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 im Bezug auf die in der Messtechnik verwendetet Begrifflichkeit und dessen Bedeutung und Auswirkungen kommt.
Aus diesem Grund haben wir einen kleinen Ratgeber mit den gängigsten Begrifflichkeit und Erklärungen im Bereich der Messtechnik erstellt, der in möglichst einfachen Worten und kurzer Form die 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 diese sich immer auf eine Zeitbasis von 1 Sekunde bezieht wird diese in der Einheit für die Frequenz in Hz, kHz oder MHz oder im englisch sprachigen Raum mit Samples per Second (Sa/s) angegeben.

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.

Praxistip:
In der Praxis reicht es oft in das Handbuch der eingesetzten Sensoren zu sehen.
Hier ist in den Grenzwerten der Sensoren oft die maximal mögliche Änderungsgeschwindigkeit angegeben.
Eine deutlich schnellere Abtastung macht also technisch kein Sinn, da die Werte sich nicht schneller ändern können als beim Sensor angegeben.

Achten Sie auch auf die Brauchbarkeit der Daten!
Grundsätzlich ist man erstmal auf der sicher Seite lieber zu schnell abzutasten als zu langsam.
Denn dadurch sind definitiv das gesamte Signalverhalten in den Messergebnisse Sichtbar und hinterher auch für weitere Analysen nutzbar.
Problem ist, dass schnelle Abtastraten auch sehr schnell zu vielen Daten und somit großen Datenmengen führen. Dadurch kommen gerade herkömmlich verwendete Programme zur Nachauswertung wie Microsoft Excel schnell an Ihre Grenzen. Lange Lade- und Berechnungszeiten sowie häufige Abstürze sind die Folge.
Starten Sie bei den ersten Messungen also ruhig mit einer vielleicht zu hohen Abtastrate und dem "Worst Case Fall" für die zeitliche Ermittlung um Erkenntnisse zu gewinnen.
Aus den hieraus gewonnen Informationen lässt sich dann gut die für Ihren Fall ideale Abtastrate ermitteln. Dies kann bei späteren Analysen und Reports viel Zeit und Nerven ersparen.

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 uS 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. Physikalische Messbereich
2. Elektrische Messbereich
   
   

Physikalische 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 ein 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 die weiter auszuziehen wäre dies defekt.
Genau dieser mechanische Messbereich ist z.B. auch bei Linerarsensoren zu beachten.

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


Elektrische Messbereich
Der elektrische Messbereich gibt an im welchen 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 die 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 hingegen eine 16Bit Auflösung bereits zu einer Unterteilung von 65536 Bereichen führt.

Nehmen wir der Einfachheit kein elektrisches sondern ein Beispiel über eine Strecke. Stellen Sie sich eine Stecke von 10m vor. Diese unterteilen Sie in 4 gleich große Abschnitte. Bewegt sich ein Objekt über diese Stecke können Sie feststellen in welchen Abschnitt sich das Objekt befindet. Da jeder Abschnitt eine feste Breite besitzt können Sie die Entfernung ermitteln. Das Objekt befindet sich z.B. zwischen 2,5m und 5m Um die Position nun genauer ermitteln zu können, müssen die die Abschnitte (Auflösung) ihres Messbereichs verbessern und die Strecke von 10m auf z.B. 12 bleich große Abschnitte aufteilen. So können Sie feststellen das Objekt befindet sich zwischen 4,2m und 5m. Sind die Bereiche zu groß, können Veränderungen zwischen den Bereichen nicht erfasst bzw. 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 aber bezieht sich dabei immer auf den Messbereich der Messkarte.
Das heißt wie genau meine Messkarte ist hängt nicht alleine von der Auflösung in Bit ab sondern auch wie groß der Bereich ist der durch die Auflösung unterteilt werden soll.


Nehmen wir der Einfachheit wieder kein elektrisches sondern das Beispiel über eine Strecke.
Wenn ich eine Strecke von 10m in 12 Bereiche unterteile, erhalte ich eine Genauigkeit von ca. 0,8m.

Wenn ich nun aber die Strecke auf 100m vergrößere aber weiterhin nur mit 12 gleich großen Unterteilungen auf die gesamte Strecke arbeite, erhalte ich lediglich nur noch eine Genauigkeit von ca. 8m.

Die Genauigkeit (Codebreite) ist also nicht nur abhängig von der Anzahl der Unterteilungen (Auflösung in Bit) sonder 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 Messbereich 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

Diese Tabelle zeigt den Vergleich einer 3Bit sowie 16Bit Auflösung im Bezug des Messbereichs

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 einer einzigen Angabe von Parametern wie Abtastraten können keine Rückschlüsse auf die Qualität oder Brauchbarkeit einer Messtechnik für Ihre Anwendung zurückgeführt werden. Diese sind immer individuell zu betrachten.

Zur Ermittlung der geeigneten Messtechnik ist es wichtig zu wissen was die einzelnen Begriffe bedeuten und welche Auswirkung dessen Veränderungen 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 Unterteilungen (1000) gleichgeblieben 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.

Sie können lediglich durch das schnellere und des öfteren auf das Massband sehen, ermitteln wie oft sich ein Gegenstand in einer gewissen Zeit eventuell geändert hat.
Schätzen Sie aber ab, ob auch wirklich bei jedem Blick überhaupt ein neues Teil an das Massband angelegt werden kann oder ob der Vorgang physikalisch sowieso länger dauert. Ansonsten haben Sie anschließend ein häufen abgemessene und protokolierte Gegenstände (Messdaten) in der gleichen länge die eigentlich das selbe Teil sind.
Dies sorgt in der Nachbearbeitung nur für zusätzlichen Aufwand. (Lange Ladezeiten und 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.