Messtechnik: Grundlagen, Anwendungen und Trends

Definition der Messtechnik

Die Messtechnik ist ein Fachgebiet der Ingenieurwissenschaften, das sich mit der Erfassung und Analyse physikalischer Größen befasst. Sie ermöglicht die präzise Messung von Längen, Kräften, Temperaturen und mehr und ist wichtig für Qualitätssicherung, Prozesskontrolle und Produktentwicklung.

Grundlagen der Messtechnik

Die Grundlagen der Messtechnik basieren auf physikalischen Prinzipien zur Erfassung und Analyse von Messgrößen. Ein zentrales Element ist die Kalibrierung von Messgeräten zur Sicherstellung der Messgenauigkeit. Der Messprozess umfasst die Auswahl eines geeigneten Verfahrens, die Durchführung der Messung und die Auswertung der Ergebnisse. Moderne, digitale Messtechnik ermöglicht die automatische Datenerfassung und -analyse, was die Effizienz und Genauigkeit erhöht. Dies trägt zur Verbesserung der Produktionsqualität und zur Kostenreduktion bei, indem Fehler frühzeitig erkannt und behoben werden.

Begrifflichkeiten der Messtechnik

In der Messtechnik gibt es eine Vielzahl von Begriffen, die für das Verständnis und die Anwendung der Techniken wichtig sind. Hier sind einige der wichtigsten:

• Messgröße: Das gesuchte oder zu bestimmende Merkmal eines Objekts.
• Messwert: Der Zahlenwert, der als Ergebnis des Messvorgangs erhalten wird.
• Messeinrichtung: Das erforderliche Gerät oder die Einrichtung, um den Messwert zu erfassen und zu bestimmen.
• Messvorgang: Der gesamte Prozess von der Erfassung der Messgröße bis zur Bestimmung des Messwerts.
• Messobjekt: Der Körper oder Stoff, der direkt in den Messvorgang eingebunden ist und die Messgröße vermittelt.
• Genauigkeit: Die Genauigkeit gibt an, wie nahe einem Messergebnis am tatsächlichen Wert der Messgröße liegt. Sie ist ein Maß für die Richtigkeit einer Messung.
• Präzision: Die Präzision beschreibt die Reproduzierbarkeit von Messergebnissen bei wiederholten Messungen unter gleichen Bedingungen.
• Kalibrierung: Die Kalibrierung ist der Prozess der Überprüfung und Justierung eines Messgeräts, um sicherzustellen, dass die angezeigten Werte den tatsächlichen Werten entsprechen.
• Sensor: Ein Bauelement, das physikalische Größen in elektrische Signale umwandelt, die weiterverarbeitet werden können.
• Messunsicherheit: Ein Maß für die Streuung der Messergebnisse und gibt an, in welchem Bereich der wahre Wert einer Messgröße liegt.

Relevante physikalische Größen

In der Messtechnik sind bestimmte physikalische Größen besonders relevant, da sie häufig gemessen und analysiert werden. Diese Größen werden typischerweise zeitabhängig und in diskreten Abständen erfasst. Zu diesen gehören: 

• Länge: Längen- und Abstände-Messung ist grundlegend für viele technische Anwendungen.
• Temperatur: Für Prozesse in denen Wärme eine Rolle spielt.
• Druck: In Systemen, die mit Gasen oder Flüssigkeiten arbeiten.
• Elektrische Spannung: Für elektrische und elektronische Anwendungen.
• Kraft: In der Mechanik und im Maschinenbau.

Arten der Messtechnik

Die Messtechnik kann in verschiedene Arten unterteilt werden, die jeweils spezifische Messmethoden und Anwendungen umfassen.

Mechanische Messtechnik

Mechanische Messtechnik beschäftigt sich mit der Erfassung von physikalischen Größen durch mechanische Sensoren und Geräte. Dazu gehören Messinstrumente wie Messschieber, Mikrometer und Waagen, die zur Bestimmung von Längen, Durchmessern und Gewichten eingesetzt werden.

Optische Messtechnik

Optische Messtechnik nutzt Licht und andere elektromagnetische Strahlen zur Messung physikalischer Größen. Verfahren wie die Interferometrie, Lasermesstechnik und Photogrammmetrie gehören zu den optischen Messmethoden. Diese Techniken ermöglichen hochpräzise Messungen von Abständen, Winkeln und Oberflächenprofilen.

Elektrische Messtechnik

Die elektrische Messtechnik konzentriert sich auf die Messung elektrischer Größen wie Spannung, Stromstärke und Widerstand. Elektrische Messgeräte wie Multimeter, Oszilloskope und Netzwerkanalysatoren werden verwendet, um elektrische Parameter in Schaltungen und Systemen zu überwachen und zu analysieren.

Thermische Messtechnik

Thermische Messtechnik umfasst die Messung von Temperaturen und Wärmeflüssen. Thermoelemente, Infrarotkameras und Widerstandsthermometer sind gängige Werkzeuge zur Erfassung thermischer Parameter.

