Inhalt

Die Pflichtveranstaltung bestehend aus Vorlesung, Übung und Praktikum findet für den Bachelor Studiengang Maschinenbau und Verfahrenstechnik im 5. Semester statt. Informationen, die durch Anwendung messtechnischer Verfahren gewonnen werden, sind Voraussetzung für die

• Steuerung von Maschinen und Anlagen,
• Regelung und Überwachung von Prozessen,
• experimentelle Untersuchung und Entwicklung von Eigenschaften und Verfahren, sowie
• die Entwicklung bzw. Überprüfung von Modellen und Theorien.

Die Veranstaltung vermittelt Anworten auf die zentralen Fragen:

• Was ist ein Signal ?
• Wie entsteht ein Signal ?
• Wie erhält man aus einem Signal die gesuchte Information ?

Themen und Gliederung

Vorlesung und Übung

1. Einführung: Messen, Systeme, Signale
2. Statistik: Verteilung, Momente
3. Fehler und ihre Fortpflanzung
4. Datenanalyse und Reduktion: lineare und nichtlineare Regression
5. Dynamik
6. Rauschen: thermisches, Schrot-, Telegraphen-Rauschen
7. Analoge Signalverarbeitung: Filter, Verstärker
8. Digitale Signalverarbeitung: A/D-Wandler
9. Sensoren und elektrische Messtechnik
   1. Resistive Sensoren
   2. Kapazitive Sensoren
   3. Magnetische Sensoren
   4. Aktive Sensoren

Praktikum

1. Gasfluss: Kennlinie, Kalibrierung
2. Oszilloskop: Dynamik, analoge Signalverarbeitung
3. Lock-in-Verstärker: Signale und Rauschen, digitale Signalverarbeitung
4. Dynamische Lichtstreuung: Korrelation, Verteilung

Die Anmeldung zum Praktikum erfolgt über den moodle-Kurs (siehe Link weiter unten).

Literatur

• Messtechnik
  • E. Schrüfer, Elektrische Messtechnik, 13. Auflage, Hanser 2022
  • R. Lerch, Elektrische Meßtechnik, Springer, Berlin 2010
  • J. Niebuhr & G. Lindner, Physikalische Meßtechnik mit Sensoren, Oldenbourg, 2002
  • J. P. Holman, Experimental Methods for Engineers, McGraw Hill, 2001
  • R. Müller, Rauschen, Springer 1990
  • K. Reif (ed.), Sensoren im Kraftfahrzeug, Springer 2016
  • E. Milotti, The Physics of Noise, Morgan & Claypool Publishers, 2019
• Elektronik
  • E. Hering, K. Bressler, J. Gutekunst, Elektronik für Ingenieure, Springer 2005
• Physik
  • E. Hering, R. Martin, M. Stohrer, Physik für Ingenieure, Springer 2007
• Mathematik
  • Philip R. Bevington, Data Reduction and Error Analysis for The Physical Sciences, McGraw-Hill 1992
  • William H. Press, Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, and Brian P. Flannery, Numerical Recipes: The Art of Scientific Computing, Cambridge University Press 2007

Webseiten zum Thema

• Die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB)
• The NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty
• Bureau International des Poids et Mesure
• Stanford Research Systems: Application Notes
• Tektronix (Keithley Instruments)
• National Instruments

Hilfsmittel

• Das Internationale Einheitensystem (SI), PTB (5/2020)
• PTB Broschüre: Die gesetzlichen Einheiten in Deutschland
• GNUPLOT Homepage
• GNUPLOT Grundkurs
• GNUPLOT am einfachen Beispiel
• Test-Daten zu GNUPLOT am einfachen Beispiel

Moodle

Link zum moodle-Kurs: https://moodle.uni-due.de/course/view.php?id=47932

Material zur Vorlesung

Das von uns zur Verfügung gestellte Material dient allein Ihrem Studium. Jede weiterführende Nutzung, z.B. Verbreitung im Internet, ist unzulässig. Das Material wird jeweils spätestens am Tag der Veranstaltung bereitgestellt.

• NPPT-Vorstellung und Einführung (8.10.2024 und 15.10.2024) 
  1. pdf-Datei aktualisiert für das Wintersemester 2024/2025
  2. mp4-Datei
  3. pdf-Datei zur mp4-Datei
• Verteilungen und ihre Momente, Fehler und ihre Fortpflanzung (15.10.2024 und 22.10.2024)
  1. mp4-Datei
  2. pdf-Datei zur mp4-Datei
• Datenanalyse (29.10.2024 und 5.11.2024)
  1. mp4-Datei
  2. pdf-Datei zur mp4-Datei
  3. Korrektur zur Fitgüte
• Dynamik (12.11.2024)
  1. mp4-Datei
  2. pdf-Datei zur mp4-Datei
• Rauschen (19.11.2024 und 26.11.2024)
  1. mp4-Datei
  2. pdf-Datei zur mp4-Datei
• Analoge Signalverarbeitung (2.12.2024 und 9.12.2024)
  1. mp4-Datei
  2. pdf-Datei zur mp4-Datei
• Digitalisierung (17.12.2024)
  1. mp4-Datei
  2. pdf-Datei zur mp4-Datei
• Sensoren 1 (7.1.2025)
  1. mp4-Datei
  2. pdf-Datei zur mp4-Datei
• Sensoren 2 (14.1.2025)
  1. mp4-Datei
  2. pdf-Datei zur mp4-Datei
• Sensoren 3 (21.1.2025)
  1. mp4-Datei
  2. pdf-Datei zur mp4-Datei

Weiterführende Literatur

• Luca Callegaro, Unified derivation of Johnson and shot noise expressions, Am. J. Phys. 74 (2006) 438-440
• Jörn Stenger und Joachim H. Ullrich, „Für alle Zeiten … und Culturen“ Dem internationalen System der Einheiten SI steht eine Neudefinition bevor, Physik Journal 13/11 (2014), 27-34
• David B. Newell, A more fundamental International System of Units, Physics Today 76 (2014), 35-41
• Peter J. Mohr, David B. Newell, and Barry N. Taylor, CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2018, Journal of Physical and Chemical Reference Data 50, (2021) 033105 61pp
• Antonio Possolo, and Hari K. Iyer, Invited Article: Concepts and tools for the evaluation of measurement uncertainty, Review of Scientific Instruments 88 (2017) 011301 34pp
• Tabellen zur Standard-Normalverteilung
  Abbildungen zur A/D-Wandlung: Binäre Kodierung und spektrale Überlappung
  Überblick über Sensoren (Tabellen aus E. Hering, K. Bressler, J. Gutekunst, Elektronik für Ingenieure, Springer 2005)
  Abbildungen zu kapazitiven Sensoren

Formelsammlung

• NEUE VERSION: Formelsammlung zur Vorlesung, Übung und Klausur (Stand 22.07.2024)

Übungen und Praktikum

• Praktikumsvorbesprechung und Sicherheitsbelehrung finden Sie unter Moodle

• der Moodle-Kurzlink zu Übungen und Praktikum lautet:
  https://moodle.uni-due.de/course/view.php?id=47932

Klausur

• Erlaubte Hilfsmittel:
  • die von uns gedruckte und bereitgestellte Formelsammlung
  • ein nicht programmierbarer Taschenrechner
• Sehen Sie sich zur Vorbereitung auf jeden Fall die aktuellen Übungsaufgaben, die Versuche des Praktikums hinsichtlich der Datenauswertung und die “alten” Klausuraufgaben an.