VL1-12 - SS2020 Biosystemtechnik , Molekulare und Angewandte Pflanzenwissenschaften PDF

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SS2020 Biosystemtechnik , Molekulare und Angewandte Pflanzenwissenschaften...

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Biosystemtechnik V1 - Einführung Messungen       Regelung       

quantitativer Vergleich zwischen zwei Größen, der Messgröße und der Bezugsgröße für die Bestimmung dieser, ist eine Messeinrichtung notwendig Ergebnis ist der Messwert Messgröße: Temperatur, Druck Bezugsgröße: geschlossenes System, in dem ermittelt werden soll, wie groß die Messgröße ist Messeinrichtung: Hilfsmittel, mit dem sich die Messgröße bestimmen lässt

es gibt variable Größen, die man angleichen will  Veränderung soll vorgenommen werden eine Regelgröße wird erfasst und mit der Führungsgröße (andere variable Größe) verglichen Festlegung eines Sollwertes, Feststellung des reellen Ist- Wertes (z.B. Messerwert: Temperatur) Vergleich von Soll und Ist  Abweichungen vorhanden? Ziel der Regelung: Abweichungen minimieren (Toleranzbereich) bzw. eliminieren, der Soll-Wert soll möglichst dicht an dem Ist-Wert liegen Korrekturmaßnahmen werden ergriffen äußere Störungen beeinflussen den Ist-Wert

Wachstumsfaktoren  

Nährelemente/Phytohormone physikalische Faktoren: Licht, Temperatur, Bodenfeuchte etc., wirken von außen auf die Pflanze und Wachstum/Verhalten beeinflussen

VL2-Messdaten Wachstumsfaktoren  Def.: „Wachstumsfaktoren sind Nährelemente und Phytohormone, im weiteren Sinne aber auch physikalische Faktoren wie Licht, Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit etc..“ Interaktion und Auswirkungen Messbare Wachstumsfaktoren:  Licht  Wärme  CO2  Wasser  Luftfeuchte  N, P, K.Ca,Mg, Fe Auswirkungen:  z.B. Biomasse  Gewicht  Länge und/oder Breite  Farbe  Inhaltsstoff Interaktion/Auswirkung  Gewächshaus: Umwelteinflüsse reduzieren  Feld  Bioreaktor  Klimakammer  Phytotron Beispiel Temperatur 

Temperatur zu warm Lüftung auf, Schattierung zu, aktive Kühlung



zu kalt: Heizung an, Schattierung auf (aber gleichzeitig Ausschluss von Licht), Lüftung

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Beispiel Licht  zu viel: Bellichtung  zu wenig: Schattierung  Spektrum: Lichtquellen

Grundlagen zur Messung Messung Definition nach DIN 1319: „Ausführung von geplanten Tätigkeiten zum quantitativen Vergleich der Messgröße und einer Bezugsgröße“   

Quantitative Aussage über eine Messgröße durch Vergleich mit einer Einheit Ziel der Messung  verlässliche Aussage über die unbekannte Größe eines Objektes Ergebnis der Messung  Messwert

Grundbegriffe  Messobjekt: beliebiges Objekt (z.B. Apfel) oder Prozess (z.B. Strömung).  Messgröße: Die interessierenden Eigenschaft des Messobjekts  Messwert: Beschleunigung Wassergehalt Volumen, Temperatur, Masse, Position, Energiegehalt  Ergebnis der Messung, wobei: Messwert = Maßzahl * Einheit (z.B. Masse des Objektes = 0,23 kg) Ablauf einer Messung (Vorgehen) 1. Messaufgabe festlegen 2. Messeinheit benennen 3. Randbedingungen klären 4. Wahl der Messeinrichtung 5. Kalibrieren der Messeinrichtung 6. Festlegung des Messablaufs 7. Durchführung der Messung 8. Berücksichtigung von Einflussgrößen 9. Vollständiges Messergebnis angeben 1.

Messaufgabe festlegen Eindeutige Definition von:  Messzusammenhang (… Bezugsgröße: auf welche Einheit, auf welchen genauen Wert)  Messobjekt (… Messgröße)  physikalische Messgröße (… Messwert)

2.

