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Maschinenbauliche Grundlage der Lebensmitteltechnik (Fach) / Messtechnik (Lektion)

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• Ziel des Messens Ziel des Messens: Bestimmen einer physikalischen Größe mit hoher Genauigkeit und hoher Reproduzierbarkeit. Messwert-Übertragung→ an Messperson  (optisch über Anzeige, Skala) od. → an Auswerte-Elektronik (Sensor)
• Unterschiedliche Arten des Messens Art des Messung: 1. Abgeschlossener Vorgang: Ziel der Messung: Bestimmung einer nicht variierenden Objektgröße: (Einmal messen)z. B. Zollstock, Waage  2. Kontinuierlicher Vorgang: Ziel der Messung: Summation einer variierenden physikalischen Größe:  (Permanent gemessen & aufsumiert)z. B. kWh-Zähler, Wasseruhr Bestimmung des aktuellen Wertes: (Permanent & aktuelle Bestimmung)z. B. Thermometer
• Definition von Messen: Wovon unterscheiden sich die direkte und indirekte Messung? Definition Messen: ist der direkte oder indirekte Vergleich einer Größe mit einer Maßeinheit. Direkte vs. indirekte Messung: Direkte Messung: - Messen einer Länge mit einem Maßstab measuring stick - Messen einer Zeitspanne mit einer Uhr Indirekte Messung:- Messung eines Stromes über das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters (Hall-Sensor)- Messung der Temperatur über Längenausdehnung oder Thermospannung (Thermoelement) ⇒ Die indirekte Messung setzt ein Naturgesetz voraus require. 
• Was garantiert die Reproduzierbarkeit? Nur genaues Messen mit einheitlichen standardised Maßstäben garantiert Reproduzierbarkeit!
• Aufbau eines Messsystems; Beispiele von Einfache und komplexe Messsysteme Aufbau eines Messsystems: Messwert-Erfassung:1. Sensor        ↓ Signal-Verarbeitung2. Wandler         ↓ 3. Verstärker        ↓4. Filter        ↓ Ausgabe5.  Anzeige        ↓6. Signalausgänge Einfache Messsysteme: Beispiele Schieb-lehre Caliper, Mikrometer-schraube micrometer caliper,  Balken-waage beam balance, Feder-waage spring balance.  Komplexe Messsysteme:  Schalldruck-pegelmesser sound level meter piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer 
• Welche Anforderungen müssen Sensoren erfüllen, die großserienmäßig (size standard) in Autos eingebaut werden? Bedingungen der Großserienfertigung und der Wartung bei einem Sensor: Preiswert; Kleine Abmessungen; Die Wartung und der Austausch = werkstattgerecht möglich.
• Wie unterscheiden sich aktive und passive Sensoren? Aktive Sensoren: Sie erzeugen aus dem Messprozess die Energie für die Weitergabe der Information. Bevorzugt sind elektrische Spannungen, da sie sich am leichtesten verarbeiten lassen (in der analogen Signaltechnik). z. B. Thermoelement  (Temperatur - Spannung)        pH-Elektrode (ph-Wert - Spannung) Passive Sensoren: Energie muss durch den Sensor fließen. Der Sensor verändert seinen Widerstand und moduliert eine bestimmte Größe dieses Energiestroms. z. B. Kamera
• Messbereich und Linearität Linearität: Linearität: Oftmals besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem tatsächlichen Wert der Größe w und dem Ausgangssignal des Sensors, z. B. der Spannung U. Dann gilt: U = k w + U0 wobei k der Kalibrierfaktor ist und U0 die Ausgangspannung des Sensors im Falle w = 0. Die Kalibrierkurve ist in diesem Fall eine Gerade, der Sensor arbeitet linear. Ist U0 = 0, so besteht eine Proportionalitätzwischen U und w. Dies ist der Idealfall für einen Sensor. Messbereich: Der Messbereich gibt den Wertebereich der Größe w an, der innerhalb festgelegter Fehlergrenzen zu einer mit der Kalibrierfunktion beschreibbaren Änderung des Ausgangssignals führt.
