Rechnergestützte Messtechnik (RMT)5 ECTS
(englische Bezeichnung: Computer-Aided Metrology)
(Prüfungsordnungsmodul: Rechnergestützte Messtechnik)

Lehrveranstaltungen:

• • Rechnergestützte Messtechnik
    (Vorlesung, 2 SWS, Tino Hausotte, Derzeit finden keine Präsenzveranstaltungen statt. Inhalte werden ab KW 45 ausschließlich über die Plattform StudOn bereitgestellt.)
  • Rechnergestützte Messtechnik - Übung
    (Übung, 2 SWS, Tino Hausotte et al., Derzeit finden keine Präsenzveranstaltungen statt. Inhalte werden ab KW 45 ausschließlich über die Plattform StudOn bereitgestellt.)

Empfohlene Voraussetzungen:

Es wird empfohlen, folgende Module zu absolvieren, bevor dieses Modul belegt wird:

Grundlagen der Messtechnik (WS 2019/2020)

Inhalt:

• Grundlagen: Grundbegriffe (Größe, Größenwert, Messgröße, Maßeinheit, Messprinzip, Messung, Messkette, Messsignal, Informationsparameter, analoges und digitales Signal) • Prinzip eines Messgerätes, direkte und indirekte Messmethode, Kennlinie und Kennlinienarten, analoge und digitale Messmethoden, kontinuierliche und diskontinuierliche Messung, Zeit- und Wertdiskretisierung, Auflösung, Empfindlichkeit, Messbereich • Signal, Messsignal, Klassifizierung von Signalen (Informationsparameter) • Signalbeschreibung, Fourierreihen und Fouriertransformation • Fourieranalyse • DFT und FFT (praktische Realisierung) • Aliasing und Shannon's-Abtasttheorem • Übertragungsverhalten (Antwortfunktionen, Frequenzgang, Übertragungsfunktion) • Laplace-Transformation, Digitalisierungskette, Z-Transformation und Wavelet-Transformation
• Verarbeitung und Übertragung analoger Signale: Messverstärker, Operationsverstärker (idealer und realer, Rückkopplung) • Kenngrößen von Operationsverstärkern • Frequenzabhängige Verstärkung von Operationsverstärkern • Operationsverstärkertypen • Rückkopplung und Grundschaltungen (Komparator, Invertierender Verstärker, Nichtinvertierender Verstärker, Impedanzwandler, Strom-Spannungs-Wandler, Differenzverstärker, Integrierer, Differenzierer, invertierender Addierer, Subtrahierer, Logarithmierer, e-Funktionsgeneratoren, Instrumentenverstärker) • OPV mit differentiellen Ausgang • analoge Filter (Tiefpassfilter, Hochpassfilter, Bandpassfilter, Bandsperrfilter, Bodeplot, Phasenschiebung, aktive analoge Filter) • Messsignalübertragung (Einheitssignale, Anschlussvarianten) • Spannungs-Frequenz-Wandler • Galvanische Trennung und optische Übertragung • Modulatoren und Demodulatoren • Multiplexer und Demultiplexer • Abtast-Halte-Glied
• A/D- und D/A-Umsetzer: Digitale und analoge Signale • Digitalisierungskette • A/D-Umsetzer (Nachlauf ADU, Wägeverfahren, Rampen-A/D-Umsetzer, Dual Slope-Verfahren, Charge-Balancing-A/D-Umsetzverfahren, Parallel-A/D-Umsetzer, Kaskaden-A/D-Umsetzverfahren, Pipeline-A/D-Umsetzer, Delta-Sigma-A/D-Umsetzer / 1-Bit- bis N-Bit-Umsetzer, Einsatzbereiche, Kennwerte, Abweichungen, Signal-Rausch-Verhältnis) • Digital-Analog-Umsetzungskette • D/A-Umsetzer (Direkt bzw. Parallelumsetzer, Wägeumsetzer, Zählverfahren, Pulsweitenmodulation, Delta-Sigma-Umsetzer / 1-Bit- bis N-Bit-Umsetzer)
• Verarbeitung digitaler Signale: digitale Codes • Schaltnetze (Kombinatorische Schaltungslogik) • Schaltalgebra und logische Grundverknüpfungen • Schaltwerke (Sequentielle Schaltnetze) • Speicherglieder (Flip-Flops, Sequentielle Grundschaltungen), Halbleiterspeicher (statische und dynamische, FIFO) • Anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) • Programmierbare logische Schaltung (PLDs, Programmierbarkeit, Vorteile, Anwendungen, Programmierung) • Rechnerarten
• Bussysteme: Bussysteme (Master, Slave, Arbiter, Routing, Repeater) • Arbitrierung • Topologien (physikalische und logische Topologie, Kennwerte, Punkt-zu-Punkt-Topologie, vermaschtes Netz, Stern-Topologie, Ring-Topologie, Bus-Topologie, Baum-Topologie, Zell-Topologie) • Übertragungsmedien (Mehrdrahtleitung, Koaxialkabel, Lichtwellenleiter) • ISO-OSI-Referenzmodell • Physikalische Schnittstellenstandards (RS-232C, RS-422, RS-485) • Feldbussysteme, GPIB (IEC-625-Bus), Messgerätebusse
• USB Universal Serial Bus: Struktur des Busses • Verbindung der Geräte, Transceiver, Geschwindigkeitserkennung, Signalkodierung • Übertragungsarten (Control-Transfer, Bulk-Transfer, Isochrone-Transfer, Interrupt-Transfer, Datenübertragung mit Paketen) • Frames und Mikroframes, Geschwindigkeiten, Geschwindigkeitsumsetzung mit Hub • Deskriptoren und Software • Layer Entwicklungstools • Compliance Test • USB 3.0
• Digitale Filter: Analoge Filter • Eigenschaften und Charakterisierung von digitalen Filtern • Digitale Filter (Implementierung, Topologien, IIR-Filter und FIR-Filter) und Formen • Messwert-Dezimierer, digitaler Mittelwertfilter, Gaußfilter • Fensterfunktionen, Gibbs-Phänomen • Realisierung mit MATLAB • Vor- und Nachteile digitaler Filter
• Messdatenauswertung: Absolute, relative, zufällige und systematische Messabweichungen, Umgang mit Messabweichungen, Kalibrierung • Korrelationsanalyse • Kennlinienabweichungen und Methoden zu deren Ermittlung • Regressionsanalyse • Kennlinienkorrektur • Approximation, Interpolation, Extrapolation • Arten der Kennlinienkorrektur • Messpräzision, Messgenauigkeit, Messrichtigkeit, Fehlerfortpflanzungsgesetz (altes Konzept), Messunsicherheit und deren Bestimmung • Vorgehensweise zur Ermittlung der Unsicherheit, Monte-Carlo-Methode
• Schaltungs- und Leiterplattenentwurf: Leiterplatten • Leiterplattenmaterial • Leiterplattenarten • Durchkontaktierungen • Leiterplattenentwurf und -entflechtung • Software • Leiterplattenherstellung

