Messtechnik einfach Erklärt

Erklärung von Begriffen und Funktion in der Messtechnik

Zweck des Ratgebers
Wir konnten bei unseren Kunden immer wieder feststellen, dass es im Bereich der Messtechnik zu Verständnisproblemen in Bezug auf die verwendete Begrifflichkeit sowie deren Bedeutung und Auswirkungen kommt.

Aus diesem Grund haben wir einen kleinen Ratgeber mit den gängigsten Begriffen und Erklärungen im Bereich der Messtechnik erstellt, der in möglichst einfachen Worten und kurzer Form bestehende Verständnisprobleme beseitigen soll.

Abtastrate 
Die Abtastrate ist die zeitliche Auflösung. Also die Geschwindigkeit, mit der die Messkarte die Signale am Eingang pro Sekunde erfassen und umwandeln kann.

Da sie sich immer auf eine Zeitbasis von einer Sekunde bezieht, wird sie in der Einheit der Frequenz in Hz, kHz oder MHz angegeben oder im englischsprachigen Raum als Samples per Second (Sa/s).

Eine Abtastrate von 10Hz entspricht einer zeitlichen Auflösung von 10 Werten in 1 Sekunde.
10Hz = 10 Werte pro Sekunde

Eine Abtastrate von 10kHz entspricht einer zeitlichen Auflösung von 100.000 Werten in 1 Sekunde.
100kHz = 100.000 Werte pro Sekunde

Je höher die Abtastrate ist, desto besser ist die zeitliche Auflösung und damit die Geschwindigkeit, eine Veränderung im Signal feststellen zu können. Die Abtastrate allein ist also nicht gleich die Genauigkeit eine Messkarte.

Doch was ist die richtige Abtastrate für meine Aufgabe?
Ist die Abtastrate zu gering, kann dies die gesamte Messung unbrauchbar machen.
Ist die Abtastrate viel zu hoch, kann dies zu einem Problem bei der Nachbearbeitung und Auswertung der Messdaten führen.

Praxistipp:

In der Praxis reicht es oft aus, einen Blick in das Handbuch der eingesetzten Sensoren zu werfen. Dort ist in den Grenzwerten der Sensoren häufig die maximal mögliche Änderungsgeschwindigkeit angegeben. Eine deutlich schnellere Abtastung ergibt technisch keinen Sinn, da sich die Werte nicht schneller ändern können, als es der Sensor zulässt.

Achten Sie außerdem auf die Brauchbarkeit der Daten. Grundsätzlich ist man zunächst auf der sicheren Seite, lieber zu schnell als zu langsam abzutasten. Dadurch wird das gesamte Signalverhalten in den Messergebnissen sichtbar und kann später für weitere Analysen genutzt werden.

Das Problem besteht jedoch darin, dass hohe Abtastraten sehr schnell zu großen Datenmengen führen. Dadurch stoßen insbesondere häufig verwendete Programme zur Nachauswertung wie Microsoft Excel schnell an ihre Grenzen. Lange Lade- und Berechnungszeiten sowie häufige Abstürze können die Folge sein.

Beginnen Sie daher bei den ersten Messungen ruhig mit einer möglicherweise zu hohen Abtastrate und einem Worst-Case-Szenario für die zeitliche Auflösung, um zunächst Erkenntnisse zu gewinnen. Auf Basis dieser Informationen lässt sich anschließend gut die für Ihren Anwendungsfall ideale Abtastrate ermitteln. Dies kann bei späteren Analysen und Reports viel Zeit und Nerven sparen.

Physikalisch überhaupt sinnvoll!
Zusätzlich sollten Sie prüfen ob es physikalisch überhaupt Sinn macht so schnell abzutasten.
Beispiel bei einer Temperaturerfassung.
Ist es wirklich physikalisch möglich, dass sich die Temperatur z.B. in einem Raum innerhalb von wenigen μS um mehrere C° erhöht und ist dies wichtig für den Test? Oder macht es nicht Sinn hier eher anstatt mit mehren kHz Abtastrate lediglich 1Hz oder weniger zu nutzen?


Messbereich
Der Messbereich gibt an, zwischen welchen Grenzwerten ein Signal aufgenommen werden kann.
Hier muss zwischen folgenden Bereichstypen unterschieden werden:

1. Physikalischer Messbereich
2. Elektrischer Messbereich
   
   

Physikalischer Messbereich
Der physikalische Messbereich gibt an, in welchen z.B. durch die Bauart bedingten Bereichen ein Sensor ein Signal umwandeln und ausgeben kann.

Ein einfaches Beispiel für einen physikalisch begrenzten Messbereich ist ein Maßband.

