Springer Ingenieurtabellen

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Ekbert Hering · Bernd Schröder

Springer Ingenieurtabellen

123

Professor Dr. Dr. Ekbert Hering Fachhochschule Aalen Hochschule für Technik und Wirtschaft [email protected] Professor Dr. Bernd Schröder Fachhochschule Aalen Hochschule für Technik und Wirtschaft [email protected] isbn 3-540-64159-9 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über aufrufbar Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media © Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2004 Printed in Germany www.springer.de Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI,VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert werden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Satzdatenerstellung durch Autor Einbandgestaltung: Friedhelm Steinen-Broo, Estudio Calamar, Spanien 68/3020 uw – Gedruckt auf säurefreiem Papier – 5 4 3 2 1 0

Vorwort Alle Ingenieure, vom Maschinenbauer über den Elektrotechniker, Elektroniker, Mechatroniker bis zum Bauingenieur, aber auch alle Studierenden der Ingenieurwissenschaften brauchen in ihrer täglichen Praxis Daten und Informationen. Diese sauber strukturiert, klar formuliert, schnell, kompakt und möglichst vollständig zugriffsbereit zu haben, ist das Ziel dieses Werkes. Deshalb wird auf theoretische Hintergründe und ausführliche Herleitungen verzichtet. Das vorliegende Werk umfasst folgende Kapitel: In Kapitel A sind die Einheiten und Symbole zusammengestellt, Kapitel B ist den Werkstoffen gewidmet und Kapitel C den wichtigen Gebieten Messen, Steuern und Regeln. Einen Überblick über den Maschinenbau gibt Kapitel D, über Prozesstechnik Kapitel E, über Elektrotechnik und Elektronik Kapitel F, über Kommunikation und Informatik Kapitel G, über Baukunde Kapitel H und über Umwelt und Sicherheit Kapitel I. Wichtig für ein Nachschlagewerk ist in Kapitel J ein ausführliches Sachwortverzeichnis, dem ebenfalls besondere Aufmerksamkeit geschenkt wurde. Dank sagen möchten wir den vielen Springer-Autoren, die uns mit Ihren Buchvorlagen die entsprechenden Daten und Informationen geliefert haben. Ein solches umfangreiches Werk wird nur dann erfolgreich sein können, wenn Verlagsleitung, Mitarbeiter, Druckerei und Auslieferung sowie Marketing und Vertrieb ihren ganzen Einsatz bringen. Stellvertretend für alle diese Personen sagen wir herzlichen Dank Herrn Thomas Lehnert, der für die Planung Technik im Springer-Verlag zuständig ist sowie seiner geduldigen und zugleich zielorientierten Mitarbeiterin, Frau Kathleen Doege. Mögen die Ingenieure in der Praxis und die Studierenden der Ingenieurwissenschaften beim Einsatz dieses Werkes den hohen Nutzen empfinden und auch spüren, wie faszinierend gerade der Ingenieurberuf ist und wie zügig sie zu guten Lösungen kommen, wenn die erforderlichen Informationen schnell und sicher zu finden sind. Gerne erwarten wir eine kritische Begleitung durch unsere Leser. Aalen im Februar 2004

Ekbert Hering Bernd Schröder

Inhalt A

Einheiten und Symbole

1

Übersicht der Einheiten, Seite A/2 1.1 Basisgrößen und SI-Einheiten, Seite A/2 1.2 Zusätzliche Größen und Einheiten, Seite A/3 1.3 Abgeleitete SI-Einheiten, Seite A/4 1.4 Abgeleitete Größen und Einheiten, Seite A/4 1.5 Einheiten außerhalb des SI, Seite A/12 1.6 Berechnung der Umrechnungsfaktoren, Seite A/16 1.7 Bezeichnung der dezimalen Vielfachen, Seite A/17

2

Römische Zahlen, Seite A/18

3

Griechische Buchstaben, Seite A/19

B

Werkstoffe

1

Metalle, Seite B/2 1.1 Metalle und ihre Verwendung, Seite B/2 1.2 Technische Eigenschaften, Seite B/2 1.3 Eisen und Stahl, Seite B/5 1.4 Eisenguss-Werkstoffe, Seite B/28 1.5 Nichteisenmetalle, Seite B/30 1.6 Korrosion und Korrosionsschutz, Seite B/42

2

Kunststoffe, Seite B/51 2.1 Einteilung, Seite B/51 2.2 Herstellung, Seite B/52 2.3 Normung, Seite B/52 2.4 Eigenschaften ausgewählter Kunststoffe, Seite B/56 2.5 Duroplaste, Seite B/62 2.6 Thermoplaste, Seite B/64 2.7 Gummi (Elastomere), Seite B/69 2.8 Kunststoff-Schäume, Seite B/71

VIII

INHALT

3

Anorganische, nicht metallische Werkstoffe, Seite B/73 3.1 Einteilung, Seite B/73 3.2 Glas, Seite B/73 3.3 Keramik, Seite B/73 3.4 Nichtoxidische Hartstoffe, Seite B/79

4

Halbleiter-Werkstoffe, Seite B/81

5

Supraleiter-Werkstoffe, Seite B/84

6

Allgemeine Tabellen, Seite B/86

7

Chemische Elemente Seite B/104

C

Messen, Steuern, Regeln

1

Grundlagen, Seite C/2

2

Mechanische Messtechnik, Seite C/20 2.1 Maße und Gewichte, Seite C/20 2.2 Zeitmessung, Seite C/38

3

Elektrische Messtechnik, Seite C/40 3.1 Messgrößen und Messverfahren, Seite C/40 3.2 Messsignalverarbeitung, Seite C/52

4

Messtechnik mit Wellen, Seite C/62 4.1 Akustik, Seite C/62 4.2 Optik, Seite C/65 4.3 Mikrowellen, C/103

5

Steuerungstechnik, Seite C/105 5.1 Allgemeines, Seite C/105 5.2 Symbole, Seite C/105 5.3 Schemata, Seite C/112 5.4 Sequenzielle Schaltungen, Seite C/115 5.5 Speicherprogrammierbare Steuerung, Seite C/117

INHALT 6

D

Regelungstechnik, Seite C/124 6.1 Allgemeines, Seite C/124 6.2 Prozessregelungstechnik, Seite C/142 Maschinenbau

1

Grundlagen, Seite D/2 1.1 Mechanik, Seite D/2 1.2 Festigkeitslehre, Seite D/13 1.3 Wärme, Seite D/25

2

Technisches Zeichnen, Seite D/36 2.1 Formate, Maßstäbe, Ansichten, Seite D/38 2.2 Linien und Darstellungen, Seite D/42 2.3 Baumaterialien, Seite D/51 2.4 Bauelemente, Seite D/54 2.5 Werkzeugbauliches Zeichnen, Seite D/58

3

Maschinenelemente, Seite D/71 3.1 Allgemeines, Seite D/71 3.2 Verbindungen, Seite D/76 3.3 Momentenübertragung, Seite D/91

4

Konstruktionslehre Seite D/108 4.1 Grundlagen technischer Systeme, Seite D/108 4.2 Grundlagen methodischen Vorgehens, Seite D/112 4.3 Konstruktionsprozess, Seite D/117 4.4 Grundlagen der Gestaltung, Seite D/123 4.5 Grundlagen der Baureihenentwicklung, Seite D/139

5

Getriebelehre Seite D/142 5.1 (Antriebs-)Ketten, Seite D/142 5.2 Keilriemen, Seite D/149 5.3 Zahnriemen, Seite D/152 5.4 Zahnradübersetzungen, Planetenräder, Seite D/153 5.5 Reibradgetriebe, Seite D/162 5.6 Getriebetechnik, Seite D/168

IX

X

INHALT

6

Maschinenkunde Seite D/179 6.1 Elemente der Werkzeugmaschinen, Seite D/179 6.2 Steuerungen, Seite D/202

7

Scheren und Schneiden, Seite D/214 7.1 Systematik, Seite D/214 7.2 Technologie, Seite D/217 7.3 Kräfte und Arbeiten, Seite D/220 7.4 Werkstückeigenschaften, Seite D/221 7.5 Werkzeuge, Seite D/223 7.6 Sonderschneidverfahren, Seite D/227

E

Prozesstechnik

1

Einheitsbearbeitungen, Seite E/2

2

Stoffvereinigen, Seite E/2 2.1 Mischen und Rühren, Seite E/2 2.2 Suspendieren, Seite E/7 2.3 Dispergieren, Seite E/8 2.4 Zerstäuben, Seite E/9

3

Trennprozesse, Seite E/14 3.1 Übersicht über Trennprozesse, Seite E/15 3.2 Sedimentation, Seite E/20 3.3 Zentrifugieren, Seite E/23 3.4 Stoffzyklone, Seite E/25 3.5 Filtration, Seite E/26 3.6 Destillation, Seite E/27 3.7 Flüssigkeit-Flüssigkeit Extraktion, Seite E/37 3.8 Kristallisation, Seite E/39

4

Verweilzeitstreuung, Seite E/45 4.1 Verweilzeitverteilung, Seite E/45 4.2 Beispiele, Seite E/47

INHALT F

Elektrotechnik und Elektronik

1

Elektrizitätslehre, Seite F/2 1.1 Elektrostatik, Seite F/2 1.2 Elektrodynamik, Stromleitung, Seite F/5 1.3 Wechselstrom, Seite F/7 1.4 Magnetostatik (äußere Ströme = 0), Seite F/15 1.5 Elektromagnetisches Feld, Seite F/17 1.6 Gleichungen von Maxwell, Seite F/21

2

Elektro-Installationstechnik, Seite F/23 2.1 Elektrische Maschinen, Seite F/23 2.2 Elektrische Leiter, Seite F/48 2.3 Installationstechnik, Seite F/98 2.4 Beleuchtungstechnik, Seite F/119 2.5 Elektrotechnisches Zeichnen, Seite F/124 2.6 Elektromechanische Bauteile – Relais, Seite F/130

3

Elektronik, Seite F/137 3.1 Passive Komponenten, Seite F/138 3.2 Halbleiterkomponenten, Seite F/166 3.3 Netzwerktheorie, Seite F/192 3.4 Vierpol- und Zweitorschaltungen, Seite F/197 3.5 Filter, Seite F/202 3.6 Verstärker, Seite F/214 3.7 Radiotechnik, Seite F/227 3.8 Elektronische Versorgungsapparaturen, Seite F/236 3.9 Rauschen, Seite F/238 3.10 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Seite F/239 3.11 Produkt-Sicherheit, Seite F/245 3.12 Laser, Seite F/259

XI

XII G

INHALT Kommunikation und Informatik

1

Kommunikation, Seite G/2 1.1 Kommunikationsmodell, Seite G/2 1.2 OSI-Referenzmodell für offene Kommunikationssysteme, Seite G/13 1.3 Öffentliche Netze, Seite G/20 1.4 Lokale Netze (LAN: Local Area Network), Seite G/25 1.5 Integriertes digitales Nachrichtennetz (ISDN: Integrated Services Digital Network), Seite G/37

2

Informatik, Seite G/48 2.1 Digitale Schaltungen, Seite G/48 2.2 Kodierungen, Seite G/66 2.3 Schnittstellen (Interfaces), Seite G/85 2.4 Mikrorechner, Seite G/101

H

Bauwesen

1

Vermessung, Seite H/2 1.1 Festpunktfeld, Seite H/2 1.2 Polygonzug, Seite H/3 1.3 Nivellementzug, Seite H/6

2

Geotechnik, Seite H/8 2.1 Geotechnische Kategorien, Seite H/8 2.2 Geotechnische Untersuchungen, Seite H/8 2.3 Geotechnische Kennwerte, Seite H/25

3

Berechnung von Baukonstruktionen, Seite H/32 3.1 Lastannahmen, Einwirkungen, Seite H/32 3.2 Stahlbeton- und Spannbetonbau, Seite H/36 3.3 Beton nach DIN EN 206-1, Seite H/41 3.4 Stahlbau, Seite H/47 3.5 Holzbau nach DIN 1052, Seite H/52 3.6 Mauerwerk, Seite H/57

INHALT 4

Wärmeschutz, Seite H/61

5

Systeme und Bauteile der Heizungstechnik, Seite H/69 5.1 Einzelheizung, Seite H/69 5.2 Zentralheizung, Seite H/70

6

Systeme und Bauteile der Kältetechnik, Seite H/88 6.1 Anwendungen und Bauarten, Seite H/88 6.2 Bauteile, Seite H/91

7

Energietechnik, Seite H/93 7.1 Grundsätze der Energieversorgung, Seite H/93 7.2 Primärenergien, Seite H/95

I

Umweltschutztechnik

1

Ziele und Aufgaben der Umweltschutztechnik, Seite I/2

2

Rechtspolitische Aspekte des Umweltschutzes, Seite I/5

3

Schadstoffe, Seite I/10

4

Energie und Klima, Seite I/16 4.1 Charakteristika der Treibhausgase, Seite I/18 4.2 Rationelle Energieerzeugung, Seite I/20

5

Ursachen von Luftbelastungen, Seite I/22

6

Gewässergüte und Wasserbeschaffenheit, Seite I/27

7

Trinkwasserversorgung, Seite I/31

8

Stoffeinträge in Böden, Seite I/36

9

Abfallwirtschaftliche Grundlagen, Seite I/41

10 Integrierte Umweltbewertung, Seite I/46 J

Sachverzeichnis

XIII

ÜBERSICHT DER EINHEITEN

A

A/1

Einheiten und Symbole

1

Übersicht der Einheiten, Seite A/2 1.1 Basisgrößen und SI-Einheiten, Seite A/2 1.2 Zusätzliche Größen und Einheiten, Seite A/3 1.3 Abgeleitete SI-Einheiten, Seite A/4 1.4 Abgeleitete Größen und Einheiten, Seite A/4 1.5 Einheiten außerhalb des SI, Seite A/12 1.6 Berechnung der Umrechnungsfaktoren, Seite A/16 1.7 Bezeichnung der dezimalen Vielfachen, Seite A/17

2

Römische Zahlen, Seite A/18

3

Griechische Buchstaben, Seite A/19

A/2

1

EINHEITEN UND SYMBOLE

Übersicht der Einheiten

1.1 Basisgrößen und Grundeinheiten (SI)1) Länge (Symbol l) Ein Meter (m) ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299792458 Sekunden durchläuft. Masse (Symbol m) Ein Kilogramm (kg) ist die Masse des internationalen Kilogrammprototyps. Zeit (Symbol t) Eine Sekunde (s) ist die Zeitdauer von 9 192 631 770 Perioden der Strahlung, die bei dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinniveaus des Grundzustands des Nuklids Cäsium 133 entsteht. Elektrische Stromstärke (Symbol I) Ein Ampere (A) ist die Stärke eines zeitlich unveränderlichen Stroms, der durch zwei im Vakuum parallel im Abstand von einem Meter voneinander angeordnete, geradlinige, unendlich lange Leiter von vernachlässigbar kleinem kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je Meter Leiterlänge die Kraft 2⋅10 –7 Newton bewirkt. Temperatur (Symbol T) Ein Kelvin (K) ist der 273,16 te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers. Stoffmenge (Symbol n) Ein Mol (mol) ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensoviel Elementarteilen besteht, wie Atome in 0,012 Kilogramm des Kohlenstoffs 12 enthalten sind.

1)

SI: Système International

ÜBERSICHT DER EINHEITEN

A/3

Bemerkung. Bei Benutzung der Basiseinheit Mol müssen die elementaren Elemente spezifiziert werden; dies können Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen, andere Teilchen oder bestimmte Verbindungen derartiger Teilchen sein. In der Praxis (technische Notation) wird die Benutzung des Kilomol (kmol) empfohlen, u.a. durch die ISO (International Organization for Standardization). In diesem Fall vermeidet man den Faktor 1000 der auftritt wenn das mol in Kombination mit anderen Größen angewandt wird. z.B.: M = 10-3 Mr kg/mol, bzw. M = Mr kg/kmol. Wenn von mol ausgegangen würde, dann wären die pH-Werte um 3 kleiner, als tatsächlich üblich ist. Lichtstärke (Symbol I) Ein Candela (cd) ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540 · 1012 Hz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1/683 Watt/ Steradiant beträgt.

1.2

Zusätzliche Größen und Einheiten

Ebene Winkel (Symbol α, β, ...) Der Radiant (rad) ist der ebene Winkel zwischen zwei Strahlen eines Kreises, die vom Umfang einen Bogen abschneiden, welcher die gleiche Länge der Strahlen besitzt. 2π rad entspricht 360°. Raumwinkel (Symbol Ω, ω) Der Steradiant (sr) ist der räumliche Winkel der, wenn seine Spitze mit dem Mittelpunkt einer Kugel zusammenfällt, aus dieser Kugel eine Oberfläche ausschneidet, deren Größe gleich einem Quadrat ist, dessen Seite gleich dem Kugelradius ist. Der komplette dreidimensionale Raum umfasst 4π sr.

A/4

1.3

EINHEITEN UND SYMBOLE

Abgeleitete SI-Einheiten

Tabelle 1.0 Übersicht über abgeleitete SI-Einheiten Einheit

Größe

Bezeichnung

Symbol

Ableitung

Becquerel

Bq

s-1

Coulomb

C

A⋅s

(Strahlungs)aktivität Elektrische Ladung 4

Farad

F

A²⋅s /(kg⋅m²)

Elektrische Kapazität

Gray

Gy

m²/s²

Absorbierte Dosis

Henry

H

kg⋅m²/(A²⋅s²)

Elektrische Induktivität

-1

Hertz

Hz

s

Frequenz

Joule

J

kg⋅m²/s²

Arbeit, Energie, Wärmemenge

Lumen

Lm

cd⋅sr

Lichtstrom

Lux

lx

cd⋅sr/m²

Beleuchtungsstärke

Newton

N

kg⋅m/s²

Kraft

Ohm

Ω

kg⋅m²/(A²⋅s³)

Elektrischer Widerstand

Pascal

Pa

kg/(m⋅s²)

Druck, Spannung

3

Siemens

S

Sievert

Sv

m²/s²

Äquivalente Dosis

Tesla

T

kg/(A⋅s²)

Magnetische Induktion

Volt

V

kg⋅m²/(A⋅s³)

Elektrische Spannung, Potenzial

Watt

W

kg⋅m²/s³

Leistung, Energiestrom

Weber

Wb

kg⋅m²/(A⋅s²)

Magnetischer Fluss

Bel

B

log(P2/P1)

Neper

Np

ln(A2/A1)

Brigg´scher Logarithmus eines Verhältnisses Natürlicher Logarithmus eines Verhältnisses

1.4

A²⋅s /(kg⋅m²)

Elektrische Leitfähigkeit

Abgeleitete Größen und Einheiten

Die gegebene Einheit ist die meist gültige für die betreffende Größe. Die Größe dieser Einheit wird in Grundeinheiten ausgedrückt (siehe Tab. 1.1 bis Tab. 1.10).

ÜBERSICHT DER EINHEITEN

A/5

Tabelle 1.1 Raum, Zeit und periodische Erscheinungen Größe Beschleunigung Beschleunigung im freien Fall Breite Dämpfung Dicke Drehzahl Durchmesser Ebener Winkel Fortpflanzungskoeffizient Frequenz Geschwindigkeit Höhe Inhalt Kreisfrequenz Kreisfrequenz Kreiswiederholung Länge Oberfläche Periode Phase Phasenkoeffizient Radius Raumwinkel Schwächungskoeffizient Verdichtung Volumen Volumenstrom

Symbol a g b δ d, δ n D, d α, β, γ, ϕ γ f, ν u, v, w, c h V ω ω k l A T ϕ β R, r Ω, ω α κ V qv, V&

Einheit m/s² m/s² m s-1 m s-1 m rad m-1 Hz m/s m m³ rad/s s-1 m-1 m m² s rad m-1 m sr m-1 Pa-1 m³ m³/s

Volumenstromdichte Weglänge Wellenlänge Wellenzahl Winkelbeschleunigung Winkelgeschwindigkeit Zeit Zeitkonstante

v s λ σ α ω t τ

m/s m m m-1 rad/s² rad/s s s

Ableitung

s-1

m⋅s²/kg

A/6

EINHEITEN UND SYMBOLE

Tabelle 1.2 Allgemeine Mechanik Größe

Symbol

Einheit

Ableitung

Arbeit

W

J

kg⋅m²/s²

Dichte

ρ

kg/m³

Drehimpuls

D

N⋅m⋅s

Druck

p

Pa

N/m² = kg/(m⋅s²)

Energie

W, U

J

N⋅m = kg⋅m²/s²

Energiedichte

w

J/m³

kg/(m⋅s²)

W

kg⋅m²/s³

Energiestrom = Leistung P

kg⋅m²/s

Flächenmasse

ρA

kg/m²

Gewicht

G

N

kg⋅m/s²

Gravitationsfeldstärke

γ

N/kg

m/s²

Impuls (Stoß)

I

N⋅s

kg⋅m/s

Impulsmoment

L

kg⋅m²/s

Kinetische Energie

Wk

J

Kraft

F

N

kg⋅m/s²

Leistung, mechanisch

P

W

N⋅m/s= kg⋅m²/s³

Linienmasse

ρl

kg/m

Masse

m

kg

Massestrom

qm, m&

kg/s

Massestromdichte

Φ

kg/(m²⋅s)

Moment einer Kraft

M

N⋅m

Normalspannung

σ

Pa

kg/(m⋅s²)

Potentielle Energie

Wp

J

kg⋅m²/s²

Reibungskoeffizient

µ

-

Relative Dichte

d, ρv

-

Schubspannung

τ

N/m²

kg/(m⋅s²)

Schwerefeldstärke

g

N/kg

m/s²

Spezifische Masse

ρ

kg/m³

Spezifisches Volumen

v

m³/kg

Stoß (Impuls)

I

N⋅s

Trägheitsmoment

J, I

kg⋅m²

Trägheitsradius

i

m

Volumenmasse (Dichte)

ρ

kg/m³

kg⋅m²/s²

kg⋅m²/s²

kg⋅m/s

ÜBERSICHT DER EINHEITEN

A/7

Tabelle 1.3 Mechanik der festen Stoffe Größe

Symbol

Einheit

Ableitung

Druck

p

Pa

N/m² = kg/(m⋅s²)

Elastizitätsmodul

E

Pa

kg/(m⋅s²)

Kerbschlagarbeit

K

J

kg⋅m²/s²

Kompressibilität

κ

Pa-1

m⋅s²/kg

Kompressionsmodul

K

Pa

kg/(m⋅s²)

Lineares Flächenmoment

S

m³

Nachgiebigkeit

h

m/N

Poisson-Verhältnis

µ

-

Quadratisches Flächenmoment I

m4

Reckgrenze

R

Pa

Relative Dehnung

ε

-

Relative Volumenänderung

ϑ

-

Schubmodul

G

Pa

Schubwinkel

γ

-

Steifigkeit

c

N/m

Widerstandsmoment

W

m³

Winkelverschiebung

γ

-

Zugspannung

σ

N/m²

s²/kg

N/m² = kg/(m⋅s²)

kg/(m⋅s²) kg/s²

kg/(m⋅s²)

Tabelle 1.4 Mechanik der Gase und Flüssigkeiten (Strömungslehre) Größe

Symbol

Einheit

Fluidität

ϕ L&

Pa-1 s-1

m⋅s/kg

N⋅m

kg⋅m²/s²

N

kg⋅m/s²

Impulsmomentstrom Impulsstrom

p&

Kompressibilitätsfaktor

z

Ableitung

-

Oberflächenspannung

σ, γ

N/m

Potentialfunktion

Φ

m²/s

Viskosität (dynamisch)

η

Pa⋅s

Viskosität (kinematisch)

ν

m²/s

Widerstandsfaktor für Rohre

λ

-

Widerstandskoeffizient

ζ

-

Wirbelstärke (Zirkulation)

Γ

m²/s

Zirkulation (Wirbelstärke)

Γ

m²/s

kg/s² kg/(m⋅s)

A/8

EINHEITEN UND SYMBOLE

Tabelle 1.5 Elektrizität und Magnetismus Größe Blindleistung Dielektrische Konstante Elektrisch Dipolmoment Energie Feldstärke Fluss Flussdichte Ladung Leistung Polarisation Potential Potentialdifferenz Raumladungsdichte Spannung Strom Stromdichte Verschiebung Widerstand Elektrizitätsmenge (Ladung) Elektromotorische Kraft (EMK) Impedanz Induktion Kapazität Kopplungsfaktor Leitfähigkeit Leitwert Magnetisch Dipolmoment Energie Feldstärke Fluss Flussdichte Moment Polarisation Quellenspannung (MMK) Spannung Vektorpotential Widerstand Magnetisierung Magnetomotorische Kraft (MMK)

Symbol Pq ε

Einheit W F/m

Ableitung kg⋅m²/s³ A²⋅s4/(kg⋅m³)

p W E Ψ D Q P P V V ρ U I J D R Q E Z L C k γ,σ G

C⋅m J V/m C C/m² C W C/m² V V C/m³ V A A/m² C/m² Ω C V Ω H F S/m S

A⋅m⋅s kg⋅m²/s² kg⋅m/(A⋅s³) A⋅s A⋅s/m² A⋅s kg⋅m²/s³ A⋅s/m² kg⋅m²/(A⋅s³) kg⋅m²/(A⋅s³) A⋅s/m³ kg⋅m²/(A⋅s³)

j W H Φ B m J Um U A Rm Μ Um

Wb⋅m J A/m Wb T A⋅m² T V A Wb/m H-1 A/m A

kg⋅m³/(A⋅s2) W⋅s = kg⋅m²/s²

A⋅s/m² V/A = kg⋅m²/(A²⋅s3) A⋅s kg⋅m²/(A⋅s3) kg⋅m²/(A²⋅s3) kg⋅m²/(A²⋅s2) C/V = A²⋅s4/(kg⋅m²) A²⋅s3/(kg⋅m³) A²⋅s3/(kg⋅m²)

V⋅s = kg⋅m²/(A⋅s²) Wb/m² = kg⋅/(A⋅s²) kg⋅/(A⋅s²)

kg⋅m/(A⋅s²) A²⋅s²/(kg⋅m²)

ÜBERSICHT DER EINHEITEN Tabelle 1.6 Wärme und Thermodynamik Größe Absolute Temperatur Ausdehnungskoeffizient (linear) Ausdehnungskoeffizient (räumlich) Enthalpie Entropie Freie Energie Freie Enthalpie Innere Energie Spezifische Enthalpie Entropie Freie Energie Freie Enthalpie Innere Energie Übergangsenergie Wärmekapazität Temperatur Celsius Thermische Leistung Übergangsenergie Wärme Durchgangskoeffizient Isolationskoeffizient Kapazität Leitung Leitungskoeffizient Strom Stromdichte Übertragungskoeffizient Widerstand Wärmemenge Widerstandstemperaturkoeffizient

Symbol T α, λ γ, αV H S F G U

Einheit K K-1 K-1 J J/K J J J

Ableitung

h s f g u l c t, ϑ P L

J/kg J/(kg⋅K) J/kg J/kg J/kg J/kg J/(kg⋅K) °C W J

m²/s² m²/(s²⋅K) m²/s² m²/s² m²/s² m²/s² m²/(s²⋅K) 1°C = 1K J/s = kg⋅m²/s³ kg⋅m²/s²

K M C G λ Q, Φ q α, h R, Rw, ϑ Q α

W/(m²⋅K) K⋅m²/W J/K W/K W/(m⋅K) W W/m² W/(m²⋅K) K/W J K-1

kg /(K⋅s³) K⋅s³/kg kg⋅m²/(K⋅s²) kg m²/(K⋅s³) kg m/(K⋅s³) kg⋅m²/s³ kg/s³ kg/K⋅s³ K⋅s³/(kg⋅m²) kg⋅m²/s²

kg⋅m²/s² kg⋅m²/(s²⋅K) kg⋅m²/s² kg⋅m²/s² kg⋅m²/s²

A/9

A/10

EINHEITEN UND SYMBOLE

Tabelle 1.7 Chemischer Stoff und Materie Größe Anzahl elementarer Teilchen Atomgewicht Chemisches Potenzial Dichte Diffusionskoeffizient Dissoziationsgrad Ionenstärke Massenanteil Molare Anteil Konzentration Masse Volumen Molarität Molekulargewicht Moleküldichte Molekülkonzentration Ordnungszahl Osmotischer Druck Relative Atommasse Relative Molekülmasse Stoffmenge Teilchendichte Thermischer Diffusionskoeffizient 1) Index B gibt an: Von Komponente B

Symbol1) N A µB ρB D α I wB

Einheit J/kmol kg/m³ m²/s kmol/kg -

xB cB M Vm mB M n CB Z Π Ar Mr n n DT

kmol/m³ kg/kmol m³/kmol kmol/kg m-3 m-3 Pa kmol m-3 m²/s

Ableitung

kg⋅m²/(kmol⋅s²)

kg/(m⋅s²)

ÜBERSICHT DER EINHEITEN

A/11

Tabelle 1.8 Elektromagnetische Strahlung und Licht Größe Symbol Einheit Ableitung E lx Beleuchtungsstärke cd⋅sr/m² Belichtung H lx⋅s cd⋅sr⋅s/m² Bestrahlungsstärke1) E, Ee W/m² kg⋅/s³ Brechungsindex n Emission (Licht) M lm/m² cd⋅sr/m² Leuchtdichte L cd/m² m/s Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) c (cv) Lichtmenge Q lm⋅s cd⋅sr⋅s Lichtstärke I cd Lichtstrom lm cd⋅sr Φ Spektraler Absorptionsgrad2) α(λ) Spektraler Absorptionskoeffizient2) m-1 a(λ) Spektraler Emissionsgrad2) ε(λ) Spektraler Reflexionsgrad2) ρ(λ) m-1 Spektraler Schwächungskoeffizient2) µ(λ) 2) Spektraler Transmissionsgrad τ(λ) L, Le Strahlung1) W/(m²⋅sr) kg⋅/(s³⋅sr) Strahlungs1) Emission M, Me W/m² kg⋅/s³ J Energie Q, Qe W kg⋅m²/s² w Energiedichte J/m³ kg/(m⋅s²) Fluss W kg⋅m²/s³ Φ, Φe Flussdichte W/m² kg⋅/s³ ϕ Intensität (Stärke) I, Ie W/sr kg⋅m²/(s³⋅sr) Wellenlänge m λ 1) Mit dem Index λ werden die Symbole der Größen Ee, Ie, Le, Me, Qe, w und Φe charakterisiert, wenn sie für einen kleinen Spektralbereich dλ gelten. Zur Einheit und zur Ableitung wird dann ein Faktor m-1 hinzugefügt. Größen, die eine Funktion von λ sind, werden mit (λ) gekennzeichnet, z.B. ε (λ).

A/12

EINHEITEN UND SYMBOLE

Tabelle 1.9 Akustik Größe Akustische Impedanz Akustische Leistung Leistungspegel Mechanische Impedanz Momentane Teilchengeschwindigkeit Momentaner Schalldruck Schalldruckpegel Schallenergiedichte Schallgeschwindigkeit Schallintensität Schallintensitätspegel Spezifische akustische Impedanz Statischer Druck

Symbol Za P LP, LW Zm u, v p Lp E c I LI Zs ps

Einheit Pa⋅s/m³ W (dB) N⋅s/m m/s Pa (dB) J/m³ m/s W/m² (dB) Pa⋅s/m Pa

Ableitung kg/(m4⋅s) kg⋅m²/s³

Einheit Gy Bq Sv

Ableitung m²/s² s-1 m²/s²

Gy/s C/kg

m²/s³ A⋅s/kg A/kg

kg/s kg⋅/(m⋅s²) kg⋅/(m⋅s²) kg/s³ kg⋅/(m²⋅s) kg⋅/(m⋅s²)

Tabelle 1.10 Atomare und molekulare Werte Größe Absorbierte Dosis Aktivität Dosisäquivalent Dosisrate Exposition Expositionsrate Halbwertszeit Kernzahl Neutronenzahl Protonenzahl (Ordnungszahl) Spezifische Aktivität Zerfallskonstante

1.5

Symbol D A H D& X X& T1/2 A N Z a λ

C/(kg⋅s) s Bq/kg s-1

(s⋅kg) -1

Einheiten außerhalb von SI

Tabelle 1.11 führt die nicht zu den SI-Einheiten gehörenden Einheiten auf. Die meisten dürfen offiziell nicht mehr gebraucht werden. Dieses sind sogenannte alte Einheiten. Die Tabelle gibt ferner die Ableitung der erwähnten Einheiten nach SI-Einheiten an.

ÜBERSICHT DER EINHEITEN

A/13

Tabelle 1.11 Einheiten außerhalb von SI Einheit Ampere-Stunde Angström Apostilb Atmosphäre (physikalisch, 760 mmHg) Atmosphäre (technisch, kp/cm²) Biot Kalorie (international) Kalorie, thermochemisch Curie Denier (=1/9 tex) Dyn (= g⋅cm/s²) Erg (= dyn⋅cm) Fermi Gal (= cm/s²) Gamma Gauss Geografische Meile Gilbert Grammatom Grammmolekül Kilopond Lambert Lichtjahr Maxwell Meter Wassersäule Mikron Nit Oersted Pferdestärke Pferdestärkestunde Phot Poise (= dyn⋅s/cm²) Poiseuille Pond Rad (Strahlungsdosis) Rem (Vergleichsdosis) Röntgen Stilb Stokes Torr (mm Quecksilberdruck) 1) : = bedeutet: per Definition gleich

Symbol Ah A asb atm at Bi cal calthch Ci den (Td) dyn erg fm Gal γ Gs Gb grat gmol kp L ly Mx mH2O µ nit Oe PS PSh ph P Pl p rd rem R sb St torr

Ableitung1) = 3,6⋅10³ C : = 10-10m = 0,1 nm : = (1/π)cd/m² : = 101325 Pa = 98066,5 Pa : = 10 A : = 4,1868 J : = 4,184 J : = 37⋅109 Bq : = 1/9⋅10-6 kg/m : = 10-5 N = 10-7 J : = 10-15 m : = 10-2 N/kg : = 10-9 T : = 10-4 T ≈ 7409,10 m : = 10/(4π) ≈ 0,795775A = mol Atome = mol Moleküle : = 9,80665 N : = 104/π cd/m² ≈ 9,46053⋅1015m : = 10-8 Wb : = 9,80665 kPa = 10-6 m : = 1cd/m² : = 10³/(4π) ≈ 79,5775 A/m ≈ 735,499 W ≈ 2,6478⋅106 J : = 104 lx : = 0,1 Pa⋅s : = 1 Pa⋅s : = 9,80665⋅10-3 N : = 10-2 Gy : = 10-2 Sv ≈ 258⋅10-6 C/kg : = 104 cd/m² : = 10-4 m²/s ≈ 133,322 Pa

A/14

EINHEITEN UND SYMBOLE

Tabelle 1.12 Überblick der am häufigsten vorkommenden englischen (UK) und amerikanischen (US) Einheiten (es wird empfohlen, diese nicht mehr anzuwenden) Einheit Symbol Ableitung Länge mil (= 0,001 in) mil 25,4⋅10-6 m inch in : = 25,4⋅10-3 m foot (= 12 in) ft = 0,3048 m yard (= 3 ft) yd = 0,9144 m fathom (= 6 ft) fath = 1.8288 m furlong (= 220 yd) fur = 201,168 m statute mile (= 1760 yd) mi = 1609,344 m Oberfläche acre acre ≈ 4046,86 m² circular inch cir in ≈ 0,506707⋅10-3 m² Inhalt (UK) fluid ounce fl oz ≈ 28,4131⋅10-6 m³ pint (= 20 fl oz) pt ≈ 568,261⋅10-6 m³ quart (= 2 pt) qt ≈ 1,13652⋅10-3 m³ gallon (= 4 qt) (UK)gal = 4,54609⋅10-3 m³ bushel (= 8 gal) bu ≈ 36,3687⋅10-3 m³ quarter (= 8 bu) qr ≈ 0,290950 m³ Inhalt (US, für Flüssigkeiten) fluid ounce fl oz ≈ 29,5735⋅10-6 m³ liquid pint (= 16 fl oz) liq pt ≈ 0,473176⋅10-3 m³ liquid quart (= 2 liq pt) liq qt ≈ 0,946353⋅10-3 m³ gallon (= 4 liq qt) (US)gal = 3,78541⋅10-3 m³ barrel (= 42 gal) bbl ≈ 0,158987 m³ Inhalt (US, für Feststoffe) dry pint dry pt ≈ 0,550610⋅10-3 m³ dry quart (= 2 dry pt) dry qt ≈ 1,10122⋅10-3 m³ gallon (= 4 dry qt) dry gal ≈ 4,40488⋅10-3 m³ peck (=2 dry gal) pk ≈ 8,80977⋅10-3 m³ bushel (= 4 peck) bu = 35,2391⋅10-3 m³ dry barrel (= 7056 in³) dry bbl ≈ 0,115627 m³ Masse ounce (UK, US) (= 1/16 lb) oz ≈ 28,3495⋅10-3 kg pound (UK, US) lb = 0,45359237 kg stone (UK, US) (=14 lb) st ≈ 6,35029 kg quarter (UK, US) (=28 lb) qr ≈ 12,7006 kg hundredweight (US) (= 100 lb) sh cwt ≈ 45,3592 kg hundredweight (UK) (= 112 lb) (UK) cwt ≈ 50,8023 kg US ton = short ton (= 2000 lb) US ton ≈ 907,185⋅ kg UK ton = long ton (= 2240 lb) UK ton ≈ 1,01605⋅10-3 kg

ÜBERSICHT DER EINHEITEN Tabelle 1.12 (Fortsetzung) Einheit Kraft, Arbeit, Leistung, Druck poundal pound (Kraft) horsepower (= 550 ft⋅lbf/s) british thermal unit (= 1 kcal⋅lb⋅°F/(kg⋅K)) pound per sq. inch Sonstige mil = strich foot candle foot lambert cycle per second revolutions per minute mho °Fahrenheit

A/15

Symbol

Ableitung

pdl lbf hp Btu

≈ 0,138255 N ≈ 4,44822 N ≈ 745,699 W ≈ 1055,06 J

psi

≈ 6894,76 Pa

mil fc fL c/s rpm mho °F

= 2π/6400 rad ≈ 0,981748 mrad ≈ 10,764 lux ≈ 3,4263 cd/m² = 1 Hz =1/60 s-1 = 16,6667⋅10-3 Hz = 1/Ω = S T(K) = 5/9[t(°F) + 459,67]

Tabelle 1.13 Noch vorkommende, veraltete Einheiten der Viskosität Grad Engler °E 1,0 5,0 10,0 15 20 25

sec Redwood I 27 154 311 466 621 776

sec Redwood II 17 32 47 62 78

sec Saybolt 28 181 365 548 730 910

Ableitung m²/s 1,0⋅10-6 37,3⋅10-6 77⋅10-6 114⋅10-6 152⋅10-6 190⋅10-6

A/16

EINHEITEN UND SYMBOLE

1.6

Berechnung der Ableitungsfaktoren

Ableitungsfaktoren treten auf: 1. Beim Übergang von zusammengesetzten (alten) Einheiten zu anderen Einheiten (z.B. SI). 2. Wenn in einer Formel Größen auftreten, die in anderen als den gewünschten Einheiten ausgedrückt sind. Die Berechnung wird mit Hilfe der Substitutionsmethode durchgeführt: Jede einzelne zu ersetzende Einheit wird in die entsprechende Größenordnung der gewünschten Einheit substituiert. Beispiele: 1

1.

