskop • Nanokoordinatenmessung: 3-D Realisierung des abbeschen Komparatorprinzips • Maßnahmen zur Reduktion der Einflüsse
- Empfohlene Literatur
- DIN e.V. (Hrsg.): Internationales Wörterbuch der Metrologie – Grundlegende und allgemeine Begriffe und zugeordnete Benennungen (VIM) ISO/IEC-Leitfaden 99:2007. Beuth Verlag GmbH, 3. Auflage 2010
Hoffmann, Jörg: Handbuch der Messtechnik. 4. Auflage, Carl Hanser Verlag München, 2012 – ISBN 978-3-446-42736-5
Lerch, Reinhard: Elektrische Messtechnik. 6. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012 – ISBN 978-3-642-22608-3
Richter, Werner: Elektrische Meßtechnik. 3. Auflage, Verlag Technik Berlin, 1994 - ISBN 3-341-01106-4
Kohlrausch, Friedrich: Praktische Physik : zum Gebrauch für Unterricht, Forschung und Technik. Band 1-3, 24. Auflage, Teubner Verlag, 1996 – ISBN 3-519-23001-1, 3-519-23002-X, 3-519-23000-3
Ernst, Alfons: Digitale Längen- und Winkelmesstechnik. 4. Auflage, Verlag Moderne Industrie, 2001 – ISBN 3-478-93264-5
Pfeifer, Tilo: Fertigungsmeßtechnik. R. Oldenbourg Verlag München Wien, 1998 – ISBN 3-486-24219-9
Keferstein, Claus P.: Fertigungsmesstechnik. 7. Auflage, Vieweg+Teubner Verlag, 2011 – ISBN 978-3-8348-0692-5
Warnecke, H.-J.; Dutschke, W.: Fertigungsmeßtechnik. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo, 1984 – ISBN 3-540-11784-9
- ECTS-Informationen:
- Title:
- Fundamentals of Metrology
- Prerequisites
-
- Contents
- Basic principles
Essence of measuring: SI unit system • Definitions of SI units (cd, K, kg, m, s, A, mol) • What is measuring? • Extensive and intensive quantities • Measuring, testing and gauging • Objective and subjective testing • Basic requirements for measuring • Transmission and use of the units • Correct use and notation of units • Measured value, true value, output value • Measurement deviations
Principles and methods of measurement: Principles, methods and procedures of measurement • Deflection, differential, substitution and compensation measurement methods • Direct and indirect measurement methods • Analog and digital measurement methods • Absolute and incremental measurement methods • Resolution and sensitivity • Curve and kinds of curves
Statistics – Evaluation of measurements series: Calculation of a measurement result based on measurement series • Basic terms of descriptive statistics • Presentation and interpretation of measured value distributions (histograms) • Frequency (absolute, relative, cumulative, relative cumulative) • Calculation and interpretation of basic parameters: location (mean, median, mode), dispersion (range, variance, standard deviation), shape (skewness and excess kurtosis) • Stochastics and distributions (rectangle, U and normal distribution) • statistical tests and statistical estimation methods • Correlation and regression
Measurement errors and measurement uncertainty: Measured value, true value, conventional quantity value, detected value, output value • Influences on the measurement (Ishikawa diagram) • Measurement error (systematic, random) • Correction of known systematic measurement errors • Calibration, verification, legal verification • Measurement precision and accuracy • Repeatability conditions and precision , Comparison conditions and precision, extended comparison conditions and precision • Measurement uncertainty • Correct specification of a measurement result • Overview of standard method of the GUM (measurement uncertainty)
Mesurands of the SI system of units
Measurement of electrical quantities: Measurement of current and voltage (current and voltage correct measurement), range adjustment • Wheatstone bridge circuit (quarter, half and full bridge, differential method and null balancing procedures) • Characteristic values of sinusoidal alternating quantities (alternating voltage bridge) • Operational Amplifier (Inverting amplifier, non-inverting amplifier, impedance converter) • Digitising chain (filters, sample-and-hold device, analog-digital conversion) • Variations in the analog-to-digital conversion
Measurement of optical quantities: Light and properties of light • Photo detectors (photo resistors, photo diodes) • Sensitivity range of the eye • Radiometry and photometry • Luminous intensity (cd, candela) • Radiation laws