Messeinheiten benennen: Festlegung der Maßeinheit für das Messergebnis  Einheit und Einheitenzeichen (SI-System!  m, kg, s, A, K, mol, cd  geeignete Dimension z.B. durch Vorsätze für Zehnerpotenzen wählen  mm, cm, m, km

3.

Randbedingungen klären: Eigenschaften des Messobjekts und der Umgebung sowie „repräsentative Zustände“ beachten, u.a.  Werkstoffbeschaffenheit  Oberflächenbesonderheiten  Umgebungsbedingungen (Temperatur etc.)

4.

Wahl der Messeinrichtung  geeignete/s Messprinzip/ Messmethode wählen  Messgerät auswählen, insbesondere hinsichtlich Sensitivität und Genauigkeit, Messbereich

5.

Kalibrieren der Messeinrichtung  Definition: Messprozess zur zuverlässig reproduzierbaren Feststellung und Dokumentation der Abweichung eines Messgeräts (DIN EN ISO 9000 „Qualitätsnorm“).  Unterschied zur normalen Messung: Ergebnis was rauskommen sollte, ist bekannt  Vorgehen: o Ablauf der Kalibrierung planen (= Messprozess) o Aufstellung eines mathematischen Modells o Durchführung der Kalibrierung o Begriff „Eichen“ meint das Kalibrieren im staatlichen Zuständigkeitsbereich

2

6.

Festlegung des Messablaufs  Zeitliche und örtliche Festlegung der Einzelmessung  Reihenfolge von Einzelmessungen und Wiederholungen (verschie. Proben)  Räumliche Verteilung mehrerer Einzelmessungen  Messpunkte (Messstellen), Messprofile, Raster

7.

Durchführung der Messung  Einzelmessung vs. mehrere Messungen (Einzelmessungen können als Anhalt dienen, sind jedoch nie repräsentativ)  bei mehreren Messungen müssen die Messbedingungen identisch sein  Angabe von Mittelwert und Standardabweichung, d.h. Statistik erforderlich

8.

Berücksichtigung von Einflussgrößen  Korrektur von systematischen Messabweichungen (z.B. Drift: bei LED)  Korrektur auf einheitliche Bedingungen

9.

Vollständiges Messergebnis angeben  Messergebnis besteht aus Messwert und Aussagen zur Messunsicherheit (welche Faktoren hatten Einfluss?)  statistische Analyse mehrerer Messergebnisse  Werte aus Kalibrierung und die Genauigkeitsklasse eines Messgeräts werden mit angegeben

Messmethoden Fundamentalvoraussetzungen 1. Die Messgröße muss: a) Qualitativ eindeutig sein (z.B. Länge, Gewicht, etc.) und b) Quantitativ bestimmbar sein (z.B. stetiger Wert bspw. Temperaturwert; Gegenbeispiel wäre: Geschmack = „subjektiver Eindruck“). 2. Es muss eine vereinbarte Einheit geben mit einer Rückführbarkeit auf SI-Einheiten (kg, m, s, A, K, cd, mol). Direkte vs. indirekte Messung Direkte Messung 

Messergebnis ist unmittelbar am Messgerät ablesbar oder durch Vergleich mit derselben physikalischen Dimension bestimmbar.



z.B. Lineal, Winkelmesser, Spannung, Strom etc.

Indirekte Messungen 

Messergebnis wird stufenweise ermittelt oder Ermittlung durch andere physikalische Dimension mit anschließender Umrechnung

 

z.B. Temperatur: Volumenänderung einer Flüssigkeit Widerstand eines Halbleiters

Analoge vs. digitale Messung Analoge Messung

Digitale Messung



Messwerte in (theor.) unendlich feiner Auflösung z.B.: 0 …10 V



 

Problem: Ablesefehler Hinweis: Bei langen Übertragungswegen werden analoge Signale „digitalisiert“ um einen Störgrößeneinfluss zu vermeiden.