Ein Maßband von 2 Metern Länge hat einen Messbereich von 0m bis 2m.
Da dies aufgrund seines mechanischen Aufbaus eine feste Länge von 2m hat, können längere Strecken mit diesem Maßband nicht gemessen werden.

Würde man versuchen, es weiter auszuziehen, wäre dies defekt.

Genau dieser mechanische Messbereich ist z.B. auch bei Linerarsensoren zu beachten.

Physikalische Messbereiche sind aber auch Bereiche wie z.B. Temperaturbereiche oder Druckbereiche, in denen der Sensor messen kann, ohne beschädigt zu werden.


Elektrischer Messbereich
Der elektrische Messbereich gibt an, im welchem Spannungsbereich die Signale der Sensoren erfasst werden können.

Hat eine Messkarte einen Messbereich von -10V bis +10V, muss bei der Auswahl der Sensoren darauf geachtet werden, dass diese den Messbereich nicht überschreiten, da sonst das Signal nicht vollständig erfasst und das Messsystem beschädigt werden kann.

Doch was ist der richtige Messbereich für meine Aufgabe?

In der Praxis reicht es oft in das Handbuch der eingesetzten Sensoren zu sehen.
Achten Sie darauf welche Spannungen die Sensoren im "Worst Case Fall" ausgeben können.
Liegt die max. Ausgangsspannung bei einem Sensor z.B. bei 7,5V benötigen Sie auch eine Messkarte mit einem Messbereich der diese messen kann.
Da eine Eingangspannung von -10V bis +10V von den meisten Messkarten unterstützt werden, könnte man z.B. eine solche wählen.

Auflösung
Die Auflösung einer Messkarte wird in Bit angegeben und beschreibt, in wie viele Teilbereiche der Messbereich der Messkarte für die Messung der Spannung unterteilt werden kann.
Die Auflösung allein ist aber nicht direkt die Genauigkeit einer Messkarte.

Die Anzahl der Unterteilungen anhand von Bit wird wie folgt ermittelt.

2^Bit = Anzahl Unterteilungen
2 hoch Bit   = Anzahl Unterteilungen

Berechnung für eine 3Bit, 8Bit, 12Bit und 16Bit Auflösung
2^3Bit = 8 
2^8Bit = 256
2^12Bit = 4096
2^16Bit = 65536

Eine Messkarte mit einer 3Bit Auflösung kann das Eingangssignal in 8 Bereiche unterteilen, wohingegen eine 16Bit Auflösung bereits zu einer Unterteilung von 65536 Bereichen führt.

Nehmen wir der Einfachheit halber kein elektrisches Beispiel, sondern ein Beispiel anhand einer Strecke. Stellen Sie sich eine Strecke von 10 m vor. Diese unterteilen Sie in vier gleich große Abschnitte. Bewegt sich ein Objekt entlang dieser Strecke, können Sie feststellen, in welchem Abschnitt sich das Objekt befindet. Da jeder Abschnitt eine feste Länge besitzt, lässt sich die Entfernung grob bestimmen. Das Objekt befindet sich zum Beispiel zwischen 2,5 m und 5 m. Um die Position nun genauer ermitteln zu können, muss die Auflösung des Messbereichs erhöht werden. Dazu wird die Strecke von 10 m beispielsweise in zwölf gleich große Abschnitte unterteilt. So lässt sich feststellen, dass sich das Objekt zwischen etwa 4,2 m und 5 m befindet. Sind die Bereiche zu groß, können Veränderungen zwischen den einzelnen Abschnitten nicht erfasst oder erkannt werden.

Die Auflösung allein ist aber nicht direkt die Genauigkeit einer Messkarte.
Die Genauigkeit (Codebreite) hängt zusätzlich von Messbereich ab.

Genauigkeit / Codebreite
Die Genauigkeit, auch Codebreite genannt, ergibt sich aus der Auflösung, bezieht sich dabei jedoch immer auf den Messbereich der Messkarte. Das bedeutet, wie genau eine Messkarte ist, hängt nicht allein von der Auflösung in Bit ab, sondern auch davon, wie groß der Messbereich ist, der durch diese Auflösung unterteilt wird.

Nehmen wir der Einfachheit halber erneut kein elektrisches Beispiel, sondern ein Beispiel anhand einer Strecke.

Wird eine Strecke von 10 m in zwölf gleich große Bereiche unterteilt, ergibt sich eine Genauigkeit von etwa 0,8 m.

Wird die Strecke hingegen auf 100 m vergrößert, während weiterhin nur zwölf gleich große Unterteilungen verwendet werden, ergibt sich lediglich noch eine Genauigkeit von etwa 8 m.

