Praktikumsfragen 1 - Messtechnik Praktikum PDF

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Messtechnik Praktikum...

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Me s s te ch n ik I Praktiku m : Pra ktiku m s fra ge n Um die täglichen, 15minütigen Tests vor den Versuchen zu bestehen, benötigt man 10 von 20 Punkte, meist werden einem 9 Fragen gestellt, die großteils in dem folgenden Fragenkatalog zusammengefasst sind. Trotzdem ist es sinnvoll, neben dem Lernen der Fragen sich auch das Praktikumsskript und darin stehenden Versuchsaufbauten und –Durchführungen durchzulesen, da die Mitarbeiter öfters auch man nach Funktionseigenschaften und Anwendungen der einzelnen Geräte fragen. Außerdem ist auf die richtige Reihenfolge der Versuche im Skript (es gibt teilweise Unterschiede in der Nummerierung – hier vom Frühling 2007) und auf die Reihenfolge der Versuche, abhängig von der Arbeitsgruppe in der man ist (steht auf der Homepage vom Institut und in den vom Praktikumsleiter verschickten Email). Dieser Frag en k atalog erhebt kein en An spru ch au f Vollstä n dig keit un d R ichtig keit

Ve rs uch 1: Le is tun gs m e s s un g 3 verschiedene Bremstypen (Bremsdynamometer): Mechanische Reibung (Prony’scher Zaum), elektrische Wirbelströme (Wirbelstrombremse), Strömungswiderstand (Wasser-, Luftbremse) Funktionsweise und Skizze einer Wasserwirbelbremse (≠ Wasserreibungsbremse): Siehe Vorlesun gsskript Seite 71 & Seite 72, Abb. 4.26 Funktionsweise und Skizze einer Wasserreibungsbremse: Kennfeld der Wasserreibungsbremse und Bezeichnung der Teile: Siehe Praktikum sskript Seite 5f, & Seite 6, Abb. 1.2 Vorteile & Nachteile einer Wasserbremse gegenüber einer elektrischen Wirbelstrombremse: Vorteil: große Leistung, großes Drehmoment Nachteil: schlechter zu regeln (nicht so genau regulierbar) Wie funktioniert das Einschaltdynamometer: Sind in Wellenstrang eingefügt müssen gesamte Energie aufnehmen und (verlustlos) weiterleiten; Drehmomentschwankungen werden genau gemessen; Messsignal in elektrisches Signal umformbar; Beispielverfahren Torsionsdynamometer: Welle tordier Torsionswinkel kann gemessen werden und ist ~ dem gesuchten Drehmoment. Wie kann das Messsignal beim Einschaltdynamometer übertragen werden: Drehmoment wird gemessen; Messsignal kann in elektrisches Signal umgeformt werden Wie funktioniert das Rückdruckverfahren: Messung des Rückdrehmoments mit Hilfe des pendelnd gelagerten Gehäuses, an welchem ein Hebelarm bekannter Länge festgemacht ist - Messen durch Austarieren mit Massestücken Unterschied zwischen Rückdruckverfahren und Einschaltdynamometer: Bei Rückdruckverfahren wird das Rückdrehmoment des Gehäuses gemessen (Gehäuse ist pendelnd gelagert, über einen Hebelarm wird die Auslenkung gemessen) im Gegensatz dazu wird beim Einschaltdynamometer das Drehmoment direkt im Wellenstrang gemessen. Beziehung zwischen Verdrehwinkel und Drehmoment beim Torsionsdynamometer: 32 M t il P = M t iω = M t i2π i f und M t = F i l − M Lüfter ϕ= Gi π id 4 Leistung an Pendelmaschine in Abhängigkeit von der Drehzahl: n P = F i li2π i f wenn n in Umdrehung pro Minute mit f = 60

