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Messungen von nicht-elektrischen Größen spielen in vielen Bereichen der Industrie, Wissenschaft und Technik eine wichtige Rolle. Dazu gehören eine Vielzahl von Parametern wie Temperatur, Druck, Durchfluss, Feuchtigkeit, Menge der Chemikalien und mechanische Belastung.
Die Genauigkeit und Präzision nicht-elektrischer Messungen sind wichtig für das korrekte Funktionieren von Geräten, Prozessen und Systemen. Im Bereich der industriellen Prozessautomatisierung werden nichtelektrische Messungen mit speziellen Geräten durchgeführt, wie z.B. Sensoren, Messgeräten, Analysatoren oder Datenlogger. Diese Technologien ermöglichen eine präzise Überwachung und Steuerung von Produktionsprozessen, was zu einer verbesserten Effizienz und Produktqualität führt. Es ist auch wichtig, Messdaten korrekt zu verarbeiten, um die richtigen Entscheidungen im Rahmen der Optimierung industrieller Prozesse treffen zu können.
Daher hat sich der Autor in diesem Material dafür entschieden, das Wissen über diese Messungen zu systematisieren – Messungen von nicht-elektrischen Größen, ohne auf Aspekte der technischen Lösungen der Geräte einzugehen. Nichtelektrische Messungen können die industrielle Entwicklung beeinflussen. Daher ist es wichtig, die Messtechnik kontinuierlich zu verbessern und weiterzuentwickeln, um die steigenden Anforderungen der schnell wachsenden Industrie zu erfüllen. In der Prozessautomatisierung haben wir es meist mit Messwertgebern und Sensoren für physikalische Größen wie lineare und winklige Verschiebung, lineare und winklige Geschwindigkeit, Drehmoment, Zeit, Masse, Temperatur, Druck, Durchflussmenge und viele andere zu tun.
Messung von Geschwindigkeit und Beschleunigung
Die gebräuchlichsten Instrumente zur Messung der Geschwindigkeit sind tachometrische Generatoren. Diese Messungen erfolgen direkt. Diese Geräte erzeugen eine Spannung, deren Parameter von der Rotordrehzahl abhängen. Durch eine geeignete Übertragung der geradlinigen Bewegung in eine Drehbewegung können sie zur Messung linearer Geschwindigkeiten verwendet werden.
Tachometrische DC-Generatoren erzeugen eine Gleichspannung, deren Wert proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Rotors ist. Der grundlegende Parameter eines tachometrischen Gleichstromgenerators ist die Umwandlungskonstante, ausgedrückt in V/U/min.
Ein weiteres Element sind Wechselstromgeneratoren, bei denen die Rotordrehzahl die Frequenz des erzeugten Signals bestimmt.
Die Winkelgeschwindigkeit kann auch mit einem Inkrementalgeber gemessen werden. Es ist ein Gerät, das einen elektrischen Impuls erzeugt, wenn sein Rotor um einen bestimmten Winkel gedreht wird. Die Frequenz der erzeugten Impulse liefert ein Maß für die Rotordrehzahl.
Eine andere Methode zur Messung der linearen Geschwindigkeit von sich bewegenden Objekten ist die Radarmessung. Dabei wird zyklisch die Zeit gemessen, die von dem Moment an verstreicht, in dem eine elektromagnetische Welle vom Radargerät in Richtung eines sich bewegenden Objekts gesendet wird, bis zu dem Moment, in dem sie aufgrund der Reflexion des Objekts zum Radargerät zurückkehrt.
Die meisten Radargeräte nutzen jedoch das Doppler-Phänomendas ist der Unterschied in der Wellenlänge zwischen der elektromagnetischen Welle, die von einer Quelle ausgesendet wird, und der Welle, die von einem Beobachter aufgezeichnet wird, der sich relativ zu dieser Quelle bewegt. Das Doppler-Radar sendet einen Strahl elektromagnetischer Wellen mit einer bestimmten Frequenz aus, der nach der Reflexion an einem Objekt, das sich in seinem Weg befindet, zum Radargerät zurückkehrt. Wenn sich das Objekt bewegt, unterscheidet sich die Frequenz der Welle, die das Radargerät nach der Reflexion erreicht, von der Frequenz der gesendeten Welle. Wenn sich ein Objekt dem Radar nähert, ist die Frequenz der registrierten reflektierten Welle höher, während das Radar, wenn es sich entfernt, eine reflektierte Welle mit einer niedrigeren Frequenz registriert. Das Gerät zur direkten Messung der Beschleunigung ist der Beschleunigungsmesser.
Temperaturmessung
Instrumente, die eine Temperaturmessung ermöglichen, sind:
Widerstandsthermometer – diese nutzen die Temperaturabhängigkeit des Widerstands eines Materials. Üblicherweise werden Sensoren aus Platin und Nickel verwendet:
- Pt100,
- Pt500,
- Pt1000,
- Ni100,
- Ni1000,
- Halbleiter, bekannt als Thermistoren (NTC, d.h. Thermistoren mit einem negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstands, PTC, d.h. Thermistoren mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands, CTR, d.h. Thermistoren mit einer sprunghaften Änderung des Widerstands oberhalb einer bestimmten Temperatur)
Thermoelemente – ein Element in Form von zwei Stäben aus verschiedenen Metallen, die an den beiden Enden miteinander verbunden sind. Durch das so genannte Seebeck-Phänomen entsteht eine elektromotorische Kraft zwischen den Stäben, die im verbundenen Zustand unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Die Temperatur kann mit einem Thermoelement gemessen werden, indem man ein Ende der angeschlossenen Stäbe auf die zu messende Temperatur und das andere Ende auf die Referenztemperatur legt. Dann ist der Wert der gemessenen Spannung zwischen den Stäben proportional zum Wert der gemessenen Temperatur.