2.

Btu 2

ft ⋅ h

=

1055,06 J

(0,3048 m) 2⋅3600 s J = 3,15460 = 3,15460 W/m 2 2 m ⋅s

ρ⋅l , wobei: ρ in Ωm, A in m², R in Ω. A π ⎞ ⎛ Gegeben: ρ in µΩ⋅cm, l in cm, d in mm ⎜ A = d 2 ⎟ 4 ⎠ ⎝ Gesucht: R, ausgedrückt in mΩ. ρ⋅l Die entstandene Formel: R = k , wo k zu berechnen ist. d2 4 R 4 A R A ⋅ ⋅ r ⋅ d 2 mΩ π mm 2 10 − 3 Ω π 10 − 6 m 2 , = = k= ρ ρ l l ρ⋅l ⋅ ⋅ µΩ ⋅ cm cm 10 − 8 Ωm 10 − 2 m R A ⋅ 4 10 −10 Ω m 2 4 10 −10 0,4 . = ⋅ −9 = ⋅ −9 = ρ l π 10 π 10 π ⋅ Ωm m

R=

ÜBERSICHT DER EINHEITEN

1.7

Bezeichnung der dezimalen Vielfachen (SI)

Tabelle 1.14 Bezeichnung der dezimalen Vielfachen nach SI Vorsatz Vorsatzzeichen Faktor Vorsatz Vorsatzzeichen Yotta Zetta Exa Peta Tera Giga Mega Kilo Hekto Deka

A/17

Y Z E P T G M k h da

1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 102 101

Dezi Zenti Milli Mikro Nano Piko Femto Atto Zepto Yokto

d c m µ n p f a z y

Faktor 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24

Anmerkungen: Es wird empfohlen, die Vorsätze Hekto, Deka, Dezi und Zenti möglichst zu vermeiden. • Das Vorsatzzeichen eines Vielfachen bildet ein Ganzes mit dem Symbol der Einheit, dem es zugefügt wurde. • Kombinieren der Vorsatzzeichen ist nicht zulässig. •

A/18

2

EINHEITEN UND SYMBOLE

Römische Ziffern I=1 II = 2 III = 3 IV = 4 V=5

VI = 6 VII = 7 VII = 8 IX = 9 X = 10

L = 50 C = 100 D = 500 M = 1000

Für das Zusammensetzen einer Zahl gelten folgende Regeln Werterhöhung geschieht, indem man eine Ziffer (oder mehrere) mit gleichem oder geringerem Wert hinter die jeweilige Ziffer setzt. • Wertminderung geschieht, indem man eine Ziffer mit geringerem Wert vor die jeweiligen Ziffer setzt. • Beim weiteren Zusammensetzen nimmt der Wert der Ziffern oder Zifferkombinationen von links nach rechts ab. •

Beispiele: 1692 = MDCXCII 1989 = MCMLXXXIX 2001 = MMI

GRIECHISCHE BUCHSTABEN

3

A/19

Griechische Buchstaben

Tabelle 3.1 Zeichen der griechischen Buchstaben in Druckschrift und Kursiv Druckschrift Kursiv Name Große Kleine Große Kleine Buchstaben Buchstaben Buchstaben Buchstaben Alpha Α α Α α

Β Γ ∆ Ε Ζ Η Θ Ι Κ Λ Μ Ν Ξ Ο Π Ρ Σ Τ Υ Φ Χ Ψ Ω

β γ δ ε ζ η ϑ ι κ λ µ ν ξ ο π ρ σ τ υ ϕ χ ψ ω

Β Γ ∆ Ε Ζ Η Θ Ι Κ Λ Μ Ν Ξ Ο Π Ρ Σ Τ Υ Φ Χ Ψ Ω

β γ δ ε ζ η ϑ ι κ λ µ ν ξ ο π ρ σ τ υ ϕ χ ψ ω

Beta Gamma Delta Epsilon Zeta Eta Theta Iota Kappa Lambda My Ny Xi Omikron Pi Rho Sigma Tau Ypsilon Phi Chi Psi Omega

INHALT

B

B/1

Werkstoffe

1

Metalle, Seite B/2 1.1 Metalle und ihre Verwendung, Seite B/2 1.2 Technische Eigenschaften, Seite B/2 1.3 Eisen und Stahl, Seite B/5 1.4 Eisenguss-Werkstoffe, Seite B/28 1.5 Nichteisenmetalle, Seite B/30 1.6 Korrosion und Korrosionsschutz, Seite B/42

2

Kunststoffe, Seite B/51 2.1 Einteilung, Seite B/51 2.2 Herstellung, Seite B/52 2.3 Normung, Seite B/52 2.4 Eigenschaften ausgewählter Kunststoffe, Seite B/56 2.5 Duroplaste, Seite B/62 2.6 Thermoplaste, Seite B/64 2.7 Gummi (Elastomere), Seite B/69 2.8 Kunststoff-Schäume, Seite B/71

3

Anorganische, nicht metallische Werkstoffe, Seite B/73 3.1 Einteilung, Seite B/73 3.2 Glas, Seite B/73 3.3 Keramik, Seite B/73 3.4 Nichtoxidische Hartstoffe, Seite B/79

4

Halbleiter-Werkstoffe, Seite B/81

5

Supraleiter-Werkstoffe, Seite B/84

6

Allgemeine Tabellen, Seite B/86

7

Chemische Elemente Seite B/104

B/2

WERKSTOFFE

1

Metalle

1.1

Metalle und ihre Verwendung

Die Wahl eines Metalls oder einer Metall-Legierung wird durch den Preis oder die Eigenschaften bestimmt. Der Preis wird bestimmt durch die Häufigkeit des Vorkommens in der Erdkruste und dem Schwierigkeitsgrad der Gewinnung. Die Erdkruste enthält unter anderem 8,13% Aluminium, 5% Eisen und 0,007% Kupfer. Von diesen Metallen sind Eisen und Kupfer relativ einfach durch einen Reduktionsprozess zu gewinnen. Aluminium jedoch ist wegen seiner größeren Affinität zum Sauerstoff wesentlich aufwändiger zu gewinnen und erfordert eine viel größere Menge von Energie. Eisen und Stahl (Eisen und Kohlenstoff) sind viel günstiger und werden häufiger verwendet als die anderen Metalle, vor allem weil sie einfach zu gewinnen sind und gute mechanische Eigenschaften besitzen. Diese können durch Wärmebehandlung noch verbessert werden.

1.2

Technische Eigenschaften

Mechanische Eigenschaften Die wichtigsten mechanischen Eigenschaften, die den Widerstand gegen Bruch oder Verformung des Materials angeben, sind: • Zugfestigkeit Rm (σB) in N/mm2; • 0.2% Dehngrenze Rp0.2 (σR) in N/mm2; • Bruchdehnung A in %; • Elastizitätsmodul E in N/mm2; • Vickers-Härte HV. Anstatt der Vickers-Härte wird für weiche und inhomogene Materialien wie Gusseisen auch die Brinell-Härte (HB) angegeben und für harte Materialien, u.a. bei Werkzeugstählen, die Rockwell-Härte (HRC für harte- und HRB für weiche Metalle). Die Umrechnungen zeigt Abb. 1.1.

METALLE

B/3

Abb. 1.1 Vergleich der Härtewerte nach DIN 50150

• • • •

Für besondere Beanspruchungsfälle werden ebenfalls verwendet: Ermüdungsfestigkeit bei sich ändernder Belastung; Kriechfestigkeit bei langandauernder konstanter Belastung; Biegefestigkeit, Zuggrenze bei Biegebelastung; Scherfestigkeit, Widerstand gegen Scherkräfte.

Physikalische Eigenschaften Im Allgemeinen spielen diese Eigenschaften im Vergleich zu den mechanischen Eigenschaften eine untergeordnete Rolle. Für spezielle Anwendungsfälle können jedoch gerade diese physikalischen Eigenschaften von Bedeutung sein. Hierzu einige Beispiele: • Schmelzpunkt beim Löten, Schweißen und Gießen; • Dichte bei Flugzeugteilen; • Spezifischer Widerstand bei stromleitenden Teilen; • Widerstandstemperaturkoeffizient bei Materialien für Thermokopplung; • Linearer Ausdehnungskoeffizient bei genauen Messwerkzeugen oder bei Kombination verschiedener Materialien.

B/4

WERKSTOFFE

Chemische Eigenschaften Für viele Anwendungsbereiche ist die Korrosionsbeständigkeit von Metallen und Metalllegierungen in Konstruktionen von großer Bedeutung. Die Korrosionsbeständigkeit der Werkstoffe bestimmt die Lebensdauer von Bauteilen. Technologische Eigenschaften Die technologischen Eigenschaften beschreiben den Schwierigkeitsgrad bei der Fertigung von Produkten aus diesen Werkstoffen. Die wichtigsten technologischen Eigenschaften der Konstruktionsmaterialien sind: • Kalt- und in Einzelfällen Warmverformbarkeit; • Zerspanbarkeit, • Schweiß- und Lötbarkeit, • Möglichkeit der Beschichtung. Für bestimmte Anwendungen müssen entsprechende Vorgaben eingehalten werden. Beeinflussung der Eigenschaften Die mechanischen Eigenschaften der Konstruktionswerkstoffe können durch Kaltverformung und Wärmebehandlung beeinflusst werden. Bei der Kaltverformung nehmen in der Regel die Festigkeitseigenschaften und die Härte zu, wogegen die Verformbarkeit abnimmt. Durch das Glühen kann jedoch die durch Kaltverformung erreichte Festigkeit wieder aufgehoben werden. Bei Stahl und einigen anderen Metalllegierungen besteht die Möglichkeit, durch Wärmebehandlung (Härten) die Festigkeit zu vergrößern und die Härte zu erhöhen. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften werden bei diesen Prozessen im allgemeinen wenig Veränderungen unterzogen; sie können aber durch das Hinzufügen von Legierungselementen in großem Umfang verändert werden.

METALLE

B/5

Eisen- und Nichteisenwerkstoffe • Eisenwerkstoffe: Metalllegierungen, bei denen Eisen das Basismaterial ist (Abschn. 1.3 Eisen und Stahl und Abschn. 1.4 Eisenguss-Werkstoffe). • Nichteisenmetalle: Alle Metalle außer Eisen (Abschn. 1.5 bis Abschn. 1.7).

1.3

Eisen und Stahl

Eisen-Kohlenstoff-Schaubild (EKS) Wichtigster Legierungsbestandteil von reinem Eisen (Fe) ist Kohlenstoff (C). Die Kohlenstoffatome werden in die Zwischengitterplätze von Eisen eingelagert und sind im jeweiligen Eisengitter nur in begrenztem Umfang löslich. Bereits geringe Unterschiede des Kohlenstoffgehaltes verändern die Eigenschaften von Eisen entscheidend. Das Eisen-Kohlenstoff-Schaubild (EKS) zeigt die temperaturabhängigen Gefügeänderungen. Abb. 1.2 zeigt das Fe-C und das FeFe3C-Schaubild. Eisen bildet mit Kohlenstoff die intermediäre Phase Fe3C, die bei hohen Temperaturen oder langsamer Abkühlung in Kohlenstoff (Grafit) und Eisen zerfällt. Technische Eisen-Kohlenstoff-Legierungen besitzen maximal einen Kohlenstoffgehalt von 5% (Gusswerkstoffe). Deshalb ist nur die eisenreiche Seite des EKS bis 6,67% Kohlenstoff (100% Fe3C) wichtig. Das Schaubild zeigt einen eutektischen, einen eutektoiden und einem (in der Praxis wenig bedeutendem) peritektischen Teil. Aus dem EKS kann man folgendes erkennen: • Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt nimmt die Schmelztemperatur der Fe-C-Legierungen ab (Liquiduslinie ABC); • Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt nimmt die A3-Temperatur (GOS-Linie) ab, unterhalb der die γ
α -Umwandlung erfolgt. • Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt erhöht sich die A4Temperatur (Linie NJ). Die Gefügebestandteile im EKS zeigt Abb. 1.3

B/6

WERKSTOFFE

Abb. 1.2 Eisen-Kohlenstoff-Schaubild für stabile (Fe-C)- und metastabile (Fe-Fe3C)Ausbildung des Kohlenstoffs

Einteilung der Fe-C-Legierungen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die schmiedbar sind (C < 2%), werden als Stähle bezeichnet. Gusseisen hat einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 2% (Abb. 1.4). Gusseisen (außer Gusseisen mit Kugelgrafit) ist so spröde, dass sich Teile nur durch Gießen herstellen lassen. Im Hochofen können neben Stahl auch andere Werkstoffe entstehen (Tabelle 1.1). Legierungselemente im Stahl Durch Zusatz weiterer Legierungselemente lassen sich die Eigenschaften von Stahl sehr stark ändern. Legierte Stähle haben Mindestanteile von bestimmten Elementen (Tabelle 1.3). Dabei gelten Verunreinigungen wie Phosphor (P), Schwefel (S) und Stickstoff (P) nicht als Legierungselemente.

METALLE

B/7

Abb. 1.3 Wichtige Vorgänge und Gefügebestandteile im EKS Tabelle 1.1 Hochofenwerkstoffe und ihre chemische Zusammensetzung

Nach DIN EN 10 027-1 unterscheidet man zwischen unlegierten und legierten Stählen. Die legierten Stähle werden häufig noch unterteilt in: • Niedriglegierte Stähle (alle Legierungselemente unter 5%) • Hochlegierte Stähle (mindestens ein Legierungselement mehr als 5%, meist korrosionsbeständig).

B/8

WERKSTOFFE

Abb. 1.4 Einteilung der Fe-C-Legierungen

Abb. 1.5 Temperaturabhängigkeit verschiedener Eigenschaften von Stahl

METALLE

B/9

Tabelle 1.2 Wärmebehandlungsverfahren von Stahl (Quelle: Beratungsstelle für Stahlverwendung)

Bezeichnung der Eisenwerkstoffe Die wichtigsten Norm ist DIN EN 10027. Danach erfolgt die Kennzeichnung der Stähle mit Kennbuchstaben und Zahlen. Für spezielle Einsätze (z. B. beim Einsatz bei sehr hohen bzw. sehr niedrigen Temperaturen) sind Zusatzsymbole nach der Vornorm DIN V 17006, Teil 100 zu verwenden. Die Kennzeichnung der Stähle erfolgt in zwei Gruppen: Der Kennzeichnung nach Verwendung und Eigenschaften und der Kennzeichnung nach der chemischen Zusammensetzung.

B/10

WERKSTOFFE

Tabelle 1.3 Mindestgehalt der Legierungsbestandteile für legierte Stähle nach DIN EN 10 020

Kennzeichnung nach Verwendung und Eigenschaften  S: Stähle für den allgemeinen Maschinenbau  P: Stähle für den Druckbehälterbau  L: Stähle für den Rohrleitungsbau  E: Maschinenbaustähle. Diesem Buchstaben folgt die Angabe der Mindeststreckgrenze in N/mm2 für die kleinste Erzeugnisdicke (z. B. E360: Maschinenbaustahl mit einer Mindeststreckgrenze von 360 N/mm2; früher St70-2).  B: Betonstähle mit Angabe der charakteristischen Streckgrenze in N/mm2.

METALLE 



B/11

D: Flacherzeugnisse aus weichen Stählen zum Kaltumformen, gefolgt von folgenden Kennbuchstaben: o C: Kaltgewalzte Flacherzeugnisse. o D: Zur unmittelbaren Kaltumformung bestimmte warmgewalzte Flacherzeugnisse. o X: Flacherzeugnisse, die kalt oder warm umgeformt werden können. M: Elektroblech und Elektroband, gefolgt von verschiedenen Zahlen und Kennbuchstaben (z. B. Angabe des höchstzulässigen Magnetisierungsverlustes).

Nach der Vornorm DIN V 17006 Teil 100 sind Angaben zur genaueren Spezifizierung festgelegt. Sie beziehen sich hauptsächlich auf die Stähle im Stahlbau. Wichtige Kennungen sind:  JR: Kerbschlagarbeit und Prüftemperatur: 27 J bei 20 0C;  K2: Mindestens 40 J bei –20 0C. Beispiel: S235JR (Stahl für allgemeinen Stahlbau mit einer Mindeststreckgrenze von 235 N/mm2, einer Kerbschlagarbeit von 27 J bei einer Prüftemperatur von 20 0C). Kennzeichnung nach der chemischen Zusammensetzung  Unlegierte Stähle (außer Automatenstähle) mit einem mittleren Mangangehalt < 1%: o C und einer Zahl, der das Hundertfache des mittleren Kohlenstoffgehaltes darstellt. o Vergütungsstahl nach DIN EN 10083  Unlegierte Qualitätsstähle: C 22, C 45  Unlegierte Edelstähle: C22E (Ck22), C45R (Cm45)  Unlegierte Stähle (außer Automatenstähle) mit einem mittleren Mangangehalt > 1%, sowie niedriglegierte Stähle (einzelne Legierungselemente unter 5%). o Zahl: 100-faches des Kohlenstoffgehaltes; o Maßgebende Legierungsbestandteile o Verschlüsselte Kennzahlen für die Legierungsbestandteile.

B/12

WERKSTOFFE

Beispiel: Warmfester Kesselbaustahl 13CrMo4-5 (13: 0,13% Kohlenstoffgehalt; CrMo: Legierungselemente Chrom und Molybdän; 4-5: Legierungskennzahlen Cr = 4/4 = 1%; Mo = 5/10= 0,5%). Tabelle 1.4 Legierungskennzahlen der wichtigsten Elemente in niedriglegierten Stählen



Hochlegierte Stähle (außer Schnellarbeitsstähle) mit einem Legierungsgehalt eines Elementes von mindestens 5%. o X: Kennbuchstaben. o Zahl: Hundertfaches des Kohlenstoffgehaltes. o Legierungselemente, geordnet nach abnehmendem Gehalt. o Zahlen: geben den Gehalt der Legierungselemente an. Beispiel: X10CrNiTi18-10 (X: Hochlegierter Stahl; 10: 0,1% C; CrNiTi: Chrom, Nickel, Titan, 18-10: 18% Cr, 10% Ni, Ti Gehalt nicht angegeben). 

Schnellarbeitsstähle o Kennbuchstaben HS (High Speed) o Zahlen, die den Gehalt der Legierungen angeben. Beispiel: Wolfram (W) – Molybdän (Mo) – Vanadin (V) – Kobalt (Co): HS6-5-2 (HS: Schnellarbeitsstahl; 6-5-2 (6% W, 5% Mo, 2% Vanadin; Co nicht angegeben).

Tabelle 1.5 Einteilung der Stahlgruppen nach DIN EN 10027-2

METALLE B/13

Tabelle 1.5 Fortsetzung

B/14 WERKSTOFFE

METALLE

B/15

Hauptgüteklassen der Stähle  Grundstähle Unlegierte Stähle mit keinen besonderen Gebrauchseigenschaften.  Qualitätsstähle Unlegierte und legierte Stähle mit besonderen Anforderungen (z. B. Schweißneigung, unempfindlich gegen Sprödbruch, Tiefziehfähigkeit, Eignung für Automaten).  Edelstähle Unlegierte und legierte Stähle, die für eine Vergütung (Wärmebehandlung) und eine Oberflächenhärtung bestimmt sind. Einsatz bei hoch beanspruchten Bauteilen. Baustähle  



Mechanische Eigenschaften: plastische Verformbarkeit, hohe Streckgrenzen. Technologische Eigenschaften: Zerspanbarkeit, Kaltumformbarkeit (Stanzen, Ziehen, Biegen), Schweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Temperaturzähigkeit (kaltzähe Stähle), Warmfestigkeit (warmfeste Stähle), Hitzebeständigkeit. Physikalische Eigenschaften: magnetische Eigenschaften, Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung (z. B. Bimetall).

Härtbare Maschinenbaustähle Diese Werkstoffe werden vor allem Im Maschinenbau und im Automobilbau eingesetzt. Sie sind dynamisch beanspruchbar. Ihre Gebrauchseigenschaften werden neben der chemischen Zusammensetzung auch von der Wärmebehandlung bestimmt.  Vergütungsstähle Durch Härten und anschließendem Anlassen werden die Eigenschaften bestimmt.

Tabelle 1.6 Eigenschaften warmgewalzter Erzeugnisse aus unlegierten Baustählen (DIN EN 10025)

B/16 WERKSTOFFE

METALLE Tabelle 1.7 Gütegruppen unlegierter Baustähle

Tabelle 1.8 Mechanische Eigenschaften schweißgeeigneter Feinkornbaustählen

B/17

Tabelle 1.9 Wärmebehandlung und mechanische Eigenschaften von Vergütungsstählen (DIN EN 10083-1)

B/18 WERKSTOFFE

METALLE

B/19

Tabelle 1.10 Kennbuchstaben für Wärmebehandlungszustände (DIN EN 10083-1)

 Stähle für das Randschichthärten Stähle, die zum Randschichthärten geeignet sind (z. B. Induktions- oder Flammschichthärten). Festigkeit liegt zwischen 500 N/mm2 und 1.300 N/mm2.  Nitrierstähle Durch Nitrieren (Diffusion von Stickstoff) werden Stähle in einer sehr dünnen Randschicht gehärtet (bis zu 1.100 HV).  Einsatzstähle Die Stähle werden aufgekohlt (Einsetzen). Bei 900 0C direkt gehärtet. C-Gehalt maximal 0,25%. Zugfestigkeit von 500 N/mm2 bis 900 N/mm2. Warmfeste und hitzebeständige Stähle Diese Werkstoffe werden bei hohen Temperaturen, bei mechanischen und korrosiven Beanspruchungen eingesetzt.

Tabelle 1.11 Mechanische Eigenschaften für Randschichthärten geeigneter Stähle (DIN 17212)

B/20 WERKSTOFFE

Tabelle 1.12 Mechanische Eigenschaften für zum Nitrieren geeigneten Stähle (DIN EN 10085)

METALLE B/21

B/22

WERKSTOFFE

Tabelle 1.13 Mechanische Eigenschaften warmfester Stähle

Tabelle 1.14 Eigenschaften ausgewählter hitzebeständiger Stähle

METALLE B/23

B/24

WERKSTOFFE

Kaltzähe Stähle Diese Werkstoffe werden zum Bau von Anlagen bei tiefen Temperaturen eingesetzt (z. B. Anlagen zur Gasverflüssigung) oder zum Transport und Lagerung von Stoffen bei tiefen Temperaturen. Tabelle 1.15 Anwendungsbereich kaltzäher Baustähle

Nichtrostende Stähle Ein Chromgehalt über 12% passiviert den Stahl und macht ihn korrosionsbeständig. Druckwasserstoffbeständige Stähle Dies sind Stähle, die für Wasserstoff bei hohen Drücken bis zu 1.000 bar und bei hohen Temperaturen (bis zu 600 0C) einsetzbar sind. Diese Werkstoffe sind CrMo(V)-legierte Vergütungsstähle. Werkzeugstähle Aus diesen Stählen werden Werkzeuge hergestellt, die zum Bearbeiten von metallischen und nicht metallischen Werkstoffen dienen. Sie besitzen eine hohe Härte, einen hohen Verschleißwiderstand und eine hohe Zähigkeit auf. Nach DIN 8580 werden Werkzeugstähle auch nach ihrem Einsatz in der Fertigungstechnik eingeteilt in: Werkzeugstähle zum Urformen (z. B. Kunststoff- und Druckgießformen), Umformen (z. B. Schmiede- und Presswerkzeuge), Trennen (z. B. Zerspanungs- und Schneidwerkzeuge) und für gemischte Beanspruchungen (z. B. Handwerkzeuge).

Tabelle 1.16 Einteilung und Eigenschaften nichtrostender Stähle (DIN EN 10088)

METALLE B/25

B/26

WERKSTOFFE

Tabelle 1.17 Empfehlungen zum Schweißen korrosionsbeständiger Stähle

METALLE Tabelle 1.18 Anwendungsbeispiele für Werkzeugstähle (DIN EN ISO 4957)

B/27

B/28

1.4

WERKSTOFFE

Eisenguss-Werkstoffe

Der Werkstoff wird im flüssigen Zustand in Formen vergossen. Das Werkstück erhält beim Erstarren seine endgültige Form, die in der Regel noch mit spanabhebenden Verfahren endbearbeitet wird. Kennzeichnungen für die Gusslegierungen sind die Gießverfahren (GS: Sandguss, GM: Kokillenguss, GP: Druckguss). Diesen Kurzzeichen folgen Buchstaben (R: Zugfestigkeit, H: Härte, G: Korngröße), jeweils gefolgt von Ziffern, welche die Mindestwerte angeben. Bei Grauguss sieht die Bruchfläche grau aus. Es enthält 2,5% bis 5% Kohlenstoff und 0,8% bis 3% Silizium. Es entsteht bei langsamem Abkühlen. In Abhängigkeit von der Struktur spricht man von ferritischem, perlitischem oder gewöhnlichem (ferritisch + perlitisch) Grauguss. Die Zähigkeit von Grauguss ist im starken Maße von der Größe der Grafitlamellen abhängig, da an diesen Stellen Risse eingeleitet werden. Durch diese Grafitlamellen richtet sich Grauguss nicht nach dem Hook´schen Gesetz (lineare Abhängigkeit zwischen Dehnung und Spannung), und der Elastizitätsmodul ist deutlich geringer (70.000 N/mm2 bis 140.000 N/mm2) als der von Stahl oder globularem Gusseisen. Grauguss wird mit den Buchstaben GG gekennzeichnet. Diesen folgende Zahlen geben die minimale Zugfestigkeit bei einer bestimmten Materialdicke an. Gusseisen mit Kugelgrafit (Sphäroguss) ist in DIN EN 1563 und DIN EN 1564 genormt. Er wird durch EN-GJS gekennzeichnet. Anschließend folgen die Werte für die Zugfestigkeit in N/mm2 und der Bruchdehnung in % (z. B. EN-GJS-450-10; früher GGG45). Verschleißfestigkeit, Korrosionswiderstand und Zunderbeständigkeit sind besser als bei Grauguss. Weißes Gusseisen entsteht bei einer hohen Abkühlgeschwindigkeit und bei einem geringeren C- und Si-Anteil und einem höheren Mn-Anteil als bei Grauguss. Der Kohlenstoff bleibt im Eisen in Form von Zementit und Perlit gebunden. Weißguss ist dadurch sehr hart und porös. Durch Legierungen mit Ni, Cr, und Mo können die hohe Härte und Verschleißfestigkeit beibehalten werden, jedoch wird er weniger porös und resistenter gegen Schlagbelastung.

METALLE

B/29

Abb. 1.6 Einteilung der Eisengusswerkstoffe

Temperguss ist Weißguss, der durch Glühen verformbar wird. Die Normung erfolgt nach DIN EN 1562. Bei langandauerndem Glühen in einer neutralen Atmosphäre (Tempern) wird das Zementit und manchmal auch das Perlit entbunden, so dass nestförmige Grafitausscheidungen entstehen (schwarzer Temperguss). Weißer Temperguss

B/30

WERKSTOFFE

wird durch die Buchstaben EN-GJMW gekennzeichnet, gefolgt von den Werten für die Zugfestigkeit in N/mm2 und der Bruchdehnung in % (z. B. EN-GJMW-350-4). Man erhält weißen Temperguss durch sehr langes Glühen (100 Stunden) in einer oxidierenden Atmosphäre, wodurch der an die Oberfläche diffundierende Kohlenstoff unter Bildung von CO2 und CO aus dem Gusseisen verschwindet und somit lediglich Ferrit übrig bleibt. Weißer Temperguss wird überwiegend für dünnwandige Teile verwendet (z. B. Beschlagteile, Schlüssel, Rohrverbindungen, Ketten, Hebel, Muffen und Bremstrommeln). Stahlguss enthält wesentlich weniger Kohlenstoff und Silizium als Gusseisen (in der Regel weniger als 0,5% Kohlenstoff) und wird häufig in legierter Form verwendet. Er ist weniger gut gießbar als Gusseisen und wird nach dem Gießen immer normalgeglüht, um die Struktur noch zu verfeinern, wodurch nicht nur die Festigkeit, sondern auch die Zähigkeit ansteigt. Stahlguss ist in DIN 1681 genormt. Er wird mit den Buchstaben GS gekennzeichnet, gefolgt von einer Zahl, die ein Zehntel der Zugfestigkeit in N/mm2 angibt (z. B. GS-38: Stahlguss mit einer Zugfestigkeit von 380 N/mm2).

1.5

Nichteisenmetalle

Neben Eisen sind die Nichteisenmetalle ebenfalls von großer technischer und wirtschaftlicher Bedeutung. Ihr Metallwert ist meist vielfach größer als der von Eisen. Angaben zu Nichteisen-Metalllegierungen Nichteisen-Metalllegierungen werden gewöhnlich durch Aneinanderreihung des Hauptelementes und der Legierungselemente mit den Prozentanteilen, mit denen diese Elemente vorkommen, angegeben. Bei Anteilen, die unter 1% liegen, werden diese Prozentangaben weggelassen. Beispiele: CuAl10Ni5Fe4: Kupferlegierung mit ca. 10% Al, 5% Ni und 4% Fe. AlMg4,5Mn: Aluminiumlegierung mit ca. 4.5% Mg und weniger als 1% Mn.

METALLE

B/31

Abb. 1.7 Wert wichtiger Metalle

Kupfer und Kupferlegierungen Kupfer wird in reiner Form wegen seiner guten elektrischen Leitfähigkeit vor allem für elektrische Leitungen und andere stromführende Teile verwendet. Die Festigkeit kann durch Legierungszusätze erheblich gesteigert werden. Ein Optimum zwischen Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit kann durch gezielte Wahl der Legierungsbestandteile hergestellt werden.  Messing und Neusilber Messing ist eine Legierung von Kupfer mit Zink (CuZn: 15% bis 42% Zn). Messing lässt sich bei etwa 28% Zn hervorragend umformen (z. B. Hülsen). Zur spanenden Bearbeitung werden noch 1% bis 3% Blei (Pb) dazulegiert (z. B. CuZn39Pb2). Bei Neusilber wird ein Teil des Kupfers durch Nickel ersetzt. Dadurch erhält die Legierung ihren silbrigen Glanz. Dieser Werkstoff wird wegen seiner besseren Anlaufbeständigkeit vor allem bei Relaisfedern im Schwachstrombereich oder als Werkstoff für Besteck eingesetzt.

B/32

WERKSTOFFE

Tabelle 1.19 Nichteisenmetalle Nichteisenmetall

Eigenschaften

Aluminium (Al)

- geringe Dichte - gute Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität - gute Korrosionsbeständigkeit

- Konstruktionen (u.a. Flugzeuge) - bewegliche Teile - korrosionsbeständige Profile

Kupfer (Cu)

- sehr gute Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität - recht gute Korrosionsbeständigkeit - gute Korrosionsbeständigkeit - ferromagnetisch

- stromleitende Drähte und Bestandteile - diverse korrosionsbeständige Legierungen mit mäßiger Festigkeit

Nickel (Ni)

Blei (Pb)

Zinn (Sn)

Zink (Zn)

Magnesium (Mg) Titan (Ti)

Wolfram (W) und Molybdän (Mo) Chrom (Cr)

- hohe Dichte - niedriger Schmelzpunkt - gute Korrosionsbeständigkeit - niedriger Schmelzpunkt - gute Korrosionsbeständigkeit - recht niedriger Schmelzpunkt - anodisch hinsichtlich Eisen und Stahl und dadurch korrosionsschützend - sehr geringe Dichte - recht geringe Dichte - hoher Schmelzpunkt - sehr gute Korrosionsbeständigkeit - sehr hoher Schmelzpunkt

- sehr gute Korrosionsbeständigkeit - sehr hart

Anwendungsgebiete

- Legierungselement in diversen Legierungen wie austenitisch, korrosionsbeständiger Chromnickelstahl (18 – 8) und in Monel - Legierungsmaterial in vielen ferromagnetischen Materialien - Beschichtung auf Stahl - Beschichtung von Grundkabeln - Legierungsbestandteil von Weichlot und Lagermaterialien - Beschichtung von Stahl (Blech) - Legierungsbestandteil von Weichlot, Lagermaterialien und Bronze - Stahlbeschichtung - Legierungselement von Messing - Dachrinnen und Dachbedeckung - Gusslegierungen - Gusslegierungen mit einem geringen Gewicht - korrosionsbeständige Legierungen u.a. in der chemischen Industrie und bei hoher Temperatur - Teile bei hohen Temperaturen angewendet, u.a. Öfen - Legierungselemente in härtbaren Stahlarten - korrosionsbeständige und/oder verschleißfeste Beschichtungen - wichtigster Legierungsbestandteil in korrosionsfestem Stahl

METALLE

B/33

Kupfer

unlegiert

legiert

Knetlegierungen

niedriglegiert E-Cu (Elektrolytkupfer) - sehr gute Leitfähigkeit - nicht schweißbar S-Cu - gute Leitfähigkeit - schweißbar

Gusslegierungen

hochlegiert

CuCr(Zn) - härtbar -gute elektrische Leitfähigkeit

CuZn (15-42%Zn) (Messing) - preisgünstig - gut verformbar

CuSn (10-20%Sn) --Lagermaterial -gute Korrosionsbeständigkeit

CuBeCo - härtbar -recht gute elektrische Leitfähigkeit

CuSn (4-9%Sn) (Bronze) -gute Festigkeitseigenschaften - gute Korrosionsbeständigkeit - bekanntes Federmaterial

CuSnZn(Pb) - bessere Gieß- und Bearbeitbarkeit - Lager, Zahnräder, Armaturen

CuNi (10-30%Ni) - sehr gute Korrosions beständigkeit - Meerwasserkondensator CuNiZn (Neusilber) - gute Festigkeitseigenschaften - sehr gute Korrosionsbeständigkeit - Messinstrumente

Abb. 1.8 Übersicht über Kupfer und Kupferlegierungen Tabelle 1.20 Eigenschaften von Kupfer

CuAl (9-11%Al) -sehr gute Korrosionsbeständigkeit - schwierig gießbar - Schiffsschrauben

B/34

WERKSTOFFE

Tabelle 1.21 Elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit von Kupfer



Legiertes Kupfer

Tabelle 1.22 Beispiele für legiertes Kupfer und seine Eigenschaften

 Bronze Dies sind Kupfer-Zinn-Legierungen mit guten Festigkeitseigenschaften und guter Korrosionsbeständigkeit. Gussbronzen besitzen 12% bis 14% Sn bei maximaler Festigkeit und hinreichender Zähigkeit (Guss von Zahnrädern). Bei 20% Sn ist die Bronze sehr zäh und wird weniger im Maschinenbau eingesetzt, dafür aber zum Gießen von Glocken. Rotguss enthält außer Zinn zusätzlich Zink und Blei (z. B. CuSn4Zn4Pb4). Dieser Werkstoff ist gut walzbar (z. B. gerollte Lagerbüchsen).  Kupfer-Nickel-Werkstoffe Die Legierung mit Nickel erhöht die Korrosionsbeständigkeit von Kupfer. Der elektrische Widerstand ist von der Nickel-Konzentration abhängig. Deshalb werden diese Werkstoffe als Widerstandswerkstoff (CuNi44: Konstantan mit temperaturunabhängigen Widerstand; DIN 17471) oder als Thermoelementwerkstoff (CuNi44; DIN 43700) eingesetzt.

METALLE

B/35

Abb. 1.9 Spezifischer elektrischer Widerstand von Werkstoffen für die Elektrotechnik

Aluminium und Aluminiumlegierungen Bezeichnung nach DIN EN 1780-2: EN: Europäische Norm, A: Aluminium, W: Halbzeug, C: Gusswerkstoff. Die Zusammensetzung wird durch Bindestrich getrennt. Beispiel: EN AW-AlMg4,5Mn0,7. Für die Zustände der Aluminium-Legierungen gilt DIN EN 515: F: Herstellungszustand, O: weichgeglüht, H: kaltverfestigt, W: lösungsgeglüht, T wärmebehandelt auf andere Zustände als F, O oder H. Für weitere Unterscheidungen folgen Zifferngruppen, die ein- bis vierstellig sind (z. B. O3: homogenisiert, T4: lösungsgekühlt und kalt ausgelagert, T6: lösungsgekühlt und vollständig warm ausgelagert). Die besonderen Eigenschaften von Aluminium sind die geringe Dichte (geringeres Gewicht) und die Korrosionsbeständigkeit durch die sehr harte und dichte Al2O3-Schicht, die sich spontan bildet. Besonders günstig ist das Verhältnis von Festigkeit zu Dichte. Deshalb wird Aluminium vorzugsweise im Automobilbau und in der Luftund Raumfahrt eingesetzt. Bei der Verwendung von Aluminiumlegierungen muss man allerdings den niedrigen Elastizitätsmodul (etwa 1/3 von Stahl) und die geringe Betriebstemperatur (maximal 125 0C bis 200 0C berücksichtigen.