Wirkungsgrad-Gleichung Motor: PK ηm ,M = PK + PV Wirkungsgrad-Gleichung bei Kolbenverdichtern: P −P ηm ,V = K V PK Indikatordiagramm (mit Beschriftung) des 4-Takt-Dieselmotors: Indikatordiagramm (mit Beschriftung) des 2-Takt-Ottomotors: Indikatordiagramm (mit Beschriftung) des 4-Takt-Ottomotors: Siehe Praktikum sskript Seite 16, Abb. 1.2 Was ist schädlicher Raum: Da der Kolben nicht ganz bis zum Ende des Zylinders vorstoßen darf und die Ventile nur endlich schnell öffnen/schließen, kann das verdichtete Fluid nicht ganz aus dem Zylinder gestoßen werden Schaltbild eines elektrischen Indikators zeichnen und beschriften: Schaltbild eines mechanischen Indikators zeichnen und beschriften: Siehe Praktikum sskript Seite 22, Abb. 1.10 bzw . 1.11

Ve rs uch 2 : Me ch an is ch e Grö ße n Aufbau, Funktion und Wirkungsweise eines DMS: Messgitter mit 2 Anschlüssen aus Widerstandsdraht oder aus dünnem Kunststoffträger herausgeätzt. Formänderung (Dehnung / Stauchung) proportional zur Widerstandsänderung (Proportionalitätsfaktor k); Widerstandsänderung wird über Wheatstone’sche Brückenschaltung in proportionale elektrische Spannung umgeformt; Verstärkung und Anzeige k-Faktor: R 1 k= i R ε Welche Größe beeinflusst die Messung mit DMS und wie wird dieser Fehler kompensiert: Temperatur; wird bei temperaturkompensierten DMS über den Temperaturausdehnungskoeffizienten (bei jedem Werkstoff verschieden) berücksichtigt Einflüsse der Temperatur auf DMS: Der Widerstand ändert sich, außerdem soll Temperaturausdehnung des Materials oft nicht mitgemessen werden (sondern oft nur die rein mechanische Dehnung) Empfindlichkeitsunterschiede Voll-, Halb- und Viertelbrücke: U H i R U ik iε = H mit {1;2;4} für Voll-, ½- und ¼-Brücke (kleinste Empfindl.keit) UA= {1;2;4} R { 1;2;4} Skizze einer Viertelbrücke (Zug oder Biegung): Skizze einer Halbbrücke (Zug oder Biegung): Skizze einer Vollbrücke (Biegung): Siehe Praktikum sskript Seite 29, Abb. 2.4 Warum funktioniert Vollbrücke beim Zugstab nicht: Geht nur, wenn am Bauteil Zonen betragsmäßig gleich großer Dehnung mit verschiedenen Vorzeichen vorhanden sind (Zug und Druck) – beim Zugstab ist kein Druck vorhanden.

Was sind die Vorteile der Vollbrücken- gegenüber der Viertelbrückenschaltung: 4-fach stärkeres Ausgangssignal und Temperaturkompensation Wie kommt man bei der Messung der Beschleunigung auf die Strecke des Schwingers: v a a x= 2 analog für Geschw in digkeit: x = bzw . v =

ω

ω

ω

Kraft einer Unwuchtmasse auf die starre Lagerung eines Rotors: F = ω 2 i m ir Frage nach dem logarithmischen Dekrement: Beschreibt den Abklingvorgang bei gedämpften Schwingungen x D Λ = ln 0,n = 2π mit D als Dämpfung x 0,n + 1 1 −D2 Wozu ist die Vergrößerungsfunktion da, oder was macht man mit ihr: Bestimmen, mit welcher Amplitude die Masse des angeregten Systems schwingt Was ist die Größe V? Vergrößerungsfunktion V =

x0 y0

(siehe Praktikumsskript Seite 38)