 

Stufenweise Verarbeitung des Messwerts in fest vorgegebenen Schritten kleinster Schritt= Messquant  Messgröße, die dazwischen liegt, wird nicht als genauer Messwert angegeben

Kontinuierlich vs. diskontinuierliche Messung Kontinuierliche Messung 

stetige Erfassung der Messgröße

Diskontinuierliche Messung  

schrittweise Erfassung der Messgröße erkennbares Problem: verschiedene Veränderungen des Messwertes zwischen den Messstellen möglich

Bauteile und Sensoren  Komponenten zur Durchführung von Messungen  Interaktion des Sensors mit der Messgröße  Sensor (auch „Detektor“, „Aufnehmer“, „Fühler“): Messgrößen- oder Messwertaufnehmer  (Messgrößen-) Aufnehmer definiert als Teil einer Messeinrichtung, der auf die Messgröße unmittelbar anspricht

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Mess-/Wirkprinzipien  jedem Sensor liegt ein spezifisches Wirkprinzip zugrunde  Dieses ist mit verschiedenen Charakteristika und Einschränkungen verbunden Wirkprinzip  mechanisch  resistiv (= Veränderung eines elek. Widerstandes als Antwort auf Temperaturänderung  thermoelektrisch  kapazitiv  optisch (interagieren mit Photonen)  magnetisch (Lagesensoren, die elekt. Felder wahrnehmen)

Beispiel      

Manometer, Federwaage Hitzedraht, NTC, PTC Thermoelement Drucksensor, Regensensor CCD-Sensor, Fotozelle Hall-Sensor

Kriterien für die Auswahl  Preis  Genauigkeit (relativ und absolut!  relativ (% ) am sinnvollsten)  Signalauflösung  Sensitivität (kleinste Änderung, die aufgenommen werden kann)  Signal/Rausch-Verhältnis  Schutz vor Störeinflüssen  Wiederholbarkeit  Stabilität, Drift  Kalibrierbarkeit in der gesamten Messkette      

Ort, Anzahl Beeinflussung des Messsignals Wartungsaufwand Fehlerkaskaden biologisch-physikalische Interpretierbarkeit Dokumentation

Temperaturerfassung  NTC / PTC Elemente o NTC (Heißleiter) – negative temperature coefficient  Widererstand fällt bei steigender Temperatur o PTC (Kaltleiter) – positive temperature coefficient  Widerstand steigt bei sinkender Temperatur  Das Messprinzip beruht auf einer Veränderung des elektrischen Widerstandes des Materials bei unterschiedlichen Temperaturen, was in einer elektrischen Schaltung zu einer spezifischen Veränderung einer angelegten elektrischen Spannung führt. Thermoelement  Zwei metallische Leiter aus unterschiedlichen Legierungen  An einem Ende sind beide Leiter verschweißt  Thermoelektrischer Effekt (sog. Seebeck-Effekt)  Elektrische Spannung ist eine Funktion der Temperaturdifferenz und für jeden der beiden Leiter unterschiedlich  Umkehrung des Effekts Peltier-Element Lichtwertmessung  Photovoltaischer Effekt: innerer Effekt ist entscheidend, elektronen loch passrung ??? o Messprinzip: Umwandlung von Licht in elektr. Energie o Messgerät: Halbleiter-Fotodiode: Halbleitermaterialien, in dem sich die Halbleitermaterialen aufteilen in Leitungsband und Valenzband  dazwischen besteht eine Energielücke  weitere Beispiele o Pyranometer (400-1100 nm): globale Sonnenstrahlung o Photometrisch (380-770 nm): sichtbares Licht (haben bestimmte Filter verbaut) o Quantensensor (400-700 nm): photosynthetisch aktive Strahlung Leitungsband  N-Schicht  P-Schicht  Valenzband