B/36

WERKSTOFFE Aluminium

unlegiert

legiert

Knetlegierungen

Al99,8 bis 99,9 - sehr gute Reflexionseigenschaften - Reflektoren Al99,0 bis 99,5 - sehr gute Verformbarkeit - geringe Festigkeit - Schlagextrusion

härtbar

nicht härtbar

AlCu(Mg) (Duraluminium) - hohe Festigkeit - weniger gute Korrosionsbeständigkeit - Flugzeugindustrie

AlMn - höhere Festigkeit - bessere Korrosionsbeständigkeit - gut verformbar

AlMgSi - recht hohe Festigkeit - gute Korrosionsbeständigkeit - Profile

AlMg(Mn) - gute Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit - gut schweißbar - Platten und Bänder

AlZnMg(Cu) - beste Festigkeitseigenschaften

Gusslegierungen

AlSi (11-13%Si) - sehr gute Gießbarkeit - gute Korrosionsbeständigkeit Korrosionsbeständigkeit wird schlechter, wenn der Cu-%-Anteil größer als 0,1% ist AlSiCu (6-8%Si, 3-4%Cu) - billigste Qualität - gut gießbar - weniger gute Korrosionsbeständigkeit AlCuMgTi (4%Cu) - hohe Festigkeit - schwierig gießbar - weniger gute Korrosionsbeständigkeit

Abb. 1.10 Übersicht Aluminium und Aluminiumlegierungen Tabelle 1.23 Eigenschaften von Aluminium bei 20 0C

METALLE

B/37

Tabelle 1.24 Aluminiumsorten nach DIN 573

Nickel und Nickellegierungen Nickel ist sehr korrosionsbeständig. Tabelle 1.25 Eigenschaften von Nickel

Nickelwerkstoffe werden in weiten Teilen der Elektrotechnik und in magnetischen Anwendungen eingesetzt. Die geringe Sättigungsmagnetisierung erlaubt die Verwendung von Blechen aus Nickellegierungen für Wechselstrom (z. B. Transformatorbleche: geringer Verlust durch Ummagnetisierung, dadurch geringe Erwärmung) Tabelle 1.26 Sättigungsmagnetisierung ferromagnetischer Stoffe bei Raumtemperatur

B/38

WERKSTOFFE

Tabelle 1.27 Beispiele für Heizleiterwerkstoffe

Tabelle 1.28 Beispiele für hitzebeständige Werkstoffe

Tabelle 1.29 Festigkeitseigenschaften ausgewählter Nickelbasiswerkstoffe

METALLE

B/39

Magnesium und Magnesiumlegierungen Magnesium besitzt die geringste Dichte aller Werkstoffe. Ein Nachteil bei der Herstellung ist die hohe chemische Reaktionsfähigkeit. Mit relativ einfachen Sicherheitsmaßnahmen beim Schmelzen, Gießen und Zerspanen ist dies beherrschbar. Tabelle 1.30 Eigenschaften von Magnesium

Tabelle 1.31 Mechanische Eigenschaften von Magnesiumlegierungen (DIN EN 1753 und DIN 9715)

Titan und Titanlegierungen Seine Eigenschaften sind hohe Festigkeit, geringe Dichte, hohe Schmelztemperatur und hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Tabelle 1.32 Eigenschaften von Titan

B/40

WERKSTOFFE

Tabelle 1.33 Technische Titansorten (DIN 17850 und DIN 17860)

Tabelle 1.34 Eigenschaften von Titanlegierungen (DIN 17860)

Zinn und Zinnlegierungen Zinn besitzt einen niedrigen Schmelzpunkt, besitzt eine gute chemische Beständigkeit, ist leicht bearbeitbar und ist ungiftig. Zinngefäße spielten im Haushalt eine große Rolle, ebenso als Werkstoff im sakralen Bereich (Abendmahlgefäße, Orgelpfeifen). Tabelle 1.35 Eigenschaften von Zinn

METALLE

B/41

Tabelle 1.36 Chemische Zusammensetzung von Zinnlegierungen

Zink und Zinklegierungen Zink hat einen niedrigen Schmelzpunkt, gute Gießeigenschaften und weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf. Tabelle 1.37 Eigenschaften von Zink

Tabelle 1.38 Festigkeitseigenschaften von Zink-Halbzeug

B/42

WERKSTOFFE

Tabelle 1.39 Eigenschaften von Zink-Druckguss (DIN EN 12844)

Blei und Bleilegierungen Blei besitzt einen niedrigen Schmelzpunkt, ist leicht zu gewinnen und schirmt radioaktive und Röntgen-Strahlung ab. Es ist allerdings giftig. Tabelle 1.40 Eigenschaften von Blei

Tabelle 1.41 Bleilegierungen nach E DIN 17640

1.6

Korrosion und Korrosionsschutz

Korrosion zerstört Metalle und andere Werkstoffe durch chemische Reaktionen, die von der Oberfläche ausgehen (z.B. das Rosten von Eisen). Korrosion von Metallen entsteht durch zwei Teilreaktionen, die an unterschiedlichen Stellen ablaufen können. In der anodischen

METALLE

B/43

Teilreaktion (Oxidation) wird das Metall, beispielsweise Fe zum positiv geladenen Kation Fe2+ oxidiert. Die katodische Teilreaktion (Reduktion) ist vom Medium abhängig. In sauren Lösungen ist es die Reduktion der H+-Kationen zum elementaren Wasserstoff, in neutralen oder alkalischen Lösungen die Reduktion des gelösten Sauerstoffes zum OH—Anion. In diesem Fall wird durch Ausfällen des Fe2+ als Hydroxid und Weiterreaktion zum FeO(OH) ein festes Korrosionsprodukt (Rost) gebildet. Anodische und katodische Stellen sind statistisch über die Metalloberfläche verteilt.

Abb. 1.11 Prinzip der Korrosion (Quelle: Tostmann, Korrosion, Weinheim 2000)

Es gibt auch eine chemische oder trockene Korrosion. Sie tritt bei einer reinen Einwirkung bestimmter Elemente oder Verbindungen auf (z.B. Oxidation von Metallen bei hoher Temperatur). Reaktionen Das Metall (Teil), das bei Korrosionsprozessen angegriffen wird, ist die Anode; das andere Metall (Teil) ist die Katode. Das Wasser des Elektrolyts selbst ist zu einem kleinen Teil in Ionen aufgeteilt: H2O → H+ + OH-

B/44

WERKSTOFFE

An der Anode lösen sich positiv geladene Metallionen aus der Metalloberfläche, wonach eine negative Ladung in Form von n Elektronen in dem Metall zurückbleibt (ne: n-faches der Elementarladung e). Reaktion (Me = Metall): Me → Mez+ + ne Zugleich läuft bei der Katode eine Gegenreaktion ab. Dies ist eine Wasserstoffreaktion in einem sauren oder neutralen Milieu: 2zH+ + 2ze → zH2↑ Oder eine Sauerstoffreaktion in einem basischen Milieu: 2zH2O + zO2 + 4ze → 4zOHTauchen elektrisch miteinander verbundene Metalle in einen gemeinsamen Elektrolyten, dann entstehen wegen Potentialdifferenzen galvanische Elemente. Sie können zur Korrosion des unedleren Metalls führen. Zur Beurteilung der Korrosionsgefährdung sollten empirisch bestimmte Spannungsreihen in dem betroffenen Medium herangezogen werden. , die von der thermodynamischen Spannungsreihe (Normalpotentiale) deutlich abweichen können. Tabelle 1.42 Praktische Spannungsreihe einiger Werkstoffe

METALLE

B/45

Vorbeugen von Korrosion Der Korrosionsprozess kann dadurch verhindert werden, dass die anodische und /oder katodische Reaktionen nicht stattfinden. Makro- und Lokalelemente • Makroelemente: Zwei Metallstücke unterschiedlicher Art werden miteinander in Berührung gebracht (z. B. eine stählerne Bolzenverbindung mit Kupferstreifen). • Lokalelemente: Kleinere elektrische Elemente, die sich beispielsweise dann bilden, wenn sich kleine Metallteilchen auf einem anderen Metall befinden. Polarisation Während des Korrosionsprozesses kann sich Polarisation vollziehen: Sowohl an der Anode, als auch an der Katode können sich Reaktionsprodukte ansammeln, welche die ursprüngliche Stromstärke vermindern (der elektrische Widerstand wird größer). Die Korrosionserscheinungen verlaufen hier langsamer. Katoden-Polarisation liegt vor, wenn sich an der Kathode ein Wasserstofffilm bildet, der den Widerstand vergrößert. Bei Korrosionsprozessen, die sich in der Atmosphäre abspielen, ist im Elektrolyten jedoch Sauerstoff gelöst. Der gebildete Wasserstoff wird dann vom Sauerstoff mit der Bildung von Wasser entfernt. Die katodische Reaktion kann somit wieder fortgesetzt werden. Sauerstoff wirkt hier als katodischer Depolarisator. Faktoren, welche die Korrosionsgeschwindigkeit erhöhen (+) bzw. verringern (-) + Kleine Konzentration von Sauerstoff im Elektrolyt gelöst (katodischer Depolarisator). + Bestimmte Salze, wie Chloride (Kochsalz), welche die Leitfähigkeit von Elektrolyten verbessern und somit bestimmte chemische Reaktionen unterstützen. + Der pH-Wert des Elektrolyten. + Temperaturerhöhung

B/46 -

-

WERKSTOFFE

Inhibitoren: Stoffe, die den Korrosionsprozess verzögern oder gar unterbinden. Häufig fördern die Inhibitoren die Polarisation. Eine alkalische Umgebung wirkt inhibitierend auf die Korrosionserscheinungen von Stahl. Passivieren des Metalls: Es bildet sich auf dem Metall eine ganz dünne Schicht, meist ein Oxid, die den Angriff durch Korrosion verhindert. Stoffe, die schnell Sauerstoff abgeben, können ein Metall passiv machen. Deswegen wird häufig korrosionsbeständiger Stahl in Salpetersäure getaucht. Bei der chemischen Vorbehandlung von Metallen verwendet man Chromate als Passiviermittel (z.B. in Grundierfarben).

Spannungsreihe Bei der Korrosion wird das weniger edle Metall (die Anode) angegriffen. Welches Metall das weniger edle ist, ist aus der Spannungsreihe ersichtlich. Die theoretische Spannungsreihe ist für Metalle in einer Lösung aus eigenem Salz aufgestellt. In der Praxis kommt dies selten vor. Deshalb verwendet man häufig die praktische Spannungsreihe. Korrosionsschutz Wichtige Maßnahmen zum Korrosionsschutz sind:
katodischer Schutz
Oberflächenbehandlung
Phosphatieren
Anodisieren
konstruktive Maßnahmen. Katodischer Schutz Beim katodischen Schutz wird die zu schützende Konstruktion zur Katode gemacht, indem diese mit einem unedleren, leitenden Material elektrisch verbunden wird. Das weniger edle Material ist dann zur Anode geworden und wird sich auflösen oder korrodieren (Opferanode). Häufig wird hierzu Zink, Magnesium oder Aluminium verwendet.

METALLE Anodische Seite (angegriffene Seite) Magnesium Magnesiumlegierungen Zink Aluminium Cadmium Aluminium, kupferhaltig Stahl oder Eisen Gusseisen Chromstahl (aktiv) 18 – 8 rostfreier Stahl (aktiv) 18 – 13 – 3 rostfreier Stahl (aktiv) Blei-Zinn-Lot Blei Zinn Nickel (aktiv) Inkonel (aktiv) Messing Kupfer Bronze Kupfer – Nickel – Legierungen Monel Silberlot Nickel (passiv) Inkonel (passiv) Chromstahl (passiv) 18 – 8 korrosionsbeständiger Stahl (passiv) 18 – 11 – 3 korrosionsbeständiger Stahl (passiv) Silber Grafit Gold Platin katodische Seite (beschützte Seite)

B/47

unedel

Nullbereich

edel

Abb. 1.12 Praktische Spannungsreihe von Konstruktionsmaterialien (nach International Nickel Comp.), nur gültig unter normalen atmosphärischen Umständen.

Beispiele: Pipelines in der Erde werden verbunden mit Zinkteilen. Die Pipeline ist nun die Katode und das Zink die Anode. • Öltanks mit Magnesium verbunden (das Magnesium wird dann auch Opferanode genannt). •

Eine zweite Methode des kathodischen Schutzes ist die mit Hilfe eines eingeprägten Stromes. Hierbei wird der kleine Strom, der bei der Korrosion entsteht, bewusst angelegt. Auch hier ist dann das zu schützende Objekt als Kathode geschaltet. Meistens werden Grafitplatten als Anode verwendet.

B/48

WERKSTOFFE

Abb. 1.13 Katodischer Schutz

Abb. 1.14 Schutz durch eingeprägten Strom

Anwendung dieser Strom-Methode: Vor allem zum Schutz von gefärbten bzw. beschichteten Materialien. Oberflächenbehandlung Um der Korrosion mit einer Schutzschicht entgegenzuwirken, ist es erforderlich, dass diese Schicht einen vollkommenen Abschluss gegen Luft und Feuchtigkeit bietet und eine feste Verbindung mit der zu schützenden Fläche bekommt. Hierzu ist eine gute Reinigung der zu schützenden Oberfläche notwendig. Die meist angewendeten Oberflächenbehandlungen sind Verzinken, Lackieren und Emaillieren. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, Stahl mit einer Zinkschicht zu schützen. Wenn die Oberfläche mit einer Farbe versehen werden muss oder einem aggressiven Milieu ausgeliefert ist, dann verwendet man neben dem Verzinken auch das Lackieren (Duplexsystem). Die Schutzdauer ist ungefähr 1,5 mal länger als die einzelnen Schutzdauerwerte. Tabelle Eignung verschiedener Farbentypen zur Anwendung in einer bestimmten Umgebung Öl

Alkyd-

Vinyl-

Chlor-

bitu-

harz

harz

gummi

misch

Epoxid

dicke

Epoxid-

Poly-

Epoxid-

teer

urethan

schicht Landklima Seeklima

+

+

+

+

+

+

+

Industrie

+

+

+

aggressive

+

+

+

Industrie Untertage Süßwasser

+

Meerwasser

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

METALLE

B/49

Das Emaillieren hat als Korrosionsschutz viele Möglichkeiten. Die Emaille besteht aus einem Gemisch von Quarz, Borax, Feldspat, Na-, K- oder Li-Salzen und Metalloxiden. Die Metalloxide verleihen der Emaille eine bestimmte Farbe. Diese Masse wird auf die zu schützende Metalloberfläche aufgebracht und in einem Ofen in das Material eingebrannt. Der Emaille werden auch Stoffe hinzugefügt (Bleiverbindungen), welche die Elastizität verbessern. Emaillen werden vor allem bei Haushaltsartikeln verwendet, jedoch auch in der Industrie. Man unterscheidet die Zweilagen-Emaille (Grundschicht und Deckschicht) und die moderne Einschicht-Emaille (DirektEmaille). Phosphatieren Beim Phosphatieren wird die zu schützende Oberfläche einige Minuten einer Lösung mit Phosphorverbindungen ausgesetzt. Hierbei entstehen an der Stahloberfläche Phosphate und bilden somit eine feste Schicht. Wenn man nur auf die Phosphatschicht als Schutz angewiesen ist, so werden dickere Schichten aus Manganphosphat (schwarz gefärbt) aufgebracht. Diese Phosphatschichten können Öl aufnehmen (schmierende Wirkung) und werden aus diesem Grund u.a. für Gleitbahnen verwendet. Eisenphosphatieren und Zinkphosphatieren wird hauptsächlich als Untergrund für Farbschichten verwendet (Automobilindustrie). Zinkphosphatieren dient auch dazu, spätere mechanische Verformung zu ermöglichen und als elektrischer Isolator (Transformatorblech). Anodisieren Aluminium und Aluminiumlegierungen werden durch Anodisieren mit einer starken, gut abschließenden Oxidschicht versehen. Hierzu wird zuerst die bereits auf dem Aluminium befindliche Oxidschicht (diese ist weniger stark) in einem Bad mit Natronlauge entfernt. Die Anodisierschicht wird auf elektrochemischen Wege in einem verdünnten Schwefelsäurebad aufgebracht. Durch das Anodisieren wird auch vermieden, dass das Aluminium schwarz abfärbt. Anodisieren wird auch als eine Vorbehandlung bei Lackierung angewendet. Der Lack haftet nach einer speziellen Vorbehandlung sehr gut auf der Oxidschicht.

B/50

WERKSTOFFE

Konstruktive Maßnahmen Durch eine gute Konstruktion und einer richtigen Materialwahl kann der Schaden durch Korrosion deutlich vermindert oder gar gänzlich vermieden werden. Hinweise:









Vermeide Ansammlungen von Wasser. Vermeide Ansammlungen von Schmutz. Vermeide Spalte und schmale Öffnungen. Vermeide scharfe Kanten bei gefärbten oder emaillierten Konstruktionen. Glatte oder nachbearbeitete Schweißnähte sollten bevorzugt werden. Vermeide Kontaktkorrosion. Vermeide den Zerfall durch Wahl anderer Materialien, verwende korrosionsbeständige Werkstoffe. Vermeide Kratzer und andere Beschädigungen der Oberfläche.

KUNSTSTOFFE

2

Kunststoffe

2.1

Einteilung

B/51

Kunststoffe bestehen im Wesentlichen aus organischen Stoffen. Bei der Herstellung werden die Moleküle geeigneter niedermolekularen Verbindungen (Monomere) durch eine chemische Synthese miteinander zu Makromolekülen verknüpft (Moleküle mit sehr großer Anzahl von Atomen). Es entstehen hochpolymere Werkstoffe. Unter Polymer-Werkstoffen versteht man nicht nur Kunststoffe, sondern auch Werkstoffe aus Naturstoffen.

Abb. 2.1 Makromolekulare Werkstoffe

Kunststoffe werden nach DIN 7724 eingeteilt in:
Thermoplaste: Unvernetzte Kunststoffe, die sich energieelastisch verhalten und bei Erwärmen erweichen oder schmelzen. Deshalb können sie gut verarbeitet werden (z. B. Spritzgießen, Extrudieren, Schweißen).

B/52




WERKSTOFFE Thermoplastische Elastomere: Weitmaschig vernetzte, mehrphasige Kunststoffe, die bei einer bestimmten Temperatur erweichen oder schmelzen. Elastomere: Weitmaschig vernetzte Kunststoffe, die sich gummielestisch verhalten und bis zur Zersetzungstemperatur nicht schmelzbar sind. Duroplaste: Hochgradig vernetzt. Nicht schmelzbar und hart.

Tabelle 2.1 Einteilung der Kunststoffe

2.2

Herstellung

Kunststoffe werden aus Vorprodukten hergestellt. Dies sind meist Pulver oder Granulat (Formmassen). Bei bestimmten Temperaturen werden sie mit entsprechenden Fertigungsverfahren (z. B. Pressen, Stranggießen oder Spritzgießen) zum Formstoff bleibend verformt. Oft werden dem Formstoff aus Gründen der technischen Anforderung oder aus wirtschaftlichen Gründen Füllstoffe (z. B. Holz, Papier- oder Textilschnitzel bzw. Glasfasern) zugegeben. Durch Zugabe von Kunstharzen wird der makromolekulare Endzustand der Kunststoffe erreicht.

2.3

Normung

Kunststoffe werden durch festgelegte Buchstaben und Kurzzeichen charakterisiert. Für die Basis-Werkstoffe ist DIN EN ISO 1043 zuständig, für Kunststoff-Formteile DIN EN ISO 11469.

KUNSTSTOFFE

Abb. 2.2 Herstellung der Kunststoff-Werkstoffe

B/53

B/54

WERKSTOFFE

Tabelle 2.2 Bezeichnungen für Kunststoffe Bezeichnung

Art1)

ABS AMMA

Acrylnitril - Butadien - Styrol Acrylnitril - Methylmethacrylat

TP TP

ASA

Acrylnitril - Styrol - Acrylester

TP

CA

Cellusloseacetat

TP

CAB

Cellusloseacetobutyrat

TP

CAP

Celluloseacetopropionat

TP

CF

Kresol – Formaldehyd

TH

CMC

Carboxylmethylcellulose

TP

CN

Cellulosenitrat

TP

CP

Cellulosepropionat

TP

CPE

Chloriertes PE

TP

CS

Casein

TH

CSF

Casein – Formaldehyd

TH

EC

Ethylcellulose

TP

EP

Epoxid

TH

EP-GF

Glasfaserverstärkte Epoxidharze

TH

EPDM

Ethylen – Propylen – Dien - Gummi

G

EPM

Ethylen – Propylen – Gummi

G

EVA

Ethylen - Vinylacetat

TP

HDPE

PE hoher Dichte

TP

LCP

Flüssiges kristallines Polymer

TP

LDPE

PE geringer Dichte

TP

LLDPE

PE mit linear geringer Dichte

TP

MDPE

PE mittlerer Dichte

TP

MF

Melamin – Formaldehyd

TH

PA

Polyamid (Nylon)

TP

PAI

Polyamidimid

TP / TH

PAN

Polyacrylnitril

TH

PAR

Polyarylat

TP

PB

Polybuten

TP

PBI

Polybenzimidazol

TH

PBT

Polybutylenterephtalat

TP

PC

Polycarbonat

TP

PCTFE PCT PE PEEK PEI

Poly chlortrifluorethylen Polycyclohexyldimethylterephtalat Ployethylen Polyetheretherketon Polyetherimid

TP TP TP TP TP

KUNSTSTOFFE

B/55 Art1)

Bezeichnung PEK PES PET PF

Polyetherketon Polyethersulfon Polyethylenterephtalat (Polyester) Phenol – Formaldehyd

TP TP TP TH

PI PIB PMMA POM PP PPO PPS PS PSU PTFE PUR PVAC PVAL PVB PVC PVCA PVCC PVC-P PVC-U PVDC PVDF PVF PVP PVFO SAN SB SI SMA UHMWPE UF UP UP-GF VLPE

Polyimid Polyisobutylen Polymethylmetacrylat Polyoxymethylen, Polyacetal Polypropylen Polyphenylenoxid Polyphenylensulfid Polystyrol Polysulfon Polytetrafluorethylen (Teflon) Polyurethan Polyvinylacetat Polyvinylalkohol Polyvinylbutyral Polyvinylchlorid Polyvinylchloridacetat chloriertes Polyvinylchlorid Weichmacherhaltiges PVC Weichmacherfreies PVC Polyvinylidenchlorid Polyvinylidenfluorid Polyvinylfluorid Polyvinylpyrrolidon Polyvinylformal Styrol -Acrylnitril Styrol - Butadien Silicon Styrol - Maleinsäureanhydrid Ultrahoch molekulares PE Harnstoff – Formaldehyd Ungesättigter Polyester Glasfaserverstärkte Polyester Sehr geringe Dichte, lineares PE

TH TP TP TP TP TP2) TP TP TP DP TP / DP TP TP TP TP TP TP TP TP TP TP TP DP TP TP TP DP TP TP DP DP DP TP

1) 2)

DP = Duroplast. TP = Thermoplast. G = Gummi. vorausgesetzt PS enthaltend.

B/56

2.4

WERKSTOFFE

Eigenschaften ausgewählter Kunststoffe

Tabelle 2.3 Eigenschaften einzelner Kunststoffe (alle Angaben sind Richtwerte) Eigenschaften

VLDPE

LLDPE

LDPE

Dichte [kg/m³]

900 bis 915

915 bis935

918 bis 930

mechanische Eigenschaften (bei 20 °C) Biegefestigkeit [N/mm²]

<10

<15

8 bis 15

600 bis 800

400 bis 800

200 bis 600

E-Modul [N/mm²]

50 bis 100

90 bis 600

150 bis 1.100

Zugfestigkeit [N/mm²]

10 bis 13

8 bis 18

9 bis 28

>1,3

>1,3

0,17 bis 1,5

Bruchdehnung [%] Druckfestigkeit [N/mm²]

Reibungskoeffizient zu Stahl (trocken)

10 bis 15

thermische Eigenschaften Aufweichungspunkt [°C] Schmelzpunkt [°C]

60 bis 70

85 bis 130

82 bis 100

120 bis 130

120 bis 130

105 bis 120

linearer Ausdehnungskoeffizient, parallel [°C -1]

200 bis 250⋅10-6

zulässige Temperatur [°C] - max. (unbelastet)

70

70

70

- min. (unbelastet)

-95/-130

-95/-130

-20/-90

elektrische Eigenschaften Dielektrizitätskonstante εr

2,3

2,3

2,3

dielektrischer Verlustfaktor tan δ

0,0003

0,0003

0,0003

Durchschlagspannung [kV/mm]

80

80

80

Oberflächenwiderstand [Ω] spezifischer Widerstand [Ω⋅m]

15

0,1⋅10

21

0,1⋅10

15

0,1⋅1015

21

0,1⋅1021

0,1⋅10 0,1⋅10

Wasseraufnahme (bei 20 °C) - bei relativer Feuchtigkeit 50% - bei Untertauchen

0,1

0,1

0,1

KUNSTSTOFFE

HDPE

PP

Hart PVC

hoch-

B/57

PVCC

Weich PVC

1.380

1.540

1.200

90 bis 120

schlagfestes PVC 945 bis 965

900 bis 915

1.390

20 bis 30

40 bis 45

80 bis 110

50

250->500

>450

20 bis 50

60 bis 70

ca. 70

80

110

70 bis 80

3.000

2.500

800

50 bis 100

55 bis 65

16 bis 25

50 bis 60

22 bis 32 700 bis 1750

1.250 bis

>350

2.200 25 bis 34

30 bis 40

50 bis 60

23 bis 40

0,25 bis 0,30

0,5

0,55

0,5

120 bis 130

90

80

55 bis 75

105

125 bis 135

160 bis 165

amorph

amorph

amorph

-6

-6

200⋅10

-6

150⋅10

-6

80⋅10

100⋅10

60 bis 80⋅10

amorph -6

100⋅10-6

90

130

70

70

100

50

-90/-140

-20

-10

-30

-10

0

>6,5

2,3

2,4

3,3

3,7 bis 3,8

3,5

0,0004

0,0005

0,02 bis 0,04

0,02 bis 0,04

0,01

0,01

80

75

40

50

20

24 bis 30

0,1⋅1015

>10⋅1012

10⋅1012

1012

1012

0,1⋅1012

18

8⋅1015

50⋅1012

0,1⋅1021

50⋅1018

0,5⋅1018

0,1

1,0

0,2

0,2

1,0

3,5

3,0

10

0,2

B/58

WERKSTOFFE

Tabelle 2.3 (Fortsetzung) Eigenschaften

PS

ABS

PMMA

Dichte [kg/m³]

1.050 bis

1.040 bis

1.150

1.070

gegossen 1.180

mechanische Eigenschaften (bei 20 °C) Biegefestigkeit [N/mm²]

80

55 bis 80

Bruchdehnung [%]

15

15 bis 30

Druckfestigkeit [N/mm²] E-Modul [N/mm²]

Zugfestigkeit [N/mm²] Reibungskoeffizient zu Stahl (trocken)

140 3,5 120

2.600 bis

1.800 bis

3.200

2.500

3.250

40 bis 65

30 bis 45

75

0,5

0,24 bis 0,45

0,54

thermische Eigenschaften Aufweichungspunkt [°C]

100

90

115

Schmelzpunkt [°C]

amorph

amorph

amorph

linearer Ausdehnungskoeffizient, parallel [°C -1]

70⋅10-6

60 bis 110⋅10-6

80⋅10-6

- max. (unbelastet)

70 bis 80

85 bis 100

70

- min. (unbelastet)

-10

-70

-40

zulässige Temperatur [°C]

elektrische Eigenschaften Dielektrizitätskonstante εr

2,4 bis 2,6

3,2

3,5

0,0004

0,02 bis 0,03

0,02 bis 0,06

Durchschlagspannung [kV/mm]

200

150

Oberflächenwiderstand [Ω]

1015

dielektrischer Verlustfaktor tan δ

0,01⋅10

>100⋅1015

1015

- bei relativer Feuchtigkeit 50%

0,1

3,5

- bei Untertauchen

0,15

9,0

spezifischer Widerstand [Ω⋅m]

30 15

nicht messbar >100⋅1015

Wasseraufnahme (bei 20 °C)

0,4

KUNSTSTOFFE

PMMA

B/59

SMA

PC

POM

PET

PA6

1.180

1.170

1.200

1.410

1.380

1.130

110

45

75

110

40

30

5 bis 6

3

>110

20 bis 30

70

200

80

90

3.250

3.500

2.200

2.800 bis

2.800

1.400

74

50

65

25 bis 70

30 bis 45

40 bis 50

0,55

0,25

0,5

0,3

extrudiert

120

90

3.200

0,54

110

160

170

155

185

180

amorph

amorph

amorph

164 bis 175

255

220

80⋅10-6

80⋅10-6

60⋅10-6

130⋅10-6

70⋅10-6

80⋅10-6

70

125

130

90 bis 140

100

140

-40

-20

-100

-40

-100

-70

3,5

3,0

4,0

3,4

4,0

0,04

0,007

0,001

0,002

0,02

200

40

60

80

nicht messbar

30 100⋅1015

>1015

0,01⋅1015

0,6⋅1015

0,01⋅1015

>100⋅1015

1018

1018

1015

0,2⋅1015

1015

0,2

0,3

0,1

3,5

0,4

0,3

0,3

9,0

B/60

WERKSTOFFE

Tabelle 2.3 (Fortsetzung) Eigenschaften

PA6.6

PA4.6

PPO/PS (Noryl)

Dichte [kg/m³]

1.140

1.180

1.060

Biegefestigkeit [N/mm²]

80

150

95

Bruchdehnung [%]

200

80

Druckfestigkeit [N/mm²]

110

mechanische Eigenschaften (bei 20 °C)

E-Modul [N/mm²]

2.000

20 115

3.300

2.500

Zugfestigkeit [N/mm²]

70

80

65

Reibungskoeffizient zu Stahl (trocken)

0,3

0,3

0,45

Aufweichungspunkt [°C]

200

270

130

Schmelzpunkt [°C]

255

285

230 bis 315

80⋅10-6

73⋅10-6

60⋅10-6

- max. (unbelastet)

160

160

90

- min. (unbelastet)

-60

-60

-20

thermische Eigenschaften

linearer Ausdehnungskoeffizient, parallel [°C -1] zulässige Temperatur [°C]

elektrische Eigenschaften Dielektrizitätskonstante εr

4,0

3,9

2,6

dielektrischer Verlustfaktor tan δ

0,03

0,01

0,001

Durchschlagspannung [kV/mm] Oberflächenwiderstand [Ω] spezifischer Widerstand [Ω⋅m]

40

30

55

0,1⋅1015

8⋅1015

5⋅1015

1015

10⋅1015

10⋅1018

2,5

3,7

0,1

8 bis 9

2,3

0,15

Wasseraufnahme (bei 20 °C) - bei relativer Feuchtigkeit 50% - bei Untertauchen

KUNSTSTOFFE

PTFE

PSU

PEEK

LCP

2.150

1.240

1.280

.1400

350 bis 550

50 bis 100

170

140

5

4 bis 8

40

100

120

80

400 bis 600

2.500

3.700

8.000 bis

25 bis 35

50 bis 60

92

140

0,1

0,6

0,4

0,4

327

260

334

280 bis 4101)

60⋅10-6

60⋅10-6

50⋅10-6

10⋅10-6

260

150

260

260

-100

-40

-100

-100

20.000

185

2,0

3,2

3,2

2,8

0,0005

0,004

0,003

0,004

55

20

190

200

5⋅1015

30⋅1015

50⋅1015

10⋅1015

10⋅1018

1018

1018

1018

0,1

0,3

0,5

0,1

0,1

0,8

0,5

0,1

1)

abhängig von der Art

B/61

B/62

2.5

WERKSTOFFE

Duroplaste

Duroplaste besitzen eine hohe Festigkeit, eine hohe Oberflächenhärte und eine hohe Formsteifigkeit. Sie verspröden nicht bei großer Kälte und verformen sich nicht bei Hitze (bis 150 0C). Tabelle 2.4 Eigenschaften der Duroplaste

Polyester (ungesättigt) Produkte aus Polyester sind meist mit Glasfasern versehen, welche die Festigkeit bestimmen. Sie werden in folgenden Produkten verwendet:
Dachrinnen.
Ebene und gewellte Platten: Dächer, Schutzdächer, Brüstungen, Balkontrennwände.
Außenschicht von „Sandwichplatten“.
Straßengully und Abflussrohre.
Kiele und Segelschiffe Phenol-Formaldehyd-Kunststoffe (Phenoplaste, PF) Hell- bis dunkelbrauner Harz (Bakelit) mit Füllstoffe (z. B. Holzmehl für Steckdosen). Es ist gut zu schäumen, hat eine recht hohe Festigkeit und ist wasserfest. Kleber basierend auf diesem Harz werden bei Triplex-, Holzspan- und Flachsfaserplatten verwendet. Auch in Wellplatten lieferbar, undurchsichtig und hohe Festigkeit. Harnstoff-Formaldehyd-Kunststoffe (UF) Farblos, auch für hellgefärbte Objekte verwendbar. Empfindlicher für Umgebungs- und Temperatureinflüssen als Phenol-Formaldehydharze. Ebenfalls für elektrotechnische Artikel, Schubladen, Toilettenbrillen. Für thermische Isolationen geschäumt. Auch als Kleberbasis.

KUNSTSTOFFE

B/63

Melamin-Formaldehyd-Kunststoffe (MF) Hochwertiger Duroplast, hauptsächlich für elektrotechnische Artikel, Beschichtung von dekorativem Plattenmaterial (Möbel), Behausung und Kleberarten. Faserverstärkte Kunststoffe (Composits, GFK) Werden Duroplaste mit Fasern verstärkt, dann ergeben sich verbesserte mechanische Eigenschaften. In der Zugrichtung kann der Elastizitätsmodul (E-Modul), abhängig vom gewählten Fasertyp, um den Faktor 20 bis 50 und die Zugfestigkeit bis maximal 25 zunehmen. Die verstärkten Duroplaste sind wegen ihrer hohen Steifheit und Festigkeit pro Gewichtseinheit als Konstruktionswerkstoffe sehr begehrt. Die Verbindung zwischen der Matrix und den Fasern ist von entscheidender Bedeutung und wird häufig durch das Auftragen einer Verbindungsschicht auf den Fasern verbessert. Als Matrixmaterialien kommen in Frage:
ungesättigte Polyester aus Glykolen und Maleinsäure, vernetzt mit Styrol.
Epoxide aus Biphenol A und Epichlorhydrin, vernetzt mit Diaminen. Als Fasermaterialien werden eingesetzt:
Glas, Kohlenstoff, Aramide und keramische Fasern. Anwendungen: Schiffsbau (Polyester mit Glas oder Aramiden), Automobilindustrie (SMC, BMC), Luft- und Raumfahrt (Epoxide mit Kohlenstoff- oder Aramidverstärkung), Skier und Angelruten (Epoxide mit Kohlenstoffverstärkung). Tabelle 2.5 Eigenschaften von GFK-Kunststoffen

B/64

2.6

WERKSTOFFE

Thermoplaste

Thermoplaste sind wiederholt plastisch formbar, schmelzbar und können geschweißt werden. Tabelle 2.6 Eigenschaften von PE- und PP-Kunststoffen

Während der Bearbeitung treten verschiedene Zustandsbereiche auf.

Abb. 2.3 Zustandsbereiche von Thermoplasten

KUNSTSTOFFE

B/65

Abb. 2.4 Zustandsbereiche und Formgebungsmöglichkeiten von Thermoplasten (GT: Glasübergangs-Temperatur, KST: Kristallit-Schmelztemperatur, ST: Schmelztemperatur, ZT: Zersetzungstemperatur)

Cellulose und Cellulosederivate Regenerierte Cellulose aus Cellulose: Anwendungen: Rayon (Kunstseide), Cellophan, Textilfasern und Schwämme. Cellulose-Ester:
Nitratester: Lacke, Folien.
Acetat- und Propionatester (abhängig vom Substitutionsgrad): Fasern, Lacke, Folien, Fotofilme. Cellulose-Ether:
Methylcelluslose: Verdickungsmittel in Lebensmittel, Bestandteil von Kosmetik, Coating-Material für pharmazeutische Produkte.
Ethylcellulose: Anwendung in Farben, Lacke, Tinte und Firnis.
Hydroxyethylcellulose: Farben, Kleber.
Carboxymethylcellulose: in Verdickungsmitteln, Waschmitteln, Farben.