Beschreiben Sie ein Verfahren zur Messung der Schwingstrecke: • kapazitiv: Durch Schwingung wird eine Platte verschoben; Bei Plattenabstandsänderung ändert sich auch die Kapazität • induktiv: Eisenkern schwingt in Spule; Primär- und die zwei Hälften der Sekundärwicklung sind übereinander gewickelt; wenn Kern in der Mitte: Ausgangsspannung = 0; bei Verschiebung ändert sich die Differenz zwischen den Sekundärspulensignalen proportional zur Kernverschiebung • resistiv: Materialdehnung beim Schwingen erzeugt Widerstandsänderung in aufgeklebtem DMS; mit Wheatstone’scher Brücke in (Wert der Messgröße) proportionale Spannung umformbar Beschreiben Sie ein Verfahren zur Messung der Schwinggeschwindigkeit: elektrodynamisch: Spule schwingt im Magnetfeld; induzierte Spannung proportional zur Schwinggeschwindigkeit Beschreiben Sie ein Verfahren zur Messung der Schwingbeschleunigung: piezoelektrisch: Schwingbeschleunigung auf die Aufnehmermasse erzeugt Kraft auf piezoelektrisches Material → Ladungserzeugung; Ladung ~ Beschleunigung Warum ist die Kenntnis der Eigenfrequenz des Schwingaufnehmers für einen bestimmten Verwendungszweck wichtig: Was muss man bei der Eigenfrequenz eines Messgerätes bzgl. des Messortes wissen: Siehe Vorlesun gsskrip t Seite 38 f & Seite 96f

Ve rs uch 3 : Me s s un g um w e ltbe zo ge n e r Grö ße n Wie sind die Gleichungen für die unvollständige und vollständige Verbrennung von Luft: vollständig: C + O 2 → CO 2 + W ä rm e unvollständig: 2C + O 2 → 2CO +W ä rm e Wie bestimmt man den CO-Gehalt im Abgas, wenn O2- und CO2-Gehalt bekannt sind: Bunte-Dreieck: Parallelen zu BC geben Prozent-Gehalt von CO an, Brennstoffwert kmax muss auch bekannt sein Welche Größen müssen zur Bestimmung des CO-Gehalts (Bunte-Dreieck) bekannt sein: CO2-Gehalt, O2-Gehalt und kmax -Wert des Brennstoffs

unvollständige Verbrennung: λ = n < 1 : Ruß-, CO-Bildung Warum strebt man bei Fahrzeugen mit Katalysator Luftmangel an: Warum wird bei der Verbrennung im Motor λ < 1 gewählt: zwar mehr CO (KAT verbrennt es zu CO2), aber weniger schädliches NOx BINOS - Fotometer beschreiben: Infrarotstrahlungsabsorption wir gemessen: von Wellenlänge auf Gasart, wie stark absorbiert Menge Wie misst man im Kfz-Bereich CO- und CO2-Gehalt im Abgas (mit Beschreibung): NDIR-Fotometer (Rosemount-BINOS) – Beschreibung s.o. Wie misst man im Kfz-Bereich den Sauerstoffgehalt im Abgas (mit Beschreibung): Oxymat- Verfahren: Nutzt paramagnetische Eigenschaft von O2; O2 wird in inhomogenem Magnetfeld in Richtung größerer Feldstärke angezogen Druckunterschied; Mess- und Vergleichsgas in Magnetfeld Zusammengeführt ergibt messbare Strömung; Mikroströmungsfühler ergibt elektrisches Signal Chemielumineszenz beschreiben: (= Nucletron:) NOx Messung; Reaktionskammer mit O3 im Überschuss; eingeleitetes NO wird zu NO2 → teilweise in angeregtem Zustand → zerfällt wieder → Lichtabgabe; Messung mit Fotometer; Wie funktioniert das FID-Verfahren: Flammenionisationsdetektor (CmHn-Emissionserfassung): Wasserstoffflamme in elektrischem Feld; CmHn-Abgas wird eingeleitet → organische Verbindungen entstehen → teilweise Ionisierung des Kohlenstoffs; wegen elektrischer Feldwirkung entsteht Ionenstrom, der proportional zur Anzahl C-Atome ist (CO und CO2 werden nicht erfasst). Definition von Schalldruckpegel: p = Effektivwert eine Schalldruckes, ⎛ p ⎞ Lp = 20 lg ⎜ ⎟ dB p 0 = 2i10 − 5 Pa (Hörschwellenwert eines jungen Menschen) ⎝ p0 ⎠

