Die Messtechnik kann nach verschiedenen Gesichtspunkten gegliedert werden. Eine Möglichkeit besteht in der Unterscheidung nach analoger oder digitaler Messtechnik. Spezifische Teilgebiete der digitalen Messtechnik sind ihre Messmethode, die Informationsdarstellung und die Gerätetechnik.

Grundlagen – Definitionen – Vergleiche Messmethoden Die Messung ist das Ausführen von geplanten Tätigkeiten zum quantitativen Vergleich der Messgröße mit einer Einheit (DIN 1319-1, Nr. 2.1).DIN 1319-1, Grundlagen der Messtechnik – Teil 1: Grundbegriffe. 1995 Was es ausmacht, wenn dieses Messen ein digitales ist, soll durch den Vergleich mit dem analogen Messen beschrieben werden.

Analoge Messmethode Sprachliche Grundlage: analog = entsprechend. Der Messwert wird durch ein Analogon dargestellt, einen ähnlichen oder entsprechenden (analogen) Sachverhalt, hier durch eine Zwischengröße, deren Wert leicht als Zahl ablesbar ist. ¹)

Beispiel: Drehspul-Strommessgerät: Der Strom bewirkt die Verschiebung einer Marke auf einer Skale. Abgelesen wird die Länge oder der Winkel, welche kontinuierlich dem Strom zugeordnet sind.

Jedes Messgerät hat eine Messgeräteabweichung als Folge der Unvollkommenheit der Konstruktion, Fertigung und Justierung, beschreibbar durch Garantiefehlergrenzen (Ein geringerer Wert ist möglich durch Korrektur mit einer Kurve der Messabweichungen, die aus dem Unterschied zu besseren Geräten oder einem anderen Vergleichsmaßstab bestimmt worden sind), Messunsicherheit (Ein geringerer Wert ist möglich durch feinere Skalenteilung, größere experimentelle Erfahrung sowie wiederholtes Messen). Sieht man, um das Wesentliche zu erkennen, von diesen Abweichungen ab, so erkennt man als Merkmale: Das Ausgangssignal (Strecke oder Winkel) ist beliebig fein auflösbar. Es ist ein eindeutig umkehrbares Maß für das Eingangssignal.

Weitere Beispiele analoger Messmethoden: Temperatur: Ausdehnung der thermometrischen Flüssigkeit Druck: Verformung einer Membran Drehzahl: Spannung eines Tachogenerators Das Messgerät verschafft das Analogon, der Beobachter bestimmt daraus den Zahlenwert und zusammen mit der Einheit den Messwert.

¹) Dieser Satz ist nur als anschaulicher Einstieg zu verstehen.

Digitale Messmethode Sprachliche Grundlage: digit(us) = Finger. ²) Der Messwert wird in diskrete Werte quantisiert und somit "mit den Fingern zählbar" gemacht. ¹)

Beispiel Drehzahlmesser Ein Gerät, das pro Umdrehung ein Zählwerk um eine Eins weiterstellt und die Zählung genau eine Minute lang zulässt. Der Zählerstand liefert direkt den Messwert zur Einheit Umdrehung pro Minute. Anmerkung: Der besondere Name Umdrehung wird als Einheit bei der Spezifikation für drehende Maschinen weitverbreitet verwendet statt der Eins. Entsprechend sind bei der Drehzahl die Einheiten Umdrehung durch Sekunde oder Umdrehung durch Minute weitverbreitet.DIN EN ISO 80000-3:2013-08 Größen und Einheiten – Raum und Zeit, Nr. 3–15

mini|hochkant=1.2|Digitale Wheatstone-Brücke Beispiel Wheatstone-Brücke Einstellung der Widerstands-Dekaden bis zum „Nullabgleich“, genauer gesagt bis .

Dabei ist der kleinste an einstellbare Spannungsschritt. Wenn ist, dann ist nach dem Abgleich der zu messende Widerstand gleich dem an den Dekaden-Schaltern eingestellten Widerstand. Im Bild wird abgelesen: = ganze Zahl mal kleinste Schrittweite = 235 × 1 Ω.

Auch hier sind Messgeräteabweichungen zu beachten, Garantiefehlergrenzen durch die Fehlergrenzen des eingebauten Vergleichsmaßstabes, im Beispiel Zähler: des Zeitmaßstabes, im Beispiel Brücke: der verwendeten Widerstände, Messunsicherheit durch einen Ziffernschritt auf der niederwertigsten Stelle. Diese Quantisierungs- oder Digitalisierungsabweichung kann als relative Abweichung immer dann unbedeutend klein gemacht werden, wenn es gelingt, mit großen Zahlen zu arbeiten, siehe nachfolgend „Zur Quantisierungsabweichung“.

Sieht man, um das Wesentliche zu erkennen, von diesen Abweichungen ab, so erkennt man als Merkmale: Das Ausgangssignal ist in abzählbar viele Schritte unterteilbar. Es ist eine in sich eindeutige Aussage.