B/66

WERKSTOFFE

Polyethylen (LDPE, LLDPE, HDPE, UHMWPE) Erhältlich in Blasfolien-, (Blas)extrusions- und Spritzgussqualität. Die Blasfolien werden beispielsweise als Tüten, Schrumpffolien (eventuell mehrschichtig), Lebensmittelverpackungen und Landbaufolien verwendet. Die Blasextrusionstypen werden zur Herstellung von Flaschen und Fläschchen verwendet. Übrige Extrusionsgrade werden als Coatingmaterialien, diverse Leitungstypen und Abwasserrohre (inkl. Zusatzteile), Benzintanks, Kabelummantelungen und Filme eingesetzt. Mittels des Spritzgießens werden Produkte wie Kappen, Getränkekästen oder kleine Container verarbeitet. Polystyrol (PS) PS ist porös, erweicht bei 70°C; schlagbeständiges PS (erhältlich durch Copolymerisation mit Acrylnitril, Butadien oder SBR) ist bis 90°C brauchbar. Es wird angewendet in Haushaltsgeräten, Fliesen, Schalen, Kaffeebecher, Wegwerfverpackungen, Kühlschrankeinrichtungen, Schreibwaren. Polyvinylchlorid (PVC) Hart PVC (PVC-U): enthält keine hinzugefügten Weichmacher (hornähnlich, ziemlich porös). Weiches PVC (PVC-P): plastische Ausführung mit 20 bis 70 Massenprozent Weichmacher. PVC ist nicht brennbar, verformbar bei etwa 130°C und löst sich ab 1700C bis 180°C auf. PVC lässt sich gut kleben. Es ist in Form von verschiedenen Copolymeren zur Erhöhung der Schlagbeständigkeit, Niedrigtemperaturzähigkeit und geringe Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen erhältlich: beispielsweise mit chloriertem PVC, Acrylestern oder EVA. Anwendung in verschiedenen Rohrtypen (mit CE-Kennzeichnung): in Elektroinstallationen, Wasserleitungen, Gasleitungen, Innen- und Außenabflüsse, Drainagerohre etc.. Weiches PVC wird vor allem in Schläuchen, Folien in der Bauindustrie (Dachbau) und der Lebensmittelverpackungsindustrie und für Folien zur Fertigstellung von Möbeln angewendet. Es ist auch in Form von Platten u.a. für Bodenbeläge, Wände, Dächer, Leisten und Rollläden erhältlich.

KUNSTSTOFFE

B/67

Tabelle 2.7 Eigenschaften von PVC-Kunststoffen

Polymethylmetacrylat (PMMA) Glasklare und gefärbte, ebene oder gewellte Platte, Rohr, als Lichtkuppel in runder, viereckiger oder rechteckiger Form und als Waschbecken, Beleuchtungsornamente. Wird auch als Augenlinsenmaterial, Lineale und Schablonen verwendet. Tabelle 2.8 Eigenschaften von PMMA- und PC-Kunststoffen

Acrylnitril – Butadien – Styrol (ABS) Ist in sehr schlagbeständiger Form erhältlich und weist nach Bearbeitung eine makellose Oberfläche auf. Gute chemische Resistenz und mechanische Eigenschaften, jedoch schlechte Beständigkeit gegen UV-Licht und Wettereinflüsse. Es kann sehr gut eingefärbt oder metallisiert werden. Es kommt in vielen Modifikationen vor. Spritzgussanwendungen: Behausungen, Sicherheitshelme, Spielzeug, Griffe von Koffern, Föne. Als extrudierte Folien oder Platten für Koffer, Kleidungsmaterialien, Profile (Ski, Surfbrett), Bestandteile von Lastkraftwagenfahrerkabinen angewendet.

B/68

WERKSTOFFE

Polyethylen (PE) PE kann sehr vielseitig eingesetzt werden und ist sehr leicht zu verarbeiten. Die Bezeichnung folgt DIN EN ISO 1872. PE ist beständig gegen wässrige Säuren, Laugen, Alkohol, Öl und Benzin. Von konzentrierten Säuren und Halogenen wird es angegriffen. Polypropylen (PP) PP nimmt bezüglich des Produktionsvolumen unter den Thermoplasten nach PE und PVC den dritten Rang ein. Es weist attraktive Eigenschaften auf (hohe Schlagfestigkeit, gute chemische Resistenz, leichte Bearbeitbarkeit) und wird häufig in anspruchsvollen Anwendungsbereichen eingesetzt. Es ist auch als Copolymer erhältlich (mit hohen Schlagfestigkeiten). Es ist besser zu leimen als PE. Es wird vor allem bei Spritzgussanwendungen eingesetzt: u.a. Bestandteile von Haushaltsgeräten, Küchenartikel, Spielzeug, Antennenbestandteile, Kappen, Scharniere. Als Extrusionsprodukt wird es auch in der pharmazeutischen Industrie (Fläschchen) und in der Automobilindustrie (z. B. Bestandteile von Armaturen) verwendet. Tabelle 2.9 Eigenschaften von PE- und PP-Kunststoffen

Polyamid (PA) Wegen ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften werden sie als Konstruktionswerkstoffe im Maschinenbau eingesetzt. PA besitzt eine hohe Festigkeit, große Zähigkeit und einen starken Widerstand gegen Verschleiß. Es ist Ausgangsmaterial für hoch belastbare Maschinenelemente.

KUNSTSTOFFE

B/69

Tabelle 2.10 Eigenschaften von PA-Kunststoffen

Kunststoff-Prüfungen Kunststoffe haben für bestimmte Anwendungen definierte Eigenschaften vorzuweisen. In einem Überblick sind diese Eigenschaften zusammengestellt (Tabelle 2.11).

2.7 Gummi (Elastomere) Naturgummi (NG) -60oC bis +60°C Vorteile: Hohe Schlagelastizität, kalte Flexibilität, Rissfestigkeit und Verschleißbeständigkeit. Nachteile: Schlechte Gasdichtheit und Anfälligkeit für chemische Flüssigkeiten. Angewandt in LKW-Reifen und dort, wo eine hohe Dehnbarkeit verlangt wird: Ballons, (chirurgische) Handschuhe, Textilkleidung, Transportbänder. Styrolbutadiengummi (SBG) -30°C bis +70°C Der wichtigste synthetische Gummi mit sehr hoher Verschleißbeständigkeit. Wird in Schuhsohlen verarbeitet, dient für Kabelummantelung, Dichtungen, Autoreifen und Fußbodenbelag. Butylgummi (BG) -30°C bis +120°C Synthetisches Gummi, ein Copolymerisat von Isobutan und Isopren. Hat eine sehr hohe Gasdichtheit, hat Bestand gegen Kälte und Einwirkung von Sauerstoff. Anwendung vor allem in Innenreifen und Transportbändern und in Kabelummantelungen.

B/70

WERKSTOFFE

Tabelle 2.11 Eigenschaften von Kunststoffen

KUNSTSTOFFE

B/71

Neoprengummi (CG) -60°C bis +90°C Mittlere chemische Resistenz, vor allem für Mineralöle. Flammdämmend und sehr wetterfest. Anwendung in Schläuchen (Öltransport), in Dächern und als Bauprofile. Silicongummi (M... Q, Si) -60°C bis +250°C Flexibilität über ein sehr großes Temperaturgebiet. Großer Widerstand gegen Alterung durch UV-Licht und Ozon. Sehr gute elektrische Isolation. Anwendung in der Kühltechnik, Elektrotechnik, Kabel- und Flugzeugindustrie. Ethylen – Propylen – Diengummi -50°C bis +150°C (EPM/EPDM) Sehr hochwertiger synthetischer Gummityp mit hoher Resistenz gegen Chemikalien, UV-Strahlung und Wettereinflüsse (ausreichende Stabilisation vorausgesetzt). Wird auch in Mischungen, beispielsweise mit PP geliefert. Anwendungen als schlagfestes Material für Stoßstangen. Auch für Dichtungen in Automobilen und Bauprofile. Thermoplastische Elastomere -30°C bis > +120°C Styrol – Butadien – Styrol (SBS) Blockcopolymere, thermoplastische Polyurethane und Polyester. Können als Thermoplaste ohne einzelne Vulkanisationsschritte verarbeitet werden. Hohe Elastizität und hoher Reibungskoeffizient. Anwendungen vor allem in der Schuhindustrie, in der Automobilindustrie, für Schläuche und in diversen Haushaltsartikeln.

2.8

Kunststoff-Schäume

Diese Kunststoff-Schäume mit meist geschlossenen Zellen werden in der Bauindustrie in vorgefertigter Form als Platten, Schalen, Streifen, Granulate, aber auch als in situ geformte Schäume eingesetzt. Vor Ort fertiggestellter (nur thermohärtend) Schaum wird beispielsweise in Hohlräumen verwendet.

B/72

WERKSTOFFE

Polystyrolschaum 12 kg/m³ bis 60 kg/m3 Weiß mit geschlossener Zellenstruktur. Preisgünstiges Material für Kontaktschallisolation, Wärmeisolation, als Zugabematerial für leichtgewichtigen Beton und Wegwerfverpackungen für „Fast-food“. PVC-Schaum 40 kg/m3 Cremefarben bis hellgelb mit geschlossener Zellstruktur oder gemischt (recht kostspielig), aber mit geschlossener Zellstruktur und gut dampfdicht. Polyurethanschaum 20 kg/m³ bis 100 kg/m3 Weiß bis grau gefärbt. Hartschaumarten mit überwiegend geschlossenen Zellen, weiche Arten sowohl mit offenen als auch mit geschlossenen Zellen. Wird hauptsächlich in der Bau- und der Automobilindustrie eingesetzt. Phenolformaldehydschaum 20 kg/m³ bis 100 kg/m3 Orange bis (dunkel)braun gefärbter Schaum mit 50% bis 70% geschlossenen Zellen, hohe Festigkeit, aber porös. Für kurze Zeit bis zu 250°C brauchbar. Nimmt relativ viel Wasser auf. Kommt in vorgefertigter Form vor, wird aber auch in situ verarbeitet. Harnstoffformaldehydschaum 30 kg/m³ bis -50 kg/m3 Mit offener Zellstruktur und ebenso mit recht hoher Wasseraufnahme. Vor allem für thermische Isolation von Dächern und Leitungen, für Schallisolation und Hohlraumfüllung. Sandwichplatten Werden häufig mit Polystyrol- und Polyurethanschaum verarbeitet. Oft mit Außenschichten von PVC oder PE und mit glasfaserverstärktem Polyesterharz.

ANORGANISCHE, NICHT METALLISCHE WERKSTOFFE B/73

3

Anorganische, nicht metallische Werkstoffe

3.1 Einteilung Diese Werkstoffe sind keine Metalle und keine organischen Werkstoffe und besitzen keine Struktur mit molekularen Verbänden. Eingeteilt werden diese Werkstoffe in:






Glas Keramik Kohlewerkstoffe Hartstoffe Halbleiter.

3.2 Glas Vorteile: Kostengünstige Herstellung, Lichtdurchlässigkeit (Anwendungen als Werkstoffe für Brillengläser und Kontaktlinsen, als Quarzglas in der Lithografie-Optik und als Glasfaser zur optischen Nachrichtenübertragung), Korrosionsbeständigkeit gegen alkalische und saure Medien (Einsatz in der chemischen Industrie und der Medizintechnik).

3.3 Keramik Beschreibung Keramik besteht aus anorganischem, nicht metallischen Pulver. Dieses wird durch Hitzeeinwirkung zwischen 8000C und 2.0000C verfestigt (Sinterprozess). Hierbei werden chemisch vorbereitete Pulver aus Kaolin und Ton mit sehr kleinem Korngrößen (<10-6m) und einer sehr hohen Reinheit verwendet. Die Herstellung erfolgt in drei Stufen: Aufbereiten und Mischen der Pulver, Herstellen der Formteile und Brennen (Sintern). Häufige Herstellungsmethoden sind: uniaxiales und kalt-isostatisches Trockenpressen, Druck- bzw. Schlickgießen, Extrusion, Spritzgießen und Foliengießen.

B/74

WERKSTOFFE

Eigenschaften technisch keramischer Materialien Keramische Werkstoffe haben folgende Eigenschaften:
hohe Härte,
hohe Verschleißbeständigkeit,
hohe Schmelz-, Sublimations- und Auflösungstemperatur,
chemische Trägheit und gute Korrosionsbeständigkeit,
niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient,
geringe elektrische Leitfähigkeit,
geringe spezifische Masse / hohe spezifische Festigkeit, auch bei hoher Temperatur,
geringe Duktilität, Porosität. Darüber hinaus weisen keramische Kompositmaterialien folgende Eigenschaften auf:
hohe Beständigkeit gegen plötzliche Temperaturänderungen (Thermoschock),
erhöhte Bruchzähigkeit,
hohe Zuverlässigkeit (geringe Streuung der Festigkeit). Beim Einsatz von Keramik für technische Anwendungen sollte folgendes beachtet werden. Die Eigenschaften von technischen keramischen Materialien sind wesentlich vom Ausgangspulver, der Fertigungsmethode und dem Sintern (Wärmebehandlung bei etwa 2/3 der Schmelztemperatur, wodurch die Pulvermasse bis auf nahezu 100% der theoretischen Dichte verdichtet wird) und der letztendlich daraus entstehenden Mikrostruktur abhängig. Unter Mikrostruktur werden die Kristallstruktur, die Kristallgröße und Kristallgrößenverteilung, die Morphologie der Kristalle, Porosität, Defekte, Einschlüsse und der Oberflächenzustand verstanden. Weiterhin ist die Festigkeit von keramischem Material statistisch bestimmt. Mit Hilfe der Weibull-Statistik kann die Ausfallwahrscheinlichkeit von keramischem Material, das mit einer bestimmten Methode und aus einem bestimmten Pulver hergestellt wurde, für eine bestimmte Belastung festgestellt werden. Das Weibull-Modul m gibt dann die Streuung um einen Mittelwert der Festigkeit an.

ANORGANISCHE, NICHT METALLISCHE WERKSTOFFE B/75 Tabelle 3.1 Eigenschaften von Porzellan und Steatit

Anwendungen von technischen keramischen Materialien Es gibt viele Anwendungen, bei denen die spezifischen Eigenschaften, die meist auch bei hohen Temperaturen erhalten bleiben, optimal ausgenutzt werden. Beispiele: Elektro- und Magnetokeramik, Schleifmittel, Zündkerzen, Motorteile, Schneiden für die Metallverarbeitung, Pumpendichtungen, Kugellager, Befestigungsstifte beim Schweißen, Katalysatorträger, zahnheilkundliche und orthopädische Implantate, Ofenrohre, transluzente Rohre für Natriumlampen, Schlittschuhe, Messer, Scheren, Armbanduhren und Golfschläger. Technische Keramik kann auch als poröses Material gefertigt werden. Anwendungen: Filter für flüssige Metalle; Brandplatte, Katalysatorträger, biomedizinisches Implantat oder Mikrofiltrations-, Ultrafiltrations- oder Gastrennungsmembran. Spezifische Anwendungen für keramische Kompositmaterialien ähneln eigentlich den oben erwähnten. Die Wahl zwischen Monolithen oder Kompositen wird durch die Wahrscheinlichkeit eventuell auftretender Zugspannungen im Material, Thermoschocks oder die Zuverlässigkeit bestimmt.

B/76

WERKSTOFFE

Eine spezielle Anwendung bilden die keramischen Beschichtungen auf einer Vielzahl Metallsubstrate. Diese Schichten, die mit einer Dicke zwischen 5·10-6m und mehr als 100·10-6m aufgetragen werden können, erhöhen die Härte, die Verschleißfestigkeit, die Korrosionsund Temperaturbeständigkeit eines Substrates bemerkenswert. Tabelle 3.2 Schmelzpunkt und maximale Anwendungstemperatur keramischer Materialien [°C] Material

Schmelzpunkt (eventuell); Sublimationspunkt oder Auflösungstemperatur

max. Anwendungstemperatur oxidierende Vakuum reduzierende Umgebung Umgebung (H2)

Al2O3

2.050

1.9002)

1.900

AlN

2.227

5005)

1.700

700

B4C

2.450

800

2.000

2.000 1.870

1.650

BN

2.5001)

1.200

1.900

BeO

2.4831)

1.9004)

2.100

-

MgO

2.850

2.200

1.600

1.700

β-SiAlON

1.9003)

1.4002)

1.5002)

-

SiC

2.7602)

1000-16002)

1.700

2.300

Si3N4

1.8703)

1200-14002)

1.5002)

1.6002)

TiB2

2.871

800

≅2.200

≅2.200

TiC

3.067

800

≅2.200

-

TiN

2.948

1.200

1.000

-

WC

2.867

550

≅2.200

2.000

ZrO2

2.715

2.200

2.300

2.100

1)

sublimiert, schmilzt unter N2 bei ungefähr 3.000 °C (stark) abhängig von der Mikrostruktur 3) aufgelöst 4) bis 800 °C in wasserhaltiger Umgebung 5) oxidiert bereits bei 180 °C unter Einfluss von Wasser 2)

Allgemein ist feststellbar, dass die größte Zähigkeit von einer monolithischen Matrix durch den Einbau von Fasern mit einer größtmöglichen Länge / Durchmesser-Wert erzielbar ist. Es sind dann Erhöhungen der Bruchzähigkeit der monolithischen Keramiken um ein Zehnfaches und der Biegefestigkeit um ein Dreifaches möglich.

ANORGANISCHE, NICHT METALLISCHE WERKSTOFFE B/77 Tabelle 3.3 Dichte monolithischer keramischer Materialien Material

Dichte [kg/m³]

Al2O3

4.000

Material RB-SiC

2.600 bis 2.700

AlN

3.260

Si-SiC

2.900 bis 3.100

B4C

2.520

BN (hex)

2.340

(kub)

3.480

SiC

Si3N4

Dichte [kg/m³]

S-SiC

3.000 bis 3.150

HP-SiC

3.200

α

3.170 bis 3.190

β

3.190 bis 3.200

BeO

3.030

MgO

2.800

TiB2

4.520

β-SiAlON

3.100

TiC

4.2501)

TiN

5.400

1)

WC

4.550

ZrO2

5.700 bis 6.100

bei einer Zusammensetzung Ti 55 %, C 45 %

Tabelle 3.4 Elektrische Leitfähigkeit monolithischer keramischer Materialien bei 20 °C1) Material Al2O3 AlN B4C BN (hex) (kub) BeO MgO β-SiAlON

Elektrische Leitfähigkeit [Ω-1cm-1] 10-12 10-7-10-5 10-2-102 10-3 10-10 10-17 10-6 10-12

Material SiC Si3N4 TiB2 TiC TiN WC ZrO2

Elektrische Leitfähigkeit [Ω-1cm-1] 10-1-103 10-13-10-9 10-6 10-6 10-6 10-5 10-14

1)

für alle Materialien gilt: starke Abhängigkeit von der Mikrostruktur und mögliche Abhängigkeit von der Umgebung (Atmosphäre), in der gemessen wird.

Oxidkeramische Werkstoffe Diese Werkstoffe werden aus Oxiden und Oxidverbindungen hergestellt. Sie enthalten kein SiO2. Der wichtigste Werkstoff ist Aluminiumoxid (Al2O3) mit den Eigenschaften: sehr hohe Härte, hohe Warmfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Für den Einsatz in der Elektrotechnik günstige Eigenschaften sind:

B/78





WERKSTOFFE Extrem niedrige dielektrische Verlustfaktoren bis hin zu hohen Frequenzen (0,0002 bis 0,0003). Hoher Oberflächenwiderstand (der Isolationsweg beträgt bis zu 2 mm/kV), Hohe Wärmeleitfähigkeit (schnelle Abführung der Wärme), Feste Haftung von aufgebrachten Metallschichten (wichtig für Verbundwerkstoffe).

Tabelle 3.5 Eigenschaften Aluminiumoxid-Keramik und Worlfram-Karbid (WC)-Hartmetall

Anwendungen: Hochleistungszündkerze, Gehäuse für Elektronenröhren, Substratwerkstoff (Trägermaterial für hybride Schaltungen; Vorteile: gute mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften). Ferroelektrische keramische Werkstoffe Besonders wichtig ist der piezoelektrische Effekt. Druck erzeugt eine elektrische Spannung bzw. eine elektrische Spannung bewirkt eine Längenänderung des Werkstoffes. Beim Anlegen einer Wechselspannung werden elektrische Schwingungen erzeugt. Diese Oszillatoren bestehen aus den Werkstoffen BaTiO3 und Pb(ZrTi)O3. Magnetische keramische Werkstoffe Dazu zählen die Ferrite auf Basis von Eisenoxidverbindungen (MeO·Fe2O3).

ANORGANISCHE, NICHT METALLISCHE WERKSTOFFE B/79 Tabelle 3.6 Eigenschaften von Ferriten

3.4

Nichtoxidische Hartstoffe

Hartstoffe besitzen eine hohe Härte, einen hohen Schmelzpunkt, einen hohen Elastizitätsmodul, einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, eine große Korrosionsbeständigkeit, sowie eine geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Tabelle 3.7 Eigenschaften von Hartstoffen

Es gibt zwei Gruppen von Hartstoffen:
Nichtmetallische Hartstoffe (z. B. Diamant, Bornitrid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid).
Hartstoffe mit metallischen Eigenschaften (z. B. Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid)

B/80

WERKSTOFFE

Tabelle 3.8 Zusammensetzung und Eigenschaften von Hartmetallen

HALBLEITER-WERKSTOFFE

4

B/81

Halbleiter-Werkstoffe

Halbleiter-Werkstoffe besitzen einen spezifischen elektrischen Widerstand zwischen dem der Metalle und dem der Isolatoren. Durch gezielte Zugabe von Fremdstoffen (Dotierungen), können die Eigenschaften von Halbleitern drastisch verändert werden. Halbleiter spielen vor allem bei Bauelementen der Elektronik (z. B. Dioden, Transistoren und Thyristoren) eine wichtige Rolle. Tabelle 4.1 Spezifischer elektrischer Widerstand von Metallen, Isolatoren und Halbleitern

Tabelle 4.2 Elemente für Halbleiterwerkstoffe

B/82

WERKSTOFFE

Tabelle 4.3 Eigenschaften der wichtigsten Halbleiter (für T = 300 K)

Die Herstellungsverfahren sind aufwändig und erfordern hohes Know-how.

HALBLEITER-WERKSTOFFE

Abb. 4.1 Herstellungsprozess für zwei nebeneinander liegende Planar-Transistor-Systeme

B/83

B/84

5

WERKSTOFFE

Supraleiter-Werkstoffe

Unterhalb einer bestimmten Sprungtemperatur TC tritt Supraleitung auf. Bei der Supraleitung fließt der Strom widerstandslos. Das Magnetfeld wird aus dem Supraleiter gedrückt (idealer Diamagnet). Oberhalb einer kritischen magnetischen Flussdichte BC verschwindet die Supraleitung; das Bauteil wird normalleitend. Im Supraleiter erster Art tritt der Übergang von der Supraleitung in die Normalleitung sprungartig ein, beim Supraleiter zweiter Art erfolgt ein kontinuierlicher Übergang. Hochtemperatur-Supraleiter werden bereits bei flüssigem Stickstoff (statt Helium) supraleitend. Interessante technische Anwendungen sind beispielsweise widerstandslose Kabel oder schwebende Teile (Herausdrängen des Magnetfeldes), die für reibungsfreie Lager genutzt werden können. Tabelle 5.1 Supraleitende Elemente und Verbindungen

SUPRALEITER-WERKSTOFFE

B/85

B/86

6

WERKSTOFFE

Allgemeine Tabellen

Tabelle 6.0 Übersicht über Angaben Kapitel 6 Angaben

Seite

Kompressibilität

B / 86

Dynamische Viskosität

B / 86

Eigenschaften Flüssigkeiten

B / 87

Eigenschaften Gase und Dämpfe

B / 88

Eigenschaften Metalle

B / 90

Eigenschaften Legierungen

B / 91

Eigenschaften diverser fester Stoffe

B / 92

Sättigungsdruck Diffusionskoeffizienten

B / 94

Siede- und Sublimationspunkte

B / 95

Flüssige Kohlenwasserstoffe

B / 96

Gesättigter Dampf

B / 97

Spezifische Enthalpie überhitzter Dampf

B / 98

Spezifisches Volumen überhitzter Dampf

B / 99

Wärmeübertragungskoeffizienten

B / 99

Zusammenstellung Konstruktionsmaterialien für chemische

B / 100

Werkzeuge

Tabelle 6.1 Kompressibilität κ der Flüssigkeiten [Pa-1] bei T = 293 K Wasser

460 x 10-12

Öl

Ethylalkohol

990 x 10-12

Chloroform

550 bis 800 x 10-12 1.000 bis 1.200 x 10-12

Quecksilber

37 x 10-12

Glyzerin

370 x 10-12

Tabelle 6.1 Dynamische Viskosität η [Pa · s] (siehe auch Tabelle 6.3) t [°C]

η

Alkohol

0

1,84 x 10-3

Maschinenöl

Alkohol

19

1,21 x 10-3

Maschinenöl

44

0,071

Essigsäure

20

1,23 x 10-3

Quecksilber

20

1,59 x 10-3

Essigsäure

57

0,73 x 10-3

Toluol

0

0,77 x 10-3

-3

t [°C]

η

10

0,676

Benzol

20

0,64 x 10

Wasser

0

1,8 x 10-3

Benzol

60

0,39 x 10-3

Wasser

20

1,0 x 10-3

Glycerin

3

4,22

Wasser

50

0,5 x 10-3

Glycerin

21

0,778

17

62

32

500

45

23

0,71

1,26

1,26

13,52)

1,02

0,79

0,79

0,76

0,84

1,59

0,998

Ether

Glyzerin

Kohlenstoffdisulfid

Quecksilber

Milch

Methanol

Petroleum

Silkonöl

Terpentin

Tetrachlorkohlenstoff

Wasser

2)

27

1,49

Chloroform

0,97 1,00

26

73 3)

1,5

27

13,6 bei 273 K

1,6

0,49

16

273 K bis 333 K

0,214)

0,97

1,0

4,18

0,84

1,75

1,37

2,1

2,50

3,9

0,83) 1,2

0,14

1,00

2,43

2,30

0,96

1,71

2,05

2,43

2,20

0,182

1,2

0,5

1,7

1,3

1,2

0,84

27

0,36

1500

0,23

0,6

0,65

3 Dynamische

T = 293 K

0,60

29

0,88

Benzol

4,4

1,1

4)

293 K

0,60

0,10

0,15

0,10

0,15

0,21

0,49

10,4

0,14

0,29

0,14

0,12

0,15

0,17

0,17

0,16

6 Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ [W/(m K)] 1)

1,5

273

250

263

205

203

175

272,5

234

161

292

157

210

279

267

159

178

7 Schmelzpunkt [K] (p = pn)

1,2

373

350

453

373

423

338

373

630

319

563

308

335

353

457

351

329

647

556 2.260

649 193

513

172

552

725

467

535

563

699

516

509

293

319

1.110

301

350

83

377

250

393

435

841

515

x 103

pn = 101.325 Pa (= 1 atm)

334

17

145

92

12

57

175

115

244

127

88

105

92

9 Siedepunkt [K] (p = pn)

1)

2,1

43

1,02

Anilin

-

1,55

22

x 103

11 Kritische Temperatur [K]

0,33

23

0,80

1 Dichte ρ [kg/m³]1)

0,79

2 Oberflächenspanung σ [N/m]1)

Alkohol

Viskosität η[Pa · s]1) siehe auch Tabelle 6.2

Azeton

4 Volumenausdehnungskoeffizient γ [K-1] (T = 293K bis 373K) x 103

5 Spezifische Wärme c [J/(kg · K)] (T = 293K bis 373K)

x 10-3

8 Spezifische Schmelzwärme [J/kg]

x 10-3

10 Spezifische Verdampfungswärme [J/kg]

x 10-3

22,1

4,4

7,9

7,8

100

7,5

3,3

5,5

4,6

5,1

6,2

6,1

x 106

12 Kritischer Druck [Pa]

x 103

Flüssigkeiten

Tabelle 6.2

ALLGEMEINE TABELLEN B/87

3 Spezifische Wärme cp bei konstantem Druck [J/(kg · K)] 1)

2 Dynamische Viskosität η [Pa · s]1) 1,11

1,61

0,49

0,60

6,9

16,83)

9,4

2,67

3,21

Butan (Iso-)

Chlor

1,70

5,51

0,178

1,98

1,25

3,74

Fluor

Freon-12

Helium

Kohlendioxid

Kohlenmonoxid

Krypton

1,40

1,05

0,25

16,6

23,3

1,69

1,31

1,66

0,82

5,1

1,14

1,09

1,25

1,22

8,7

23

14

144

8,5

17

18

4,3

1,05)

82 120

68 116

1956)

243

85

53 123

308

185

23

335

239

263

87

240

351

157

90

18

1,73

13,9

18,6

0,06

2,0

6,8

1,26

Ethen

12

1,41

9,4

1,36

Ethan

Etherdampf

1,72

8,5

0,180

Deuterium

172

128

84

210

7,6

14

16

195

1,153)

1,36

1,66

0,52

21

1,78

Argon

22

159

1906)

110

210

570

21

170

377

490

310

240

290

160

1370

841

210

134

304

5,2

385

144

467

283

241

38

535

417

408

151

405

516

309

187

5,5

3,6

7,3

0,23

4,1

5,7

3,3

5,1

4,9

1,7

5,5

8,4

3,6

4,9

11,9

6,2

6,3

4,5

2)

x 106

1.090

2.052

50

780

11 Inversionstemperatur [K]

Chloroform-

1,32

2,06

9,2

0,77

19

29

2)

115,8

216,6

2,19

18,6

83,8

195

12 Temperatur Tripelpunkt [K]

Ammoniak

1,25

1,31

6 Schmelzpunkt [K] (p = pn)

10,83)

10

7 Siedepunkt [K] (p = pn)

Alkoholdampf

1,9

1,67

11

1,18

4 γ = cp / cV1)

0,833

1 Dichte ρ [kg/m³]1) (p = pn) x 103

9 Kritische Temperatur [K]

Acetylen

5 Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ [W/(m K)] 1) x 10-3

8 Spezifische Verdampfungswärme [J/kg]

x 103

10 Kritischer Druck [Pa]

x 10-6

73,5

517

5,1

17,07

68,8

6,07

x 103

13 Druck Tripelpunkt [Pa]

Erdgas

Gase und Dämpfe

Tabelle 6.3

B/88 WERKSTOFFE

17

12,53)

8,4

21,0

18,9

11,6

0,90

2,22

2,02

1,25

0,5983)

0,090

5,9

1,43

2,93

Neon

Ozon

Propan

Stickstoff

Wasserdampf

Wasserstoff

Xenon

Sauerstoff

Schwefeldioxid

bei 2,5 · 106 Pa

7,6

pn = 101.325 Pa ( = 1 atm)

bei p = pn direkter Übergang fest - gasförmig

6)

5)

bei 550 K

4)

bei 373 K

3)

Mittelwert

2)

T = 273 K

10,2

0,72

Methan

1)

17,1

1,29

Luft

29,7

504)

Quecksilberdampf

0,64

0,92

14,3

2,0

1,04

1,53

0,79

1,03

2,21

1,00

1,27

1,40

1,67

1,41

1,333)

1,40

1,13

1,40

1,64

1,31

1,40

1,674)

8,4

25

5,2

174

16

24

15

46

30

24

27 163 231 77

25 81 85 63

14

198

54

161

263

90

165

20

373

112

91

273

630 802)

234 602)

301

390

210

100

450

2260

200

430

250

130

510

2102)

1720

431

154

290

33

647

126

370

268

44

190

1322)

100

7,8

5,1

5,8

2,0

22,1

3,3

4,2

7,0

2,7

4,6

3,82)

764

1456

193

4367

621

231

968

6592)

12,54

43,2

11,7

197,7

54,36

161,4

13,84

0,167

0,152

81,7

7,04

273,16 0,6112

63,2

24,6

90,7

ALLGEMEINE TABELLEN B/89

1,74

10,22

8,89

21,45

16,60

7,30

19,07

19,30

7,87

10,50

7,14

Magnesium

Molybdän

Nickel

Platin

Tantal

Zinn weiß tetragonal

Uran

Wolfram

Eisen

Silber

Zink 93

77

22

36

13

55

19

16

19

33

44

3)

8,4

417

0,244)

116

79

0,464)

0,39

170

0,135

27

63

0,224) 0,116

54

72

92

138

150

0,14

0,133

0,46

0,26

1,03

0,14

70 390

0,394)

310

87

0,42

0,13

Volumenausdehnungskoeffizient

29,7

19,2

11,7

4,5

15

22

6,5

8,9

12,7

5

25,6

1823)

16,8

13,7

14,0

0,45

9

170

237

bei T = 2.000 K: Aluminium 1,1·103; Kupfer 0,5·103; Zinn 0,24·103; Eisen 0,82·103; Silber 0,28·103

13,52)

Quecksilber

12

21

80

7,0

0,12

1,78

0,88

4)

8,96

Kupfer (weich / hart)

13,6 bei T = 273 K

8,85

Kobalt

2)

19,32

Gold

25

13,5

11,5

23,2

T = 293 K

7,19

Chrom

32

30

1)

9,80

Bismut

1 Dichte ρ [kg/m³]1) (p = pn) 70

5 Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ [W/(m · K)] 1)

4)

107

105

276

190

40

59

170

110

310

290

370

12

205

260

66

280

54

138

400

x

pn = 101.325 Pa ( = 1 atm)

693

1.234

1.812

3.680

1.406

505

3.270

2.043

1.726

2.890

923

234

1.356

1.768

1.336

2.160

544

1.551

932

6 Schmelzpunkt [K] (p = pn)

1,85

3 Linearer Ausdehnungskoeffizient α [K-1] (T = 273 K bis 373 K) x 103

4 Spezifische Wärme c [J/(kg · K)] 1)

x 10-6

7 Spezifische Schmelzwärme [J/kg]

2,70

x

59

16,1

98

55

290

115

133

106

70

52

46

960

16,7/67,5

58

24

130

1164

33

27

x 10-9

8 Spezifischer Widerstand ρ [ · m] 1)

Beryllium

2 Elastizitätsmodul E [Pa]1)

x

4,1

3,9

6,5

4,9

2,1

4,3

3,1

3,9

4,7

4,3

3,8

0,93

3,9/4,3

6,0

3,9

3

4,3

9,0

3,8/4,4

x 10-3

9 Widerstandstemperaturkoeffizient α [K-1]

Aluminium

Metalle

Tabelle 6.4

B/90 WERKSTOFFE

95% Al, 4% Cu

94% Fe, 3 - 4% C, 2,5% Si

64% Fe, 36% Ni

84% Cu, 12% Mn, 4% Ni

55 - 70% Cu, 30 - 45% Zn

60% Ni, 18% Cr, 22% Fe

45 - 70% Cu, 5 - 30% Ni, 8 - 45% Zn

82% Cu, 12% Mn, 4% Al, 2% Fe

50% Pb, 50% Sn

99% Fe, 0,8% C

62% Fe, 20% Ni, 12% Al

85% Fe, 0,2% C, 13% Cr

70% Fe, 18% Cr, 8% Ni

44,5% Bi, 35,5% Pb, 10% Cd, 10% Sn

Dural

Gusseisen

Invar

Manganbronze

Messing

Heizleiter-Legierung

Neusilber

Manganbronze

Weichlot

Kohlenstoffstahl

Magnetstahl

Nichtrostender Stahl

Chrom-Nickel-Stahl

Wood-Metall

T = 293 K

54% Cu, 45% Ni, 1% Mn

Konstantan

1)

80% Ni, 20% Cr

Heizleiter-Legierung

9,7

7,9

7,8

6,9

7,8

9,0

8,8

8,9

8,2

8,5

8,5

8,1

7,3

2,8

8,9

8,4

17

10

12

23

18

13

21

16

1-2

11,5

23

15

17

19

150

500

460

480

176

400

380

410

500

500

920

410

380

pn = 101.325 Pa ( = 1 atm)

200

200

200

200

0,045

110

100

130

145

100

71

110

100

4 Spezifische Wärme c [J/(kg · K)] 1)

8,9

2 Elastizitätsmodul E [Pa]1)

8,7

13

16

27

50

80

33

13

122

22

16

60

160

22

18

190

30

5 Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ [W/(m · K)] 1)

92% Cu, 8% Sn

3 Linearer Ausdehnungskoeffizient α [K-1] (T = 273 K bis 373K) x 10-6

344

1.690

1.780

1.630

490

1.375

1.620

1.170

1.270

1.700

1.450

652

1.540

1.673

1.280

x 103

765

720

180

150

450

330

112

66

440

80

100

490

113

140

330

x 10-9

[Ω · m] 1)

x 109

6 Schmelzpunkt [K] (p = pn)

95% Ni, 1% Si, 2% Al, 2% Mn

1 Dichte ρ [kg/m³]1) (p = pn) x 103

7 Spezifischer Widerstand ρ

Bronze

Masse %

0,2

0,4

0,13

2

0,02

1,4

6,5

0,02

0,1

0,6

2,4

x 10-3

8 Widerstandstemperaturkoeffizient α [K-1]

Nickelbasis-Legierung

Legierungen

Tabelle 6.5

Zusammensetzung

ALLGEMEINE TABELLEN B/91

1 Dichte ρ [kg/m³]1)

5,46

2,32

2,6

Germanium

Gips

Glas (normal)

0,78

0,58

Eichen-

Fichten-

2,17

1,26

Eben-

Kochsalz

0,15

2,6 - 2,7

Granit

Holz Balsa-

2,25

Grafit

3,1 - 3,9

1,83

Phosphor (weiß)

(Flint)

3,52

1,5 - 2,4

2,7 0,88

3-5 5 40

11

3-5 2,4

0,82

7-8 5 - 50

0,5 0,69 - 0,72

8

0,84

1-2

8-9

0,8 - 1,1

0,31

25

0,79

6,1

0,49

1,3 124

0,9 - 1,1

0,84 - 0,92

0,92

0,92

10 - 12

54

30

200

10 - 20

60 - 80

50 - 100

20 - 40

6 - 10

0,045 - 0,06

0,3 - 0,5

0,3 - 0,5

0,3 - 0,5

0,1

3,5

160

0,8

0,93

1,3

63

165

0,2 - 20

1

0,13

0,2

0,6

0,2

1.081

3.823

0,5

17

900

1012

10-5

1012

0,44

1.000

1017 0,59

0,022

317 1.210

1.000

1013

105 - 109

17

400

680

1019

>3.800

6 Schmelzpunkt [K] (p = pn)

Diamant

2,7 - 3,2

1,0

Bernstein

Beton

1,3

1,4 - 2,1

x 106

8 Max. zulässige Temperatur [K]

Basalt

1,2

Bakelit

70 - 100

5 Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ [W/(m · K)] 1)

Asphalt

2 Elastizitätsmodul E [Pa]1) x 103

[Ω · m]

1,2

3 Linearer Ausdehnungskoeffizient α [K-1] (273 bis 373K) x 10-6

4 Spezifische Wärme c [J/(kg · K)] 1)

x 109

7 Spezifische Schmelzwärme [J/kg]

x 103

Widerstand ρ

Acryl

feste Stoffe

Diverse

Tabelle 6.7

B/92 WERKSTOFFE

9 Spezifischer

1,2 - 1,6

4,82

2,33

Gummi

Selen

Silizium

0,95

0,917

1,6

2,07

1,96

Eis (269 K)

Sand (trocken)

Schwefel rhombisch

monoklin

Wachs

T = 293 K

-4

0,73 0,74

61 80

0,80

2,2

50

3

1,0

1,2

0,75

0,76

0,35

1,1 - 2,0

1,0 - 2,0

0,8

1,3

2,2

1,5

2,1 - 2,9

1,7

1,3

0,88

0,88

0,75

17 - 21

0,85

2,5

90

80

3-9

4,2

39

200

150 - 250

2-5

70

180

80

100 - 200

100 - 140

94

3

12

0,4

28

1,8

100 - 110

10 - 10

-3

2,5 - 3,5

70 - 80

2,5 - 3

0,5

2,5 - 3,5

1 - 2,5

140 - 210

40 - 50

70

pn = 101.325 Pa ( = 1 atm)

2,2

Teflon (PTFE)

1)

1,6

Zucker (Saccharose)

1,5 - 2,0

1,3

PVC-hart

Stein (Klinker)

2,4

0,85

Paraffin

1,06

0,7 - 1,2

Papier

Porzellan

1,14

Nylon 6

Polystyrol

1,15

Naphthalin

1,2

2,8

Glimmer

0,93

2,7

Marmor

Polyethylen (PE)

2,2 - 2,5

PMMA (Plexiglas)

0,20 - 0,35

Quarz

3,5

Kork

Kohlenstoff

353

3·105

0,038 0,046

0,334

0,2

392

273

0,056

0,164

0,2

1

2,1

327 338

458

0,6

1.683

490

0,2 - 0,3

0,6 - 1,1

80 - 150

0,15

0,16

520

540

1023

1020

625

107

1013

10 - 1014

12

1012

1.900

>1014

0,066

>1019 3·1015

0,08

660

1,0 - 1,7

640 398

1,9 0,23 - 0,29

325 - 329

1015

>1014 1010 0,147

0,151

0,18

490 - 495

0,21 - 0,26

0,2 - 0,3

109 1014

2-4 0,4 - 0,6

108 1.563

1020

0,2

0,22 1.880

0,05 - 0,11

104

ALLGEMEINE TABELLEN B/93

B/94

WERKSTOFFE

Tabelle 6.8 Sättigungsdruck [Pa] T [K]

Quecksilber

-2

273

2,47 · 10

283

6,53 · 10-2

293

1,60 · 10-1

303

3,70 · 10-1

313

8,10 · 10-1

323

1,69

333

3,36

343

6,44

353

1,18 · 101

363

2,11 · 101

373

3,64 · 101

423

3,74 · 102

473

2,30 · 103

523

9,92 · 103

Benzol

Alkohol

Ether

x 103

x 103

x 105

3,47

1,67

0,247

10,0

5,38

0,587

24,3

17,8

1,23

51,9

46,8

2,32

101

108

4,00

179

225

6,54

1.700

1.800

Tabelle 6.9 Diffusionskoeffizienten Gemisch (A-B)

Temperatur [K]

D°AB [m²/s]

Gase Wasserdampf - Luft

293

25,6

x 10-6

Methanol - Luft

293

16

x 10-6

Propionsäure - Luft

293

9,9

x 10-6

Butylamine - Luft

293

10,1

x 10-6

CO2 - Luft

293

16,4

x 10-6

H2 - Luft

293

41

x 10-6

Flüssigkeiten x 10-9

H2 - Wasser

293

5,0

H2 - Sojaöl

293

2,4

x 10-9

CO2 - Wasser

293

1,77

x 10-9

Glukose - Wasser

293

0,60

x 10-9

Laktose - Wasser

293

0,43

x 10-9

Sukrose - Wasser

293

0,45

x 10-9

Ethanol - Wasser

298

1,13

x 10-9

Wasser - Erdnussöl

298

0,25

x 10-9

2.152

399

3.860

1,4

312

139

199

51

1.901

67

229

47

256

10

122

54

457

Glyzerin

Grafit

Helium

Jod

Kohlenstoffdioxid

Kohlenstoffdisulfid

Kohlenstoffmonoxid

Kupfer

Methan

Methanol

Stickstoff

Wasser

Wasserstoff

Wasserstoffchlorid

Sauerstoff

Schwefel

1)

58

313

Die Sublimationspunkte sind fett gedruckt.