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EC-Wert Messung  EC (Electrical Conductivity): Stärke der Fähigkeit eines Stoffes einen elektrischen Strom zu leiten,  Einheit: S m-1 (auch mS cm-1) … in SI-Einheit: 1 S = 1 A/V = 1 (A² s³) / (kg m²)  Maßzahl für die Anzahl gelöster und frei beweglicher Ionen, die eine Flüssigkeit (z.B. Gießwasser) zu einem Stromleiter machen.  Anwendung z.B. bei Nachdosierung von Dünger, Salzgehalt in Bodenlösung feststellen  Beispielwerte: Dest. Wasser 5*10-6 S m-1 

Leitungswasser 0,03 – 0,08 S m-1

Meerwasser 5 S m-1

Messprinzip: o 2 Elektroden, die in einem festen Abstand zueinander stehen  Abstand bekannt, elekt. Strom kann vermessen werden und damit Ruckschluss auf Leitfähigkeit o Kehrwert vom EC-Wert = der spezifische Widerstand des Mediums o abhängig von der Anzahl freier Ladungsträger zwischen den beiden Elektroden

Mögliche Fehlerquellen EC-Wert  Achtung: Temperaturabhängigkeit!  Eigenbewegung der Teilchen  Zunahme der Dissoziation von Ionen (NaCl  Na+ + Cl-)   

Achtung: Probleme bei der Nutzung zur Dosierung von Düngelösung nicht alle Elemente haben einen Nährwert für Pflanzen (z.B.: Na+, Cl-) keine Aussage über einzelne Nährstoffe

 

Achtung: Bei Messung des Salzgehalts im Boden hat die Bodenfeuchte einen starken Einfluss auf die Messung bei Messungen im Boden/Substrat nahe der Feldkapazität arbeiten

CO2-Wert Messung Messprinzip: NDIR Sensor (nicht-dispersiver Infrarotsensor)  Konzentration des Gases wird gemessen über die Absorption einer spezifischen Wellenlänge (hier: 4.26 µm). Messprinzip: Strahlung aus IR-Quelle trifft auf IR-Sensor  Idealerweise sollte nur das zu untersuchende Gas absorbiert werden  Verwendung eines Wellenlängenfilters  Trotzdem Querempfindlichkeit! o Wasser wird stark absorbiert, daher Einsatz von Wasserfallen TAKE HOME MESSAGES Motivation: Interaktion von (physikalischen) Wachstumsfaktoren (WF) und Pflanzen untersuchen zu können, müssen die Wachstumsfaktoren präzise bestimmt werden können  Aufgabe der Messtechnik Grundlagen  Messung = Ausführung von geplanten Tätigkeiten zum quantitativen Vergleich der Messgröße und einer Bezugsgröße  wichtige Begriffe: Messobjekt, Messgröße, Messwert  eine Messung folgt einem definierten Messablauf, welcher nicht nur die praktische Durchführung der Messung umfasst. Es lassen sich verschiedene Messmethoden unterscheiden, mit eigenen Vor-und Nachteilen bzw. Charakteristika Bauteile / Sensoren  Sensoren sind der Teil einer Messvorrichtung, welcher unmittelbar auf die Messgröße anspricht  Jedem Sensor liegt ein spezifisches Messprinzip zu Grunde, welche bestimmte Eigenschaften und Einschränkungen mit sich bringt. Hierbei müssen mögliche Störeinflüsse berücksichtigt werden.  Die Auswahl des korrekten Sensors/Messprinzips hängt immer von der jeweiligen Messaufgabe ab VL3 – Regelungstechnik Steuerung von Prozessen  Steuerung : Einrichtung zur Veränderung eines physikalisches Wertes ohne Rückkopplung der Ausgangsgrößen  Steuerung z.B. technische Einrichtung wirkt auf System indem sie Stellgröße verändert  nach DIN: Vorgang in einem System, bei dem eine/mehrere Größen als Eingangsgrößen, andere Größen als Ausgangs- bzw. Steuergrößem aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen  offener Wirkungsweg oder ein zeitweise geschlossener Wirkungsweg

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Ablauf   

Störgrößen werden gemessen Steuergerät verstellt in Abhängigkeit der Störgröße die Stellgröße keine Überprüfung der Steuerung o keine Rückmeldung, keine Korrektur evtl. Abweichungen  offene Wirkungskette