Kamera- und Streifenlicht-basierte Messtechnik

Diese Methoden kombinieren hochauflösende Kameras mit Streifenlichtprojektion, um komplexe Geometrien und Oberflächenprofile zu erfassen. Sie sind besonders in der Automobil- und Luftfahrtindustrie verbreitet, wo sie zur Qualitätskontrolle und Inspektion von Bauteilen verwendet werden. Diese Technik ermöglicht schnelle, berührungslose und hochpräzise Messungen, die sich ideal zur Prüfung von Freiformflächen und komplexen Strukturen eignen.

Verfahren der Messtechnik

In der Messtechnik kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz, um präzise und verlässliche Messungen zu ermöglichen.

Direkte Messung

Die direkte Messung bestimmt die Abmessungen eines Objekts unmittelbar mit Instrumenten wie Messschiebern oder Mikrometern, ohne externe Referenzen. Diese Absolutmessung liefert genaue Maße, ist aber durch die Skalierung und Kalibrierung der Geräte begrenzt und anfällig für Messfehler.

Indirekte Messung

Die indirekte Messung vergleicht ein Objekt mit standardisierten Referenzgrößen, z. B. mittels Messuhren. Diese Vergleichsmessung hängt von der Genauigkeit der Referenzgeräte ab und ist im Messbereich durch verfügbare Standardreferenzen begrenzt.

Kontaktlose Messverfahren

Kontaktlose Messverfahren erfassen physikalische Größen ohne direkten Kontakt zum Messobjekt. Dies ist besonders vorteilhaft bei empfindlichen oder schwer zugänglichen Objekten. Optische Sensoren und Infrarotkameras sind Beispiele für Geräte, die kontaktlose Messungen ermöglichen. Diese Verfahren bieten hohe Genauigkeit und sind in der Automatisierungstechnik und Qualitätssicherung weit verbreitet.

Zeitbasierte Messverfahren

Zeitbasierte Messverfahren nutzen die Zeit als wesentlichen Faktor bei der Erfassung von Messgrößen. Ein Beispiel ist die Geschwindigkeitsmessung durch die Zeit, die ein Objekt benötigt, um eine bekannte Strecke zurückzulegen. Solche Verfahren sind in der Regel sehr genau und werden häufig in der Verkehrsüberwachung und bei der Analyse dynamischer Systeme eingesetzt.

Einsatzgebiete der Messtechnik

Die Messtechnik ist in zahlreichen Bereichen von Industrie und Forschung unverzichtbar. Sie wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt.

In der Produktion

In der industriellen Produktion ist die Messtechnik ein entscheidendes Werkzeug zur Überwachung und Steuerung von Fertigungsprozessen. Präzise Messungen gewährleisten, dass Produkte den Qualitätsstandards entsprechen und Produktionsfehler minimiert werden. Messtechnische Verfahren ermöglichen die Kontrolle von Maschinentoleranzen und die Optimierung von Produktionslinien, was zu einer Steigerung der Effizienz und Reduzierung von Kosten führt.

Zur Werkstoffprüfung

In der Werkstoffprüfung wird die Messtechnik eingesetzt, um die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Materialien zu untersuchen. Prüfverfahren wie die Härteprüfung, Zugversuche und Röntgenfluoreszenzanalyse nutzen messtechnische Geräte, um genaue Informationen über die Belastbarkeit, Zusammensetzung und Qualität von Werkstoffen zu liefern. Diese Informationen sind entscheidend für die Entwicklung neuer Materialien und die Sicherstellung der Produktqualität.

Geometriemessung

Die Geometriemessung ist ein wesentlicher Bestandteil der Qualitätssicherung in der Fertigung. Optische und mechanische Messtechniken werden eingesetzt, um präzise Maße und Formen von Bauteilen zu erfassen. Durch den Einsatz modernster Messtechnologien, wie Koordinatenmessgeräte und Laser-Scanning-Systeme, können komplexe geometrische Parameter detailliert erfasst und analysiert werden.

Beispiele der Messtechnik

Beispiele für Messtechnik sind der Einsatz von Koordinatenmessgeräten (KMG) für Geometriemessungen in der Automobilindustrie, Spektrometer zur chemischen Analyse in der Pharmazie und Infrarotsensoren zur Temperaturüberwachung in der Elektronikfertigung. Im Maschinenbau wird Ultraschallmessung zur Prüfung der Dicke und Integrität von Bauteilen und Schweißnähten verwendet. In der Strukturmechanik überwachen Dehnungsmessstreifen die Belastung und Verformung von Bauwerken wie Brücken und Gebäuden zur Sicherstellung ihrer Stabilität.

Geräte und Tools der Messtechnik

In der Messtechnik kommen diverse Instrumente und Werkzeuge zum Einsatz. Im Folgenden werden einige Beispiele für diese Geräte vorgestellt:

Laserscanner

Laserscanner sind fortschrittliche Geräte, die zur hochpräzisen Erfassung von dreidimensionalen Daten verwendet werden. Sie sind besonders nützlich für die Vermessung komplexer Objekte und Strukturen.