517

63

137

12

284

54

257

78

228

154

346

1,8

4.220

440

561

69

149

14

307

59

278

85

2.340

63

251

165

371

2,4

4.470

471

373

245

225

199

Ether

Phenol

347

143

130

114

Ethan

53,3

673

84

178

18

356

72

323

104

2.740

77

301

187

433

3,8

4.930

536

433

291

173

235

226

334

228

337

x 103

133,3 Pa = 1 mm Hg;

600

74

159

16

325

63

294

92

2.480

67

268

173

390

2,8

4.650

493

394

262

154

210

201

197

299

281 189

155

Chlor

262

205

308

x 103

13,33

194

292

181

236

Benzol

181

271

x 103

171

164

5,33 x 103

1,333

Chlormethan

242

Ammoniak

133,3

Alkohol

Druck [Pa]

Tabelle 6.10 Siede- und Sublimationspunkte 1) [K]

97

202

23

393

84

357

121

90

342

204

5,1

481

329

198

267

254

377

254

371

x 103

202,6

507

112

102

31 241

27 223

120

454

425

109

103

411 94

386

148

409

135

234 378

557

395

241

320

309

452

299

425

x 106

1,013

216

521

363

220

295

283

416

278

399

x 103

5,33 x 103 Pa = 40 mm Hg;

718

90

188

20

373

77

338

112

2.855

82

319

195

456

4,3

5.100

563

455

308

185

249

239

353

240

351

x 103

101,3

4,05

149

291

524

477

187

496

279

655

297

387

375

545

352

491

x 106

101,3 x 103 Pa = 1 atm

133

264

486

115

441

165

121

449

254

602

432

267

350

338

495

323

456

x 106

2,026

6,08

309

550

497

529

296

692

411

400

371

515

x 106

ALLGEMEINE TABELLEN B/95

B/96

WERKSTOFFE

Tabelle 6.11 Eigenschaften homologer Kohlenwasserstoffreihen (25°C) Stoff

Normal-

Dampf-

Aktivitäts-

Siedepunkt

druck

koeffizient γi∞

[°C]

[Pa]

Butanol

117,4

1.133

43

15

16

Hexanol

155,5

160

680

34

30

Oktanol

195,5

24

11.000

85

43

relative Flüchtigkeit

berechnet experimentell

Azeton

56,2

30.660

7,8

75

70

Butan-2-on

79,6

12.000

27

100

82

Pentan-2 -on

102

4.930

100

160

110

Heptan-2-on

151,5

640

1.600

330

260

Oktan-2-on

172,9

250

6.600

530

330

Nonan-2-on

195

100

27.000

870

650

Undekan-2-on

228

25

460.000

3.70

1.100

Azetaldehyd

21

121.300

4,2

160

120

Propanal

48

38.650

16

190

130

Butanal

75

12.000

61

240

200

Pentanal

103

5.000

250

400

260

Hexanal

131

1.600

1.000

500

310

Heptanal

153

625

4.200

820

610

Oktanal

177

225

17.000

1.200

910

Nonanal

191

119

71.000

2.700

1.300

Methylazetat

57,5

22.500

24

240

200

Methylpropionat

79,7

9.330

95

380

310

102,3

3.330

390

560

370

Methylpentanoat

130

973

1.300

560

560

Methylhexanoat

150

387

7.100

1.200

650

Methyloktanoat

193

49

13.000

2.800

1.000

0

Methylbutyrat

ALLGEMEINE TABELLEN

B/97

Tabelle 6.12a Angaben zum gesättigten Dampf Absoluter

Tempe-

Spezifisches

Druck

ratur

Dampf-

[MPa]

[°C]

Dichte

volumen [m³/kg]

[kg/m³]

Spezifische

Verdamp-

Spezifische

Spezifisches

Wasser-

fungs-

Dampf-

Volumen des

enthalpie

wärme

enthalpie

Wassers

[kJ/kg]

[kJ/kg]

[kJ/kg]

[dm³/kg]

0,001

7,0

129,2

0,0077

29

2.484

2.513

0,002

17,5

67,0

0,0149

73

2.459

2.533

0,003

24,1

45,7

0,0219

101

2.444

2.545

0,004

29,0

34,8

0,0287

121

2.433

2.554

0,005

32,9

28,2

0,0355

138

2.423

2.561

0,006

39,0

20,5

0,0488

163

2.409

2.572

0,01

45,8

14,7

0,068

192

2.392

2.584

0,02

60,1

7,7

0,130

251

2.358

2.609

0,03

69,1

5,2

0,193

289

2.335

2.624

0,05

81,4

3,2

0,312

340

2.305

2.645

0,07

90,0

2,4

0,416

377

2.282

2.659

0,1

99,6

1,69

0,591

417

2.257

2.674

1,044

0,2

120,2

0,89

1,12

505

2.200

2.705

1,061

0,3

133,5

0,61

1,64

561

2.162

2.723

1,074

0,4

143,6

0,46

2,18

604

2.132

2.737

1,084

0,5

151,8

0,37

2,70

640

2.107

2.747

1,093

0,7

165,0

0,27

3,71

697

2.065

2.762

1,108

1

179,9

0,19

5,24

762

2.015

2.777

1,128

2

212,4

0,100

10,1

908

1.893

2.801

1,177

3

233,8

0,067

14,7

1.008

1.798

2.806

1,217

4

250,3

0,050

20,0

1.087

1.715

2.802

1,252

5

264,0

0,039

25,6

1.154

1.641

2.795

1,286

6

275,6

0,032

31,3

1.213

1.571

2.784

1,319

8

295,0

0,023

43,5

1.316

1.440

2.756

1,384

10

311,0

0,018

54,2

1.407

1.318

2.726

1,451

12

324,6

0,0143

70,0

1.490

1.197

2.687

1,525

14

336,6

0,0115

93,0

1570

1.067

2.637

1,610

16

347,3

0,0093

108,0

1.649

932

2.581

1,713

18

357,0

0,0075

133,0

1.733

778

2.511

1,85

20

365,7

0,0059

169,0

1.827

590

2.417

2,06

22

373,7

0,0039

256,0

2.010

208

2.218

2,64

22,13

374,2

0,0032

313,0

2.099

0

2.099

3,20

B/98

WERKSTOFFE

Tabelle 6.12b Spezifische Enthalpie von überhitztem Dampf [kJ/kg] Dampf-

Sätti-

druck

gungstemperatur

[MPa]

Temperatur [°C]

[°C] 200

250

300

400

500

600

700

800

0,1

99,6

2.875

2.974

3.074

3.277

3.487

3.704

3.927

4.158

0,2

120,2

2.870

2.970

3.071

3.276

3.486

3.703

3.927

4.158

0,3

133,5

2.866

2.967

3.068

3.274

3.485

3.702

3.926

4.157

0,4

143,6

2.861

2.964

3.066

3.272

3.484

3.701

3.926

4.156

0,5

151,8

2.857

2.960

3.063

3.271

3.483

3.700

3.925

4.156

0,7

165,0

2.847

2.954

3.058

3.268

3.481

3.699

3.924

4.155

1,0

179,9

2.831

2.943

3.051

3.263

3.479

3.697

3.922

4.154

2,0

212,4

2.906

3.024

3.246

3.466

3.689

3.916

4.149

3,0

233,8

2.859

2.995

3.230

3.455

3.681

3.910

4.144

4,0

250,3

2.963

3.213

3.444

3.673

3.904

4.140

5,0

264,0

2.927

3.195

3.433

3.665

3.898

4.135

6,0

275,6

2.886

3.177

3.421

3.657

3.892

4.130

8,0

295,0

2.784

3.139

3.398

3.641

3.880

4.121

10

311,0

3.098

3.375

3.625

3.868

4.112

12

324,6

3.053

3.351

3.608

3.856

4.103

14

336,6

3.002

3.326

3.592

3.844

4.093

16

347,3

2.946

3.300

3.576

3.822

4.084

18

357,0

2.884

3.274

3.559

3.820

4.074

20

365,7

2.815

3.246

3.542

3.809

4.066

22

373,7

3.738

3.217

3.525

3.796

4.057

23

2.692

3.202

3.516

3.790

4.052

24

2.640

3.187

3.508

3.784

4.048

25

2.579

3.172

3.499

3.778

4.043

26

2.509

3.156

3.490

3.772

4.038

28

2.321

3.123

3.472

3.760

4.030

30

2.151

3.089

3.454

3.748

4.021

35

1.988

3.002

3.408

3.717

3.998

40

1.928

2.911

3.360

3.686

3.976

45

1.895

2.819

3.311

3.654

3.953

50

1.870

2.731

3.263

3.623

3.931

ALLGEMEINE TABELLEN

B/99

Tabelle 6.12c Spezifisches Volumen von überhitztem Dampf [m³/kg] Dampfdruck

Überhitzungstemperatur [°C]

[MPa] 200

250

300

400

500

600

0,1

2,17

2,4

2,6

3,1

3,6

4,12

0,2

1,08

1,20

1,31

1,55

1,78

2,01

0,3

0,72

0,80

0,9

1,0

1,2

1,3

0,4

0,54

0,6

0,65

0,77

0,89

1,01

0,5

0,43

0,47

0,52

0,62

0,71

0,9

1,0

0,21

0,23

0,26

0,31

0,35

0,4

1,5

0,13

0,15

0,17

0,2

0,24

0,27

2,0

0,11

0,13

0,15

0,18

0,2

2,5

0,09

0,1

0,12

0,14

0,16

3,0

0,07

0,08

0,1

0,12

0,13

4,0

0,06

0,07

0,09

0,1

5,0

0,045

0,06

0,07

0,08

6,0

0,04

0,05

0,06

0,07

8,0

0,02

0,03

0,04

0,05

10,0

0,025

0,03

0,04

12,5

0,02

0,025

0,03

15,0

0,016

0,02

0,025

17,5

0,012

0,017

0,02

20,0

0,01

0,015

0,018

Tabelle 6.13 Wärmeübertragungskoeffizient α [W/(m²•K)] α Gas (freie Konvektion)

5

bis 15

Gas (erzwungene Konvektion)

10

bis 100

Flüssigkeit (freie Konvektion)

50

bis 1.000

Flüssigkeit (erzwungene Konvektion)

500

bis 3.000

Wasser in Ruhe

350

bis 580

Wasser (erzwungene Strömung)

580

bis 2.300

Kondensierendes Wasser

11.600

Kondensierendes Ammoniak

9.300

Kondensierendes R12, R22

2.300

B/100

WERKSTOFFE

Tabelle 6.14 Konstruktionsmaterialien für chemische Werkzeuge

Metalle und Legierungen Eisen und Stahl

Tanks für Öl, NH3, Alkohol, konzentr. H2SO4, Oleum

Gußeisen

Reaktionssäulen NH3-Synthese, Solvaysodaprozess, HNO3Retorten, Mannheimer-HCl-Retorten, Nitrierungs- und Sulfonierungsanlagen; niemals für Zufuhrleitungen (brüchig), jedoch für Abfuhrleitungen.

Duriron

Gusseisen mit 13-14% Si; Bestand gegen hochkonz. H2SO4 und NO3; guter Bestand gegen konz. HCl.

Temperguß

Gusseisen mit 0.2-2.0% C, 0.6-0.8% Si, 0.1-0.3% Mn, 0.060.12% P, 0.15-0.25% S. Sehr hitzebeständig.

Chromnickelstähle

Meist als rostfreies Stahl bezeichnet, auch bezeichnet als V2A, V4A, V6A-Stähle oder USA-Nomenklatur mit Nummern. Eisen mit C, Cr, Ni eventuell mit Mo, Cu. Im Allgemeinen mehr oder weniger säurebeständig. Jedoch Vorsicht unter anderem mit HCl.

Kupfer

Destilliergeräte, Spiralen in Wärmeaustauscher, keinen Bestand gegen Chloride und ammoniakalkalische Flüssigkeiten und HNO3. Armaturen.

Blei

Überall, wo Schwefelsäure vorkommt. Beschichtung von Tanks und Leitungen, galvanische Industrie, Akkumulatoren. Keinen Bestand gegen verdünntes warmes HNO3 und Laugen. Kein selbsttragendes Konstruktionsmaterial. Dafür Hartblei, Pb mit 14-23% Sb. Platten für Akkumulatoren und Gerätebau

Nickel

Alkalischmelztiegel. Wird angegriffen durch verdünnte Säure.

Monel

Legierung von Ni mit 30% Cu und bestimmte Prozentanteile Fe, Mn, Si, C und manchmal Al. Bestand gegen NaCl. Maschinen in der Al-verarbeitenden Industrie, Kühlanlagen, Seepipelines.

Inkonel

Ni mit Cr, Fe, Cu, Si, Mn, C und manchmal Al, Nb und Ti. Maschinen für die Lebensmittelindustrie.

Messing: Cu und Zn; Bronze: Cu und Sn.

Contrazid

Ni mit Cr, Fe, Cu, Mo, Si, Mn, Wo. Bestand gegen HCl.

Chrom

Auch verchromt und hartverchromt. „Rostfreier“ Stahl, verschiedene Legierungen. Zerkleinerungsanlagen in Verdampfungs- und Zerstäubungsräumen. Bestand gegen NH3 und NaOH, nicht gegen NaCl.

ALLGEMEINE TABELLEN

B/101

Tabelle 6.14 (Fortsetzung) Aluminium

Fast immer in Form von Legierungen verwendet, von denen viele keinen Bestand gegen NaCl haben. Hingegen Bestand gegen Meerwasser und NaCl: BS- und KS-Legierungen. Bekannte Namen für die Maschinenbaulegierungen Lautal, Aludur, Aldrey, Aluman, Bondur.

Magnesium

Als Legierung attraktiv durch geringe Dichte und Alkalibeständigkeit. Speziallegierung: Elektronmetall: 90-92% Mg, 6% Al, Zn und Mn. Dichte 1800, Schmelzpunkt 630°C, brennbares Magnalium, Al mit Mg, zäh und dehnbar.

Bismuth

Als Speziallegierungen für niedrigschmelzende Metalle. Woodsmetall: 50% Bi, 12.5% Sn, 25% Pb, 12.5% Cd. 60.5°C. Lippowitzmetall: 50% Bi, 13.3% Sn, 26.7% Pb, 10% Cd. 70.°C. Rose-Metall: 50% Bi, 25% Sn, 25% Pb. 94°C.

Zinn

Weißmetall (Lagermetall) 42% Sn, 14% Sb, 3% Cu, 41% Pb und Varianten.

Anorganische Materialien Glas

In vielen Zusammensetzungen Konstruktionsmaterial für Laborgeräte und semi-technische Geräte. Sogar für Produktionsmaschinen, Destilliersäulen, Rohrleitungen, Pyrex, Jena, Murano etc.

Glaswolle

Isolationsmaterial, alkaliempfindlich.

Glasfaser

Verstärkungsmaterial u.a. für Kunststoffe

Emaille

Beschichtung von Maschinen aus Gusseisen oder Stahl; korrosionsbeständig, aber empfindlich gegen regelmäßige Temperaturschwankungen und Schlageinwirkungen.

Quarz

Bestand gegen starke Temperaturänderungen, Gerätebau, Schmelztiegel und Rohre.

Keramisches Material

Porzellan, Ton, Steingut, säurefester Ton, Speichelstein. Führungen von Reaktionskessel, Öfen, säurefeste Tanks und säurefeste Leitungen. Kugelmühlen, Füllmaterialien von Absorptionsgeräten.

Organische Materialien Kunststoffe

Korrosionsbeständigkeit, häufig geringe Dichte, einfache Formgebung

B/102

WERKSTOFFE

Tabelle 6.14 (Fortsetzung) gut zu bearbeiten, Rat aus der Fachliteratur heranziehen und Material sorgsam auswählen. Es gibt nicht einen Kunststoff für alle Zwecke, jedoch fast für jeden Zweck einen genau definierten Kunststoff. Gummi

Naturgummi und synthetische Gummi. Korrosionsbeständige Führungen von Tanks, Leitungen und Armaturen. Naturgummi hat keinen Bestand gegen Öl und Benzin u.ä. Empfindlich gegen häufige Temperaturänderungen. Alterserscheinungen.

Holz

Inländische, europäische und tropische Holzarten mit unterschiedlichen Eigenschaften. Tanks und Gefäße in Essigfabriken, Gerbereien, Brauereien, Gärungsbetriebe, Papierfabriken, synthetische Gummifabriken, Kühltürme, Absorptionstürme, Gradierwerke, Leimfabriken, NaClverarbeitende Industrie.

Holzarten für den Gebrauch in korrosiver Umgebung In der Außenluft oder unter feuchten Bedingungen: - sehr wertvoll:

Afrormosia, Azobe, Bangkirai, Basralocus, Billinga, Doussie, Grünharz, Iroko, Merbau, Peroba de campos, Teak.

- wertvoll:

Alerce, Bosse, Eiche, Jarrah, Afrikanisches Mahonie, Makore, Calif. Redwood, Tola Branca, West. Red Cedar.

Konstruktionen, die sauren Dämpfen ausgesetzt sind: Pitch Pine, Teak, Eiche, Grünharz, Azobe, Iroko, Oregon Pine, europ. Grenen (Rindenfrei), Doussie, West Red Cedar, Basralocus, Peroba de Campos. Wannen und Fässer für Flüssigkeiten: Pitch Pine, Oregon Pine, Java Teak, Larix, Doussie´, Eiche, Redwood. Betriebsmaterial, das Widerstand gegen Säuren erfordert: Azobe, Grünharz, Iroko, Pitch Pine, Teak, Jarrah, Bilinga, Peroba de Campos. Wannen und Fässer für leicht korrosive Flüssigkeiten: Pitch Pine, Oregon Pine, Kiefer, Doussie, Tola Branca, Larix, Eiche, Parana Pine.

ALLGEMEINE TABELLEN

B/103

B/104

7

WERKSTOFFE

Chemische Elemente

CHEMISCHE ELEMENTE

B/105

B/106

WERKSTOFFE

CHEMISCHE ELEMENTE

B/107

B/108

WERKSTOFFE

CHEMISCHE ELEMENTE

B/109

B/110

WERKSTOFFE

CHEMISCHE ELEMENTE

B/111

B/112

WERKSTOFFE

CHEMISCHE ELEMENTE

B/113

B/114

WERKSTOFFE

CHEMISCHE ELEMENTE

B/115

B/116

WERKSTOFFE

CHEMISCHE ELEMENTE

B/117

B/118

WERKSTOFFE

CHEMISCHE ELEMENTE

B/119

B/120

WERKSTOFFE

CHEMISCHE ELEMENTE

B/121

GRUNDLAGEN

C

C/1

Messen, Steuern, Regeln

1

Grundlagen, Seite C/2

2

Mechanische Messtechnik, Seite C/20 2.1 Maße und Gewichte, Seite C/20 2.2 Zeitmessung, Seite C/38

3

Elektrische Messtechnik, Seite C/40 3.1 Messgrößen und Messverfahren, Seite C/40 3.2 Messsignalverarbeitung, Seite C/52

4

Messtechnik mit Wellen, Seite C/62 4.1 Akustik, Seite C/62 4.2 Optik, Seite C/65 4.3 Mikrowellen, C/103

5

Steuerungstechnik, Seite C/105 5.1 Allgemeines, Seite C/105 5.2 Symbole, Seite C/105 5.3 Schemata, Seite C/112 5.4 Sequenzielle Schaltungen, Seite C/115 5.5 Speicherprogrammierbare Steuerung, Seite C/117

6

Regelungstechnik, Seite C/124 6.1 Allgemeines, Seite C/124 6.2 Prozessregelungstechnik, Seite C/142

C/2

1

MESSEN, STEUERN, REGELN

Grundlagen

Aufgabe der Messtechnik ist die experimentelle Bestimmung quantitativ erfassbarer Größen in Wissenschaft und Technik. Für die Ingenieurwissenschaften liefert die Mess- und Prüftechnik Grundlagen zur Optimierung der Entwicklung, Konstruktion und Fertigung von Bauteilen und technischen Systemen sowie zur Beurteilung der Eigenschaften, Funktion, Qualität und Zuverlässigkeit technischer Produkte. Der Begriff "Messtechnik" (Metrologie) wird in DIN-Normen nicht allgemein definiert. In der Richtlinie VDI/VDE 2600 ist Messtechnik der Wissensbereich (Bereich der Kenntnisse und Erfahrungen), der sich auf Messungen bezieht. Es wird unterschieden in • theoretische Messtechnik als Zweig der Messtechnik, der sich mit den theoretischen Grundlagen und der theoretischen Systematik des Messens befasst, und • der angewandten Messtechnik als Zweig der Messtechnik, der sich mit ihrer Anwendung auf bestimmte Messprobleme und mit der Ausführung von Messungen beschäftigt. In der industriellen Anwendung ist die Messtechnik ein wesentliches Element der Qualitätssicherung. Für die Durchführung einer Messung sind im allgemeinen mehrere Messgeräte oder Messglieder erforderlich, die eine Messeinrichtung oder ein Messsystem bilden. Die Art und Weise, wie die Messgeräte zusammengeschaltet und die Messsignale verknüpft sind, wird als Struktur des Messsystems bezeichnet. Diese bestimmt das statische und dynamische Verhalten der Messeinrichtung, wobei äußere Einfluss- oder Störgrößen die Messgeräteparameter, den Signalfluss und das Messergebnis beeinflussen können. DIN 1319-1 Grundlagen der Messtechnik - Teil 1: Grundbegriffe (Jan 1995) In dieser Norm sind allgemeine Grundbegriffe der Metrologie (Wissensbereich, der sich auf Messungen bezieht) definiert und beschrieben. Die in der Norm enthaltenen Begriffe gelten unabhängig von der zu messenden Größe für alle Bereiche der Messtechnik. Spe-

GRUNDLAGEN

C/3

zielle und weiter gehende Festlegungen bleiben den besonderen Normen oder Richtlinien für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche vorbehalten. Im folgenden werden die wichtigsten Definitionen vorgestellt. Auf Anmerkungen und Beispiele muss verzichtet werden. Ansprechschwelle. Kleinste Änderung des Wertes der Eingangsgröße, die zu einer erkennbaren Änderung des Wertes der Ausgangsgröße eines Messgerätes führt. Auflösung. Angabe zur quantitativen Erfassung des Merkmals eines Messgerätes, zwischen nahe beieinander liegenden Messwerten eindeutig zu unterscheiden. Ausgabe. Durch ein Messgerät oder eine Messeinrichtung bereitgestellte und in einer vorgesehenen Form ausgegebene Information über den Wert einer Messgröße. Ausgangsgröße eines Messgerätes. Größe, die am Ausgang eines Messgerätes, einer Messeinrichtung oder einer Messkette als Antwort auf die erfasste Eingangsgröße vorliegt. Die Größe kann in analoger oder digitaler Form angezeigt und registriert bzw. gespeichert und dokumentiert werden. Berichtigen. Beseitigen der im unberechtigten Messergebnis enthaltenen bekannten systematischen Messabweichung. Dynamische Messung. Messung, wobei die Messgröße entweder zeitlich veränderlich ist, oder ihr Wert sich abhängig vom gewählten Messprinzip wesentlich aus zeitlichen Änderungen anderer Größen ergibt. Eingangsgröße eines Messgerätes. Größe, die von einem Messgerät, einer Messeinrichtung oder einer Messkette am Eingang wirkungsmäßig erfasst werden soll.

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Einflussgröße. Größe, die nicht Gegenstand der Messung ist, jedoch die Messgröße oder die Ausgabe beeinflusst. Einstelldauer. Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt einer sprunghaften Änderung des Wertes der Eingangsgröße eines Messgerätes und dem Zeitpunkt, ab dem der Wert der Ausgangsgröße dauernd innerhalb vorgegebener Grenzen bleibt. Empfindlichkeit. Änderung des Wertes der Ausgangsgröße eines Messgerätes, bezogen auf die sie verursachende Änderung des Wertes der Eingangsgröße. Erwartungswert. Wert, der zur Messgröße gehört und dem sich das arithmetische Mittel der Messwerte der Messgröße mit steigender Anzahl der Messwerte nähert, die aus Einzelmessungen unter denselben Bedingungen gewonnen werden können. Erweiterte Vergleichbedingungen. Bedingungen, unter denen eine Gesamtheit unabhängiger Messergebnisse für dieselbe spezielle Messgröße so gewonnen wird, dass durch Vergleich Unterschiede der systematischen Messabweichungen erkennbar werden. Fehlergrenzen. Abweichungsgrenzbeträge für Messabweichungen eines Messgerätes. Festgestellte systematische Messabweichung (eines Messgerätes). Geschätzter Beitrag eines Messgerätes zur systematischen Messabweichung. Hysterese eines Messgerätes. Eigenschaft eines Messgerätes, bei welcher der Messwert von der vorausgegangenen Aufeinanderfolge der Werte der Eingangsgröße abhängt. Justierung. Einstellen oder Abgleichen eines Messgerätes, um systematische Messabweichungen so weit zu beseitigen, wie es für die vorgesehene Anwendung erforderlich ist.

GRUNDLAGEN

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Kalibrierung. Ermitteln des Zusammenhangs zwischen Messwert oder Erwartungswert der Ausgangsgröße und dem zugehörigen wahren (richtigen) Wert der als Eingangsgröße vorliegenden Messgröße für eine betrachtete Messeinrichtung bei vorgegebenen Bedingungen. Klassierung. Zuordnen der Elemente einer Menge zu festgelegten Klassen von Merkmalswerten. Korrektion. Wert, der nach algebraischer Addition zum unberichtigten Messergebnis oder zum Messwert die bekannte systematische Messabweichung ausgleicht. Maßverkörperung. Gerät, das einen oder mehrere feste Werte einer Größe darstellt oder liefert. Messabweichung. Abweichung eines aus Messungen gewonnenen und der Messgröße zugeordneten Wertes vom wahren Wert. Messabweichung eines Messgerätes. Derjenige Beitrag der Messabweichung, der durch ein Messgerät verursacht wird. Messbereich. Bereich derjenigen Werte der Messgröße, für den gefordert ist, dass die Messabweichungen eines Messgerätes innerhalb festgelegter Grenzen bleiben. Messeinrichtung. Gesamtheit aller Messgeräte und zusätzlicher Einrichtungen zur Erzielung eines Messergebnisses. Messergebnis. Aus Messungen gewonnener Schätzwert für den wahren Wert einer Messgröße. Messgerät. Gerät, das allein oder in Verbindung mit anderen Einrichtungen für die Messung einer Messgröße vorgesehen ist. Messgerätedrift. Langsame zeitliche Änderung des Wertes eines messtechnischen Merkmals eines Messgerätes. Messgröße. Physikalische Größe, die gemessen wird.

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Messgrößenaufnahme. Erfassung der Messgröße mit geeigneten Aufnehmern, Sensoren oder Fühlern und Abgabe von weiterverarbeitungsfähigen (meist elektrischen) Messsignalen. (Messgrößen-) Aufnehmer. Teil eines Messgerätes oder einer Messeinrichtung, der auf eine Messgröße unmittelbar anspricht. Messkette. Folge von Elementen eines Messgerätes oder einer Messeinrichtung, die den Weg des Messsignals von der Aufnahme der Messgröße bis zur Bereitstellung der Ausgabe bildet, Abb. 1.1.

Abb.1.1 Grundlegender Aufbau einer Messkette

Messmethode. Spezielle, vom Messprinzip unabhängige Art des Vorgehens bei der Messung. Sie ist eine allgemeine grundlegende Regel für die Durchführung von Messungen. Sie kann gegliedert werden in direkte Methoden (Messgröße gleich Aufgabengröße), indirekte Methoden (Messgröße ungleich Aufgabengröße) sowie analoge und digitale Methoden mit kontinuierlicher bzw. diskreter Messwertangabe. Ausschlagmethoden führen zu einer unmittelbaren Messwertdarstellung; bei Kompensationsmethoden wird ein Nullabgleich zwischen der Messgröße und einer Referenzgröße durchgeführt. Messobjekt. Träger der Messgröße. Messprinzip. Physikalischer Effekt oder physikalische Gesetzmäßigkeit, die einer Messung zugrunde liegen.

GRUNDLAGEN

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Messsignal. Größe in einem Messgerät oder einer Messeinrichtung, die der Messgröße eindeutig zugeordnet ist. Messsignalverarbeitung. Anpassung, Verstärkung oder Umwandlung von elektrischen Messsignalen in darstellbare Messwerte mit Hilfe von Messschaltungen, Messverstärkern oder Rechnern. Messung (Messen einer Messgröße). Ausführen von geplanten Tätigkeiten zum quantitativen Vergleich der Messgröße mit einer Einheit. Es ist der experimentelle Vorgang, durch den ein zahlenmäßiger Wert einer physikalischen oder technischen Größe (Messgröße) ermittelt wird; der Messwert wird als Produkt aus Zahlenwert und Einheit der Messgröße angegeben. Messunsicherheit. Kennwert. der aus Messungen gewonnen wird und zusammen mit dem Messergebnis zur Kennzeichnung eines Wertebereiches für den wahren Wert der Messgröße dient. Messverfahren. Praktische Anwendung eines Messprinzips und einer Messmethode. Messwert. Wert, der zur Messgröße gehört und der Ausgabe eines Messgerätes oder einer Messeinrichtung eindeutig zugeordnet ist. Normal. Messgerät, Messeinrichtung oder Referenzmaterial, die den Zweck haben, eine Einheit oder einen oder mehrere bekannte Werte einer Größe darzustellen, zu bewahren oder zu reproduzieren, um diese an andere Messgeräte durch Vergleich weiterzugeben. Prüfung. Der Begriff Prüfen umfasst die Beurteilung, ob Messwerte oder qualitative Merkmale von Untersuchungsobjekten vorgegebenen Anforderungen entsprechen. Prüfung eines Messgerätes. Feststellen, inwieweit ein Messgerät eine Forderung erfüllt. Referenzmaterial. Material oder Substanz mit Merkmalen, deren Werte für den Zweck der Kalibrierung, der Beurteilung eines Mess-

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MESSEN, STEUERN, REGELN

verfahrens oder der quantitativen Ermittlung von Materialeigenschaften ausreichend festliegen. Relative Messunsicherheit. Messunsicherheit, bezogen auf den Betrag des Messergebnisses. Richtiger Wert (einer Messgröße). Bekannter Wert für Vergleichszwecke, dessen Abweichung vom wahren Wert für den Vergleichszweck als vernachlässigbar betrachtet wird. Rückwirkung eines Messgerätes. Einfluss eines Messgerätes bei seiner Anwendung, der bewirkt, dass sich die vom Messgerät zu erfassende Größe von derjenigen Größe unterscheidet, die tatsächlich vorliegt. Statische Messung. Messung, wobei eine zeitlich unveränderliche Messgröße nach einem Messprinzip gemessen wird, das nicht auf der zeitlichen Änderung anderer Größen beruht. Systematische Messabweichung. Abweichung des Erwartungswertes vom wahren Wert. Übertragungsverhalten eines Messgerätes. Beziehung zwischen den Werten der Eingangsgröße und den zugehörigen Werten der Ausgangsgröße eines Messgerätes unter Bedingungen, die Rückwirkung des Messgerätes ausschließen. Unberechtigtes Messergebnis. Aus Messungen gewonnener Schätzwert für den Erfahrungswert. Vergleichstandardabweichung. Standardabweichung von Messergebnissen unter erweiterten Vergleichsbedingungen. Vollständiges Messergebnis. Messergebnis mit quantitativen Angaben zur Genauigkeit der Messung. Wahrer Wert (einer Messgröße). Wert der Messgröße als Ziel der Auswertung von Messungen der Messgröße.

GRUNDLAGEN

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Wiederholbedingungen. Bedingungen, unter denen wiederholt einzelne Messwerte für dieselbe spezielle Messgröße unabhängig voneinander so gewonnen werden, dass die systematische Messabweichung für jeden Messwert die gleiche bleibt. Wiederholstandardabweichung. Standardabweichung von Messwerten unter Wiederholbedingungen. Zählen. Ermitteln des Wertes der Messgröße "Anzahl der Elemente einer Menge". Zufällige Messabweichung. Abweichung des unberechtigten Messergebnisses vom Erwartungswert. DIN 1319-2 Grundbegriffe der Messtechnik - Teil 2: Begriffe für die Anwendung von Messgeräten (Jan 1980) Die Norm beschreibt und definiert allgemeine Grundbegriffe, die mit der Anwendung von Messgeräten und Messeinrichtungen unmittelbar im Zusammenhang stehen, z. B. Messgerät (anzeigend, registrierend, zählend), direkte Ausgabe (Anzeige), indirekte Ausgabe, Ausgabebereich, Anzeigebereich, Messbereich, Skalenarten (Strichskala, Ziffernskala), Teilstrichabstand, Skalenteil, Ziffernschritt, Skalenteilungswert, Skalenkonstante, Gerätekonstante. DIN 1319-3 Grundlagen der Messtechnik - Teil 3: Auswertung von Messungen einer einzelnen Messgröße- Messunsicherheit (Mai 1996) Diese Norm basiert auf dem von der ISO veröffentlichten „Guide to the expression of uncertainty in measurement“, der in deutscher Sprache als „Leitfaden für die Angaben von Unsicherheiten beim Messen“ herausgegeben worden ist.1

1

Erhältlich vom Beuth-Verlag GmbH, Berlin, Wien, Zürich. Beuth Bestell. Nr. 13405.