Pyrometer sind Geräte zur berührungslosen Temperaturmessung. Die Grundlage seiner Funktionsweise ist die Analyse der Wärmestrahlung, die der zu testende Körper abgibt und die einen Detektor im Inneren des Pyrometers erreicht.
Druckmessung
Das Instrument zur Messung des Drucks ist ein Manometer, das den Druckwert im Verhältnis zum Umgebungsdruck misst. Neben Manometern werden auch Instrumente zur Druckmessung verwendet:
- Absolutdruckmessgeräte – zeigen den absoluten Wert des Drucks an,
- Differenzdruckmessgeräte – messen den Differenzdruck,
- Vakuummessgeräte – werden verwendet, um relative Drücke zu messen, die geringer sind als der atmosphärische Druck, der sogenannte Unterdruck,
- Druckmessgeräte – diese werden verwendet, um relative Drücke zu messen, die sowohl höher als auch niedriger als der atmosphärische Druck sind.
Eine weitere Gruppe von Druckmessgeräten sind Federdruckmessgeräte, die das Phänomen nutzen, dass sich eine Feder durch den auf sie wirkenden Druck verbiegt. Diese sind unterteilt in:
- Manometer mit einer Rohrfeder (sog. Bourdon-Röhre),
- Plattenfeder-Manometer,
- Faltenbalg-Manometer.
Messung von mechanischen Spannungen
Ein an der Oberfläche des Objekts angebrachter Dehnungsmessstreifen wird verwendet, um die Verformung des Objekts zu messen. Da eine Verformung das Ergebnis einer Kraft ist, werden Dehnungsmessstreifen zur Messung physikalischer Größen wie Kraft, Masse, Druck, Drehmoment und Beschleunigung verwendet. Dehnungsmessstreifen nutzen die Abhängigkeit des Widerstands von den geometrischen Abmessungen des Leiters.
Wenn sich der Dehnungsmessstreifen biegt, verlängert sich der Widerstandspfad auf seiner Oberfläche und der Durchmesser dieses Pfades nimmt minimal ab. In Messwandlern werden mehrere Dehnungsmessstreifen (DMS) gleichzeitig zur Messung von Kraft, Drehmoment und Spannung verwendet, die Elemente einer Messbrücke sind.
Messung der Durchflussmenge
Zur Messung der Durchflussmenge werden die folgenden Methoden verwendet:
- Venturi-Durchflussmesser, bei dem an einer bestimmten Stelle der Rohrleitung eine Venturi-Düse mit einem wesentlich kleineren Querschnitt als der Querschnitt der Rohrleitung angebracht wird, so dass vor und hinter der Venturi-Düse ein Druckunterschied entsteht. Der Druck unmittelbar vor dem Venturi ist größer als der Druck am Venturi, und die Druckdifferenz ist direkt proportional zur Durchflussrate des Mediums in der Rohrleitung. Die daraus resultierende Druckdifferenz wird mit einem Differenzdruckmesser gemessen. In der Praxis werden Venturis verschiedener Formen, wie z.B. Blende, Venturi, Düse und Pitot-Rohr, zur Messung der Durchflussmenge mit dieser Methode verwendet.
- Ein Rotameter ist ein Schwebekörper-Durchflussmesser in Form eines transparenten Rohrs mit variablem (nach oben hin zunehmendem) Querschnitt und einer aufgedruckten Ableseskala in Einheiten der Durchflussmenge.
- Jet-Durchflussmesser hier ein Gerät, das die lineare Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Menge des durch den Durchflussmesser strömenden Mediums nutzt. Im Inneren des Jet-Durchflussmessers befindet sich ein Flügelrad oder eine Turbine, die durch den Druck des strömenden Mediums in Bewegung gesetzt wird.
- Der Ultraschall-Durchflussmesser ist ein Gerät, das auf der Messung der Ultraschall-Signalübertragungszeit des Querschnitts der Rohrleitung basiert, durch die das zu messende Medium fließt. Das Signal wird abwechselnd einmal in die eine und einmal in die andere Richtung gesendet. Wenn die Durchflussrate gleich Null ist, sind die Signalübertragungszeiten für beide Richtungen identisch. Anhand der gemessenen Differenz zwischen den Laufzeiten des Ultraschallsignals und der Schallgeschwindigkeit in dem durch die Pipeline fließenden Medium sowie der geometrischen Abmessungen der Pipeline selbst kann die volumetrische Durchflussrate der Flüssigkeit oder des Gases in der Pipeline berechnet werden.
Messung der Luftfeuchtigkeit
Zur Messung der Luftfeuchtigkeit werden Hygrometer verwendet. Diese Geräte zeigen den prozentualen Anteil des Wasserdampfs in der Luft an. Zu den Instrumenten zur Messung der Luftfeuchtigkeit gehören:
- Haarhygrometer – das sind Geräte, die nur einen ungefähren Wert für die Luftfeuchtigkeit anzeigen. Diese Geräte nutzen das Verhältnis zwischen der Länge eines menschlichen oder tierischen Haares und der Menge an Feuchtigkeit, die es aufgenommen hat.
- Kondensationshygrometer – das sind Geräte, die das Phänomen der Kondensation von Wasserdampf auf kühlen Glas- oder Metalloberflächen nutzen. Die Menge an Wasserdampf, die auf diese Weise bei einer bestimmten Temperatur kondensiert, ist ein Maß für die Feuchtigkeit der Luft.
- Absorptionshygrometer – sind Geräte, die die Luftfeuchtigkeit messen, indem sie die Menge an Feuchtigkeit aufzeichnen, die pro Zeiteinheit von einem absorbierenden Material aufgenommen wird.