Sol-Integrator Bsp. für Steuerung  Bewässerung mit Globalstrahlungsintegrator  eingestrahlte Energie führt zu Wasserverdampfung und stört die optimale Bodenfeuchte  Globalstrahlung= Störgröße  Messung der Globalstrahlung mittels Pyranometer  Steuerung der Bewässerung in Abhängigkeit der gemessenen Globalstrahlung  bei Messung einer bestimmten Menge Solarstrahlung, Aktivierung der Bewässerung für definierte Zeit  70% der Globalstrahlung wird als latente Wärme (abgeführt Enthalpie, die aufgewandt wird um Phasenübergang zu erreichen) Regelung Grafik  Stellgröße y wird in das System geschickt und die Regelgröße x wird beeinflusst (z.B. Temperatur)  Ist-Wert wird mit dem Sollwert Xs verglichen  über die Abweichung von dem Sollwert wirkt zu regelnde Größe auf Stellgröße und damit auf sich selbst Wichtige Begriffe  Regelgröße: Größe welche geregelt wird (Luftfeuchte, Innentemperatur…)  Stellgröße: Größe, die verstellt wird (Heizungsventil, Lüftung…)  Steuergröße: Ausgangssignal der Regelung, kann gleich der Stellgröße sein  Störgröße: Größe, welche (von außen) die Regelgröße stören (Außenklima.)  Sollwert (Führungsgröße): Wert, den die Regelgröße erreichen soll  Ist-Wert: aktueller Messwert der Regelgröße x  Regelabweichung: Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert (Xs- x)=e Ablauf   

Regelgröße wird gemessen und mit dem Sollwert verglichen bei Regelabweichung wird Stellgröße verändert, sodass die Regelabweichung kleiner wird gemessene Größe wird durch Verstellung beeinflusst  Entstehung einer Rückkopplung

Regelstrecke  Teil der Anlage, der vom Regler beeinflusst wird wirkt auf die zu regelnde Größe  Stellgröße y (Eingangsgröße) kommt vom Regler an  Stellglied (Ventil…) verändert  Beeinflussung des dynamisches System Regelgröße x (Ausgangsgröße)  wir durch Regler beeinflusst  Stellglied (Heizungsventil, Ventilator) direkter Einfluss auf dynamisches System Beurteilung einer Regelstrecke  Eingangssprung: z.B. Ventilöffnung von 0 auf 100 %  Eingangsimpuls: Signal kommt stark, aber nur zeitlich begrenzt  Eingangsanstieg: Signal verändert sich über die Zeit, (z.B. linearer Anstieg)  o.g. Signale werden rein gegeben und man beobachtet wie Regelstrecke auf Eingangssignale in Form von Ausgangssignalen reagiert Kenngrößen der Regelstrecke  Totzeit  Zeitkonstante: Ermittlung über Tangent, Schnittpunkt mit dem Sollwert

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

Verstärkungsfaktor: Proportionalität von Stellgröße zu Regelgröße

 

stellt Zusammenhang zwischen Regelgröße und Stellgröße her stetige Regler: besitzen mathematischen Zusammenhang, Zwischenstufen möglich o P-Regler o I-Regel o D-Regler o PI-Regler o PID-Regler unstetige Regler o Zweipunktregler o Dreipunkregler

Regel



Reglerarten Zweipunktregler  Stellgröße nicht stetig, Wechsel zwischen zwei Zustanden (an/aus)  erreicht eingeschwungenen Zustand (Bereich), aber nie einen Ruhezustand  Hysterese  Abweichung zwischen Ist und Soll-Wert Dreipunktregler  arbeitet mit drei Ausgangszuständen 1. Istwert unter erstem Sollwert 2. Istwert zwischen erstem und zweitem Sollwert 3. Istwert über zweitem Sollwert Stetige Regler Proportionaler (P)-Regler

  