• Welche Möglichkeiten gibt es um Weg und Winkel zu messen? Weg- und Winkelmessung: Potentiometrisch: ⇒ Änderung des elektrischen Widerstands  Induktiv: ⇒ Änderung des elektro-magnetischen Feldes  Kapazitiv:⇒ Änderung der elektrischen Ladung (Kapazität) Ladungsverschiebung, Hall-Effekt ⇒ Positionsänderung im Magnetfeld Inkremental, Lichtimpulse ⇒ Addition von Impulsen Optisch, Dopplereffekt ⇒ Änderung der Signallaufzeit und Frequenzverschiebung Radar, Dopplereffekt ⇒ Änderung der Signallaufzeit und Frequenzverschiebung
• Skizzieren die potentiometrische Wegmessung & Winkelmessung Potentiometrische = Änderung des elektrischen Widerstands  1. Wegmessung: Linearpotentiometer (Messbereich: von 0-20 mm bis zu 0-2 m)  = Bestimmung des Weges über die Widerstandsänderung eines elektrischen Leiters in Abhängigkeit von seiner Länge. Er hat einen beweglichen Schleifer auf einer Widerstandsbahn, an der eine konstante Spannung anliegt. Er liefert eine linear vom Weg abhängige Ausgangsspannung direkt. 2. Winkelmessung: Drehpotentiometer (Messbereich: von 0 bis 345°) die Widerstandsbahn ist kreisringförmig und Drehachse über 360° An der Drehachse ist ein Schleifer befestigt, der den Stromfluss von bestimmter Stelle der Widerstandsbahn abgreift.
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• Skizzieren die Induktive Wegmessung Induktive: Änderung des elektromagnetischen Feldes  Änderung der Stellung des Eisenkerns verursacht eine messbare Änderung der induzierten Spannung in der Spule.  1. Wegmessung:  Einfacher Wegaufnehmer– Nicht-linearer  Verlauf der Induktivität  Differenz-wegmessung:– linearer  Verlauf– Verstärkung der beiden Signale– Offset-freie Messung  wandelt die lineare Bewegung in ein elektrisches Signal. Bestehen aus 2 Spule:1. Die Primärspule wird mit Wechselspannung angelegt2. Ein ferromagnetischer Eisenkern, der mit dem  zu messenden Objekt verbunden ist und im Inneren der Spulen sitzt, induziert Spannung in der Sekundärspule.⇒ Die Verschiebung des Kerns ändert die Messspannung proportional zum verfahrenden Weg.
• Skizzieren die Kapazität Wegmessung und Winkelmessung (Aufbau, Physikalische Prinzip, Messprinzip) kapazität Wegmessung: Kapazitive Sensor Aufbau & Physikalische Prinzip: Zwei Elektroden, die voneinander isoliert sind und zwischen denen ein isolierendes Dielektrikum sich befindet und eine elektrische Spannung herrscht. Die Kapazität des Kondensators C = ɛ • A/d– Fläche der Elektroden  (A) – Permittivität des Dielektrikums (ɛ)– Abstandes der Elektroden zueinander (d)  Messprinzip: Messeffekt = Änderung der Kapazität C  Kapazität eines Kondensators verändert sich mit dem Abstand seiner Elektroden⇒ so kann diese als messbare Größe zur Distanzmessung eingesetzt werden. 3 veränderliche Größen zur Messung von Wegen und Winkeln: Änderung des Platten-abstandes (d) Änderung der Fläche (A) Verschiebung des Dielektrikums (ɛr)
• Was versteht man unter Hall-Effekt? Wozu wird es benutzt? Ein Hall-Sensor nutzt den Hall-Effekt zur Weg- und Winkelmessung Der Hall-Effekt: tritt dann auf, wenn sich Ladungsträger (Hall-Element) in einem senkrecht zur Stromrichtung ausgerichteten Magnetfeld bewegen. Auf das Hall-Element wirkt die Lorentzkraft, die für eine Ladungsverschiebung sorgt. Daraus ergibt sich ein elektrisches Feld, welches auf die Ladungsträger eine Kraft ausübt, die der Lorentzkraft entgegenwirkt. Ein Gleichgewicht stellt sich zwischen beiden Kräften ein. Bringt man an das Hall-Element Kontakte an, dann liegt an ihnen die Hall-Spannung = als Maß für die Stärke (des Magnetfeldes od. des Stroms) Anwendungsbeispiele von Hall-Sensoren: Winkelgeber z. B. Fahrpedalsensoren (= Änderung der Spannung durch unterschiedliche Lagen des Sensors zum Magnetfeld) Stromsensor Magnetfeld-sensor  Quelle: https://www.itwissen.info/Hall-Effekt-Hall-effect.html & https://www.itwissen.info/Hall-Element-Hall-element.html
