Die Messunsicherheit hat eine hohe wirtschaftliche Bedeutung. Die Messunsicherheit entscheidet maßgeblich über die Höhe der Prüfkosten. Bereits kleine Messunsicherheiten, können zu hohen Prüfkosten führen.

Daher ist es umso wichtiger zu wissen, wie die Messunsicherheit berechnet wird und welche Faktoren darauf Einfluss nehmen.

Hier erfahren Sie, mit welchen Verfahren Sie die Messunsicherheit ermitteln können, wie Sie die Messunsicherheit verringern können und wie Sie die Ursachen der Messunsicherheit im Auge behalten.

So wird die Messunsicherheit ermittelt

Mittels experimenteller Verfahren, auch Messreihen genannt, wird die Messunsicherheit ermittelt. Auch diverse andere Methoden finden Anwendung.

In diesen Verfahren werden die Ursachen erkannt und in einem Zahlenwert angegeben.

Zusammengefasst werden diese Ursachen dann in einem sogenannten Messunsicherheitsbudget.

Es wird sozusagen ein Modell gebildet, welches die Messunsicherheit im Gesamten ermittelt.

Vergleichbare Messergebnisse sind im Bereich der Kalibrierung und Messtechnik unabdingbar. Deshalb sind bei der Bestimmung der Messunsicherheit einheitliche Vorgehensweisen von Nöten.

Messunsicherheit deuten und Prüfkosten verringern

Das Wissen über die Messunsicherheit, bildet die Grundlage für das Vergleichen und Akzeptieren von Messergebnissen.

Die Kenntnis ist damit äußerst wichtig. Fundierte Prüf- und Kalibrierentscheidungen können nicht ohne Wissen über die Messunsicherheit durchgeführt werden.

Nehmen Sie hierzu die „Goldene Regel der Messtechnik“ zur Hand.

Diese beinhaltet, dass das Verhältnis von Messunsicherheit zu Toleranz die Marke von 10 % nicht überschreiten sollte.

Damit erhalten Sie einen ersten Anhaltspunkt. Sie können entscheiden, wie geeignet ein bestimmter Messprozess für eine bestimmte Anwendung ist.

Die Messunsicherheit bestimmt außerdem, wie Sie bestimmte Messprozesse auslegen und überwachen.

Achten Sie hierbei auf ein sinnvolles Verhältnis von Toleranz, Fertigungsstreubreite und Messunsicherheit. Dies schafft die Voraussetzung für eine wirtschaftliche Fertigung.

Unnötig exakte Messungen treiben Ihre Prüfkosten in die Hohe, ein Messprozess mit hohen Messabweichungen erhöht jedoch Ihre Fehlerkosten.

Entscheiden Sie sich für das richtige Verhältnis, um Ihre Prüfkosten zu verringern.

Ursachen für die Messunsicherheit

Grundsätzlich ist zwischen fünf unterschiedlichen Ursachen zu unterscheiden. Jede davon nimmt unterschiedlich stark Einfluss auf die Messabweichung.

Weiter wird zwischen zufälliger und systematischer Messabweichung unterschieden. Die zufällige Messabweichung ist nicht beeinflussbar.

Diese kann höchstens mithilfe von mathematisch-statistischen Methoden abgeschätzt werden.

Die systematische Messabweichung setzt sich aus den bekannten oder auch unbekannten Einflussfaktoren zusammen. Dabei werden bekannte Faktoren addiert. Unbekannte Einflussfaktoren werden wie zufällige Messabweichungen behandelt.

Damit die Messabweichung möglichst genau berechnet werden kann, müssen alle Komponenten berücksichtigt werden.

Die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Einflussfaktoren müssen so gut wie möglich verstanden werden. Daher setzt die Bestimmung der Messunsicherheit großes Wissen und Erfahrung über zufällige und systematische Messabweichungen voraus.

Alle Ursachen für die Messunsicherheit sind jeweils auch abhängig von den für die Kalibrierung eingesetzten Methoden und Messgeräte.

Im Folgenden werden die fünf grundsätzlichen Ursachen genauer erläutert.

Umgebung

Ein wichtiger Faktor im Bereich der Umgebung ist die Temperatur. Diese kann auf Messungen Einfluss nehmen.

Dafür sorgen Temperaturabweichungen von der Referenztemperatur oder Temperaturschwankungen während der Messung.

Temperaturänderungen machen sich beispielsweise auch in der Längenausdehnung von Messmittel bemerkbar. Werden die Temperaturen fortlaufend gemessen, können Sie diese bei Ihrer Messung durch eine entsprechende Korrektion im Messergebnis berücksichtigen.