Definition von Schallleistungspegel: ⎛ P⎞ LW = 10lg ⎜ ⎟ dB mit P0 = 10−12 W P ⎝ 0⎠

(Inten sitätspegel analog)

Addition von Leistungspegeln: Formel und Berechnung des Gesamtschalldruckpegels: LW ,i L p ,i ⎛ N ⎞ ⎛ N ⎞ dB 10 10 [*] LW , g es = 10 lg ⎜ ∑ 10 dB ⎟ dB Lp = 10 lg ⎜ ∑10 dB bzw . ⎜ i= 1 ⎟ ⎜ i= 1 ⎟⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ Gesamtschalldruckpegel von 2 Quellen mit je 60 dB ausrechnen: 60 dB ⎛ ⎞ Lp = 10 lg ⎜ 2i 1010 dB ⎟ dB = 63,01 dB [*] ⎝ ⎠ Formel und Berechnung des mittleren Schalldruckpegels: Lp ,i ⎛ 1 ⎛ N ⎞⎞ Lp = 10 lg ⎜ ⎜ ∑10 10dB ⎟ ⎟ dB [*] ⎟⎟ ⎜ N ⎜ i= 1 ⎝ ⎝ ⎠⎠ Berechnung von einem mittleren Schalldruckpegel bei zwei Quellen von 80 dB und 90 dB: Lp 1 Lp 2 ⎛ 1⎛ ⎞⎞ Lp = 10 lg ⎜ ⎜10 10dB +10 10dB ⎟ ⎟ dB = 87,40 dB [*] ⎟⎟ ⎜ 2⎜ ⎠⎠ ⎝ ⎝

Unterschied zwischen Oktav- und Terzfilter: f f 3 Oktavfilter: o = 2 Terzfilter: o = 2 fu fu Hörbarer Frequenzbereich des menschlichen Ohrs: 16 Hz bis 16 kHz Wie ist die Schallintensität definiert (mit Formel): Schallleistung pro Hüllfläche I = p iv Maschine zur Schallleistungsmessung mit Erklärung: Skizze zur Bestimmung der Schallleistung: Siehe Praktikum sskript Seite 67, Abb. 3.10 Was versteht man unter Schallemission und –Immission: Emission wird durch Maschine erzeugt, Immission wird durch Umgebung absorbiert Was bedeutet A-Bewertung: Sehr hohe und sehr tiefe Töne werden vom menschlichen Gehör schwächer erfasst als die in im mittleren Bereich (1-6 kHz). Soll beispielsweise ein Summenpegel errechnet werden, ist das frequenzabhängige Hören zu berücksichtigen und die Pegel nach der (bei der A-Bewertung vereinfachten) Frequenzgangskurve zu berichtigen. ⎛ 20LdB ⎞ mathematisch korrekt wären Druck-Pegelformeln mit 20 lg ⎜ 10 ⎟ [Skript: Näherungsformel] ⎝ ⎠ p

[*]