Integral (I)-Regler

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Differenzial (D)-Regler

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𝑦𝑃 = 𝐾𝑃 ∗ (𝑥𝑠 − 𝑥) , 𝐾𝑃 (Proportionalitätsfaktor) linearer Zusammenhang zwischen Stellgröße y und dem Istwert der Regelgröße x  je größer Abweichung vom Sollwert x, desto stärker wird nachgeregel; ohne Abweichung wird auch 𝑦𝑃 = 0 bei P Reglern verbleibt eine Restregelabweichung  Offset 𝑦0 kann eingeführt werden, um Abweichung entgegenzuwirken 𝑦𝑃 = 𝑦0 + 𝐾𝑃 ∗ (𝑥𝑠 − 𝑥); verhindert komplett Ausstellung des Stellglieds 𝑦𝐼 = 𝐾𝐼 ∗ ∫(𝑥𝑠 − 𝑥)𝑑𝑡, 𝐾𝐼 = 𝐾𝑃 ⁄𝑇 ; 𝑇𝑛 = Nachstellzeit 𝑛

Ausgleich langfristiger/konstanter Abweichungen Abweichungen vom Sollwert Xs werden über Zeit aufaddiert 𝑦𝐷 = 𝐾𝐷 ∗ (𝑥𝑠 −󰆷 𝑥)` , 𝐾𝐷 = 𝐾𝑃 ∗ 𝑇𝑉 , 𝑇𝑉 0 Vorhaltezeit Ausgleich sprunghafter Abweichungen 1. Ableitung (Steigung)  Betrachtung der Veränderung der Abweichung über die Zeit, dadurch geht die Geschwindigkeit der Veränderung in die Stellgröße y ein

Regelgüte  Maß für das Regelverhalten einer Regelung  abhängig von: o Störgrößen, Regelgrößen o Verhalten der Regelstrecke, Totzeit, Zeitkonstante etc. o Wahl der Regler o Einstellungspunkte Regel o Sensoren o Messorte

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Klimacomputer Funktion und Aufbau  Auswertung der Messwerte durch kontinuierliche Auswertung der Regelprogramme  Optimierung der Klimafaktoren AD-Wandler (Analog-Digital)  Umformung Analogsignal in Digitales  kontinuierliche Wert in Binärzahl umgewandelt  Bit: Anzahl möglicher Zustände (3 Bit =23= 8 mögliche Zustände)  mögliche Fehler: Abtastfrequenz, zu geringe Bittiefe Klimaregelstrategien

TAKE HOME MESSAGES  Steuerung und Regelung dienen der Veränderung einer phys. Größe in einem System, um gewünschte Werte zu erreichen  Steuerungen arbeiten mit einer offenen Wirkungskette, bei der die zu beeinflussende Größe nicht gemessen wird und keinen Einfluss auf die Steuerung hat  Regelungen arbeiten mit einem geschlossenen Wirkungskreis, bei dem die Regelgröße gemessen un mit einem Sollwert verglichen wird. Regelgröße nimmt wieder Einfluss auf die Regelung  Ablauf Regelung: Messen  Vergleichen  Stellen  Rückkopplung  Regelstrecke ist entscheidend für die Antwort eines Systems auf ein Eingangssignal (Stellgröße) und definiert somit die Dynamik des Regelkreises  Unterscheidung von unstetigen und stetigen Regelarten  stetige Regler können proportionale, integrale und differentiale Anteile beinhalten  Qualität einer Regelung durch Regelgüter beschrieben

VL4- SI-Einheiten  Einheit sollte immer gleich sein  einheitlich  damalige Einheiten nicht genau definiert Historie      

Einführung eines internationalen Einheitensystems 1875 Meterkonvention  Einheitensystem wurde international, Vertrag des metrischen Systems unterschrieben 1960 MKS (m; kg; s) Einheiten in das SI-System übernehmen PTB zuständig für SI-Einheitensystem 2018 Basiseinheiten beziehen sich nun auf die Naturkonstanten  ortsabhängig bestimmbar im alten System: gesetzte Einheit, dann Bestimmung der Konstante o Problem: Werte der Konstante können sich ändern, wenn sich Werte der Einheit auf Basis neuer Messungen ändern o jetzt: Naturkonstanten bekommen festgelegte Za...