• Skizzieren die inkrementale Messverfahren zur Wegmessung und Winkelmessung Inkrementale Messverfahren: Inkrementaler Weg- & Winkelgeber  Aufbau: Lichtquelle → Maßstab → Fotoempfänger / Detektoren Die Inkremente werden als Strichraster auf einem Linearmaßstab od. einer Scheibe (Inkrementaler Drehgeber) aufgebracht & optisch abgetastet scanned. Messprinzip: Inkremental messen = zählend / addierend messen Wegbestimmung über das Zählen von Lichtimpulsen: = Der zurückgelegte Weg ergibt sich aus der Summe der Inkremente von Bezugspunkt aus. Richtungserkennung durch Verwendung von 2 Fotoempfängern, die um  ein Viertel des Rasterabstands c versetzt angeordnet sind
• Was versteht man unter den Doppler-Effekt? Optische vs. akustische Doppler-Effekt? Doppler-Effekt: ist die zeitliche Verdichtung bzw. Dehnung eines Signals bei Veränderungen des Abstands zwischen Sender & Empfänger während der Dauer des Signals. Ursache = die Veränderung der Laufzeit. Optische vs. akustische Doppler-Effekt Unterschied: – akustisch bezieht sich auf Schallwellen, – optisch bezieht sich auf elektromagnetische Wellen.
• Skizzieren wie man optisch Weg und Winkel messen kann? Optische Sensoren: Änderung der Signallaufzeit und Frequenzverschiebung  Laser-Vibrometers: Messgerät zur Quantifizierung mechanischer Schwingungen. Aufbau-Prinzip: Vibrometer enthalten... einen Laser, der auf die zu messende Oberfläche fokussiert wird. Die Frequenz des zurückgestreuten Laserlichts verschiebt sich aufgrund des Doppler-Effekts bei Bewegung der zu messenden Oberfläche. Auswertung der Frequenzverschiebung mittels eines Inter-fero-meters Ausgangssignal: Spannungssignal od. digitaler Datenstrom
• Skizzieren wie man mit dem Radar Weg und Winkel messen kann? Welche Verfahren? Wo eingesetzt? RADAR = Radio Detection And Ranging: Weg- und Geschwindigkeitmessung: Änderung der Signal-laufzeit und Frequenzverschiebung Mess-Prinzip: Ein Radargerät:1. sendet Radar-Wellen (Radiofrequenzbereich) als Primärsignal aus und 2. empfängt die von Objekten reflektierten Echos als Sekundärsignal und 3. wertet die Echos nach ver. Kriterien (Bestimmung von Entfernung und Winkel) aus. Puls-Echo-Verfahren: Auswertung der ausgesandten und reflektierten Pulse/Echos hinsichtlich der Laufzeit und Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffekts.⇒ Abstandsbestimmung & Ermittlung der Relativgeschwindigkeiten  z. B.  Radarsensoren an der Fahrzeugfront: 24-GHz-Strahlkegel 
• Vor- und Nachteile von Radar- und Lasersensorik 1. Radarsensoren: Vorteile: Verschmutzungs-UNempfindlich direkte Geschwindigkeitsmessung Verdeckte Montage möglich Keine Interferenz mit anderen Sensoren Niedrige  Ausgangsleistung kleine Antenne durch kombiniertes Senden und Empfangen Nachteile: hoher Preis keine Sichtweitenmessung "Blindflug" bei schlechter Sicht möglich 2. Lasersensoren: Vorteile: Niedriger Preis (einstrahlig) Sichtweiten-anpassung keine Interferenz mit anderen Sensoren keine Gesundheitsschädigung Nachteile: verschmutzungs-empfindlich Styling beeinflussende Montage indirekte Geschwindigkeitsmessung schlechtwetter-empfindlich
• Wo wird Ultraschallsensoren im Auto benötigt? Ultraschallsensoren bei Einpark-hilfe: Schall mit Frequenzen: 16 kHz (>Hörfrequenz-bereichs des Menschen) Sehr geringe Reichweite: 0,2 - 3,0 m  Je höher die Anzahl der Sensoren, desto genauer das Messergebnis Diese Sensoren senden und empfangen Ultraschall-signale und übermitteln die gewonnenen Daten an das Steuergerät; Steuergerät errechnet die Distanz vom Sensor zum Hindernis aus der Ultraschall-signal-laufzeit.