Ve rs uch 4 : D ruck- u n d Te m pe raturm e s s un g Unterschied zwischen Kalibrieren und Eichen: Unterschied zwischen Kalibrieren und Justieren: • Kalibrieren: Zusammenhang (Differenz) zw. Eingangs-, Ausgangsgröße feststellen • Justieren: Eingriff in das Messgerät, sodass die Ausgangsgröße (Anzeige) möglichst wenig vom Istwert abweicht. • Eichen: amtlicher Vorgang, der bestätigt, dass das Messgerät zum Zeitpunkt die Prüfung den vorgeschriebenen Richtlinien erfüllt. Skizze U-Rohr-Manometer und Druckgrundgleichung: Siehe Praktikum sskript Seite 83, Abb. 4.2 p 1 + ρ 1 i g ih + ρ 2 i gi h1 = p 2 + ρ 2 ig i h 2 Unterschied zwischen einem U-Rohr-Manometers und einem Hq-Barometers: Hg-(Quecksilber-) Barometer gibt Absolutdruck an, ein Manometer einen Differenzdruck zu einem Vergleichsdruck Funktionsweise Federrohrmanometer: Gekrümmtes Rohr verbiegt sich unter Druck; auf der einen Seite fest eingespannt; am anderen Ende Auslenkung → mechanische Übertragung auf den Zeiger; Differenzdruck zur Atmosphäre wird gemessen Funktionsweise eines kapazitiven Druckmessers: Kondensator; außen feststehende Elektroden Membran als Mittelelektrode; Verformung der Membran durch Druck bewirkt gegensinnige Änderung der Kapazität und dadurch ein Spannungssignal Welche Größen müssen bei Druckmessung mit Kolbenwaage bekannt sein: Durch Kolbendurchmesser wird Druckklasse (Messgenauigkeit) bestimmt; wegen sehr genauer Kalibrierung keine weiteren Werte zur Druckmessung nötig

Stelle in einem Diagramm den Hysterese- und Nullpunktfehler dar: Siehe Praktikum sskript Seite 92, Abb. 4.18 Erklärung: Toleranzbandmethode, Grenzwertmethode: Siehe Praktikum sskript Seite 93, Abb. 4.19 (Fehlerkorrekturen ) • Grenzwertmethode: Anfangs- und Endpunkt der Ist-Kurve müssen mit Soll-Kurve (Ausgleichsgeraden) übereinstimmen • Toleranzbandmethode: nur Minimalprinzip erfüllt Skizze Thermoschaltung und Benennung der Metalle: Siehe Praktikum sskript Seite 10 5, Abb. 4.23 Vorteil von Hintereinanderschalten von Thermoelementen: Erhöhen Ausgangssignal: 4 Thermoelemente vervierfachen das Messsignal Warum wird beim Thermoelement eine Vergleichsstelle benötigt: Mit einem Thermoelement misst man die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Umgebungstemperatur, gekoppelt mit einem Zweiten kann Absoluttemperatur gemessen werden Vorteil einer Vierleiter- gegenüber einer Zweileiterschaltung (Begründen): Der Leitungswiderstand bei der Temperaturmessung mit dem Widerstandsthermometer schwer zu bestimmen, muss aber bei Vierleiterschaltungen nicht berücksichtigt werden. Bei Zweileiterschaltungen wird er mit gemessen und verursacht eine Messungenauigkeit. Zusammenhang zwischen angezeigter/wahrer Temperatur bei einem trägen Thermoelement: Siehe Praktikum sskript Seite 115, Abb. 4.31 Was muss man bei der Temperaturmessung bei schnell strömenden Gasen beachten: In schnell strömenden Gasen misst man auf Grund von Stau und Reibung eine erhöhte Temperatur (Stautemperatur).

Ve rs uch 5 : D urch flus s m e n ge n m e s s un g Wie bestimme ich die Dichte von Luft: J p ρ= mit R = 287,02 und T in Kelvin R iT k gi K Dichte von Luft bei 1 bar und 20°C: 100000 Pa kg kg ρ= = 1,19 3 (Achtung: Wasser hat eine Dichte von ρ = 1000 3 ) 293,15K iR m m

Welche ( 2 ) Vereinfachungen sind der Bernoulli-Gleichung vorausgesetzt: Reibungsfreiheit und stationär fließendes, inkompressibles Fluid vorausgesetzt. Vor- und Nachteile von Drosselgeräten: Vorteil: Einfache Handhabung, einfache Funktionsüberprüfbarkeit; für strömende Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe bei beliebigen Drücken und Temperaturen anwendbar; Genauigkeit: Fehler < 1% | Nachteil: großer Energie- bzw. Druckverlust Berechnung vom Volumenstrom in der Einströmdüse: m v = p = p am b − p Dü m = α i ε i A d 2i ρ i p