Auch die Luftfeuchtigkeit kann, besonders bei optischen Messungen, Einfluss auf das Messergebnis nehmen.

Warum?

Luft besitzt einen Brechungsindex. Die Feuchtigkeit in der Luft beeinflusst diesen Brechungsindex. Verändert sich demnach die Luftfeuchtigkeit, beeinflusst dies den Brechungsindex, welcher wiederum Einfluss auf das Messergebnis optischer Messungen hat.

Schwingungen werden teilweise von der Umgebung, aber auch vom jeweiligen Messgerät erzeugt. Seismische Schwingungen lass sich durch Fundamente und weitere schwingungsdämpfende Maßnahmen reduzieren.

Ebenfalls zu beachten sind Verschmutzungen. Verschmutzte Messmittel rufen zumeist Form- und Lageabweichungen hervor.

Achten Sie daher auf eine grundlegende und regelmäßige Reinigung Ihrer Messmittel.

Messgerät

Beim zu verwendenden Messgerät ist vor allem der Geräteaufbau von großer Bedeutung.

Dieser hat entscheidenden Einfluss auf die Deformation. Durchbiegung durch Eigengewicht oder durch das Gewicht von Werkstücken beeinflusst das Messergebnis.

Auch die zur Messung verwendeten Maßverkörperung muss bei der Bestimmung der Messunsicherheit berücksichtigt werden. Diese lösen sich mit der Zeit auf und sorgen dadurch für Abweichungen in der Messung.

Für die Auswertsoftware ist es wichtig, zertifizierte Musterdaten mit Eingangs- und Ergebnisdaten einzusetzen. Ansonsten können unvollkommene Algorithmen Auswirkungen auf die Messunsicherheit haben.

Material

Ihr eingesetztes Material besitzt viele Eigenschaften.

Dichte, Elastizität, Härte und viele weitere nehmen Einfluss auf die Messunsicherheit.

Verformungen des Materials entstehen durch das Eigengewicht von Spannkräften und durch einseitige Erwärmung.

Unterstützen Sie daher Ihr Material mit geeigneten Werkstückhalterungen und wählen Sie deren Auflagepunkte günstig aus, um die Verformungen möglichst klein zu halten.

Anwender

Der Kalibrier- oder Messtechniker hat zumeist größten Einfluss auf das Messergebnis. Es ist entscheidend, dass dieser die Messaufgabe richtig interpretiert.

Messtechniker müssen gut ausgebildet sein, um etwaige Einflüsse zu reduzieren.

Die Wahl der Aufspannung ist ein erster entscheidender Punkt. Werkstücke mit großem Verhältnis von Länge/Querschnitt sollten beispielsweise so unterstützt werden, dass sie sich aufgrund ihres Eigengewichts möglichst wenig verbiegen.

Außerdem spielt der Messablauf eine große Rolle. Mit einer geschickten Wahl des Messablaufs, wird das Messergebnis positiv beeinflusst.

Natürlich macht ein Mensch auch mal Fehler. Daher sind auch subjektive Einflüsse möglich. Hierzu zählen Ablese- oder Übertragungsfehler. Eine sorgfältige, routinierte und geschulte Arbeitsweise reduzieren jedoch diese Fehler.

Messstrategie

In einer Messstrategie werden Messmittel, Hilfseinrichtungen sowie die Art der Messung festgelegt.

Aufspanneinrichtungen, Beleuchtungen, Positionseinrichtungen können die Messunsicherheit beeinflussen. Sowohl positiv als auch negativ.

Wählen Sie Ihre Hilfsmittel unterstützend zum Messprozess aus und verringern Sie dadurch die Messunsicherheit.

Das Messverfahren legt das Prinzip und die Methode der Messung fest. Hierbei werden physikalische Grundlagen festgelegt. Ebenfalls wird entschieden ob relativ oder absolut gemessen wird.

Die Auswertestrategie legt das verwendete Assoziationsverfahren fest. Dies ist ein wesentliches Kriterium für das Ermitteln funktionsgerechter Messergebnisse. Darum hat dies einen entscheidenden Einfluss auf die Messunsicherheit. Hier werden ebenfalls, ob etwaige Messpunkte gefiltert werden und mit welchen Parametern diese Filter versehen werden.

Fazit

Die Einflüsse und Ursachen auf die Messunsicherheit bestehen folglich aus einer Vielzahl von Faktoren. Um die Messunsicherheit zu berechnen, müssen alle Komponenten berücksichtigt werden.