Measurement of temperatures: Temperature, SI unit, definition • Heat transfer (conduction, convection, radiation) • Fixpoints (triple points, freezing points), fixpoint cells, International Temperature Scale (ITS-90) • Contact thermometers • Metal resistance thermometer, measurement circuits for resistance thermometers • Thermocouples, measurement circuits for thermocouples • Measurement errors of contact thermometers • Radiation laws, pyrometers (see optical quantities) • Measurement errors of pyrometers
Time and Frequency: Time measurement • Atomic clock • Global Positioning System • Representation of time • Propagation of UTC • Frequency and phase angle measurement
Length: Meter definition • Abbe comparator principle, errors 1st and 2nd order • Length measurement with linear encoders, motion direction, output signals, differential signals • Absolute coding (V-Scan and Gray code) • Interferometer, Michelson interferometer, basics of interference, homodyne principle, heterodyne principle, interference on homodyne interferometer, destructive and constructive interference, influence of air refractive index
Angle and slope: plane angle, angle unit • material measures • angle measuring devices • slope measurement • optical angle measuring devices • measurement deviations • spatial angle, solid angle
Mass and force: Definition of SI unit kilogram, mass standards, principle of mass dissemination • Definition of mass, force and torque • Measurement principles of weighing • Beam balance, spring balance, hanging and top pan balances, corner load sensitivity, DMS balance, EMC balance, mass comparators • Influences for mass determination • Force measurement, force measurement with DMS, Magneto-elastic and piezoelectric force measurement
Branches of industrial metrology
Process Measurement Technology: Definition of pressure • Pressure types (absolute pressure, overpressure, differential pressure) • Pressure balance (piston manometer), U-tube manometer, bourdon pressure gauge, diaphragm pressure gauge • Pressure sensors (with DMS, piezoresistive, capacitive, piezoelectric) • Flow measurement (volume flow and mass flow, flow of fluids) • volumetric method, differential pressure method, sinker flow meter, magnetoinductive flowmeter, ultrasonic flow measurement • Mass flow rate measurement (Coriolis, thermal)
Manufacturing Metrology: Subtasks of manufacturing metrology, objectives of manufacturing metrology • Form parameters of workpieces (micro-and macro-shape), structural error types, measuring, checking, monitoring • Comparison of classical measuring and coordinate measuring, standard geometrical features • Designs and basic structure of coordinate measuring machines • Procedure for measuring with a coordinate measuring machine
Micro and Nanometrology: Demands of the microsystem technology on metrology • Sensors and probing systems of microsystem technology (tactile sensors, opto-tactile fiber probe, focus sensor, chromatic white light sensor) • Atomic force microscope (structure, working methods), scanning tunneling microscope • Nano coordinate measuring: 3-D realization of the Abbe comparator principle • Measures to reduce influences
- Zusätzliche Informationen
- Schlagwörter: Einheiten, Messkette, Messeffekte, Messmethoden, Messprinzipien
Erwartete Teilnehmerzahl: 127
www: http://www.fmt.tf.fau.de/lehre/lehrveranstaltungen.php
- Zugeordnete Lehrveranstaltungen
- UE: Grundlagen der Messtechnik - Übung
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Dozentinnen/Dozenten: Prof. Dr.-Ing. habil. Tino Hausotte, Dipl.-Ing. Wito Hartmann, u.a.
Zeit und Ort: Do 8:15 - 9:45, H4; Bemerkung zu Zeit und Ort: Vorlesung statt Übung: 1. bis 2. Vorlesungswoche; weitere Verschiebungen werden in der Vorlesung und auf StudOn bekanntgegeben. www: http://www.fmt.tf.fau.de/lehre/lehrveranstaltungen.php
- Verwendung in folgenden UnivIS-Modulen
- Startsemester SS 2013:
- Fundamentals of Metrology (FoM)
- Grundlagen der Messtechnik (GMT)
- Institution: Chair of Manufacturing Metrology
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