Contents

• Basics: Terms (quantity, quantity value, measurand, measurement unit, principle of measurement, measurement, measuring chain, measurement signal, information parameter, analogue and digital signal) • Principle of a measuring instrument, direct and indirect measurement, characteristic curves and characteristic curve types, analogue and digital measuring methods, continuous and discontinuous measurement, time and value discretisation, resolution, sensitivity, measuring interval (range) • Signal, measurement signal, classification of signals (information parameter) • Signal description, Fourier series and Fourier transformation • Fourier analysis • DFT and FFT (practical realization) • Aliasing and Shannon's sampling theorem • Transfer behaviour (response functions, frequency response, transfer function) • Laplace transform, digitisation chain, Z-transform and wavelet transform
• Processing and transmission of analogue signals: Measuring amplifiers, operational amplifiers (ideal and real, feedback) • Characteristics of operational amplifiers • Frequency-dependent gain of operational amplifiers • Operational amplifier types • Feedback and basic circuits (comparator, inverting amplifier, non-inverting amplifier, impedance converter, current-voltage converter, differential amplifier, integrator, differentiator, inverting adder, subtractor, logarithmic, exponential function generators, instrumentation amplifier) • OPV with differential output • Analogue filter (low pass filter, high pass filter, band pass filter, band elimination filter, Bodeplot, phase shifting, active analogue filters) • Measurement signal transmission (standard signals, connection variants) • Voltage-frequency converters • Galvanic isolation and optical transmission • modulators and demodulators • multiplexers and demultiplexers • sample-and-hold amplifier
• A/D and D/A converter: Digital and analogue signals • Digitisation chain • A/D converter (follow-up ADC, weighing method, ramp A/D converter, dual slope method, charge-balancing ADC, parallel ADC, cascade ADC, pipeline A/D converter, the delta-sigma A/D converter / 1-bit to N-bit converter, application, characteristics, deviations, signal-to-noise ratio) • Digital-to-analogue conversion chain • D/A converter (direct or parallel converters, weighing method, counting method, pulse width modulation, delta-sigma converter / 1-bit to N-bit converter)
• Digital signal processing: Digital codes • Switching networks (combinatorial circuit logic) • Boolean algebra and basic logic operations • Sequential circuit (sequential switching networks) • Storage elements (flip-flops, sequential basic circuits), semiconductor memory (static and dynamic, FIFO) • Application Specific Integrated Circuits (ASICs) • The programmable logic device (PLD, programmability, benefits, applications, programming) • computer types
• Data bus systems: Bus systems (master, slave, arbiter, routing, repeater) • Arbitration • Topologies (physical and logical topology, characteristics, point-to-point topology, mesh network, star topology, ring topology, bus topology, tree topology, cell topology) • Transmission media (multi-wire cable, coaxial cable, fibre optic cable) • ISO OSI reference model • Physical interface standards (RS-232C, RS-422, RS-485) • Fieldbus systems, GPIB (IEC-625 bus) , Measuring device buses
• USB Universal Serial Bus: Bus structure • Connection of the devices, transceiver, speed detection, signal coding • Transfer types (control transfer, bulk transfer, isochronous transfer, interrupt transfer, data transfer with packages) • Frames and micro-frames, speeds, speed conversion with hubs • Descriptors and software • Layer development tools • Compliance test • USB 3.0
• Digital filters: Analogue filter • Properties and characterization of digital filters • Digital Filter (implementation, topologies, IIR filters and FIR filters) and forms • Measurement value decimator, digital averaging filter, Gaussian filter • Window functions, Gibbs phenomenon • Realisation with MATLAB • Advantages and disadvantages of digital filters
• Data analysis: Absolute, relative, random and systematic errors, handling of measurement errors, calibration • Correlation analysis • Characteristic curve deviations and methods for their determination • Regression analysis • Characteristic curve correction • Approximation, interpolation, extrapolation • Kinds of characteristic curve correction • Measurement precision, measurement accuracy, measurement trueness, error propagation law (old concept), uncertainty and their estimation • Procedure for determining the uncertainty, Monte Carlo method
• Circuit and PCB design: Printed circuit boards (PCB) • PCB material • PCB types • Vias • PCB design and deconcentration • Software • PCB production