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Die Norm gilt für die Ermittlung einzelner Messgrößen und ihrer Unsicherheit durch Auswertung von Messungen sowie sinngemäß auch für die Auswertung rechnersimulierter Messungen, sowohl für direkt gemessene Messgrößen als auch für Messgrößen, die mittels einer gegebenen Funktion aus anderen Größen berechnet werden. Neben den Grundbegriffen nach DIN 1319-1 sind für das Verständnis dieser Norm folgende weitere Begriffe notwendig: Eingangsgröße (der Auswertung). Messgröße oder andere Größe, von der Daten in die Auswertung von Messungen eingehen. Ergebnisgröße (der Auswertung). Messgröße als Ziel der Auswertung von Messungen. Gemeinsame Komponente der Messunsicherheit. Kennwert für ein Paar von Messgrößen, der aus Messungen gewonnen wird und zur Kennzeichnung eines Wertebereiches für das Paar der wahren Werte der beiden Messgrößen beiträgt. Messunsicherheit. Kennwert der aus Messungen gewonnen wird und zusammen mit dem Messergebnis zur Kennzeichnung eines Wertebereiches für den wahren Wert der Messgröße dient (s. auch DIN 1319-1). Anmerkung Die Messunsicherheit ist ein Maß für die Genauigkeit der Messung und kennzeichnet die Streuung oder den Bereich derjenigen Werte, die der Messgröße als Schätzwert für den wahren Wert zugewiesen den können. Die Messunsicherheit kann auch als ein Maß für die Unkenntnis über die Größe selbst aufgefasst werden. Modell (der Auswertung). Mathematische Beziehung zwischen allen bei der Auswertung beteiligten Mess- und anderen Größen. Allgemeine Grundlagen der Auswertung von Messungen Ziel jeder Messung einer Messgröße ist es, deren wahren Wert zu ermitteln. Dabei wird eine Messeinrichtung und ein Messverfahren auf ein Messobjekt angewendet. Die Messung kann mit Hilfe eines Rech-

GRUNDLAGEN

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ners simuliert werden. Sie umfasst auch die Auswertung der gewonnenen Messwerte und anderer zu berücksichtigender Daten. Wegen der bei der Messung wirkenden Einflüsse treten unvermeidbare Messabweichungen auf; deshalb ist es nicht möglich, den wahren Wert genau zu finden. Nur das Messergebnis y als Schätzwert für den wahren Wert einer Messgröße Y sowie die Messunsicherheit u(y) lassen sich aus den Messwerten und deren Daten gewinnen und angeben. In der Norm bilden beide, das Messergebnis und die Messunsicherheit, das vollständige Messergebnis für die Messgröße Y. Bei vielen Messungen ergeben sich die zu einer Messgröße gehörenden Messwerte direkt aus der Ausgabe der Messeinrichtung. Eine solche Messung wird direkte Messung genannt. Meistens muss eine Messgröße jedoch indirekt ermittelt werden. Dabei werden zunächst andere Messgrößen entweder direkt gemessen oder ebenfalls indirekt ermittelt. Aus diesen und weiteren Größen, insbesondere Einflussgrößen, welche die Ursache für systematische Messabweichungen sind, wird dann mit Hilfe eines bestehenden mathematischen Zusammenhangs, des Modells der Auswertung, das vollständige Messergebnis für die Ergebnisgröße errechnet. Jede Auswertung wird zweckmäßig in 4 voneinander deutlich getrennten Schritten ausgeführt: 1.

Aufstellung eines Modells, das die Beziehung der interessierenden Messgröße, zu allen anderen beteiligten Größen mathematisch beschreibt.

2.

Vorbereitung der gegebenen Messwerte und anderer verfügbarer Daten,

3.

Berechnung des Messergebnisses und der Messunsicherheit der Ergebnisgröße aus den vorbereiteten Daten mittels des Modells,

4.

Angabe des vollständigen Messergebnisses der Ergebnisgröße.

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Auswertungsverfahren für den einfachen Fall der mehrmaligen direkten Messung Dieses Verfahren der Auswertung für den einfachen Fall der mehrmaligen direkten Messung bei Vorliegen einer systematischen Messabweichung ist ein Sonderfall des allgemeinen Verfahrens. Oft wird eine Messgröße y in unabhängigen Versuchen mehrmals direkt gemessen, wobei dieselben genau festgelegten Versuchsbedingungen soweit wie möglich eingehalten werden und eine von einer Einflussgröße verursachte systematische Messabweichung bei der Auswertung zu berücksichtigen ist. Im Hinblick auf eine Verallgemeinerung ist es zweckmäßig, der unberichtigten Ausgabe der verwendeten Messeinrichtung eine Eingangsgröße X1, und davon getrennt, der systematischen Messabweichung eine weitere Eingangsgröße X2 zuzuordnen. Die Messgröße Y ist dann die Ergebnisgröße und zwar die um die Eingangsgröße X2 berichtigte Ausgabe X1, und ergibt sich somit aus der Gleichung Y = X1 - X2. Bei der mehrmaligen direkten Messung der Messgröße Y streuen die bei den n einzelnen Messungen erhaltenen Messwerte wegen zufälliger Einflüsse. Sie werden deshalb als Komponenten einer Zufallsgröße V aufgefasst, die der Eingangsgröße X1 zugeordnet ist. Die Zufallsgröße V folgt einer Wahrscheinlichkeitsverteilung, die insbesondere durch die beiden Parameter Erwartungswert µ und Standabweichung σ (oder alternativ durch die Varianz σ ²) gekennzeichnet ist. Die Eingangsgröße X1 ist eine Zufallsgröße; deshalb ist sie auch nicht identisch mit V. Der Erwartungswert µ stimmt mit dem wahren Wert der Größe X1 überein. Die Standardabweichung ist ein Maß für die Streuung der einzelnen Messwerte um den Erwartungswert oder die zufälligen Messabweichungen um 0.

GRUNDLAGEN

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Die Parameter µ und σ der Wahrscheinlichkeitsverteilung sind im Allgemeinen nicht bekannt. Es besteht im zweiten Schritt der Auswertung zunächst die Aufgabe, aus den Messwerten vj Schätzwerte für sie zu ermitteln. Üblicherweise wird der (arithmetische) Mittelwert v der Messwerte X1 = v =

1 n ∑vj n j =1

als Schätzwert für µ und deshalb auch für X1 benutzt. X1 ist das unberichtigte Messergebnis. Die Standardabweichung s=

n 1 ⋅ ∑ (v j − v ) 2 n − 1 j =1

der Messwerte dient als Schätzwert für σ. Da die Messwerte Realisierungen der Zufallsgröße V sind, können v und µ und s und σ zufällig abweichen. v und s sind also auch Selbstrealisierungen von Zufallsgrößen. Als Unsicherheit u (x1) von X1, die mit dem Mittelwert v als Schätzwert x1 für X1 verbunden ist, wird die Standardabweichung des Mittelwertes verwendet: u ( x1 ) = s0 / n =

n 1 ⋅ ∑ (v j − v ) 2 n(n − 1) j =1

Ist aus früheren, unter vergleichbaren Versuchsbedingungen häufig ausgeführten Messungen derselben oder einer ähnlichen Messgröße bereits eine empirische Standardabweichung s0 der Verteilung der Messwerte bekannt, so sollte der bei kleiner Anzahl n günstigere Ansatz u(x1) = s0 / n

verwendet werden.

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Die systematische Messabweichung setzt sich aus der bekannten und der unbekannten systematischen Messabweichung zusammen. Eine bekannte systematische Messabweichung dient als Schätzwert x2 für die Eingangsgröße X2. Sie wird durch ihren negativen Wert, die Korrektion K des unberichtigten Messergebnisses x1 ausgeglichen. Doch x2 = - K ist im Allgemeinen nicht gleich der gesamten systematischen Messabweichung. Ob und welche systematischen Messabweichungen bei der Unsicherheitsbetrachtung vernachlässigt werden dürfen, muss jeweils im Einzelfall entschieden werden. Als Unsicherheit von X2 wird die Standardabweichung einer Verteilung derjenigen Werte der systematischen Messabweichung benutzt, die nach Maßgabe der vorliegenden oder aus der Erfahrung ableitbaren Informationen über die Eingangsgröße X2 möglich sind. Welche systematische Messabweichung bei der Messung selbst auftritt, bleibt daher unbekannt. Bei der Berechnung des vollständigen Messergebnisses führt das Einsetzen des Mittelwertes x1 = v sowie x2 = - K zum Messergebnis y für die Messgröße Y: y = x1 − x2 = v + K .

y ist der beste Schätzwert für den wahren Wert der Ergebnisgröße. Die Messunsicherheit u(y) der Messgröße Y folgt aus der quadratischen Kombination der Unsicherheiten u(x1) und u(x2) der Eingangsgrößen X1 bzw. X2 ungeachtet der unterschiedlichen begrifflichen Auffassung der Verteilung der beiden zugeordneten Schätzwerte: u ( y ) = u 2 ( x1 ) + u 2 ( x2 )

u(y) ist die Standardunsicherheit von Y. Das vollständige Messergebnis für die Messgröße Y wird in einer der folgenden Schreibweisen angegeben:

GRUNDLAGEN

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a) y, u(y); b) y, urel(y); c) Y = y(u(y)); d) Y = y ± u(y); e) Y = y, (1 ± urel(y)). Der durch die Messunsicherheit gekennzeichnete Bereich der Werte, die der Messgröße zugewiesen werden können, lautet: y - u(y) ≤ Y ≤ Y + u(y). DIN 1319-3 behandelt weiterhin die Angabe mit erweiterter Messunsicherheit, die Angabe als Vertrauensbereich und geht in einem weiteren umfangreichen Abschnitt auf Auswerteverfahren für den allgemeinen Fall ein. Informative Anhänge in der Norm gehen auf praktische Beispiele bei der Anwendung dieser Norm ein, behandeln die rechnerunterstützte Auswertung und zeigen die Grenzen der Anwendung des Auswerteverfahrens dieser Norm auf. DIN 102 Bezugstemperatur der Messzeuge und Werkstücke (Okt 1956) Übereinstimmend mit der ISO 1, Bezugstemperatur für industrielle Längenmesstechnik „Standard Reference Temperature for Industrial Length Measurements“, ist die Temperatur von 20 °C die Bezugstemperatur für Messzeuge und Werkstücke. DIN 102 wird ersetzt durch DIN EN ISO 1. Prüfmittel und Werkzeuge sollen bei 20 °C die vorgeschriebenen Maße haben. Alle technischen Maßangaben gelten für diese Bezugstemperatur, sofern nichts anderes angegeben ist. In der Fertigungsmesstechnik spielt das Messen geometrischer Größen (Längenmaß, Form, Lage, Rauheit) eine herausragende Rolle, da damit nahezu 90% aller zu prüfender Merkmale von mechanisch gefertigten Werkstücken erfasst werden.

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Der Fachbereich „Geometrische Produktspezifikation und – prüfung“ im Normenausschuss Technische Grundlagen (NATG) im DIN, der für die Normung von Toleranzen und Messtechnik geometrischer Größen zuständig ist, hat bislang mehr als 250 Normen1) erarbeitet. Weitere Normen (Titel z. T. verkürzt wiedergegeben) DIN 2257-1 DIN 2257-2 DIN 2258 DIN 2268 DIN 862 DIN 863-1 DIN 863-2 DIN 863-3

DIN 863.4 DIN 865 DIN 866 DIN 876-1 DIN 876-2 DIN 878 DIN 879-1 1)

Begriffe der Längenprüftechnik; Einheiten, Tätigkeiten, Prüfmittel, Messtechnische Begriffe Begriffe der Längenprüftechnik; Fehler und Unsicherheiten beim Messen Grafische Symbole in der Längenprüftechnik Längenmaße mit Teilung; Kenngrößen, Tolerierung Messschieber; Anforderungen, Prüfung Messschrauben, Bügelmessschrauben, Normalausführung; Begriffe, Anforderungen, Prüfung Messschrauben, Einbaumessschrauben, Tiefenmessschrauben; Begriffe, Anforderungen, Prüfung Messschrauben, Bügelmessschrauben, Sonderausführungen; Konstruktionsmerkmale, Anforderungen, Prüfung Messschrauben, Innenmessschrauben; Begriffe, Anforderungen, Prüfung Strichmaßstäbe; Prüfmaßstäbe; Anforderungen Strichmaßstäbe; Arbeitsmaßstäbe; Ausführungen; Anforderungen Prüfplatten; Prüfplatten aus Naturhartgestein; Anforderungen, Prüfung Prüfplatten; Prüfplatten aus Gusseisen; Anforderungen, Prüfung Messuhren Feinzeiger mit mechanischer Anzeige

DIN Taschenbücher 11 Längenprüftechnik 1: Grundnormen, Messgeräte 197 Längenprüftechnik 2: Lehren Erhältlich im Beuth-Verlag GmbH, Berlin, Wien, Zürich.

GRUNDLAGEN DIN 2270 DIN2271-1 DIN 2271-2 DIN 2271-3

DIN 2271-4 DIN 2272-1 DIN 2273 DIN 2274 DIN 2276-1 DIN 2276-2 DIN 32876-1 DIN 32876-2 DIN 32877

DIN 66348-1

DIN 66348-2

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Fühlhebelmessgeräte Pneumatische Längenmessung; Grundlagen, Verfahren Pneumatische Längenmessung; Baumerkmale der Geräte für den Hochdruckbereich Pneumatische Längenmessung; Kenngrößen der Geräte für den Hochdruckbereich, Anforderungen, Prüfung Pneumatische Längenmessung; Allgemeine Angaben für die Anwendung und Beispiele Anforderungen an Prüfmittel der Längenprüftechnik Sinuslineale Prüfprismen; Ausführungen, Anforderungen Neigungsmesseinrichtungen; Röhrenlibellen; Maße, Anforderungen Neigungsmesseinrichtungen; Elektronische Neigungsmesseinrichtungen; Formen, Anforderungen Elektrische Längenmessung mit analoger Erfassung der Messgröße; Begriffe, Anforderungen, Prüfung Elektrische Längenmessung mit digitaler Erfassung der Messgröße; Begriffe, Anforderungen, Prüfung Optoelektronische Längenmessung mit berührungsloser Erfassung der Messgröße; Begriffe, Anforderungen, Prüfung Schnittstellen und Steuerungsverfahren für die serielle Messdatenübermittlung; Start-Stop-Übertragung; Punkt-zu-Punkt-Verbindung Schnittstellen und Steuerungsverfahren für die serielle Messdatenübermittlung; Start-Stop-Übertragung; 4-Draht-Messbus

DIN EN 150 3650

Längennormale - Parallelendmaße

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Kenngrößen von Messgliedern Der stationäre Zustand eines Messglieds wird durch die Kennlinie, dem funktionellen Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal y und dem Eingangssignal x beschrieben: y = f(x), (Abb. 1.2). Aus der

Abb. 1.2 Kenngrößen von Messgliedern. a Signalflussplan; b Kennlinie

Kennlinie ergeben sich die folgenden (statischen) Kenngrößen von Messgliedern: Messglied-Empfindlichkeit ε. Differentialquotient (näherungsweise Differenzenquotient) von Ausgangssignal und Eingangssignal am Arbeitspunkt dy Einheit des Ausgangssignals . ε= = dx Einheit des Eingangssignals Bei Messgliedern mit gleichartigen Eingangs- und Ausgangssignalen, z.B. Verstärkern, ist die Empfindlichkeit („Verstärkung“) eine dimensionslose, im allgemeinen Fall eine dimensionsbehaftete Zahl. Messglied-Koeffizient c. Differentialquotient (näherungsweise Differenzenquotient) von Eingangssignal und Ausgangssignal am Arbeitspunkt dx Einheit des Einheitssignals . c= = dy Einheit des Ausgangssignals Mit Hilfe der Größen ε und c lässt sich die (statische) Übertragungscharakteristik von gesamten Messketten durch Multiplikation der Kenngrößen der einzelnen Messglieder darstellen:

GRUNDLAGEN

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Messketten-Empfindlichkeit εM: n

ε M = ε 1ε 2 ...ε n = ∏ ε i (n Anzahl der Messglieder). i =1

Messketten-Koeffizient cM: n

cM = c1 c2 ...cn = ∏ ci . i =1

Beispiel: Eine zur Wegmessung eingesetzte Messkette besteht nach Abb. 1.3 aus den hauptsächlichen Messgliedern 1 induktiver Wegauf-

Abb. 1.3 Messkette mit 1 induktiver Wegaufnehmer, 2 Spannungs-StromVerstärker, 3 Anzeigegerät

nehmer, 2 Spannungs-Strom-Verstärker und 3 Anzeigegerät mit den zugehörigen Messgliedkoeffizienten c1, c2, c3. Der gesamte Messkoeffizient ist cM = c1 c2 c3 = 0,1 µm/Sk, d.h. der Veränderung des Eingangswegsignals um ∆s = 0,1 µm entspricht eine Anzeige von 1 Skalenteil am Ausgangs-Anzeigegerät.

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Mechanische Messtechnik

2.1 Maße und Gewichte Längenmaß Auf Grund von Messungen am Erdmeridian wurde eine Längeneinheit festgelegt und im Jahre 1799 dem Staatsarchiv zu Paris als Repräsentant derselben ein Platinstab übergeben, dessen Länge ein Meter war (Urmeter). Es wurde festgesetzt, dass er bei der Temperatur des schmelzenden Eises die richtige Länge darstellte. Gleichzeitig wurde die Masseeinheit, das Kilogramm, durch einen Kubikdezimeter destilliertes Wasser bei 4°C festgelegt und seine Gewichtskraft durch Wägen im luftleeren Raum bestimmt. In heutiger Zeit wird im SI-Maßsystem ein Meter als die Länge derjenigen Strecke definiert, die Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299792458 Sekunden durchläuft. Das Meter ist somit messtechnisch von der Sekunde abhängig geworden. Die VakuumLichtgeschwindigkeit c0 wurde von ISO im Jahre 1983 festgelegt auf c0 = 299.792.458 m/s. Längenmessungen und Längenmaßvergleichungen Nach dem Urmeter wurden Maßstäbe für den allgemeinen Gebrauch hergestellt. Man unterscheidet zwei Arten von Maßverkörperungen: Endmaße und Rachenlehren sowie Strichmaße. Bei den ersteren hat der Abstand zwischen den beiden Endflächen die verlangte Länge (Längenstufungen von 1 µm), während die Länge bei den Strichmaßen durch den Abstand zweier auf dem Stab gezogener Striche dargestellt wird. Maßvergleichungen der einfachsten Art werden mit bloßem Auge angestellt, bei feineren Untersuchungen bedarf es komplizierterer Instrumente. Nach dem Abbeschen Komparatorprinzip sollen Messtrecke und Maßverkörperung in der Messrichtung fluchtend angeordnet sein, um „Fehler 1.Ordnung“, die relativ groß sein können, zu vermeiden (Abb. 2.1). Wenn man an eine Latte eine feine Metallspitze rechtwinklig zur Längsrichtung befestigt, in gleicher Weise ein zweite Spitze, die aber auf der Latte verschiebbar ist, so erhält man den einfachsten Maßvergleichungsapparat, den Stangenzirkel. Zum Abmessen und Über-

MECHANISCHE MESSTECHNIK

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tragen kleinerer Längen benutzt man schon seit sehr alten Zeiten den gewöhnlichen Gelenkzirkel; seine zwei zugespitzten Schenkel verbindet ein Gelenk, sodass die Spitzen einander beliebig genähert oder entfernt werden können. Die Zirkelmessung ist zwar schon genauer als die mit bloßem Auge erfolgende Messung, aber ihre Genauigkeit ist nicht größer als 0,05 mm. Will man die Entfernung zweier Punkte bestimmen, oder die Länge eines Abb. 2.1 Abbesches Prinzip. a nicht erfüllt: Fehler Werkstücks fest1.Ordnung, z.B. Parallaxefehler; b erfüllt: Fehler legen oder eine 2.Ordnung, z.B. Schieflagenfehler andere Längemessung praktisch vornehmen, so legt man den Nullstrich des Maßstabes an den einen Punkt, z.B. an das Ende des Werkstücks und sieht dann nach, mit welchem anderen Strich des Maßes der zweite Punkt, das andere Ende des Werkstückes zusammenfällt. Die Anzahl der Teilstriche des Maßstabes ergibt die gemessene Länge. Die gewöhnlichen Maßstäbe sind meist aus Holz oder Kunststoff hergestellt und von rechteckigem Querschnitt. Die Teilung der Stäbe ist selten kleiner als 1 mm; Bruchteile dieser Größe müssen abgeschätzt werden.

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Die Ablesung auf 0,1 mm ermöglicht der Nonius. Größere Genauigkeiten (0,01 mm) erlaubt die Mikrometerschraube, häufig mit einer Ganghöhe von 0,5 mm und 50 Einheiten auf der Mantelhülse. Feinzeiger mit Torsionsband und Hebelübersetzung bieten die Ablesemöglichkeit von 0,005 mm, Messuhren mit Zahnstange, Ritzel und Zahnradübersetzung zeigen bis 0,001 mm an. Zum Abmessen größerer Längen, insbesondere auf freiem Felde, benutzt man Messlatten oder man bedient sich der Messbänder, welche je nach Zweck aus feinen Stahlstreifen oder aus Textil hergestellt sind. Man nutzt auch freihängende Drähte auf Stativen (Durchhangskorrektur beachten) als Längenmaßstab. Bei trigonometrischen Verfahren wird eine Strecke A B dadurch bestimmt, dass im Punkt A mit einem Theodoliten der Winkel α zwischen den Endpunkten einer Basislänge (Länge b) gemessen wird, die rechtwinklig zu A B im Punkt B beginnt: A B = b cot α. Flüssigkeitsstandmessungen können mittels mechanischer, elektrischer, hydraulischer pneumatischer oder Lichtschranken-Verfahren auf Wegmessungen zurückgeführt werden. Zur Bestimmung des Flüssigkeitsstands können in einfacher Weise kugel-, linsen- oder plattenförmige Schwimmer als Messaufnehmer verwendet werden, mit denen über eine mechanische Übertragung (z.B. Seilzug, Zahnradgetriebe) oder eine elektrische Signalwandlung (z.B. Potentiometer, Induktivtaster) die Flüssigkeitshöhe erfasst wird. Auch Tastplatten werden zu diesem Zweck verwendet. Messung der Dicken und Weiten In der Praxis sind Dickenmessungen von erheblicher Bedeutung. Auch hierbei werden in erster Linie Zirkel benutzt, die nur entsprechend anders gestaltet sind, die sogenannten Tasterzirkel, Kalibermaßstäbe und Schublehren (Messschieber). Alle diese Instrumente messen die Dicken durch Fühlen. Den einfachsten Taster stellt der Tasterzirkel dar. Er ist ein Gelenkzirkel, aber die Schenkel sind nicht geradlinig, sondern ausgebaucht, damit ein größeres Werkstück zwischen ihnen Platz finden kann, die Enden sind ein wenig aus ihrer Ebene herausgebogen, damit die Fühlflächen einander gegenüber liegen. Man öffnet den Zirkel soweit, dass er das Werkstück eben an den beiden Punkten berührt, deren Abstand gesucht wird und misst

MECHANISCHE MESSTECHNIK

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dann mit einem Maßstab die Entfernung der beiden Fühlflächen. Will man mit demselben Instrument auch Weiten messen, so verlängert man die Zirkelschenkel über den Drehpunkt hinaus geradlinig und biegt die Spitzen nach außen um. Man kann die Entfernung der Fühlflächen mit einem Maßstab natürlich nur ganz roh messen, für bessere Messungen ist daher der Maßstab gleich mit dem Taster verbunden. Die Stelle des Stangenzirkels bei Längenmessungen vertritt bei Dickenermittlungen die Schublehre. An einem metallenen Lineal ist eine ebene Fühlfläche am Ende befestigt. Auf dem Lineal lässt sich eine zweite Fühlfläche mit Hilfe eines Rahmens verschieben, der einen Nonius trägt. Man legt das zu messende Stück zwischen die beiden Fühlflächen, drückt die bewegliche Fläche sanft an und liest dann mit Hilfe des Nonius direkt die Dicke am Maßstab ab. Vorausgesetzt ist hierbei, dass die beiden Flächen genau gleichlaufend und rechtwinklig zum Lineal stehen. Neben diesen Schublehren finden auch die Schraubenlehren vielfach Anwendung. Das Prinzip ist das gleiche. Ein Bügel trägt eine feste Fühlfläche, gegen welche eine zweite Fühlfläche durch eine Schraube bewegt werden kann. Die Umdrehungen der Schraube lassen sich an einem über dem Bügel sichtbaren Maßstab ablesen. Die kegelförmige Zuspitzung der Hülse, welche mit der Schraube verbunden über dem inwendig als Mutter dienenden Maßstab sitzt, ist in 50 Teile geteilt, so dass sich noch fünfzigstel Umdrehungen bestimmen lassen. Gelegentliche Verwendung findet der Messkeil als Weitenmesser. Als Dickenmesser ist es ein Hohlkeil. Er liefert auf einfache Weise recht genaue Resultate. Gewindemessung Gewinde sind messtechnisch durch die folgenden, auf einen Axialschnitt bezogenen Größen, gekennzeichnet (DIN 13): Außendurchmesser, Kerndurchmesser, Flankendurchmesser, Flankenwinkel, Steigung. Die Funktionsprüfung von Gewinden erfolgt traditionell mit Lehren, d.h. mit möglichst formvollkommenen Gegenkörpern: Lehrringe für Außengewinde, Lehrdorne für Innengewinde. Nach dem Taylorschen Grundsatz soll die Gutprüfung die Gesamtwirkung eines Gewindes erfassen; auf der Ausschussseite soll jede Bestimmungsgröße einzeln geprüft werden.

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Außen-, Kernund Flankendurchmesser werden vorzugsweise mit Verfahren der mechanischen Längenmesstechnik ermittelt. Bei der Bestimmung der Außendurchmesser von Außengewinden und der Kerndurchmesser von Innengewinden müssen die Messgerät-TastAbb. 2.2 Dreidrahtmethode zur Bestimmung des Flankendurchmessers von Gewinden flächen mindestens zwei Gewindespitzen überdecken; bei der Bestimmung der Außendurchmesser von Innengewinden und der Kerndurchmesser von Außengewinden müssen die Messgerät-Tastflächen auf dem Gewindegrund aufliegen. Flankendurchmesser von Außengewinden können mit der Dreidrahtmethode mit hoher Genauigkeit bestimmt werden (Abb. 2.2). Hierzu werden die Messdrähte gleichen Durchmessers dD in benachbarte Gewindelücken eingelegt. Aus der Messung des Prüfmaßes M mit einem Längenmessgerät ergibt sich der Flankendurchmesser (für symmetrisches Grundprofil) aus d2 = M – dD (1/sin(α/2) + 1) + 1/2 p⋅cot(α/2) + A1 + A2. Die Größen A1 und A2 sind gegebenenfalls zu berücksichtigende Zusatzterme für die Schiefstellung der Drähte und ihre Abplattung unter Wirkung der Messkraft bei der Bestimmung von M. Der für die Dreidrahtmethode günstigste Drahtdurchmesser ist dD = (p/2)⋅cos α/2.

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Zahnradmesstechnik Zahnräder sind je nach Art der Verzahnung messtechnisch im wesentlichen durch die folgenden Größen gekennzeichnet (DIN 3960): Zahnflankenform, Zahndicke, Zahnweite, Teilkreisdurchmesser, Teilung, Rundlauf der Verzahnung. Bei der Einzelfehlerprüfung können die verschiedenen Bestimmungsgrößen von Zahnrädern, wie z.B. Flankenform, Zahndicke, Zahnweite, Teilkreisdurchmesser mit konventionell-mechanischen Messgeräten einzeln geprüft werden: Messtaster mit Diagrammaufzeichnung zur Darstellung der Abweichung der Zahnflankenform von der Sollevolvente; Messschieber zur Bestimmung des Sehnenmaßes zwischen den Flanken eines Zahnes; Messschraube zur Bestimmung des Zahnweiten-Sehnenmaßes zwischen den Flanken mehrerer Zähne; Schraublehren oder Fühlhebel-Rachenlehren mit Messkugeleinsätzen (Kugeldurchmesser D),. Die in gegenüberliegende Zahnlücken in Teilkreishöhe eingreifen und aus einer Messung des „diametralen Zweikugelmaßes M“ eine Abschätzung des Teilkreisdurchmessers dk ermöglichen. dk ≈ M – D (gerade Zähnezahl) dk ≈ (M – D)/cos(π/2z) (ungerade Zähnezahl z).

Abb 2.3 Zweiflanken-Wälzdiagramme zur Sammelfehlerprüfung von Zahnrädern. a Kreisdiagramm; b Streifendiagramm. 1 Wälzabweichung Fi‘, 2 Wälzsprung fi‘

Darüber hinaus gibt es Messmaschinen, die alle wesentlichen Kenngrößen nach Programmen automatisch messen. Die Sammelfehlerprüfung dient der Bestimmung der gleichzeitigen Auswirkung von Formund Lagefehlern der Zahnflanken durch Abwälzen des zu prüfenden Zahnrads mit einem Lehrzahnrad. Bei der Einflankenwälzprüfung kommt

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nur eine Flanke mit der Gegenflanke in Berührung, während bei der in der industriellen Praxis häufig angewendeten Zweiflankenwälzprüfung jeweils beide Flanken in spielfrei im Eingriff sind. Beim Abwälzen des Zahnradpaars ergeben alle vorhandenen Verzahnungsfehler Änderungen des Achsabstands, die mit spielfrei geführten Prüfgeräten erfasst und in kreis- oder streifenförmigen Fehlerdiagrammen aufgezeichnet werden (Abb. 2.3). Oberflächenrauheitsmessung Die Aufgabe der Oberflächenrauheitsmesstechnik ist die Erfassung der Mikrogeometrie technischer Oberflächen und die Bestimmung der Gestaltsabweichung realer Istoberflächen von geometrischidealen Solloberflächen. Oberflächenmessgrößen können sich in integraler Art auf gesamte Oberflächenbereiche oder auf Profilschnitte, Tangentialschnitte oder Äquidistanzschnitte beziehen (Abb. 2.4). Da

Abb. 2.4 Kennzeichnung der Rauheit technischer Oberflächen. a Profilschnitt, Kenngrößen Ra, Rz; b Traganteilkurve (Verteilungskurve der Ordinatenwerte): 1 Rauheitsprofil

örtlich verschiedene Profilschnitte einer realen technischen Oberfläche naturgemäß auch unterschiedliche Rauheitsprofilkurven und darauf bezogene Rauheitsgrößen ergeben, werden zur allgemeinen Kennzeichnung technischer Oberflächen auch mathematisch-

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statistische Methoden, wie z.B. Autokorrelationsfunktionen, Fourieranalysen oder Spektraldarstellungen herangezogen. Das Tastschnittverfahren besteht aus der Abtastung des Oberflächenprofils durch eine Diamantnadel mit einem Tastsystem (z.B. Einkufentastsystem, Pendeltastsystem, Bezugsflächentastsystem), Aufzeichnung eines überhöhten Profilschnitts mit elektronischen Hilfsmitteln und Berechnung von Rauheitsmessgrößen. Verfahrenskennzeichen: vertikale Auflösung ≈ 0,01 µm, horizontale Auflösung begrenzt durch Spitzenradius (z.B. 5 µm) und Kegelwinkel (z.B. 60°), Problematik der Nichterfassung von „Profil-Hinterschneidungen“ und plastischer Kontaktdeformation bei der Abtastung weicher Oberflächen. Fluidische Verfahren Als Signalmedien dienen Luft oder Inertgase. Bei dem fluidischen Längenmess-Kompensationsverfahren (Abb. 2.5) bewegt die Mess-

Abb. 2.5 Fluidisches Längenmessverfahren. A Hochtemperatur-Aufnehmer; b Kompensator. 1 Wegaufnehmer-Taststift, 2 Messkammer, 3 Metallbalg, 4 Messdüse, 5 Festdüse, 6 Wheatstone-Brücke mit Anzeigegerät, 7 Vergleichskammer

größe s eine konische Nadel in einer Düse und steuert so den Massefluss. Die Messdüse wird mit einer Kompensatordüse und zwei Fest-

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düsen zu einer fluidischen Messbrücke zusammengeschaltet. Eine automatische fluidische Kompensationseinrichtung gleicht durch eine Verschiebung der Abgleichnadel den Differenzdruck in der Brückendiagonalen auf Null ab. Im Kompensator wird der Nadelweg s´ in ein elektrisches Ausgangssignal umgeformt, das der Messgröße s proportional ist. Das Verfahren ist sehr robust und kann für (statische) Längenmessungen bei Temperaturen bis zu 1.000 °C eingesetzt werden; Messbereich 0,1 mm bis 2,5 mm, Auflösung 0,01% vom Messbereichsendwert. Zur Oberflächenmessung wird beim Luftspaltverfahren eine Düse direkt über der Oberfläche angeordnet und der Druckabfall eines Luftstroms mittels Druckteiler gemessen. Die Rautiefe wird mittelbar über ihren Einfluss auf den Strömungswiderstand bestimmt. Beschleuningungsmesstechnik Hierfür werden seismische Aufnehmer verwendet. Sie stellen MasseFeder-Dämpfungssysteme dar, bestehend aus einer (trägen) seismischen Masse m, einer Feder mit wegproportionaler Federkraft FF = ks (k Federrate) und einer geschwindigkeitsproportionalen Dämpfungskomponente FD = rs& (r Dämpfungs- oder Reibungskonstante) in einem masselos gedachten Gehäuse, Abb. 2.6. Die auf einen seismischen Aufnehmer einwirkenden zu messenden Bewegungsgrößen (Weg s, Geschwindigkeit s& , oder Beschleunigung &s& ) bewirken über das Masse-FederDämpfungssystem eine Auslenkung der seismischen Masse relativ zum Gehäuse (Messgröße x), die mit einem geeigneten Wegaufnehmer bestimmt wird. Das dynamische Abb. 2.6 Prinzipieller Aufbau eines seismiVerhalten eines seismischen Aufnehmers. 1 Gehäuse, 2 Wegaufschen Aufnehmers wird bei nehmer, m seismische Masse, k Federrate, r Dämpfungskonstante eindimensional wirkenden

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Bewegungsgrößen durch die aus den Gleichgewichtsbedingungen resultierende Differentialgleichung beschrieben: m&x& + rx& + kx = −m&s& .

Eigenfrequenz der ungedämpften Schwingung ω0 = k / m , Dämpfungsmaß D = r/(2mω0). Je nach Dimensionierung des Masse-Feder-Dämpfungssystems, z.B. mit der Federcharakteristik weich (k klein) oder hart (k groß) und der Dämpfungscharakteristik schwach gedämpft (r klein) oder stark gedämpft (r groß), ergibt sich ein unterschiedliches messtechnisches Verhalten eines seismischen Aufnehmers, das stark vereinfacht folgendermaßen gekennzeichnet werden kann: m >> r , k ⇒ x ≈ − s : wegempfindlich, r >> m, k ⇒ x ≈ (− 1 / 2 Dω0 ) s& : geschwindigkeitsempfindlich, k >> m, r ⇒ x ≈ (− 1 / ω0 ) &s& : beschleunigungsempfindlich.

Danach müssen Masse-Feder-Dämpfungssysteme für die Beschleunigungsmessungen möglichst „hoch“ abgestimmt sein (Masse und Dämpfung klein, Feder steif), um auch schnellen Signalverläufen möglichst verzögerungsfrei folgen zu können. Die Analyse von Amplituden- und Phasengang seismischer Beschleunigungsaufnehmer zeigt, dass für Beschleunigungsmessungen die folgenden Kenn-daten günstig sind: Dämpfung D ≈ 0,65, Arbeitsfrequenz ω < 0,2 ω0. Kraftmesstechnik Mechanische Beanspruchungen sind durch das Einwirken von Kräften und Drehmomenten auf Bauteile gekennzeichnet. Sie führen zu Verformungen und werden mit Kraftmesstechniken untersucht. Kräfte können messtechnisch mittels Untersuchung der durch sie ausgelösten Wirkungen, z.B. Längenänderungen bestimmt werden. Mit Hilfe von Federkörpern, z.B. Schraubenfedern, Blattfedern, können zu messende Kräfte auf Längen- oder Wegänderungen zurückgeführt und mit Längen- oder Wegaufnehmern bestimmt werden. Beispiele messtechnisch nutzbarer Kraft-Weg-Relationen in Abb. 2.7.

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Abb. 2.7 Federkörper als Messelement für die Rückführung einer Kraftmessung auf eine Längen- oder Wegmessung. a zylindrische Schraubenfeder; b parallele Blattfeder. 1 Breite b

Schraubenfeder:

s=

8nD 3 F d 4G

Parallelfeder:

s=

1 ⎛1⎞ ⎜ ⎟ F 2bE ⎝ h ⎠

(G Schubmodul) 3

(E Elastizitätsmodul).

Dehnungsmesstechnik Die (einachsige) Beanspruchung eines Bauteils (Ausgangslänge l0, Querschnitt A) durch eine Kraft F führt zu einer Dehnung ε = ∆l/l0, einer mechanischen Spannung σ = F/A und, bei linear elastischer (reversibler) Deformation, zu einer Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung σ = Eε (E Elastizitätsmodul). Dehnungsmesstechniken liefern Aussagen über Verformungseigenschaften und Spannungszustände von Bauteilen und gestatten mittels geeigneter Elastizitätskörper die Realisierung empfindlicher Kraftaufnehmer und Wägetechniken.