• Funktionsweise: Laserscanner senden einen Laserstrahl auf ein Objekt, das den Strahl zum Scanner zurück reflektiert. Diese Reflexionen werden in dreidimensionale Daten umgewandelt, indem zusätzlich zur Distanzmessung die Daten auch horizontale und vertikale erfasst werden. Die Distanzmessung erfolgt durch die Nutzung von Referenzpunkten, die zuvor auf dem Objekt oder der Messoberfläche angebracht wurden. Mit einer Reichweite von bis zu 3 Metern und einer Erfassungsrate von 88.000 Punkten pro Sekunde wird eine Genauigkeit von unter 1,5 mm erreicht, was die Erstellung detaillierter 3D-Modelle ermöglicht
• Anwendung: Sie werden häufig in der Bauindustrie und Architektur eingesetzt, um präzise digitale Modelle von Gebäuden, Brücken und anderen Konstruktionen zu erstellen. Dies erleichtert die Planung, Überwachung und Restaurierung von Bauwerken.

Messschieber

Messschieber sind fundamentale Messwerkzeuge, die zur Bestimmung von Längen, Durchmessern und Tiefen eingesetzt werden. Sie zeichnen sich durch ihre einfache Handhabung und hohe Genauigkeit aus.

• Funktionsweise: Messschieber bestehen aus einer festen und einer beweglichen Schiene mit einer Skala. Die Messung erfolgt durch Verschieben der beweglichen Schiene und Ablesen der Skala. Die Messfehler-Toleranz bei Messschiebern liegt zwischen 0,01 mm und 0,2 mm.
• Anwendung: Sie finden Anwendung in der Fertigung und Mechanik, um präzise Maße von Werkstücken und Komponenten zu ermitteln. Sie sind besonders nützlich für schnelle Messungen.

Mikrometer

Mikrometer sind Präzisionsinstrumente, die zur exakten Messung kleiner Abstände und Durchmesser verwendet werden. Sie bieten eine höhere Genauigkeit als Messschieber und sind besonders in der Fertigung von hoher Bedeutung.

• Funktionsweise: Mikrometer verwenden eine Schraubmechanik, um sehr feine Anpassungen und präzise Messungen zu ermöglichen. Sie sind mit einer feinen Skala ausgestattet, um geringste Maßabweichungen festzustellen.
• Anwendung: Sie werden häufig in der Maschinenbauindustrie und bei der Herstellung von Präzisionsbauteilen eingesetzt. Diese Geräte und Tools sind wesentliche Bestandteile werden entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Messaufgabe ausgewählt.

Trends in der Messtechnik

Die Messtechnik entwickelt sich stetig weiter, insbesondere durch Digitalisierung mit Smart Sensors und vernetzten Systemen, die Echtzeitüberwachung und -analyse ermöglichen und so Effizienz und Genauigkeit steigern. Miniaturisierte Messgeräte erleichtern den Einsatz in komplexen Umgebungen. Künstliche Intelligenz und Machine Learning verbessern die Mustererkennung und Vorhersagen in großen Datenmengen, wodurch die Messtechnik flexibler wird. Zudem gewinnt additive Fertigung, wie 3D-Druck, an Bedeutung, etwa bei der Herstellung großer Bauteile durch Anlagen wie die des IPH, die XXL-Bauteile bis 1.000 Millimeter produzieren kann.

Umsetzung von Messtechnik

Für eine erfolgreiche Umsetzung der Messtechnik sind sorgfältige Planung und die Auswahl geeigneter Messgeräte entscheidend. Es ist wichtig, die spezifischen Anforderungen des Anwendungsbereichs zu berücksichtigen, um die optimale Lösung zu finden. Das IPH unterstützt dabei mit Fachwissen und Erfahrung bei komplexen Messaufgaben. Das IPH bietet umfassende Dienstleistungen, darunter die Nutzung einer Universalprüfmaschine für die Festigkeitsprüfung additiv gefertigter Bauteile und eines Pendelschlagwerks zur Duktilitätsbestimmung. Weitere Geräte sind der 3D-Scanner ATOS Core für präzise 3D-Vermessungen, der mobile Laserscanner EinScan HX und das 3D-Profilometer VR-5000 für Oberflächenqualitätsmessungen. Zudem werden Ergonomiebewertungen am Arbeitsplatz durchgeführt, einschließlich der Nutzung von Schallpegelmessgeräten, Luxmetern und Luftqualitätsmessgeräten. Diese Messtechniken tragen zur Optimierung von Arbeitsbedingungen und Produktionsprozessen bei. Der Einsatz moderner Messtechnik und die Expertise des IPH sind entscheidend für Qualitätssicherung, Prozessoptimierung und Kosteneffizienz in der Produktion.