ρ

Funktionsweise Einströmdüse: Bestimmung des Massendurchsatzes am Eintritt in ein Leitungssystem (Messung der Luftströmung); Massendurchfluss wird berechnet wie bei Drosselgeräten, jedoch ist p = p am b − p Dü = Umgebungsdruck - stationärer Düsendruck

Welche Größen sind bei der Messung mit Normblende zu messen: p = p 1 − p 2 (p1 vor und p2 hinter der Blende); außerdem sind AD, Ad, ρ Warum benötigt man zur Berechnung des Massenstrom auch α und ε: Bedeutung von α und ε Durchflusszahl α erfasst unter anderem Abweichungen durch Reibung und Druckänderung in Drossel; Dichteänderung (bei kompressiblen Strömungsmedien) wird durch Expansionszahl ε berücksichtigt Funktionsweise und Skizze des Prandl-Staurohrs: Siehe Vorlesun gsskript Seite 126 & Seite 127, Abb. 7.2 Siehe Praktikum sskript Seite 132, Abb. 5.8 & Seite 141 Funktionsweise (und Zeichnen) des Schwingkörperdurchflussmessers: Luftstrom wird durch Strahlteiler in zwei gleichgroße, parallele Strahlen umgelenkt. An den Hinterkanten bilden sich Wirbel, die den pendelnd zwischen dem Strahlteiler gelagerten Schwingkörper in Schwingung versetzen. Frequenz hängt (bis auf anlagenbedingte Einflüsse) nur von Massenstrom & Dichte ab. Erklärung des Prinzips des Laminardurchflussmessers: Laminarer Durchfluss (Re < 2300) muss gegeben sein. Querschnitt wird deshalb durch sehr große Anzahl Glaskapillare unterteilt (Re wird um 10² bis 10³ verringert); Volumenstrom proportional Druckabfall Δp an der Messstrecke mit Länge l; Proportionalitätsfaktor ist Gerät beigegeben. Siehe Praktikum sskript Seite 135, Abb. 5.13 Grenzen der Reynoldszahl: Re < 2300: laminarer Durchfluss, Re > 2300: turbulenter Durchfluss; mit speziellen Drosselgeräten ist Durchfluss mit bis zu Re = 500 messbar Funktionsweise des Thermischer Massenstrommessers: Wärmeübergang zwischen Strömung und darin befindlichem Körper nimmt mit Strömungszunahme zu. Zwei wärmeempfindliche Sensoren, einer beheizt; bei Strömungsstillstand große Temperaturdifferenz, bei Ströhmungszunahme Differenzabnahme. Da Wärmeübergang auch dichteabhängig, zusätzlich ein thermischer Messfühler zur Massenstromdichte-Bestimmung nötig. Funktionsweise des Schwebekörperdurchflussmessers: Senkrechtes, nach oben konisch weiter werdendes Rohr; darin ein loser, kreiselähnlicher, metallener Schwebekörper; FG wirkt FA (Auftrieb) und FSt (Strömungswiderstand) entgegen; wegen Konizität nimmt FSt nach oben ab. Wenn Kräfte im Gleichgewicht (FG=FA+FSt), eindeutige Position (~ Volumenstrom ) des Schwebekörpers ablesbar; Einfaches Verfahren, aber mäßig genau und abhängig von Viskosität und Dichte des Mediums. Funktionsweise des MID = Magnetisch-induktiven Durchflussmessers: elektrisch leitfähiges Fluid → Induktionsgesetz gilt: Messmedium ist Leiter, der durch Magnetfeld bewegt wird. Strömungsgeschwindigkeit ~ induzierter Spannung; wird über 2 isolierte, an der Wand angebrachte Elektroden gemessen. Vorteile: Hochgenaue Absolutanzeige des Massenstroms möglich, einfacher konstruktiver Aufbau, ohne bewegliche Teile...