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Mechanische Dehnungsmessgeräte besitzen im Abstand l0 (bis zu mehreren 100 mm) eine feste und eine bewegliche Schneide. Längenänderungen l werden mit der beweglichen Schneide abgegriffen, durch Hebelübersetzungen, Torsionsbänder oder Spiegelsysteme vergrößert (bis zu 2.000fach) und auf einer Skala mit einer optimal erreichbaren Auflösung von 0,5 µm angezeigt. Wägungen In unmittelbarem Zusammenhang mit den Längen stehen die Gewichte. Die Gewichtseinheit ist ursprünglich direkt aus der Längeneinheit hergeleitet worden. Alle Körper haben das Bestreben, sich nach dem Erdmittelpunkt zu bewegen, wenn sie an dieser Bewegung nicht behindert werden. Denkt man sich alle Wirkungen der Schwerkraft auf die einzelnen Masseteilchen eines ausgedehnten Körpers zu einer einzigen Kraft vereinigt, so wird diese eine Kraft in dem Körper auch nur einen Angriffspunkt haben, dessen Lage zu dem Körper unveränderlich ist, und der Schwerpunkt des Körpers genannt wird. Die Wägetechnik zur Bestimmung von Massen wird häufig auf Kraftmessungen zurückgeführt, d.h. Bestimmung der Masse m eines Körpers im Schwerefeld g der Erde durch Messung der Anziehungskraft (Gewichtskraft FG), die der Masse proportional ist, FG = mg. Zur Erfassung von Gewichtskräften werden verschiedene Prinzipien angewendet, z.B. Federwaagen (Abb. 2.7), Wägezellen mit sehr steifen Federkörpern und Dehnungsmessstreifen, elektrodynamische Gewichtskraftkompensation durch Kraftwirkung einer stromdurchflossenen Spule in einem Permanentmagnetfeld (Spulenstrom ∼ Gewichtskraft), pneumatische oder hydraulische Gewichtskraftkompensation, wobei der Luft, bzw. Flüssigkeitsdruck ein Maß für das zu bestimmende Gewicht ist. Befindet sich der Körper in Ruhe, im Gleichgewicht, so kann dieses stabil, labil oder indifferent sein. Unterstützt man einen Stab in irgend einem Punkt, um den er sich drehen kann, so erhält man einen Hebel. Die Balkenwaage ist eine Anwendungsform des Hebels. Von einer guten Waage verlangt man, dass der Balken für sich allein sich horizontal einstellt und dass er ebenfalls horizontal bleibt, wenn beide Seiten gleich belastet werden. Man gestaltet die Aufhängung der Waagschalen stets so leicht beweglich wie möglich, damit sie sich immer vertikal einstellen. Eine weiter Bedingung für eine gute Waage

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ist eine möglichst große Empfindlichkeit. Man versucht daher den Schwerpunkt der Waage möglichst nahe unter den Auflagerpunkt zu rücken, ohne dass das Gleichgewicht indifferent wird. Andererseits nimmt die Empfindlichkeit der Waage mit der Länge der Arme zu. Schließlich erhöht sich die Empfindlichkeit, wenn man den Waagebalken möglichst leicht ausführt. Der Ausschlag des Waagebalkens wird an einer Skala abgelesen, über welche sich ein mit dem Waagebalken festverbundener Zeiger bewegt. Die genannten Bedingungen für eine hochempfindliche Waage werden in der Praxis durch konstruktive Gestaltungen möglichst weitgehend erfüllt. Aber die Waagenarme absolut gleich lang zu machen, ist technisch nicht möglich und erst recht nicht, Längenänderungen beim Wiegeprozess zu vermeiden. Um zeitliche Änderungen der Waagearmlänge durch Wärmedehnung zu kompensieren, ersann Borda einen vierstufigen Wiegevorgang. Gauß verbesserte diese Methode noch. Ungleicharmige Waagen erlauben die Verwendung kleinerer Bezugsgewichte. Ohne Gewichte kann die skalierte Federwaage eingesetzt werden. Da die Federn bei häufigem Gebrauch ihre Kennlinie verändern müssen Federwaagen öfter neu skaliert werden. Ebenfalls zu den Waagen rechnet man das Aräometer oder die Senkwaage, welche dazu dient, Dichten zu bestimmen. Diese Geräte arbeiten nach dem hydrostatischen Prinzip. Heute sind hierfür weitgehend die Skalenaräometer in Gebrauch, die darauf beruhen, dass ein Körper von konstantem Gewicht in Flüssigkeiten von verschiedenem spezifischen Gewicht verschieden tief einsinkt. Die an dem Körper angebrachte Skala erlaubt, direkt das spezifische Gewicht der Flüssigkeit abzulesen. Spezielle Skalen liefern den Salzgehalt, Zuckergehalt, Alkoholgehalt in bekannten Lösungsmedien. Wärmemessung Die schon im Altertum bekannte Eigenschaft der Körper, sich bei Erwärmung auszudehnen, wird in den üblichen Thermometern genutzt. Alkohol als Temperaturanzeige kann zwischen –114°C und 78°C eingesetzt werden, Quecksilber zwischen –38°C und 360°C. Die Skalierung erfolgt nach Fahrenheit bei 32°F für schmelzendes Eis und 212°F für siedendes Wasser, nach Celsius bei 0°C für schmelzendes Eis und 100°C für siedendes Wasser.

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Die Wärmedehnung von Metallen wird bei Metallthermometern genutzt. Werden z.B. zwei Metalle unterschiedlicher Wärmedehnung mechanisch geschickt gekoppelt, können sich schon deutliche Wege zur Temperaturanzeige ergeben. Gasthermometer haben den Vorzug, über den weitesten Temperaturbereich verwendbar zu sein. Ihre Ausdehnung erfolgt fast genau gleichmäßig mit der Temperatur und zwar für alle in gleicher Weise pro 1°C jeweils um 1/273 des von ihnen bei 0°C erfüllten Raumes. Daraus folgt, dass bei –273°C (genau –273,15°C) das Gasvolumen theoretisch gleich 0 sein müsste. Daher nennt man diesen Temperaturpunkt den absoluten Nullpunkt. Von hier aus zählt die absolute Temperatur, die in Kelvin gemessen wird und somit bei 0°C den Wert 273,15K erreicht. Luftdruckmessung Das Luftmeer, das die Erde rings umhüllt, erstreckt sich weit in den Weltraum hinaus, wobei es allmählich immer dünner wird. Da es somit eine scharfe Grenze der Atmosphäre zum Weltraum nicht gibt, nimmt man als Lufthöhe ca. 100 km an. Diese Luft hat eine Masse, auf der Erdoberfläche rund 1,2 g pro Liter, und die Masse der Luftsäule, die über einem Quadratmeter der Erdoberfläche steht, übt auf diese Fläche eine Kraft von 101.325 N aus. Lässt man den Luftdruck in einem Schenkel eines U-förmigen mit Flüssigkeit gefüllten Rohres wirken, der andere Schenkel sei luftleer, so drückt der Luftdruck die Flüssigkeit in den luftleeren Schenkel so hoch, dass deren Gewichtskraft der Druckkraft gerade entspricht. Hieraus folgt, dass eine Flüssigkeit nicht auf beliebige Höhe angesaugt werden kann. Die Druckbestimmung (Abb. 2.8) erfolgt durch Messung der Höhendifferenz h der Flüssigkeitssäule, Dichte ρ, (z.B. Alkohol, Wasser oder auch Quecksilber), in einem U-Rohr gemäß p = ρh mittels optischer Ablesung, Schrägstellung des einen Schenkels des U-Rohrs (Schrägrohrmanometer) oder mechanischer, elektrischer oder optoelektronischer Abtastung des Meniskus. Als Flüssigkeit wird in einer solchen Anordnung häufig Quecksilber verwendet, das dann auf eine Höhe von 760 mm steigt. Ein so gestaltetes Barometer muss sehr reines Quecksilber verwenden, die

Abb. 2.8 Druckbereiche und Druckmessverfahren (Übersicht)

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Röhre muss genau senkrecht stehen, und der Raum über dem Quecksilber muss unbedingt luftleer sein. Auch andere Flüssigkeiten können statt des Quecksilbers verwendet werden. Ein Wasserbarometer ist 10m hoch, ein Glyzerinbarometer noch 9m. Druckmessung eingeschlossener Gase Wie bei einer Luftdruckmessung kann auch hier der Druck ermittelt werden; aus dem Barometer wird dabei ein Manometer. Beim offenen U-Rohr-Manometer ist der eine Schenkel am Gasbehälter angebracht, der andere Schenkel ist dem Luftdruck ausgesetzt. Beim Kompressionsbarometer ist der zweite Schenkel mit Luft gefüllt und verschlossen. Dadurch wird bei ansteigender Flüssigkeitssäule die Luft verdichtet und übt einen zunehmenden zusätzlichen Druck aus. Wird sie z.B. auf ein Achtel ihres Volumens komprimiert, so übt sie das Achtfachen des Anfangsdrucks aus. Man kann den zu messenden Gasdruck auch auf eine Feder wirken lassen, deren Verformung an einer geeigneten Skala abgelesen werden kann. Beispielsweise streckt sich eine geschlossene gekrümmte Metallröhre (Bourdonfeder), wenn der Druck in ihr zunimmt. Ein luftleeres gekrümmtes Rohr ändert seine Krümmung bei Änderung des Luftdrucks. Ein geeignetes Hebelwerk überträgt diese Bewegung auf einen Zeiger. Zur Flüssigkeitsstandsbestimmung kann der von einer Flüssigkeit hervorgerufene hydrostatische Bodendruck manometrisch gemessen werden oder man misst den pneumatischen Druck von Luft oder Schutzgas in einem in die Flüssigkeit eingeführten Tauchrohr. Durchflussmessung Der Durchfluss Φ ist das Verhältnis aus der Menge des strömenden Mediums (Volumen V oder Masse m) zu der Zeit, in der diese Menge einen Leitungsquerschnitt durchfließt: Φ = dm / dt = m& bzw. Φ = dV / dt = V& . Neben volumetrischen Verfahren (Volumenzähler) werden zur Durchflussmessung Wirkdruckverfahren (Blende, Düse, VenturiRohr) und zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung Drucksonden (Pitotrohr, Prandtlstaurohr) und Thermosonden (Hitzdrahtanemometer) verwendet.

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Bei den Volumenzählern werden z.B. während einer Umdrehung von Ovalrädern, die in einer Messkammer abrollen (Abb. 2.9), vier Teilvolumina transportiert, die dem Messinhalt VM entsprechen. Mit-

Abb. 2.9 Ovalradzähler zur Bestimmung des Volumendurchsatzes

telbar über eine Drehzahlmessung kann der Volumendurchsatz durch Volumenzähler mit Messflügeln (Turbinenzähler) gemessen werden. Bei den Wirkdruckverfahren ergibt bei Einschnürung des Querschnitts einer Rohrleitung durch eine Drosseleinrichtung (Abb. 2.10)

Abb. 2.10 Durchflussmessung nach dem Wirkdruckverfahren. 1 Drosseleinrichtung

die resultierende Druckerniedrigung ∆p = p1 – p2 (sog. Wirkdruck)

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den Durchfluss einer Flüssigkeit. Mit A1, A2 Strömungsquerschnitte (A1/ A2 = k), v1, v2 Strömungsgeschwindigkeiten und p1, p2 Druckwerten folgt aus der Bernoulli- und der Kontinuitätsgleichung unter den idealisierten Verhältnissen von Abb. 2.10 für den Volumendurchfluss V& =

kA1 2

2∆p ρ

1− k (ρ Dichte). Zur Durchflussmessung werden Normblenden, Normdüsen und Venturi-Rohre eingesetzt. In Abb. 2.11 sind typische

Abb. 2.11 Durchflussmessgeräte. a Bauformen; b Druckverlustzahlen; 1 Normblende, 2 Normdüse, 3 Venturi-Rohr

Bauformen mit den dazugehörigen Druckverlustzahlen ξ2 = (k – 1)2, bezogen auf den Durchmesser D2 über dem Durchmesserverhältnis D2 / D1 = k aufgetragen. In der Praxis nach ISO 5167 bzw. DIN 1952 und DIN 19201 bis 19251 wird die Druckdifferenz an der Stirn- und Rückseite der Geräte entnommen.

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2.2 Zeitmessung Erste Zeitmessungen Die einfachste Methode der Zeitermittlung ist die Bestimmung der Schattenlänge eines senkrecht stehenden Stabes. Diese Gnomon genannte Einrichtung ist natürlich sehr grob und zusätzlich abhängig von der Jahreszeit. Eine Verbesserung ist dann erzielbar, wenn der schattenwerfende Stab parallel zur Erdachse ausgerichtet wird und nicht mehr die Schattenlänge, sondern die Schattenlage zur Zeitbestimmung dient.. Aber auch bei diesen Sonnenuhren sind Schwan-kungen im Bereich von 15 Minuten über den Jahresverlauf unvermeidlich. Für die Erfassung kürzerer Zeitspannen konnte die Sanduhr verwendet werden. Bis in das letzte Jahrhundert wurden zur Geschwindigkeitsbestimmung von Schiffen Sanduhren mit einer Durchlaufzeit von 14 bzw. 28 Sekunden verwendet. Der ablaufende Sand wurde für präzisere Anwendungen durch Wasser oder auch Quecksilber ersetzt. Bereits seit dem Altertum sind mechanische Konstruktionen bekannt, bei denen abfließendes Wasser Räderwerke betrieb, die dann in verwickelten Kunstuhren die Zeit darstellten. Pendeluhr Dem Wunsch, immer kleinere Zeiteinheiten anzuzeigen, stand die Konstruktion der Wasseruhren entgegen. Auch das abfließende Wasser durch Gewichte zu ersetzen brachte keinen deutlichen Fortschritt. Erst die Entdeckung der Pendelgesetze (T = l / g ) durch Galilei brachte hier Fortschritte. Er stellte fest, dass 1. die Schwingungszeit T des Pendels unabhängig von seiner Amplitude sei, 2. die Schwingungszeit nur von der Pendellänge l und der Erdbeschleunigung g abhängt, nicht aber von der am Ende angebrachten Masse und 3. bei unterschiedlichen Pendellängen das längere Pendel mehr Zeit für eine Schwingung benötigt, als das kürzere. Galilei erkannte den Nutzen seiner neuen Erkenntnisse und ließ eine Pendeluhr konstruieren, wie Huyghens 15 Jahre später auch. Seither ist die Konstruktion der Pendeluhr im Prinzip gleich geblieben: Eine sich absenkende Masse betreibt über ein Seil ein Räderwerk,

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dessen Drehung durch eine „Hemmung" genannte Konstruktion immer wieder behindert wird. Die Hemmung wiederum wird von dem Pendel betätigt. Durch zusätzliche Vorkehrungen wird sichergestellt, das die Uhr selbst beim Aufziehen, das heißt wieder Anheben des Gewichtes, nicht zum Stillstand kommt. Die Schwingungszeit des Pendels bestimmt den Gang einer solchen Uhr. Eine Pendellänge von 0,25 m ergibt ein halbe Sekunde, eine Länge von 1 m ergibt eine Sekunde. Um für genaue Zeitmessungen die temperaturbedingte Änderung der Pendellänge zu berücksichtigen, sorgt man entweder für eine konstante Temperatur der Uhr oder man kompensiert die Längenänderung, d.h. das Gewicht wird um den Betrag angehoben, um den sich die Pendellänge vergrößert. Versuche, bei Pendeluhren das Gewicht durch eine gespannte Feder zu ersetzen, bewirkten eine Platzersparnis, brachten aber zusätzliche Schwierigkeiten durch die sich ändernde Federkraft. Taschenuhr Taschenuhren müssen die Zeit unabhängig von ihrer Lage anzeigen, können daher weder Gewicht noch Pendel nutzen. Das Gewicht wird durch eine Feder ersetzt, das Pendel durch eine „Unruhe“ genannte Konstruktion, deren Drehschwingungen wieder über eine „Hemmung“ die Ablaufgeschwindigkeit des Räderwerks steuert. Verschiedenartige Konstruktionen wurden zu diesem Zweck entwickelt. Hier müssen ebenfalls Maßnahmen ergriffen werden, um trotz sich ändernder Federkraft einen gleichmäßigen Uhrengang sicherzustellen und auch Temperatureinflüsse zu kompensieren. Durch geeignet übersetzende Räderwerke können mit Stoppuhren Zeiträume bis auf ein Tausendstel einer Sekunde gemessen werden. Selbst Bewegungen einer Stimmgabel, die z.B. 2.050 Schwingungen in der Sekunde ausführt, wurden zur Zeitmessung herangezogen. Heute ist die Zeitlänge definiert durch die Periodendauer der Strahlung, die bei dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands des Atoms des Nuklids 133Cs entsteht. 9.192.631.770 solcher Perioden ergeben eine Sekunde.

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Elektrische Messtechnik

3.1 Messgrößen und Messverfahren Elektrische Längenmesstechnik Bei diesen Verfahren wird die Geometrieabhängigkeit ohmscher, induktiver und kapazitiver Widerstände oder elektro-magnetischer Effekte zur Längenmessung ausgenutzt. Oberflächenrauheitsmesstechnik im Kondensatorverfahren Eine Messelektrode wird mit einer dielektrischen, in die Oberflächenmikrogeometrie eindringende Zwischenschicht auf die Oberfläche gebracht. Für den sich so ergebenden Plattenkondensator kann aus der Beziehung zwischen Kapazität und Plattenabstand (im Vergleich mit ideal glatten Flächen) auf die „Glättungstiefe“ der Oberfläche geschlossen werden. Mustererkennung und Bildverarbeitung Technische Objekte mit strukturierten Geometriemerkmalen (Länge, Breite, Durchmesser, Fläche) und Strahlungsmerkmalen (Intensität, Reflexion, Farbe) können mit Bildaufnahmesensoren erfasst, analysiert und messtechnisch beschrieben werden (Abb. 3.1). Eine Videokamera mit einem optoelektronischen CCD-Empfängersystem (charge coupled device) liefert mittels Graustufenanalyse ein Bildraster mit diskreten Bild-punkten (picture elements, Pixel). Die Videoinformation wird als Graubild von z.B. 6 Bit bis 8 Bit, d.h. 64 Abb. 3.1 Aufbau eines computerunterstützten Bildbis 256 Graustufen bei verarbeitungssystems einer geeigneten Abtastfrequenz (z.B.10 MHz) mit Analog-Digital-Umsetzern (A/D-U)

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digitalisiert, in einen Bildspeicher abgelegt und durch Mikroprozessoren mit Arithmetik-Logik-Einheiten (ALUs) weiterverarbeitet. In einem Digital-Analog-Umsetzer (D/A-U) kann die digitale Information wieder in ein analoges Videosignal überführt, auf einem Monitor dargestellt oder mit Hilfe eines Videodruckers kopiert werden. Zur Kennzeichnung von Artikeln aller Art werden aufgedruckte, optisch-maschinell erkennbare Strichcodes (SC) verwendet (DIN 66236 „Schrift SC für maschinelle Zeichenerkennung“). Sie basieren auf dem Binärprinzip mit einer Anzahl von dunklen Streifen (gelesen als „1“) und hellen Lücken (gelesen als „0“). Resistive Wegaufnehmer (Messpotentiometer) (Abb. 3.2a)

Abb. 3.2 Wegmessverfahren mit elektrischem Messsignalausgang a resistiver Wegaufnehmer (Messpotentiometer); b kapazitiver Wegaufnehmer; c induktiver Wegaufnehmer (c1 Differentialtransformator; c2 Differentialdrossel)

Die Aufnehmer basieren auf dem wegabhängigen Schleiferabgriff an einem ohmschen Widerstand in Form eines ausgespannten Messdrahts (z.B. R0 = 10 Ω, ∆s = 10 µm) oder einer Messspule (R0 = 10 Ω bis 100 kΩ, ∆s = 100 µm). Nach den Kirchhoffschen Regeln ergibt sich für die Messspannung (RB Belastungswiderstand):

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⎡ ⎤ ⎢ ⎥ s / smax ⎥. U M = U0 ⎢ ⎢ R0 s ⎛ s ⎞⎥ ⎜1 − ⎟⎥ ⎢1 + ⋅ RB smax ⎜⎝ smax ⎟⎠ ⎥⎦ ⎢⎣ Im unbelasteten Fall (RB → ∞) ist die Messspannung UM dem Messweg s proportional U U M = 0 s. smax Für R0/RB < 1/200 ist der relative Linearitätsfehler eines Messpotentiometers kleiner als 0,1%.

Kapazitive Wegaufnehmer (Abb. 3.2b) Die Geometrieabhängigkeit der Kapazität C eines Plattenkondensators A C =ε s mit ε = Permittivität des Dielektrikums (ε = ε0εr, mit ε0 = elektrische Feldkonstante und εr = Permittivitätszahl) kann durch Variation der Kondensatorfläche A (Drehkondensator) oder des Abstands s zur Winkel- bzw. Wegmessung verwendet werden, ∆s . ∆C = − C s + ∆s Kapazitive Wegaufnehmer benötigen wegen ihrer nichtlinearen hyperbolischen Kennlinie und der Problematik von (Stör-)Kapazitäten der Kabelanschlussleitungen spezielle Messschaltungen (z.B. kapazitive Messbrücken). Induktive Wegaufnehmer (Abb. 3.2c) Die Verfahren nutzen die wegabhängige Beeinflussung der Induktion von wechselspannungsgespeisten Spulensystemen durch Verschiebung von Eisenkernen (Tauchanker- und Queranker-Prinzipien); die erzielbare Wegauflösung ist besser als 0,1 µm, die Messlängen können 0,1 mm bis zu mehreren 100 mm betragen. Bei einem Differentialtransformator-Wegaufnehmer (Abb. 3.2c1) ist bei Symmetrielage des Fe-Kerns die transformatorische Kopplung zwischen

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der Primärspule P und den beiden Sekundärspulen S1 und S2 gleich groß. Schaltet man S1 und S2 gegeneinander, so erhält man die Messspannung UM = const.⋅U0⋅∆s. Beim Differentialdrossel-Wegaufnehmer (Abb. 3.2c2) ergeben sich in Abhängigkeit der Lage des FeKerns Induktivitäten L1 und L2, die mit Vergleichswiderständen RV in einer Brückenschaltung mit Verstärker und phasenempfindlichem Gleichrichter eine empfindliche Wegmessung UM(s) gestatten. Magnetische Wegaufnehmer Sie basieren auf der wegabhängigen Beeinflussung magnetischer Effekte in geeigneten Sensoren, z.B. Hall-Sensoren (Elektrische Hallspannung Elektrischer Steuerstrom x wegproportionaler Induktion) und Feldplatten, das sind Ohmsche Widerstände, steuerbar durch wegabhängige magnetische Induktion. Geschwindigkeits- und Drehzahlmesstechnik Entsprechend der Definition der Geschwindigkeit v als Ableitung des Wegs s nach der Zeit t, v = ds / dt = s& , können Geschwindigkeitsmessungen auf Wegmessungen zurückgeführt werden, indem Wegmesssignale (z.B. eines induktiven Wegaufnehmers) elektronisch differenziert werden (Abb. 3.3). Störsignale, die gegebenenfalls ebenfalls differenziert werden, müssen durch gute Abschirmung und Filterung eliminiert werden.

Abb. 3.3 Messkette zur Geschwindigkeitsmessung mittels Wegaufnehmer und Differentiationsglied. 1 bewegtes Bauteil, 2 induktiver Wegaufnehmer, 3 Verstärker, 4 Differentiator, 5 2-Kanal-Schreiber

Zur Messung von Rotations- oder Winkelgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen können Aufnehmer mit geeigneten Impulsabgriffen, z.B. induktiver oder magnetischer Art verwendet und die Drehzahlfrequenzen unter Verwendung von Zählern digital dargestellt werden

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(Abb. 3.4). Beim elektrodynamischen Tauchankerprinzip bewirkt die Bewegung s eines Magneten in einer Spule durch die damit verbun-

Abb. 3.4 Impulsabgriffe zur digitalen Drehzahlmessung. a induktiv; b magnetisch. 1 weichmagnetisches Zahnrad, 2 Induktionsspule, 3 codierter Ringmagnet, 4 Magnetsensor

dene Magnetflussänderung Φ = ds/dt bei geeigneter Sensordimensionierung eine geschwindigkeitsproportionale Spannung an den Spulenenden. Zur Drehzahlmessung mit Wechselspannungs-Tachogeneratoren werden über feststehende Spulen und rotierende Magnete Wechselspannungen erzeugt, deren Amplitude der Drehzahl proportional ist. Piezoelektrische Kraftmesstechnik Bei Krafteinwirkung auf Piezokristalle (z.B. Quarz, Bariumtitanat BaTiO3) werden im Kristallgitter negative gegen positive Gitterpunk-

Abb.3.5 Prinzipieller Aufbau eines piezoelektrischen Kraftaufnehmers mit Ladungsverstärker

te verschoben, so dass an der Oberfläche Ladungsunterschiede Q als

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Funktion der Kraft F gemessen werden Q = kF; k Piezomodul, z.B. 2,3⋅10-12 As/N für Quarz (Abb. 3.5). Piezoelektrische Kraftaufnehmer sind mechanisch sehr steif, sie erfordern Ladungsverstärker zur Messsignalverarbeitung und sind hauptsächlich zur Messung dynamischer Vorgänge (f > 1 Hz) geeignet, z.B. zur Aufnahme von p-VIndikatordiagrammen an Verbrennungsmotoren. Kenndaten piezoelektrischer Kraftaufnehmer: hohe Druckfestigkeit von ca. 4⋅105 N/cm², Messgliedkoeffizient c = 6⋅10² N/µm bis 3⋅10³ N/µm, Temperaturkoeffizient ∆C(T) < 0,5%/°C, Betriebstemperaturen bis 500 °C. Dehnungsmesstechnik Die (einachsige) mechanische Beanspruchung eines Bauteils (Ausgangslänge l0, Querschnitt A) durch eine Kraft F führt zu einer Dehnung ε = ∆l/ l0, einer mechanischen Spannung σ = F/A und, bei linearer elastischer (reversibler) Deformation, zu einer Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung σ = Eε (E Elastizitätsmodul). Dehnungsmesstechniken liefern Aussagen über Verformungseigenschaften und Spannungszustände von Bauteilen und gestatten mittels geeigneter Elastizitätskörper die Realisierung empfindlicher Kraftaufnehmer und Wägetechniken. Dehnungsmessstreifen (DMS) bestehen aus einem mäanderförmigen Messgitter in einer dünnen Trägerfolie (Abb. Abb 3.6 Dehnungsmessstreifen (DMS). 1 Träger 3.6) und wandeln Deh(z.B. Polyimid), 2 Anschlussdrähte, 3 Kleber nungen in elektrische (z.B. Phenolharz), 4 Messdraht (z.B. Konstantan Widerstandsänderungen 20µm ∅), 5 Bauteil um: Kraft F →

Bauteil − Bauteil − Träger Messdraht − → → → → ∆ R. Elastizitä t Dehnung ε Kleber Dehnung ε

Der elektrische Widerstand R eines Drahtes und seine Änderung bei einer infinitesimalen Variation von Durchmesser D, Länge l und spezifischem Widerstand ρ sind gegeben durch

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4ρl , πD 2 dR dρ dl dD . = + −2 R ρ l D Mit ε = dl/l und der Poissonschen Zahl (Querkontraktionszahl) µ = - (dD/D)/(dl/l) folgt ∆R ⎛ ∆ρ / ρ ⎞ = ⎜1 + 2µ + ⎟ε = kε . R ⎝ ε ⎠ Für Metall-DMS (ρ = const; 0,2 < µ < 0,5) z.B. Konstantan, 60 % Cu, 40 % Ni oder Karma, 74 % Ni, 20 % Cr, 3 % Fe, 3 % Al ist der kFaktor k ≈ 2; für Halbleiter-DMS z.B. Silizium mit piezoresistivem Effekt (ρ(F) ≠ const, jedoch stark temperaturabhängig) ist k ≈ 100. Hauptsächliche Eigenschaften von Metall-DMS (Folien-DMS, Draht-DMS): Nennwiderstand R0 = 120 Ω, 350 Ω, 600 Ω; max. zulässige Dehnung ε ≈ 10-3; zulässiger Messstrom 10 mA; Grenzfrequenz 50 kHz; temperaturbedingte Dehnung ± 15⋅10-6/°C; Betriebstemperatur –270°C bis 1.000°C; Umgebungsdruck bis 104 bar; Messgitterlänge 0,4 mm bis 150 mm. Als Messschaltung für DMS werden Wheatstone-Brücken in Form von Viertel-, Halb- oder Vollbrücken (1, 2 oder 4 aktive DMS) eingesetzt. Für das Messsignal UM in der Brückendiagonale als Funktion von ∆R1 bis ∆R4 bei gleichem Nennwiderstand R0 aller vier Brückenwiderstände gilt näherungsweise U U M ≈ 0 (∆R1 − ∆R2 + ∆R3 − ∆R4 ) . 4 R0 R=

Die Eigenschaft, dass sich gleichsinnige ∆R in nicht benachbarten Zweigen addieren und in benachbarten Zweigen subtrahieren, muss bei der DMS-Zuordnung (z.B. + ∆R bei Dehnung, - ∆R bei Stauchung) berücksichtigt werden und kann zur Kompensation von mechanischen und elektrischen Störeinflüssen ausgenutzt werden. Die Applikation von DMS zur Bestimmung der grundlegenden mechanischen Beanspruchungen Zug, Druck, Biegung und Torsion ist übersichtsmäßig in Abb. 3.7 dargestellt.

Abb. 3.7 Dehnungsmessstreifen-Applikation zur Bestimmung der mechanischen Grundbeanspruchungen Zug, Druck, Biegung, Torsion

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Mit Hilfe geeigneter Federkörper lassen sich damit auch vielfältige Kraft- und Beanspruchungsaufnehmer aufbauen, z.B. Kraftmessdosen, Wägemesszellen, Drehmomentmessnaben. Flüssigkeitsstand Zur Bestimmung des Flüssigkeitsstands können in einfacher Weise kugel-, linsen- oder plattenförmige Messaufnehmer verwendet werden, mit denen über eine elektrische Signalumwandlung (z.B. Potentiometer, Induktivtaster) die Flüssigkeitshöhe erfasst wird. Die flüssigkeitsstandabhängige Veränderung des elektrischen Widerstands oder der Kapazität zwischen zwei Sonden (z.B. Behälterwand und Tauchsonde) wird als Indikator für die Flüssigkeitshöhe genutzt. Induktive Durchflussmessung Nach dem Induktionsgesetz kann die Geschwindigkeit v einer senkrecht zu einem Magnetfeld (gekennzeichnet durch magnetischen Fluss Φ und Induktion B) in einem isolierten Rohrstück mit Durchmesser D strömenden Flüssigkeit (Mindestleitfähigkeit ≈ 1µS/cm) über die in der Flüssigkeit induzierte Spannung U bestimmt werden, die mittels zweier Elektroden an den Rohrwänden abgegriffen wird (Abb. 3.8). Aus UdΦ/dt = BDv folgen Strömungsgeschwindigkeit U π πD , V& = D 2 v = ⋅U . und Durchfluss zu: v = BD 4 4 B

Abb. 3.8 Prinzip eines induktiven Durchflussmessers. 1 Elektrode

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Widerstandsthermometer Sie besitzen Widerstandstemperaturkennlinien mit positiver Steigung (Metalle) oder negativer Steigung (Heißleiter, Negative Temperature Coeffizient-[NTC-] Widerstände, Thermistoren) je nach dominierendem elektrischen Leitungsmechanismus des Temperatursensors. Die Temperaturabhängigkeit des Widerstands R0 = 100 Ω bei T = 0°C eines Platin-Widerstandsthermometers im Bereich T0 0°C ≤ T ≤ 850°C ist gegeben durch R = R0 [1 + A (T - T0) + B (T - T0)2], mit A = 3,90802⋅10-3K-1 und B = -0,580195⋅10-6 K-2. Für HeißleiterTemperatursensoren (Halbleitermaterialien mit R0 = 1 kΩ bis 1 µΩ) gilt im Bereich von T = -100 bis 400°C R = R0 exp[B(1/T – 1/T0)], wobei B eine Materialkonstante mit einem Zahlenwert zwischen 3000 und 4.000 K ist. Widerstandsthermometer benötigen analoge oder digitale elektrische Messschaltungen; für höhere Anforderungen werden Messbrücken und Kompensatoren verwendet. Thermoelemente Sie basieren auf dem thermoelektrischen Effekt (Seebeck). In einem Leiterkreis mit zwei unterschiedlichen Metallen, an deren Berührungspunkten unterschiedliche Temperaturen TV = const, z.B. 0°C

Abb. 3.9 Thermoelement. 1 Messstelle (M), 2 Metall A, 3 Vergleichsstelle (V), 4 Metall (B)

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oder 50°C und TM herrschen (Abb. 3.9) besteht eine Thermospannung U = a + b∆T + c∆T2. b, c sind materialabhängige, durch Kalibrierung an Temperaturpunkten bestimmbare Größen. Für kleine Temperaturmessbereiche ist näherungsweise U = k ∆T; k ist die arbeitspunktabhängige Thermoempfindlichkeit. Typische Thermopaare: Pt-13% Rh/Pt, Messbereich –50°C bis 1.700°C, k ≈ 10µV/°C; NiCr/Ni, Messbereich –270°C bis 1.300°C, k ≈ 40µV/°C. Die Messung von Thermospannungen erfordert hochohmige Spannungsmessgeräte mit geeigneten Verstärkerschaltungen oder Kompensationsverfahren; evtl. störende Sekundäreffekte an Zuleitungskontaktstellen müssen gegebenenfalls durch spezielle Ausgleichsleitungen eliminiert werden. Ionisationsdetektoren Als Messprinzip wird die Erzeugung elektrischer Ladungsträger durch die zu messende Strahlung ausgenutzt, z.B. in Gasen (Ionisationskammerprinzip, Messbereich µGy bis kGy; Geiger-MüllerZählrohr) oder in Halbleitern (strahlungsabhängige Erzeugung von Elektronenlochpaaren im p-n-Übergang einer Diode. Eine Ionisationskammer besteht nach Abb. 3.10 aus der Kammer K mit Innen- und

Abb 3.10 Grundschaltung einer Ionisationskammer zur Messung der Dosisleistung bzw. der Dosis

Außenelektrode, Spannungsquelle U, Messwiderstand R bzw. Mess-

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kondensator C und Anzeigesystem G. Die Bestimmung der Dosisleistung erfolgt durch Messen des Spannungsabfalls am Hochohmwiderstand R; die Bestimmung der Fluenz bzw. Dosis durch Messung der Ladung an C als Zeitintegral über den Strom. Taupunkthygrometer Ein kleiner Metallspiegel wird im Messgasstrom so gekühlt, (z.B. durch elektrisch regelbare Peltierelemente), dass mittels optoelektronischen Sensoren ein Tau- oder Eisniederschlag festgestellt wird. Die mit einem Temperaturfühler gemessene zugehörige Spiegeltemperatur entspricht der Taupunkttemperatur τ und ist ein Maß für die absolute Feuchte. LiCl-Hygrometer Das Verfahren basiert auf der feuchteabhängigen Widerstandsänderung R(f,T) von Lithiumchlorid (LiCl) (Abb. 3.11). Ein mit dem stark

Abb. 3.11 Prinzip einer LiCl-Feuchtemesseinrichtung. 1 Glasröhrchen, 2 LiClgetränktes Glasgewebe, 3, 4 Elektroden, 5 Widerstandsthermometer, 6 Widerstand, 7 Netztransformator, 8 Kreuzspulanzeiger

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hygroskopischen LiCl getränktes Glasgewebe wird durch einen geregelten Wechselstrom erwärmt und dadurch getrocknet. Zwischen Trocknung (Abnahme von R) und Wasseraufnahme (Zunahme von R) stellt sich eine Gleichgewichtstemperatur ein, die z.B. mit einem PtWiderstandsthermometer bestimmt werden kann und ein Maß für die absolute Feuchte darstellt. Das Verfahren gestattet mit Einstellzeiten von einigen Minuten eine kontinuierliche Luftfeuchtemessung im Bereich von –20°C bis 60°C Taupunkt. Elektrochemische Analyseverfahren In der Potentiometrie nutzt man die Nernstsche Beziehung zwischen Potenzial und Ionenkonzentration. Durch die Verwendung von ionensensitiven Elektroden wird eine Stofftrennung weitgehend unnötig. Andere Methoden nutzen die Eigenschaftsänderungen während einer Titration, z.B. die Leitfähigkeitsänderung (Konduktometrie), die Abscheidung von Elementen nach den Faradayschen Gesetzen (Coulometrie) oder Spannungsänderungen an einer polarisierten Elektrode (Voltametrie, Polarographie).

3.2

Messsignalverarbeitung

Strommessung Sie erfolgt prinzipiell dadurch, dass ein Stromkreis aufgetrennt und ein Strommessgerät (Amperemeter) mit möglichst niedrigem Innenwiderstand RA an der Trennstelle eingefügt wird (Abb. 3.12). Für das

Abb. 3.12 Strommessung. a ungestörter Stromkreis; b gestörter Stromkreis; A Amperemeter

Verhältnis von angezeigtem Strom IM und dem Kurzschlussstrom IK im ungestörten Stromkreis gilt

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1 IM . = I K 1 + ( R A / R0 ) Für RA < 0,01 R0 ist die Differenz zwischen IM und IK kleiner als 1%.