• Wie funktioniert ein Regen-Licht-Sensor im Auto? (Aufbau, Prinzip) Regen-Sensor: Aufbau: Das Sensorelement besteht aus einer od. mehreren Leucht-dioden (Sender), einem Prisma und einer Foto-diode (Empfänger) Prinzip:  Ein von Leuchtdiode erzeugter Lichtstrahl gelangt über ein Prisma zur Windschutz-scheibe und wird von der äußeren Scheibenoberfläche reflektiert und zur Fotodiode weitergeleitet. Kein Regen:– Kombination von Sensorposition und trockener Scheibenoberfläche ermöglicht eine höchstmögliche Reflexion. Beim Regen: – Regentropfen auf der Windschutzscheibe verändern das Reflexionsverhalten:   ⇒ nicht alle Lichtstrahlen erreichen ihr Ziel und werden durch Wassertropfen  abgelenkt. höher die Regenintensität ⇒ weniger Licht erreicht die Fotodiode. Auswertelektronik errechnet aus der Bestrahlungsstärke die Regenmenge und sendet die Information zur Steuerung der Wischer-geschwindigkeit. Licht-Sensor: Aufbau: Zwei Sensoren: 1. Umfeld-lichtsensor misst die Umgebungslicht in einem großen Raumwinkel.2. Vorfeld-lichtsensor misst die die Vorfeldbeleuchtung in einem kleinen Winkel. Die Messung der äußeren Lichtverhältnisse erfolgt durch einen opto-elektronischen Detektor.
• Wie funktioniert das Prinzip der Dehnungsmessstreifen? Was wird damit gemessen? Wie kann man DMS verstärken? Wofür wird DMS genutzt? Wie können sie verschaltet werden? Dehnungsmessstreifen (DMS): Kraft- und Momentenmessung Messeinrichtungen, die durch mechanische Verformungen ihren elektrischen Widerstand ändern. Grundaufbau: Folien-DMS Messgitter wird auf ein Trägerfolie aufgebracht. Zum Schutz des Gitters wird es mit einer Abdeckfolie versehen. Dieser Streifen wird mit Klebern auf das Werkstück aufgebracht Wofür? eingesetzt, um Formänderungen (Dehnungen / Verdichtung) an der Oberfläche von Bauteilen zu erfassen. Rückschluss auf wirkende Kräfte und Momente Prinzip:  Widerstands-änderung des Messdrahts durch Längen- & Querschnittsänderung.→ Wird er gedehnt (positive Dehnung), so nimmt sein Widerstand zu.→ Wird er verdichtet (negative Dehnung), so nimmt sein Widerstand ab. Er misst damit die Spannungsänderung Verstärkung des Messsignals durch Verschaltung in Wheatstone-Brücke Messschaltungen: Um die Dehnungen messbar zu machen, wird die elektrische Brückenschaltungen verwendet, weil DMS wie ein ohmscher Widerstand wirkt, wenn er in einer elektrischen Schaltung verbaut wird. Viertelbrückenschaltung = 1 von 4 Widerständen der Brücke durch DMS ersetzt. Halbbrückenschaltung = 2 von 4  Widerständen der Brücke durch DMS ersetzt. (⇒ Doppelt  so empfindlich als Vierteil-.) Vollbrückenschaltung = alle 4 Widerstände durch DMS ersetzt. (⇒ Doppelt so empfindlich als Halb-.)