Lernziele und Kompetenzen:

Wissen

• Die Studierenden können einen Überblick zur rechnergestützten Messtechnik sowie deren Einsatzgebiete wiedergeben.

• Die Studierenden können Wissen zur rechnergestützten Messdatenerfassung, -auswertung, -analyse und –visualisierung als Grundlage für zielorientierte, effiziente Entwicklung und für kontinuierliche Produkt- und Prozessverbesserung abrufen

Verstehen

• Die Studierenden können Konzepte zur Sensorintegration und Datenfusion beschreiben

Evaluieren (Beurteilen)

• Die Studierenden können rechnergestützte Werkzeuge für die Messdatenerfassung, -auswertung, -analyse und -visualisierung auswählen und bewerten.

Literatur:

• International Vocabulary of Metrology – Basic and General Concepts and Associated Terms, VIM, 3rd edition, JCGM 200:2008, http://www.bipm.org/en/publications/guides/vim.html
• DIN e.V. (Hrsg.): Internationales Wörterbuch der Metrologie – Grundlegende und allgemeine Begriffe und zugeordnete Benennungen (VIM) ISO/IEC-Leitfaden 99:2007. Korrigierte Fassung 2012, Beuth Verlag GmbH, 4. Auflage 2012
• Hoffmann, Jörg: Handbuch der Messtechnik. 4. Auflage, Carl Hanser Verlag München, 2012 – ISBN 978-3-446-42736-5
• Lerch, Reinhard: Elektrische Messtechnik. 6. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012 – ISBN 978-3-642-22608-3
• Richter, Werner: Elektrische Meßtechnik. 3. Auflage, Verlag Technik Berlin, 1994 - ISBN 3-341-01106-4
• H. Czichos (Hrsg.): Das Ingenieurwissen Gebundene. 7. Auflage, Springer Verlag, 2012, ISBN 978-3-642-22849-0.
• Best, Roland: Digitale Meßwertverarbeitung. Oldenbourg München, 1991 - ISBN 3-486-21573-6.
• E DIN IEC 60050-351:2013-07 International Electrotechnical Vocabulary – Part 351: Control technology / Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch - Teil 351: Leittechnik.
• DIN 44300:1982-03 Informationsverarbeitung; Begriffe.
• DIN 44300-1:1995-03 Informationsverarbeitung - Begriffe - Teil 1: Allgemeine Begriffe.
• DIN 40900-12:1992-09 Graphische Symbole für Schaltungsunterlagen; Binäre Elemente.

Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:

1. Berufspädagogik Technik (Master of Education)
   (Po-Vers. 2020w | TechFak | Berufspädagogik Technik (Master of Education) | Gesamtkonto | Wahlpflichtmodule Fachwissenschaft | Wahlpflichtmodule (Vertiefungsmodule) | Rechnergestützte Messtechnik)

Studien-/Prüfungsleistungen:

Rechnergestützte Messtechnik (Prüfungsnummer: 69301)

(englischer Titel: Computer-Aided Metrology)

Prüfungsleistung, Klausur mit MultipleChoice, Dauer (in Minuten): 60, benotet, 5 ECTS

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

weitere Erläuterungen:
gemäß Corona-Satzung wird als alternative Prüfungsform festgelegt: mündliche Prüfung mit 30 Minuten Dauer
Prüfungstermine, eine allgemeine Regel der Prüfungstagvergabe und Termine der Klausureinsicht finden Sie auf StudOn: Prüfungstermine und Termine der Klausureinsicht

Prüfungssprache: Deutsch

Erstablegung: WS 2020/2021, 1. Wdh.: SS 2021

1. Prüfer:

Tino Hausotte

Termin: 25.03.2021, 08:00 Uhr, Ort: K 1 TechF
Termin: 04.10.2021, 14:00 Uhr, Ort: H 7 TechF
Termin: 07.04.2022, 08:00 Uhr, Ort: H 11
Termin: 30.09.2022