Die Messgröße kann beliebig feinen Änderungen unterliegen, durch das Messgerät wird ihr Messwert quantisiert, im Beispiel Zähler: der Wert der Drehzahl durch den Impulsgeber, im Beispiel Brücke: der Wert des Widerstandes durch die schrittweise Einstellung des Vergleichswiderstandes.

¹) Dieser Satz ist nur als anschaulicher Einstieg zu verstehen.

²) Der Begriff Digit wird in der Literatur nicht einheitlich verwendet, oft im Sinne von Ziffernschritt, gelegentlich im Sinne von Stelle.

Zur Quantisierungsabweichung Es gelingt, zu einer großen Zahl des Messwertes und damit zu einer kleinen relativen Quantisierungsabweichung zu kommen, im Beispiel Zähler, wenn man mehrere Impulsgeber verwendet, z. B. 100 Impulse pro Umdrehung, im Beispiel Brücke, wenn man den einstellbaren Vergleichs-Widerstand feiner unterteilt, z. B. noch Widerstandsdekaden mit Schrittweiten 0,1 Ω und 0,01 Ω hinzufügt. Damit erreicht man eine höhere Ablesegenauigkeit, in den beiden Beispielen durch 2 zusätzliche Stellen.Bei 5 Dezimalstellen ist die relative Quantisierungsabweichung = 1/10000 … 1/99999 = 10−4 … 10−5. Ob die Gesamtgenauigkeit damit größer geworden ist, ist zumindest fraglich. Durch die Eindeutigkeit der Ablesung wird allzu leicht vergessen, die übrigen Quellen für Messabweichungen zu beachten. Wenn in der Brücke jeder Widerstand die relative Fehlergrenze von 10−3 hat, dann ist auch die relative Fehlergrenze des Ergebnisses nicht kleiner, und die Angabe von 5 Stellen wäre nicht vertretbar. Außerdem müsste beim Messaufbau an die Vermeidung systematischer Abweichungen (Klemmenwiderstände, Thermospannungen) besonders sorgfältig gedacht werden.

Definitionen mini|hochkant=2.2|zentriert|Zur Erläuterung der Definitionen der Messmethoden

Definition der analogen Messmethode aus DIN 1319-2:DIN 1319-2, Grundlagen der Messtechnik – Teil 2: Begriffe für Messmittel. 2005 Messmethode, bei welcher der Messwert durch stufenlose Verarbeitung des Messsignals ermittelt wird.Definition der digitalen Messmethode aus DIN 1319-2:

Messmethode, bei welcher der Messwert durch stufenweise Verarbeitung des Messsignals ermittelt wird.Das entscheidende Kennzeichen: Das Messsignal ist zumindest im Idealfall eine eindeutig umkehrbare Abbildung der Messgröße.

(Gegensatz: Bei der digitalen Messmethode ist ein Rückschluss innerhalb der Breite eines Ziffernschrittes ungewiss.)Das entscheidende Kennzeichen: Das Messsignal ist eine in fest gegebenen Schritten quantisierte Abbildung der Messgröße.

(Gegensatz: Bei der analogen Messmethode kann sich das Messsignal beliebig fein einstellen.)

mini|Zur Erläuterung der bevorzugten Anzeigen Anzeige der Messwerte Skalenanzeige, Ziffernanzeige mini|Ziffernanzeige mit Skale zur Ablesung von Zwischenwerten unterhalb des niederwertigsten Ziffernschritts Bei analog arbeitenden Messgeräten wird die Skalenanzeige bevorzugt. Bei digital arbeitenden Messgeräten wird die Ziffernanzeige bevorzugt.

Aber eine Fehldeutung wäre: Skalenanzeige bedeutet analoge Messmethode. Gegenbeispiel: Zeitmessung; Bahnhofsuhren, die Skalen verwenden, wobei sich der Minutenzeiger schrittweise weiterdreht. Ziffernanzeige bedeutet digitale Messmethode. Gegenbeispiel: Energiemessung; elektromechanische Energiezähler, die Ziffernrollen verwenden, wobei sich die Rolle für die letzte Stelle kontinuierlich weiterdreht und mit einer Skale für noch weitergehende Auflösung versehen ist.

Bandanzeige, Balkenanzeige mini|Bandanzeige mit 51 Segmenten Die Bandanzeige enthält eine Reihe von Segmenten (typisch 5 … 200 Segmente), von denen bei steigender Messgröße eine steigende Anzahl eingeschaltet wird. Sie arbeitet digital und verbindet die Digitaltechnik mit den Vorteilen einer Skalenanzeige. Mit ≥ 100 Segmenten fällt die Stufung kaum mehr auf, und man spricht von quasianalog. Die Balkenanzeige auf einem Bildschirm entspricht auch einer Skalenanzeige, wobei sich die Länge des Balkens mit der Anzahl der Bildpunkte so fein stufen lässt, dass sich subjektiv die Grenze zur kontinuierlichen Einstellung vollends verwischen kann.