• VL-Beispiel, wo, wofür, wie DMS im Auto eingesetzt wird, Wo DMS (Dehnungsmessstreifen) in Autos? = Sitzbelegungs-erkennung Wofür? zur Reduzierung der Unfall-Instandsetzungs-KOSTEN ⇒  Beifahrer-Airbag wird bei UN-belegtem Sitz deaktiviert Wie? Sitzbelegung und Gewicht von Personen werden durch DMS bestimmt. Das Gewicht dient der Airbag-Auslöse-elektronik zur Entscheidungsfindung zur Zeit des Unfalls. Abstand des Passagiers vom Airbag kann mit zusätzl. Sitzpositionssensor bestimmt werden ⇒ Aufteilung in die Zonen:i) Rot = Airbagauslösung wird unterdrücktii) Gelb = herunter-geregelte od. stufenweise Airbagauslösung iii) Grün = vollständige Airbagauslösung
• Was bedeutet GPS? wie funktioniert es? Anwendung in der Landwirtschaft? Global Positioning System: Ein System zu Positionsbestimmung durch den Einsatz von Navigationssatelliten. Satellitensystem: 24 Satelliten, kreisen ca. 20.200 km Höhe die Erde um. Prinzip: Die einzelnen Navigationssatelliten  senden permanent ihre Position und die aktuelle Uhrzeit in Richtung Erde. GPS-Empfänger empfängt die Daten von mindesten 4 Satelliten → 3 Satelliten zur Bestimmung der Raum-koordinate      (geographische Breite, Länge und Zeit; Höhe schon bekannt)→ 1 Satellit zur Berechnung des Empfänger-uhren-fehlers die aktuelle Position wird aus der Zeit, die die Signale vom Satellit zum Empfänger benötigen errechnet. Berechnung: Pseudo-entfernungen von Empfänger zu den Satelliten Unbekannte Position des Empfängers: Vektor VE (Koordinaten XE YE, ZE ) = vom Massenmittelpunkt der Erde (Geozentrum) zum Empfänger Bekannte Position der Satelliten: Vektor VSi (Koordinaten XSi, YSi, ZSi)= vom Geozentrum zum Satelitten ⇒ Pseudoentfernung von Satellit 1 = P1 = √ (XS1 -XE)2 + (YS1 -YE)2 +(ZS1-ZE)2  Anwendung von GPS in der Landwirthschaft: Verknüpfung von Ergebnissen aus Bodenanalysen mit GPS-Daten→ gezielte Düngung und Schädlingsbekämpfung (Dosierung basierend auf GPS-Daten) Sensoren an Erntemaschinen und GPS-Daten → Ertragskarten
• Tachogeneratoren: Wozu? Funktionsweise? Tachogeneratoren: Messung von Drehzahl & Geschwindigkeit Funktionsweise Ähnlicher Aufbau wie Gleichstrom-motoren (= Zufuhr von mechanischer  Energie & elektrische Energie wird entnommen) Induktion einer Spannung in der Leiterschleife  entsprechend der Drehrichtung und Drehzahl Abgriff der Spannung über Kommutator & Bürsten → Ausgangssignal an Auswerteelektronik
• Funktionsweise von Drehzahl-Sensoren, Beispiele von solchen Sensoren und ihre Funktion. Funktionsweise von Drehzahl-Sensoren: = Induktiv Die Drehzahlsensoren detektieren die Bewegung von ferromagnetischen Strukturen (Zahnrädern) über die Veränderung des magnetischen Flusses Ein Zahn / eine Lücke, der/die sich am Sensor vorbei bewegt, beeinflusst das Magnetfeld unterschiedlich. Diese Magnetfeld-änderungen induzieren eine elektrische Wechselspannung und diese werden aufbereitet processing. Die Amplitude und Frequenz (relevant) des Spannungssignals abhängig von Drehzahl  ABS-Sensor am Motorrad/Auto: (ABS = Antiblockiersystem) Funktion: verhindert das Blockieren der Räder beim starken Bremsen und gewährleistet eine bessere Lenkbarkeit des Autos Messprinzip: Messen der Raddrehzahlen Ermittlung: Beschleunigung od. starkes Abbremsen. Sinkt die Bremsdrehzahl an einem Rad, (über den Sensorring erkannt), dann fängt ABS an zu blockieren um die Räder manövierfähig zu halten. Quelle: https://www.fairgarage.de/abs-sensor & wiki