Gehen Sie daher Schritt für Schritt vor:

• Listen Sie alle relevanten Einflussgrößen auf
• Bilden Sie ein Modell, mit welchem Sie die Messunsicherheit ermitteln
• Bestimmen Sie den Einfluss der einzelnen Einflussgrößen
• Fassen Sie die Einflüsse zu einer kombinierten Standardmessunsicherheit zusammen
• Geben Sie die ermittelte Messunsicherheit an

Sollten Sie weitere Fragen zur Berechnung haben, melden Sie sich gerne bei uns oder schreiben Sie uns Ihre Frage in die Kommentare.

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Messtechnik findet in vielen Bereichen Anwendung. Egal ob Elektrotechnik, Maschinenbau, Medizin, Chemie oder in der Umwelttechnik: Die angewandte Messtechnik spielt eine große Rolle.

In diesem Beitrag lernen Sie die grundlegenden Begrifflichkeiten sowie die Aufgaben der Messtechnik kennen.

Aufgaben der Messtechnik

Im Bereich der industriellen Messtechnik wird oftmals das Erzielen neuer Erkenntnisse im Zuge der wissenschaftlichen Weiterentwicklungen übersehen. Denn neben den klassischen messtechnischen Tätigkeiten wie dem Prüfen, Kalibrieren, Justieren oder Eichen forscht die Wissenschaft, mithilfe der Messtechnik, an der technischen Weiterentwicklung von Messverfahren.

Dadurch können beispielsweise Verbesserungen im Umweltschutz oder auch in der Telekommunikation vorgenommen werden. Der Einsatz spezieller und immer genauer werdender Messverfahren ermöglicht es, Fehler zu erkennen und zu beseitigen.

Die Aufgabe der Messtechnik ist allgemein durch drei Merkmale zu beschreiben:

• Messtechnik ist nicht objektiv. Das Messen ist damit vom Schätzen zu unterscheiden.
• Messtechnische Tätigkeiten sind wiederholbar, kontrollierbar und lassen sich reproduzieren.
• Alle Ergebnisse der Messtechnik sind mit einer Zahl versehen.

Auch im Bereich der Messtechnik rückt die Digitalisierung immer weiter vor.

Elektrische Messverfahren kommen immer mehr zum Einsatz. Nichtelektronische Größen werden heutzutage auch durch digitale Messsysteme ermittelt.

Dabei bieten elektrische Messverfahren viele Vorteile. Die Messwerte können ohne großen Leistungsaufwand erfasst werden. Außerdem sind die hohe Auflösung, die schnelle und einfache Weiterverarbeitung der Messdaten sowie die gute Übertragungsfähigkeit weitere wichtige Vorteile im digitalen Zeitalter.

Typische Tätigkeiten der Messtechnik

Das eigentliche Messen widmet sich der Bestimmung einer Messgröße multipliziert mit einer Einheit. Daneben gibt es aber weitere typische Tätigkeiten, welche von dem standardmäßigen Messen zu unterscheiden sind.

Prüfen

Wir sprechen von Prüfen, wenn wir feststellen ob das Messobjekt eine oder mehrere Bedingungen erfüllt. Sprich, das Ergebnis spiegelt sich immer in einer Ja/Nein Entscheidung wieder. Werden bestimmte Anforderungen erfüllt? Um diese Art von Frage kümmert sich die Tätigkeit des Prüfens. Beispiele sind hier die Prüfung von Widerstandswerten bestimmter Widerstände innerhalb einer Toleranzgrenze.

Kalibrieren

Nach Definition: Unter Kalibrieren versteht man die Bestimmung der Messabweichung, also des Zusammenhangs zwischen dem ausgegebenen und dem wahren Wert einer Messgröße. Damit wird geprüft, ob die Messeinrichtung die zugesagte Genauigkeit einhält. Dabei kann eine Tabelle zur Korrektur systematischer Abweichungen aufgestellt werden. Bei einer Kalibrierung wird der Bezugswert mithilfe einer Normalen bestimmt. Das Referenzmessgerät heißt dabei Normal.

Justieren

Beim Justieren wird die Messeinrichtung abgeglichen. Ziel einer Justierung ist es, Messabweichungen zu reduzieren. Der Unterschied zwischen dem Kalibrieren und Justieren besteht darin, dass beim Justieren beispielsweise eine genau bekannte Spannung angelegt und gleichzeitig mit dem Normal gemessen wird. Die Abgleichelemente werden solange verändert, bis der Anzeigewert mit dem Referenzwert möglichst genau übereinstimmt.

Eichen

Eine Eichung ist oftmals in Verbindung mit amtlichen Behörden in Verbindung zu bringen. Eichen ist einfach ausgedrückt, die Prüfung von Messgeräten nach gesetzlichen Vorschriften und Anforderungen. Hält ein Messgerät alle Forderungen ein, wird darauf ein Eichzertifikat ausgegeben. Viele Messmittel sind besonders im geschäftlichen Verkehr eichpflichtig. Am Häufigsten findet die Eichung bei Waagen oder Gasmengenmessern Anwendung.