Vorteile und Grenzen der Anzeiger SkalenanzeigeZiffernanzeige AnzeigeBei analoger Messmethode ist die Anzeige in ihren Feinheiten nur schätzbar. Bei digitaler Messmethode ist die Anzeige eindeutig ablesbar. Die Auflösung ist begrenzt durch die Ablesbarkeit auf 1/2 … 1/10 Skalenteilungswert 1 … 0,1 % vom Endwert. durch die Stufung auf 1 Ziffernschritt (Digit)≤0,1 % vom Endwert bei mindestens dreistelliger Anzeige. Visuelle Betriebsüberwachung ist auf einen Blick möglich. erfordert bewusstes Lesen und Bewerten der Zahl. Bei rascher Schwankung der Messgröße (rasch im Verhältnis zur Einstell- oder Erfassungszeit) ist eine mittlere Größe ablesbar. ist der Anzeiger ungeeignet. Trendbeobachtung oder Störerkennung ist anhand Kurvenzug (mittels Schreiber oder Bildschirm) anschaulich leicht möglich. ist anhand Zahlenkolonnen (mittels Drucker oder Bildschirm) mühsam.

Kodierung Kodierung ist die Darstellung einer Nachricht in einer willkürlich gewählten Form. Je nach den Umständen sind verschiedene Kodierungen zweckmäßig. mini|hochkant=1.25|Strichscheibe für in­kre­men­telles Messen Zählkode Darstellung durch eine Folge von gleichwertigen Zeichen (Impulsen); bei jedem Impuls ist um einen Ziffernschritt weiterzuzählen. Bei nicht elektrischen Messgrößen kann man Impulse durch optische Abtastung (z. B. an Strichscheibe) oder induktive Abtastung (z. B. an Zahnrad) erzeugen.

Gesamtzahl Die Anzahl der Impulse repräsentiert die zu kodierende Zahl selber.

Beispiele: Strichliste Anzahl der Umdrehungen einer Welle oder, bei vielen Impulsen pro Umdrehung, ihre Positionierung. Volumenmessung mit Ovalradzähler oder Turbinenradzähler.

mini|hochkant=1.25|Ovalradzähler: Mit jeder halben Umdrehung fließen oben und unten je ein „Volumenquant“ hindurch.

Zeitlich befristete Zählung Die Zahl der Impulse in einer Zeitspanne repräsentiert die zu kodierende Zahl .

mit = Zuordnungsfaktor, z. B. Zahl der Impulse pro Umdrehung, wenn für die Drehzahl steht.

Beispiele: Häufigkeits- bzw. Frequenzmessung Drehzahlmessung Durchflussmessung

Ein Frequenzsignal besitzt mit seiner Zählbarkeit wesentliche Vorteile eines Digitalsignals, obwohl die Frequenz wegen ihrer stetigen Veränderbarkeit eindeutig ein Analogsignal ist.

Ist die zu messende Größe als frequenz-proportionale Größe durch Zählung zu bestimmen, so muss die Dauer der Zählung begrenzt sein.

Die Zählung eignet sich für verschiedene Messaufgaben: am Beispiel des Ovalradzählers: Volumen-Messung für den Verkauf (Abgabemenge), Durchfluss-Messung für den Betrieb (Förderleistung oder Strömungsgeschwindigkeit). Je nach Aufgabe muss während der (im Ergebnis unwichtigen) Gesamtdauer der Verladung gezählt werden oder befristet nach Zeittakt. am Beispiel von Induktionsschleifen in der Fahrbahn zum Fußballstadion: Unbefristete Zählung für die Auslastung des Parkplatzes, Befristete Zählung für die Leistungsfähigkeit der Straße.

Positionskode Darstellung durch eine Folge von Zeichen, die je nach Position in einem Verbund unterschiedlich zu werten sind.

Dezimale Darstellung Jede Ziffer hat die Stellenwertigkeit oder den Gewichtsfaktor einer Zehnerpotenz.

Beispiel: Dezimalzahl 145 = 5⋅100 + 4⋅101 + 1⋅102 mini|hochkant=1.25|Winkelkodierer mit 9 Binärstellen

Die Unterdarstellung der Dezimalziffern ist mechanisch kein Problem, zum Beispiel bei Dekadenwiderständen, Ziffernrollen, elektronisch schwierig.

Binäre oder duale Darstellung Im einfachsten Fall, der auch häufig vorkommt, hat jede Ziffer die Stellenwertigkeit oder den Gewichtsfaktor einer Zweierpotenz.

Beispiel: Binärzahl/Dualzahl 10010001 = 20 + 24 + 27 = 1 + 1610 + 12810 = 14510

Bei nicht elektrischen Messgrößen kann man Binärziffern mittels Kodescheiben oder Kodelinealen darstellen, die so viele Bahnen besitzen, wie es Stellen gibt.

Beispiel: Winkelkodierer