• Tauchspulenaufnehmer: wofür? Messprinzip? Tauchspulenaufnehmer = Induktionssensoren Wofür? Geschwindigkeitsmessung*Induktionssensoren = Da die Höhe der induzierten Spannung von der Flußänderung abhängt, werden diese Sensoren hauptsachlich zur Geschwindigkeitsmessung eingesetzt Messprinzip: Induzierte Spannung in der Spule bei Relativbewegung der Spule gegenüber dem Eisen-Kern Gemessene Spannung ist proportional der Geschwindigkeit nach Induktionsgesetz Es gilt: mit: U = K × B × v B: Magnetfeld K: Konstante, abhängig von Spulengeometriev: Schwinggeschwindigkeit  
• Federvakuummeter: Wozu? Funktionsweise? Federvakuummeter = Druckmessgerät (rein mechanisch) Funktionsweise: Gebogene Rohrfeder mit ovalem Querschnitt wird unter Druckeinwirkung aufgebogen. Die Kraft wird in eine bogenförmige Bewegung umgesetzt, die dem Antrieb des Zeigers dient.
• U-Rohr-Manometer: Wozu? Funktionsweise? U-Rohr-Manometer = Druckmessgerät (Offene & geschlossene Ausführungen design) Funktionsprinzip: Druckdifferenz wird durch das Verschieben einer Flüssigkeitssäule column angezeigt Offene U-Rohr-M. misst den Druckdifferenz zum Umgebungsdruck Geschlossene U-Rohr-M.: – mit Vakuum misst den Absolutdruck– mit Gasblase misst einer Systemdruck (p1·V1 = p2·V2) h = (p2 − p1) ÷ (ρf • g) = Δp ÷ (ρf • g)
• Feuchtegehaltsbestimmung in der Agrartechnik: Wie? Einflussgrößen? Einsatzbereich? Feuchtegehaltsbestimmung durch: Änderung des elektrischen Widerstands- ↑ Feucht (h) ⇒ ↓ Widerstand (R)- ↓ Feucht (h) ⇒ ↑ Widerstand (R)R = f (humidity, h) ∼ U/I Änderung dielektrischer Stoffgröße Einflussgrößen: Chemische Zusammensetzung Dichte Temperatur Inhomogene Feuchteverteilung Elektrisch leitende Stoffe Kontakt Messpunkt-Elektrode Einsatzbereich: Getreide, Saatgut, Holz
• Agrarwirtschaft: Erntegut-Mengenbestimmung: z.B.? Was für eine Messgröße? Geräte dafür? Wozu? Erntegut-Mengenbestimmung 1. Volumenmessung Verfahren bei: Claydon: 1) Füllen bis zur Sensorposition2)  Entleeren über Flügelrad, (= Messung der Flügelradumdrehungen) Ceres1) Erfassen Hell/Dunkel-Zeitperioden mit Hilfe von Lichtschranken2) Messung der Förderbandgeschwindigkeit  2. Massenmessung Verfahren bei:  Flowcontrol:1) Erfassen der Strahlungsintensität  einer Gammaquelle  als Funktion des Fördergut-Massestromes2) Messung der Förderbandgeschwindigkeit  Förderband mit Waagearm: 1) Kraftmessung mit Hilfe von DMS am Ende des „Waagearm“2) Messung der Förderbandgeschwindigkeit
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• Piezoelektrische Sensoren: wozu? Piezoelektrische Sensoren: Bestimmung von Druck, Beschleunigung, Spannung, Kraft: 2 wesentliche Materialgruppen eingesetzt: – piezoelektrische Keramiken– einkristalline-Materialien. Unbelasteter Kristall mit neutraler Dipolstruktur Ladungsverschiebung bei Verformung des Quarzkristalls Von Wiki: https://de.wikipedia.org/wiki/Piezoelektrischer_Sensor

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