Grundlegende Begrifflichkeiten

Im Folgenden werden einige grundlegenden Begriffe der Messtechnik, oder auch Metrologie (Wissenschaft vom Messen) erläutert.

Messgröße

Die Messgröße ist die physikalische Größe, die durch die Messung bestimmt werden soll. Hierbei kann beispielsweise der Widerstandswert, die Energie, Spannung oder auch der Gleichstrom bestimmt werden.

Normen

Normen und Richtlinien sind nicht unbedingt beliebt. Jedoch haben sie den wichtigen Zweck, den Stand der Technik zu beschreiben und unterstützen damit die Sicherheit und Qualität von Produkten und Dienstleistungen. Sie gelten als Grundlage für den internationalen Handel.

Messgerät

Ein Messgerät ist das Gerät, welches für die Messung einer Messgröße benötigt wird. Dabei enthält das Messgerät eine Anzeige, welche den Messwert anzeigt. Die Messgröße kann von dem Messgerät auch umgeformt oder bearbeitet werden wie zum Beispiel ein Strom-Spannungswandler dies tut.

Messeinrichtung

Eine Messeinrichtung ist ein System, welches aus einem oder mehreren Messgeräten zusammen mit den für die Messung notwendigen Einrichtungen besteht. Zu diesen Einrichtungen zählt beispielsweise die Energieversorgung. Ein Digitalvoltmeter oder eine Kalibriereinrichtung sind z. B. solche Messeinrichtungen.

Messgrößenaufnehmer

Der Messgrößenaufnehmer wird im allgemeinen Sprachgebrauch auch als Sensor oder Messfühler bezeichnet. Er ist Teil des Messgeräts oder der Messeinrichtung. Dabei spricht der Messfühler direkt die physikalische Größe an. Das Ausgangssignal des Sensor wird weiterverarbeitet und ausgegeben. Beispiele solcher Sensoren sind Stromfühlwiderstände oder Hallsensoren zur Leistungsmessung.

Messwert

Der Messwert ist ein explizit gemessener Wert einer Messgröße. Er wird als Zahlenwert multipliziert mit einer Einheit angegeben. Das kann beispielsweise 223,2 V als ein gemessener Wert einer Spannung sein.

Der wahre Wert

Der wahre Wert ist der eindeutig existierende Wert der Messgröße. Sozusagen das Ziel der Messung. In der Regel ist der wahre Wert nicht erfassbar. Äußere Umstände, Einflüsse oder Rückwirkungen lassen eine Erfassung nicht zu. Der Messwert wird quasi durch diese Einflüsse auf das Messgerät selbst verfälscht.

Messabweichung

Die Messabweichung ist die Differenz des Messwertes vom wahren Wert. Ziel einer Kalibrierung ist es, diese Messabweichung zu erfassen.

Messergebnis

Das Ergebnis einer Messung kann ein einzelner Messwert oder aus mehreren Messwerten ermittelt worden sein. Hierbei gelten besondere Rechenvorschriften. Gegebenenfalls werden einzelne Messwerte auch berichtigt.

Messunsicherheit

Die Messunsicherheit bildet ein Intervall um den Messwert, in dem der wahre Wert mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit liegt. Für einen bestimmten Messwert x mit einer Messunsicherheit u liegt der wahre Wert im Intervall x±u.

Rückführbarkeit

Die Rückführbarkeit ist eine Eigenschaft eines Messergebnisses, welche sich darin bezeichnet, durch eine ununterbrochene Kette von Vergleichen auf entsprechende nationale Normale bezogen zu sein. Dabei ist die Rückführbarkeit nach ISO 9000 vorgeschrieben. In bestimmten Audits, von unabhängigen und akkreditierten Firmen, wird die Einhaltung der Qualitätssicherung geprüft. Wird diese Prüfung bestanden erhält die jeweilige Qualitätssicherung eine Zertifizierung. Messmittel müssen demnach, für eine ISO-Zertifizierung, mit Normale kalibriert werden, die auf internationale oder nationale Normale rückführbar sind.

Fazit

Das Messen und Prüfen ist seit Menschengedenken im täglichen Leben verankert. Es sind Tätigkeiten, welche der Wissenschaft, dem Handwerk und der Industrie von großem Nutzen sind. Außerdem sind sie unverzichtbar für eine globale Zusammenarbeit.

Wir hoffen, wir konnten Ihnen einen kleinen jedoch lehrreichen Einblick in die Aufgaben und Grundlagen der Messtechnik geben.

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