Die Genauigkeit (Codebreite) ist somit nicht nur von der Anzahl der Unterteilungen, also der Auflösung in Bit, abhängig, sondern auch von der Größe des Messbereichs.

Die Codebreite wird wie folgt berechnet:
Codebreite = Bereich/ 2^Auflösung

Bespiel:
Sie besitzen eine Messkarte mit folgenden Daten:
Auflösung = 3 Bit
Messbereich = 0 - 10V
10V/ 2^3Bit = 1,25V

Die 10V des Messbereichs werden durch die 8 Unterteilungen der 3Bit aufgeteilt.
Dadurch ergibt sich eine maximal mögliche Genauigkeit von 1,25V

Wichtig ist hier immer den gesamten Messbereich zu beachten.
Auch den negativen Anteil.

Bespiel:
Sie besitzen eine Messkarte mit folgenden Daten:
Auflösung = 3 Bit
Messbereich = -10 - 10V (gesamt 20V)
20V/ 2^3Bit = 2,5V

Die 20V des Messbereich werden durch die 8 Unterteilungen der 3Bit aufgeteilt.
Dadurch ergibt sich eine maximal mögliche Genauigkeit von 2,5V

Die folgende Tabelle zeigt den Vergleich einer 3-Bit- sowie einer 16-Bit-Auflösung in Bezug auf den Messbereich

Doch was ist die richtige Genauigkeit für meine Aufgabe?
Das hängt ganz davon ab, was Sie mit der Messung erreichen möchten?
Reicht es Ihnen, wenn Sie am Eingang zwischen 5V und 10V unterscheiden können oder möchten Sie auch 7,7V , 7,72V oder gar 7,72353V erfassen können?

Das Bild zeigt die digitale Abtastung eines Signals und soll den Zusammenhang von Abtastrate, Auflösung und Messbereich darstellen.

Zusammengefasst

In der Messtechnik spielt alles zusammen.

Aufgrund einzelner Parameter wie beispielsweise der Abtastrate lassen sich keine Rückschlüsse auf die Qualität oder die Brauchbarkeit einer Messtechnik für Ihre Anwendung ziehen. Diese muss immer individuell betrachtet werden.

Zur Auswahl einer geeigneten Messtechnik ist es daher wichtig zu wissen, was die einzelnen Begriffe bedeuten und welche Auswirkungen deren Veränderung haben.

Merksatz zum Zusammenspiel:
Wenn Sie ein 1m Maßband (0m bis 1m Messbereich) mit einer 1mm Unterteilung (Auflösung 1000) besitzen und an dieses Gegenstände halten, erlaubt Ihnen dieses Maßband wegen seiner 1mm Auflösung alle Gegenstände mit eine Genauigkeit von 1mm in dem Bereich von 0m bis 1m zu messen.

Ist das Maßband aus Gummi und Sie ziehen dieses auf z.B. 10m Länge, um den Messbereich zu vergrößern (Messbereich 0bis 10m), ohne die Unterteilung (Auflösung) zu ändern, können Sie nun zwar größere Gegenstände (0m bis 10m) messen, aber nur noch mit einer Genauigkeit von 1cm, da die Anzahl an Unterteilungen (1000) gleich geblieben ist.

Nur weil Sie nun öfters und schneller (Abtastrate) auf das Maßband sehen, um die Größe des Gegenstandes zu ermitteln, ändert sich nicht die Größe der angelegten Gegenstände oder die Unterteilung für die Genauigkeit.

Durch das häufigere Ablesen können Sie lediglich feststellen, wie oft sich ein Gegenstand innerhalb einer bestimmten Zeit verändert hat. Es sollte jedoch abgeschätzt werden, ob bei jedem Ablesen tatsächlich ein neues Objekt angelegt werden kann oder ob der Vorgang physikalisch ohnehin mehr Zeit benötigt. Andernfalls entstehen viele gemessene und protokollierte Werte mit identischer Länge, die in Wirklichkeit dasselbe Objekt beschreiben.

Dies führt in der Nachbearbeitung lediglich zu zusätzlichem Aufwand, etwa durch lange Ladezeiten oder aufwendige Messdatenaufbereitungen für die Auswertung.

Sie haben eine Messaufgabe zu bewältigen?
Wir unterstützen und beraten Sie gerne bei der Entscheidung einer passenden Messtechnik für Ihre bestehenden oder zukünftigen Projekte.

Gerne führen wir auch Testmessungen zur Ermittlung der richtigen Messhardware bei Ihnen durch.