Spannungsmessung Sie erfolgt prinzipiell dadurch, dass ein Spannungsmessgerät (Voltmeter) mit möglichst hohem Innenwiderstand RV parallel zu der zu

Abb. 3.13 Spannungsmessung. a unbelastete Spannungsquelle; b belastete Spannungsquelle; V Voltmeter

messenden Spannung (Leerlaufspannung UL) gelegt wird (Abb. 3.13). Für das Verhältnis zwischen angezeigter Spannung UM und Leerlaufspannung UL gilt 1 UM . = U L 1 + ( R0 / RV ) Für RV > 100 R0 ist die Differenz zwischen UM und UL kleiner als 1%. Bei der Messung von Wechselströmen i(t) oder Wechselspannungen u(t) = u0sinωt muss unterschieden werden zwischen Spitzenwert u0, Gleichrichtwert u = Effektivwert U =

1 T

1 T T

T

2

∫ u0 sin ωt dt = π u0 = 0,637u0 0

2

∫ (uo sin ωt ) dt = 0

u0 2

= 0,707u0 .

und

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Widerstandsmessung

Abb. 3.14 Widerstandsmessung durch gleichzeitige Strom- und Spannungsmessung. A Amperemeter, V Voltmeter; a Schaltung für Messung großer Widerstände; b Schaltung für Messung kleiner Widerstände

Sie kann mit dem Ohmschen Gesetzt Rx = U /I prinzipiell durch eine gleichzeitige Messung von Spannung U und Strom I vorgenommen werden. Infolge der Innenwiderstände RV, RA der Spannungs- und Strommessgeräte treten dabei systematische Fehler auf, die bei genauen Messungen korrigiert werden müssen (Abb. 3.14). Bei der stromrichtigen Messschaltung (Abb. 3.14 a) muss von dem Quotienten U /I der Instrumentenablesungen der innere Widerstand RA des Strommessgeräts subtrahiert werden: Rx(U /I) - RA. Bei der spannungsrichtigen Messschaltung (Abb. 3.14 b) muss von dem Strom I der durch das Spannungsmessgerät gehende Teil U /RV abgezogen werden: Rx = U /(1-(U /RV)). Kompensatoren Sie gestatten es, Spannungen und Ströme mit hoher Genauigkeit leistungslos zu erfassen. Die Prinzipschaltungen zur Spannungs-, Stromund Widerstandskompensation (Abb. 3.15) enthalten eine Spannungsquelle U0, mindestens zwei Widerstände R1, R2 zur Spannungsbzw. Stromteilung und ein Spannungs- bzw. Strommess-instrument, das bei Teilkompensation als Nullindikator betrieben wird. Bei der Spannungskompensation (Abb. 3.15 a) wird eine unbekannte Spannung Ux unter Variation des Widerstands R1 durch die am Widerstand R2 anliegende Spannung kompensiert. Für die vollständige Spannungskompensation, U = 0, gilt R2 Ux = U0 . R1 + R2

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Zur Stromkompensation (Abb. 3.15 b) wird ein bekannter Strom Ix rückwirkungsfrei dadurch kompensiert, dass der Widerstand R1 solange verändert wird, bis die Spannung U am Nullindikator (und damit auch der Strom durch den Nullindikator) zu Null wird. Der zu bestimmende Strom ergibt sich aus R2 Ix = I0 . R2 + R4

Abb. 3.15 Kompensationsschaltungen. a Spannungsmessung (Ux); b Strommessung (Ix); c Widerstandsmessung (Rx)

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Messbrücken Sie dienen zur Widerstandskompensation bzw. –messung und bestehen nach Wheatstone aus zwei Spannungsteilern, die von der gleichen Quelle U0 gespeist werden und deren Teilspannungen miteinander verglichen, d.h. voneinander subtrahiert werden (Abb. 3.15 c). Bei Teilkompensation kann aus der gemessenen Brückenspannung U einer der Brückenwiderstände bestimmt werden, wenn die Speisespannung U0 und die drei anderen Widerstände bekannt sind ⎛ R3 R1 ⎞ ⎟⎟U 0 . U = ⎜⎜ − ⎝ R3 + R4 R1 + R2 ⎠ Bei vollständiger Kompensation U = 0 gilt: R R R1 R3 d .h. Rx = 2 3 . = R2 R4 R1 Mit Messbrücken können kleine Widerstandsänderungen ∆R der Brückenwiderstände sehr empfindlich gemessen werden, wie sie bei resistiven Messaufnehmern oder Sensoren, z.B. Dehnungsmessstreifen (DMS) zu bestimmen sind. Zur Messung von Kapazitäten, Induktivitäten und deren Verlustwiderständen, aber auch ganz allgemein zur Messung komplexer Widerstände können Wechselstrommessbrücken (Abb. 3.16) eingesetzt werden. Ihr prinzipieller Aufbau (Abb. 3.16 a) besteht aus einer meist niederfrequenten Wechselspannungsquelle U0, einem Wechselspannungs-Nullindikator mit selektivem Verstärker und vier komplexen Widerständen zi = zi⋅exp(jϕ i) mit dem Betrag zi und dem Phasenwinkel ϕ i (i = 1 bis 4). Wie bei den Gleichstrommessbrücken ergibt sich die Abgleichbedingung U = 0 aus dem Verhältnis der entsprechenden Widerstände, d.h. hier in Form einer komplexen Gleichung z1/z2 =z3/z4. Daraus resultieren die beiden reellen Abgleichbedingungen z1/z2 =z3/z4 und ϕ1 + ϕ4 = ϕ2 + ϕ3. Für eine einfache Kapazitätsmessbrücke nach Wien (Abb. 3.16 b) gilt R R R Rx = 2 3 ; C x = C2 1 . R1 R3

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Es ergeben sich bei einer Induktivitätsmessbrücke nach Maxwell und Wien (Abb. 3.16 c)

Abb. 3.16 Wechselstrom-Messbrücken. a prinzipieller Aufbau einer Wechselstrombrücke; b Kapazitäts-Messbrücke; c Induktivitäts-Messbrücke

R1R4 ; Lx = R1R4C2 . R2 Messverstärker Messverstärker sind im allgemeinen. gegengekoppelte Operationsverstärker (Abb. 3.17) und dienen zur Verstärkung kleiner Spannungen und Ströme, wobei die folgenden Forderungen erfüllt sein müssen: Geringe Rückwirkung auf die Messgröße, hohes Auflösungsvermögen, definiertes Übertragungsverhalten, gute dynamische Eigenschaften, eingeprägtes Ausgangssignal. Rx =

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Abb. 3.17 Prinzipschaltbild eines gegengekoppelten Messverstärkers mit Operationsverstärker. 1 Operationsverstärker (idealisiert), 2 Gegenkopplungsnetzwerk (vereinfacht)

Operationsverstärker sind mehrstufige integrierte Gleichspannungsverstärker großer Empfindlichkeit und Bandbreite. Die Ausgangsspannung Ua eines Operationsverstärkers ist proportional der Differenz U1 (Steuerspannung) aus der am p-Eingang liegenden Spannung UE und der am n-Eingang anstehenden Spannung U2. Zur Erläuterung des Gegenkopplungsprinzips dienen folgende Begriffe U Innere Verstärkung V0 = a (meist 103 bis 107), U1 U R1 Rückführfaktor k = 2 = , U a R1 + R2 U Betriebsverstärkung VB = a . UE Nach Abb. 3.18 gilt für die Ausgangsspannung Ua = V0 U1 = V0 (UE – U2) = V0 (UE – k Ua).

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Ua V0 . = U E 1 + kV0 Die Gegenkopplung hat den Vorteil, dass bei hinreichend großer innerer Verstärkung V0 des Operationsverstärkers die Betriebsverstärkung VB des gesamten Messverstärkers unabhängig von V0 wird und nur noch von dem Gegenkopplungsnetzwerk abhängt. Für sogenannte „ideale Operationsverstärker“ gilt: 1 1 lim VB (für V0 → ∞) = lim = . (1 / V0 ) + k k Verwendet man zur Realisierung von k stabile hochwertige Bauelemente, so kann eine präzise Festlegung der Verstärkungseigenschaften erreicht werden. Die Grundschaltungen gegengekoppelter idealer Messverstärker sind in Abb. 3.18 dargestellt.

Hieraus folgt für die Betriebsverstärkung VB =

Abb. 3.18 Grundschaltungen gegengekoppelter Messverstärker. a Spannungsverstärker, b Spannungsverstärker mit Stromausgang, c Stromverstärker, d Stromverstärker mit Spannungsausgang

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Spannungsverstärker (Abb. 3.18a). Mit den Erläuterungen der Abb. 3.17 gilt unter der Annahme eines idealen Operationsverstärkers mit sehr hoher innerer Verstärkung V0 für die Betriebsverstärkung R + R2 . VB = 1 R1 Spannungsverstärker mit Stromausgang (Abb. 3.18 b). In der Prinzipschaltung fließt unter Vernachlässigung des Steuerstroms am Eingang des Operationsverstärkers der Ausgangsstrom IA durch R und bewirkt die Spannung IA R. Unter Vernachlässigung der Steuerspannung des Operationsverstärkers wird die gegengekoppelte Spannung IA R gleich der Eingangsspannung UE, so dass für die Betriebsverstärkung gilt I 1 VB = A = . UE R Stromverstärker (Abb. 3.18 c). Nach der Prinzipschaltung fließt unter Vernachlässigung des Steuerstroms am Eingang des Operationsverstärkers der Eingangsstrom IE durch den Widerstand R1 und bewirkt an diesem die Spannung IE R1. Durch den Widerstand R2 fließt der Differenzstrom IA – IE und bewirkt am Widerstand die Spannung (IA – IE)R2. Unter Vernachlässigung der Steuerspannung des Operationsverstärkers sind die Spannungen an den beiden Widerständen gleich groß. Daraus errechnet sich die ideale Betriebsverstärkung zu I R + R2 . VB = A = 1 IE R2 Stromverstärker mit Spannungsausgang (Abb. 3.18 d). In der Prinzipschaltung fließt unter Vernachlässigung des Steuerstroms am Eingang des Operationsverstärkers der Eingangsstrom IE durch den Widerstand R und bewirkt an diesem die Spannung IE R. Unter Vernachlässigung der Steuerspannung des Operationsverstärkers ist diese Spannung IE R gleich der Ausgangsspannung UA. Die ideale Betriebsverstärkung beträgt also U VB = A = R . IE

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Bei realen gegengekoppelten Operationsverstärkern ergeben sich im Vergleich zu idealen Operationsverstärkern durch die endliche Grundverstärkung V0 sowie endliche Eingangs- und Ausgangswiderstände Re, Ra näherungsweise folgende Änderungen: Relativer Fehler der Betriebsverstärkung V (real) − VB (ideal) V (ideal) . Frel (V0 ) = B ≈− B VB (ideal) V0 Resultierender Eingangswiderstand ⎛ V0 ⎞ RE > ⎜⎜ + 1⎟⎟ Re . V ( ideal ) ⎝ B ⎠ Resultierender Ausgangswiderstand 1 . R A = Ra V0 1+ VB (ideal) Beispiel: Für V0 = 105 und VB (ideal) = 1.000 sowie Re = 1 MΩ bzw. Ra = 1 kΩ folgt: Frel(VB) = -1%, resultierender Eingangswiderstand RE > 100 MΩ, resultierender Ausgangswiderstand RA = 10 Ω. Die Gegenkopplung eines Operationsverstärkers hat ebenfalls Einfluss auf die Grenzfrequenz fg sowie die Transitfrequenz fT, bei der die Grundverstärkung auf den Wert V0 (fT) = 1 abgefallen ist. Näherungsweise gilt: VB f g = const = fT

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4

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Messtechnik mit Wellen

4.1 Akustik Die akustische Messtechnik untersucht den Schall, d.h. mechanische Schwingungen und Wellen elastischer Medien in Form von Luftschall, Flüssigkeitsschall und Körperschall in den Frequenzbereichen f < 16 Hz (Infraschall), 16 Hz < f < 16 kHz (Hörschall) und f > 16kHz (Ultraschall). Ein von Schallwellen erfasstes Raumgebiet heißt Schallfeld, es wird durch Schallfeldgrößen (Schalldruck, Schallschnelle) und Schallenergiegrößen (Schallleistung, Schallintensität, Schallenergiedichte) beschrieben. Schalldruck p (N/m²). Durch Schallschwingungen hervorgerufener Wechseldruck. Hörschwelle p = 20µN/m² bei 1.000 Hz, Bezugsschalldruck p0 = 2⋅10-5 N/m². Schallschnelle v (m/s). Wechselgeschwindigkeit schwingender Teilchen, Bezugsschallschnelle v0 = 5⋅10-8 m/s. Schallleistung P (W). Der Quotient aus abgegebener, durchtretender oder aufgenommener Schallenergie und der zugehörigen Zeitdauer. Größenordnung der Schallleistung, z.B. menschliche Stimme P ≈ 10-5 W, Großlautsprecher P ≈ 102 W, Flugzeugstrahlantrieb bei Volllast P ≈ 104 W. Schallintensität I (W/m²). Quotient aus Schallleistung und der zur Richtung des Energietransportes senkrechten Fläche. Schallenergiedichte w (J/m³). Quotient aus Schallenergie und zugehörigem Volumen. Als Schallpegel der Feld- und Energiegrößen wird in einem definierten Frequenzbereich der logarithmische Quotient zweier Schallgrößen (Bezugsgrößen X0, Y0) bezeichnet; der Schallpegel für die Feldgrößen X: Lx = 20 lg (X / X0), der Schallpegel für die Energiegrößen Y: Ly = 10 lg (Y / Y0), Einheit Dezibel (dB). Bei einer Abstandsverdoppelung fällt der Schallpegel um ca. 6 dB ab. Schallereignisse, die einem Hörer als unerwünscht oder unangenehm erscheinen, werden als Lärm bezeichnet: Lärmbereich I (30 dB < Lp < 65 dB) bewirkt nur psychische Reaktionen. Die Schallemissionswerte für Wohngebiete 40 dB (nachts) und 55 dB (tags), für Industriegebiete < 70 dB.

MESSTECHNIK MIT WELLEN

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Lärmbereich II (65 dB < Lp < 90 dB) bewirkt vegetative Veränderungen, z.B. Veränderungen von Kreislaufvorgängen und Herztätigkeit. Lärmbereich III (90 dB < Lp < 120 dB) bewirkt vegetative Fehlsteuerungen und organische Schädigungen. Lärmbereich IV (Lp > 120 dB) kennzeichnet das Erreichen bzw. Überschreiten der Schmerzschwelle. Akustische Messgeräte. Sie bestehen im wesentlichen aus einem Schallsensor, einem Verstärker, einem Filter und einer Anzeige- oder Registriereinheit (Abb. 4.1). Als Schallsensoren werden für Luft-

Abb 4.1 Messkette eines Schallpegelmessers. 1 Mikrofon, 2 Messbereichswahlschalter, 3 Verstärker, 4 Frequenzbewertungsfilter, 5 Gleichrichtung und Quadrierschaltung, 6 Anzeigeinstrument

schall Mikrofone (elektrodynamische, elektrostatische, oder piezoelektrische Wandler) mit linearem Frequenzgang, für Flüssigkeitsschall piezoelektrische Hydrofone bis ca. 150 kHz und für Körperschall seismische Aufnehmer verwendet. Das elektrische (meist hochimpedante) Sensorausgangssignal am Messbereichswahlschalter wird von Messverstärkern mit großer Dynamik (µV bis einige 100 V), linearem Frequenzgang und breitem Bereich (1 Hz bis > 100 kHz) in ein verstärktes Messsignal mit niedriger Impedanz (zur Weiterleitung über eventuell lange Verbindungskabel) umgeformt. Als Frequenzfilter dienen feste und variable Filter zur Beeinflussung des Messverstärkersignals, z.B. mit Bewertungsstufen A, B, C und mit Terz- oder Oktavdurchlasscharakteristik. Das gemessene Signal wird nach Gleichrichtung und Logarithmierung als Schallpegel entweder mit einem Zeigerinstrument oder einem Pegelschreiber analog dargestellt bzw. registriert oder einer digitalen Anzeige oder Registrierung zugeführt.

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Ultraschall-Strömungsmessung. Die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt durch Messung der Ultraschall-Impulslaufzeiten t1 = 1/f1 und t2 = 1/f2 in Strömungsrichtung und in Gegenrichtung mittels Piezo-Sende-(S-) und Empfangs-(E)-Kristallen (Abb. 4.2). Die Differenz f2 - f1 der beiden Impulsfrequenzen ist un-

Abb. 4.2 Prinzip eines Ultraschall-Durchflussmessers. E Empfänger, S Sender

abhängig von der momentanen Schallgeschwindigkeit c der Strömungsgeschwindigkeit v proportional: L ( f 2 − f1 ) . v= 2 cos ϕ

MESSTECHNIK MIT WELLEN

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4.2 Optik In der Fertigung spielen zunehmend optoelektronische Systeme eine bedeutende Rolle. Hierbei werden optische Signale in elektrische umgewandelt oder umgekehrt. Die optische Messtechnik hat folgende große Vorteile: sie ist berührungslos und schnell. Deshalb eignet sie sich hervorragend für direkte Messungen während des Prozesses und erlaubt die unmittelbare Qualitätssicherung während der Fertigungsschritte. In den folgenden Abschnitten werden die wichtigsten optischen Verfahren beschrieben und ihre Anwendungsgebiete aufgezeigt. Abstandsmessung Für die Abstands- und Längenmessung werden hauptsächlich zwei Verfahren eingesetzt, für eine mittlere Genauigkeit das Verfahren der Triangulation und für hochgenaue Messungen interferometrische Verfahren, welche die Welleneigenschaften des Lichtes ausnützen. Triangulation Messprinzip Bei dem Triangulationsverfahren wird die Länge einer Seite eines Dreiecks aus einem Winkel und einer anderen Seite bekannter Länge bestimmt. Dabei wird ein Laserstrahl auf ein Werkstück gerichtet. Das auf der Oberfläche des Werkstücks diffus in alle Richtungen gestreute Laserlicht wird unter einem vorgegebenen Winkel mit einem Objektiv auf einen positionsempfindlichen Detektor (PSD) abgebildet (Abb. 4.3). Verschiebt man das Werkstück, so verändert sich die Position des reflektierten Leuchtflecks auf dem Detektor. Aus der Lage des Bildfleckes auf dem PSD lässt sich bei der bekannten Abbildungsgeometrie der Abstand des Messobjekts in Bezug auf einen Referenzabstand bestimmen. Als Lichtquelle wird meist eine Leuchtdiode (LED) oder ein Halbleiterlaser eingesetzt. Diese bieten den Vorteil einer einfachen Steuerung der Intensität. Mittels einer Austastung bzw. hochfrequenter Modulation des Laserlichts lässt sich Fremd- und Störlichtunterdrückung realisieren. Es ist damit auch möglich, schnell bewegte Objekte anzutasten. Als Detektoren ver-

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MESSEN, STEUERN, REGELN

wendet man in der Praxis Lateraleffektfotodioden oder CCDDiodenzeilen, bei scannenden Systemen auch CCD-Bildsensoren.

Abb. 4.3 Messprinzip der Triangulation

Typische Anwendungen Triangulationssensoren werden in vielfältiger Weise in der Prozesskontrolle und Qualitätssicherung eingesetzt. Die direkte Messung des Abstandes erlaubt es, geometrische Größen an festen und bewegten Werkstücken unmittelbar zu messen. Folgende Eigenschaften werden gemessen (Abb. 4.4): • Ebenheit von Platten und Bauteilen, • Rundlauf rotierender Bauteile, • Dickenmessungen von Bandmaterial, • Füllstandsbestimmung,

MESSTECHNIK MIT WELLEN • • •

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Bestimmung der Profilkontur von Werkstücken mit gegenüberliegenden Sensorköpfen, Einsatz als berührungsfrei tastender Messkopf bei Koordinatenmessmaschinen, Anwesenheitskontrolle von Bauelementen auf Platinen.

Abb. 4.4 Anwendungsbeispiele des Triangulationsverfahrens

Genauigkeit Die Empfindlichkeit des Triangulationssensors ist innerhalb seines Messbereiches nicht konstant; sie ist umso geringer, je weiter das Messobjekt vom Laser entfernt ist. Die Arbeits/Referenzabstände typischer, industriell eingeführter Triangulationssensoren reichen von 20 mm bis 1000 mm. Der Messbereich liegt dabei zwischen ±1 mm und ±250 mm und ist in etwa symmetrisch um die Referenzabstände. Die Auflösung liegt, je nach Arbeitsabstand, zwischen 1 µm und 500 µm beziffert. Allgemein ist davon auszugehen, dass die Genauigkeit der Abstandsinformation besser ist, als das 0,001 -fache des Arbeitsabstandes zo. Inkrementalgeber Einsatzbereich Triangulationssensoren werden eingesetzt, wenn einerseits eine relativ freie Führung gewährleistet ist und zum anderen die Möglichkeit besteht, berührungslos antasten zu können. Sollen in Maschinen oder Geräten jedoch geführte Bewegungen hochgenau erfasst werden, so verwendet man Inkrementalgeber oder Interferometer. Beiden gemeinsam ist das Merkmal, einen sehr großen Messbereich (bis

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mehrere m) bei einer Messauflösung im Bereich von 10 µm bis zu 1 nm erfassen zu können. Preisgünstige, aber dennoch sehr leistungsfähige Systeme finden beispielsweise in Tintenstrahldruckern zur Positionierung des Druckkopfes und des Papiervorschubes Verwendung. Absolute und inkrementelle Systeme Inkrementelle Systeme messen von einer gegebenen Position ausgehend (Anzeige wird hier genullt) den Zuwachs des Weges (vorzeichenrichtig), wohingegen absolute Systeme jederzeit die Position gegenüber einem festen Koordinatenursprung kennen. Am einfachsten wird ein absolut messendes System erhalten, wenn zusätzlich zu der Gitterteilung der Maßverkörperung ein Index angebracht wird, der bei Überfahren den Zähler auf Null setzt bzw. die Messung triggert. Wesentlich sicherer sind jedoch Systeme, deren Maßstäbe eine absolute Kodierung für die Position besitzen (z.B. nach einem Binärkode). Befinden sich beispielsweise 14 Spuren nebeneinander, dann sind 214 = 16.384 diskrete Positionen unterscheidbar. Kann die letzte, feinste Spur noch durch Interpolation in 100 Schritte pro Periode unterteilt werden, so kommt man schon auf 1.638.400 unterscheidbare Positionen. Ein Maßstab von 1,6 m Länge wäre also auf 1 µm genau auslesbar. Messprinzip Inkrementalgeber bestehen aus einer Maßverkörperung, z.B. einem schmalen, langen Streifen aus Floatglas, auf den eine sehr genaue, regelmäßig Teilung aus gleichbreiten opaken und transparenten Streifen aufgebracht ist, sowie einem Messkopf zur fotoelektrischen Registrierung der Teilung. Es existieren viele unterschiedliche Bauformen für den Messkopf, mit im Detail unterschiedlichen Wirkprinzipien. Abb. 4.5 zeigt schematisch das Messprinzip des Inkrementalgebers nach dem Prinzip der fotoelektrischen Abtastung feiner Strichgitter. Dabei werden die Änderungen der Lichtintensitäten einer Abtastplatte im Vergleich zu einem Maßstab durch Fotozellen gemessen und daraus beispielsweise Längen oder Positionen ermittelt. In der Abb.

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4.5 ist das Prinzip für ein absolutes Längenmessgerät dargestellt. Dabei werden 7 Teilungsspuren abgetastet. Sie sind so gewählt, dass aus den resultierenden Mess-Signalen aller Spuren eindeutig ein Bereich innerhalb der Messlänge gekennzeichnet ist. Aus der feinsten Teilungsspur von 16 µm lässt sich beispielsweise über eine Länge von 3 m ein Absolutwert mit einer Auflösung von 0, 1 µm realisieren.

Abb. 4.5 Arbeitsprinzip eines Inkrementalgebers für ein absolutes Längenmessgerät (Werkfoto: Heidenhain)

Mit solchen Inkrementalgebern können beispielsweise die Positioniergenauigkeiten (bzw. den Führungsfehler) bzw. das dynamische Bahnverhalten CNC gesteuerten Werkzeugmaschinen bestimmt werden. Ein Kreuzgitter-Messgerät kann beispielsweise Kreisform-Tests von 115 mm bis 1 µm bei Bahnvorschüben bis zu 80 m/min berührungslos bestimmen. Interferometer Messprinzip Das Grundprinzip eines Interferometers kann anhand Abb. 4.6 beschrieben werden. Abb. 4.6 zeigt eine Vorrichtung zur vorzeichenrichtigen, hochgenauen Messung der Verschiebung des Tripelprismas TP2 entlang einer Führung. Das Grundprinzip der Interferometrie beruht auf der

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Tatsache, dass bei der kohärenten (interferenzfähigen) Überlagerung von zwei Strahlen immer dann Verstärkung der gemessenen Intensität registriert wird, wenn die Lichtwege in den Interferometerarmen (gebildet durch den Strahlteiler PSt und die beiden Tripelprismen TP1 und TP2) sich um ein gerades Vielfaches von halben Wellenlängen unterscheiden, eine Auslöschung des Lichtes (oder wenigstens ein Interferenzminimum) erfolgt jedoch immer dann, wenn der Wegunterschied ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge beträgt. PSt S

stabilisierter Laser

AOM

TP1 PSt

λ/4

St Elektronik (Interpolator, Zähler, Anzeige)

198,304 27 mm

+

-

TP2 +

S P

z

-

λ/4

FG PPD1

PPD2

Bezeichnungen: PSt – Polarisationsoptischer Strahlteiler; St – Strahlteiler; S – Spiegel, AOM – akusto-optischer Modulator; TP1 – feststehendes Trippelprisma; TP2 – bewegliches Trippelprisma; λ/4 – Lambdaviertel-Plättchen zur Erzeugung zirkular polarisierten Lichtes; P – Polarisator; PPD – Pin-Photodiode; FG – Frequenzgenerator (treibt den AOM). Abb. 4.6 Schema eines Laser-Interferometrs zur Längenmessung

Um zu einer vorzeichenrichtigen, hochgenauen Registrierung der Bewegung zu kommen, wird vor das eigentliche Interferometer zur Messung der Bewegung ein zweites Interferometer vorangestellt (bestehend aus den beiden Strahlteilerwürfeln PSt und St sowie den beiden Spiegeln S und dem akusto-optischen Modulator, AOM), dessen geometrische Weglängen sich zwar nicht ändern, dessen optische Weglänge in einem der Arme jedoch durch einen AOM fortwährend verändert wird. Wird jedoch der Tripelspiegel TP2 auf den Teilerwürfel zu bewegt (positive Bewegungsrichtung z), so erhöht sich die Frequenz des Lichtes in diesem Interferometerarm während dieser Bewegung zusätzlich aufgrund des longitudinalen Dopplereffektes und es entstehen in dieser Zeit gerade 2z/λ zusätzliche Interferenz-

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streifen. Diese Anzahl ist ein Maß für die Verschiebung des Tripelprisma TP2. Typische Anwendungsfelder • Präzise Positionierung (1 nm) von Belichtungstischen für Wafer-Stepper zur Belichtung von integrierten Schaltungen; • Schwingungsmessungen und –analysen; • Vermessung der dynamischen Durchbiegung von Brücken unter Verkehrslast und ähnliches; • Einmessen von fest integrierten Mess-Systemen, Feststellen der systematischen Restfehler (bzw. durch die Temperatur) und Kompensation durch eine Steuersoftware. Formmessung Die folgenden optischen Verfahren eignen sich insbesondere zur Messung und Bestimmung der geometrischen Form von Produkten. Schattenwurfverfahren Messprinzip Ein paralleles Strahlenbündel (z. B. durch Aufweiten eines Laserstrahls) projiziert den Schattenwurf des zu vermessenden Objekts auf einen Lichtsensor, dessen Empfängerelemente (Pixel) in Zeilen oder Matrixform angeordnet sind (Abb. 4.7). Die Helligkeitsinformationen

Abb. 4.7 Arbeitsprinzip des Schattenwurfverfahrens

werden beispielsweise durch einen Mikrocontroller ausgelesen. Aus den Positionen der Hell-Dunkelübergänge kann beispielsweise der Durchmesser eines Teils ermittelt werden. Bei einer einfachen, aber sehr schnellen Variante wird nur geprüft, ob die Helligkeit oberhalb oder unterhalb eines Schwellwerts liegt. Hier ist die erreichbare Ge-

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nauigkeit durch den Abstand der Pixel des Sensors gegeben. Eine höhere Genauigkeit (bis zu 1/10 des Pixelabstands) erzielt man bei Auswertung des Helligkeitsverlaufs im Bereich der Kanten. Typische Pixelabstände liegen im Bereich von 10 µm bis 120 µm. Die Schattenprojektion gestaltet sich besonders einfach, wenn die zu vermessenden Teile im Produktionsprozess bereits ausgerichtet vorliegen bzw. eine Ausrichtung ohne größeren Aufwand möglich ist (z.B. bei rotationssymmetrischen Teilen). Durch Verwendung eines parallelen Strahlengangs sind Variationen des Abstands zwischen Messobjekt und Sensor unkritisch. Typische Anwendungsbereiche Schattenwurfverfahren ermöglichen eine schnelle und berührungsfreie Bestimmung geometrischer Abmessungen in zahlreichen Bereichen der Fertigungskontrolle. Sie zeichnen sich durch eine hohe Robustheit, Genauigkeit und Schnelligkeit aus. Neben der Maßkontrolle bei der Fertigung von Massengütern, kann beispielsweise die Abisolierung von Kabelenden, die Anwesenheit von Verschlusskappen (Abb. 4.8) oder ähnliches geprüft werden.

Abb. 4.8 Kontrolle der Anwesenheit von Verschlusskappen Streifenprojektion Einsatzbereich und Eigenschaften Die Streifenprojektion ist eine Technik der berührungslosen optischen Formerfassung, welche Koordinatenmesstechnik ergänzt. Ihre Stärke liegt in der sehr schnellen und flächendeckenden Erfassung

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einer sehr großen Zahl von Koordinatenmesswerten (es entstehen sogenannte Punktewolken auf vielen 100.000 bis Millionen Koordinatentripeln x,y,z) und deren bildhafte Darstellung und Weiterverarbeitung auf dem PC. Ein wesentlicher Vorteil ist die Tatsache, dass die Messwerte berührungslos und damit auch kräftefrei gewonnen werden. Damit können vor allem Materialien wie Stoff, Gummi, menschliche Haut und Ton bzw. Wachs vermessen werden. Messprinzip Eine Anlage zur berührungslosen Erfassung der 3D-Form von einer Oberfläche besteht aus einer CCD-Kamera mit einem Messobjektiv mit fester Brennweite und einem Streifenprojektor. Abb. 4.9 zeigt eine Anordnung, bei welcher Streifenprojektor und Kamera einen Winkel Θ < 90° bilden.

Abb. 4.9 Messprinzip einer Streifenprojektion

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In diesem Falle erscheinen die auf die Oberfläche projizierten Streifen von der Kamera aus betrachtet verbogen. In dieser Auslenkung der Streifen ist der z-Messwert des Oberflächenpunktes kodiert, aus dem mit komplizierten Rechenverfahren auch die x,y-Koordinate errechnet wird. Dabei kann man sich in der Regel auch nicht auf ein einziges Streifenmuster beschränken, sondern es werden in der Regel eine Sequenz verschiedener Streifenmuster projiziert, die alle gemeinsam zur Auswertung herangezogen werden. Typische Anwendungsbereiche In der Praxis findet man die Streifenprojektion in folgenden Anwendungsfeldern: • Formerfassung von Designermodellen zur Überführung in eine CAD-gerechte Form (Reverse Engineering); • Formerfassung kompletter Autokarossen (Zusammensetzung aus bis zu 250 Einzelansichten, Patches); • Untersuchung von Formblechteilen von Automobilkarossen auf Dellen und Beulen direkt nach dem Umformvorgang zur Qualitätssicherung des Umformprozesses, • Vermessung von Spritzgussteilen; • Untersuchungen zum Schrumpf-Prozess beim Abkühlen von Metallgussteilen; • Formerfassung des menschlichen Köpers oder von Teilen davon zur o Anfertigung von Maßanzügen, o für plastische, rekonstruktive Chirurgie (Unfallchirurgie z.B. am Gesicht), o berührungslose Abformung des Gesichtes zur Anfertigung von Masken, o Anfertigung von orthopädischen Schuhen z.B. für Diabetiker, o Untersuchung von Wundheilungsprozessen; • Einjustierung von Koordinatensystemen bei der Fusion von Bildern aus der Computer Tomographie mit Bildern z.B. aus Operationsmikroskopen zur sicheren Navigation bei schwierigen Operationen (z.B. Gehirnchirurgie) oder

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Formerfassung des Gebisses und von Bohrlöchern in Zähnen zur Anfertigung von Inlets.

Schwierigkeiten entstehen bei der Erfassung glänzender Oberflächen (Christbaumkugel), sehr scharfen Kanten (Schneide eines Messers), sehr dunklen Oberflächen (Gummi oder schwarzer Samt) oder in einer Umgebung, die stark von Fremdlicht beeinträchtigt wird (Werkhalle ohne Messkabine), sehr stark strukturierten („zerklüfteten“) Körpern (Haarbürste) oder Sacklöchern (Bohrungen). Die Genauigkeit des z-Messwertes liegt im Bereich von typischerweise 1/1.000 bis zu 1/50.000 der Bildfelddiagonale bei besonders flachen Teilen. Die x-y-Auflösung ist durch die Pixelzahl der zur Bilderfassung verwendeten CCD-Kamera gegeben; jedes Pixel liefert einen z-Messwert; typische Werte sind von ca. 580 x 720 Pixel bis zu > 1000 x 1200 Pixel. Hier sind weitere Fortschritte zu erwarten. Weisslichtinterferometrie Einsatzbereich und Eigenschaften Bei der Weißlichtinterferometrie verwendet man Lichtquellen mit kurzer Kohärenzlänge, welche sich, wie der Name des Verfahrens bereits andeutet, durch ein breites Spektrum auszeichnen. Solche Eigenschaften haben beispielsweise klassische Lichtquellen wie Halogen- oder Entladungslampen. Durch die sehr kurzen Emissionszeiten des Lichts auf atomarer Ebene und durch Störungen der Emissionsprozesse in der Lichtquelle liegt die zeitliche Länge der von spektral breiten Lichtquellen emittierten Wellenpakete im Femtosekundenbereich. Eine Kohärenzzeit im Femtosekundenbereich entspricht einer Kohärenzlänge im Mikrometerbereich. Dadurch ist die Absolutbestimmung des Abstands zwischen Objektpunkt und Strahlteiler im Nanometerbereich möglich. Mit den Superlumineszenzdioden mit guter räumlicher Kohärenz und Strahlqualität ist der Interferenzkontrast vergleichbar der eines Lasers geworden. Messprinzip Abb. 4.10 zeigt ein Interferometer mit einer kurzkohärenten Lichtquelle. Der Lichtstrahl wird mit Hilfe eines Strahlteilers in einen

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Referenzstrahl und in einen Probenstrahl aufgespaltet. Der Referenzstrahl wird vom Referenzspiegel zurückreflektiert. Der Probenstrahl Referenzspiegel

Objekt Strahlteiler Lichtquelle

Detektor

wird auf einen Objektpunkt fokussiert, dessen Position bestimmt werden soll. Der vom Objekt zurückgestreute Strahl wird am Detektor mit dem zurückreflektierten Referenzstrahl überlagert. Abb. 4.10 Aufbau eines Interferometers zur Abstandsmessung

Verschiebt man den Referenzspiegel, der sich zunächst an der Position x = 0 befindet, in Strahlrichtung um x, so erhält man das in Abb. 4.11 gezeigte Interferenzsignal. Kennt man die Position des Referenzspiegels in dieser Stellung, so kennt man damit auch den zu bestimmenden Abstand des Objektpunkts. Typische Anwendungsbereiche Folgende wichtige Anwendungsbereiche sind zu nennen: • Dreidimensionale Vermessung von rauhen Oberflächen, welche das Messlicht gleichzeitig streuen und reflektieren. Die ebenfalls eingesetzten mechanischen Tastverfahren arbeiten sequentiell und benötigen daher lange Messzeiten; die

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alternativen optischen Verfahren wie Laserinterferometrie und Streifenprojektion sind weniger genau. Berührungslose Messung von einfachen Geometrien von Produkten wie Glasrohre, Bleche oder Folien. Die Vorschubgeschwindigkeiten sind dort einige Meter pro Sekunde mit Messgenauigkeiten im Mikrometerbereich und darunter. Dreidimensionale Vermessung von Mikrostrukturen (z. B. Höhenprofile und Abstände) im Nanometerbereich. Interferenzsignal

Abstand x

Abb. 4.11 Interferenzsignal am Detektor mit Weißlichtquelle (dicker Strich) und Laser

Schwingungsmessung Optische Verfahren messen und analysieren Schwingungen bzw. Vibrationen von Oberflächen und von Bauteilen ohne mechanischen Kontakt zur Oberfläche. Da die Messung masselos erfolgt, ist sie ohne Verfälschung der Schwingung- und Schwingungsform durch das Eigengewicht des Sensors. Für die punktuelle Vermessung schwingender Bauteile eignen sich spezielle ausgelegte Triangulationssensoren, sowie für hohe Genauigkeitsanforderungen insbesondere Laser-Doppler-Vibrometer. Mit Verfahren der holografischen Interferometrie und der Speckle-Pattern-Interferometrie lassen sich Bauteilschwingungen flächenhaft beobachten und analysieren.

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Laser-Doppler-Vibrometer Messprinzip Beim Laser-Doppler-Vibrometer handelt es sich um ein interferometrisches Einpunktverfahren das hohe Empfindlichkeit und große Bandbreite in sich vereinigt (Abb. 4.12).

Abb. 4.12 Aufbau eines Laser-Doppler-Vibrometers

Das kohärente Licht eines Helium-Neon-Lasers wird in einem ersten Strahlteiler BS 1 in einen Mess- und einen Referenzstrahl aufgespaltet. Der Referenzstrahl gelangt über BS 3 direkt auf die Detektoren D1 und D2. Der Messstrahl passiert den Strahlteiler BS 2 und wird mit Hilfe eine Projektionsoptik (Linse) auf das schwingende Objekt abgebildet. Das vom Objekt zurückgestreute Licht gelangt über die Strahlteiler BS 2 und BS 3 auf die Detektoren D1 und D2 auf denen sich die beiden Signale jeweils überlagern. Durch die Bewegung der Oberfläche wird das von der Oberfläche zurückreflektierte Licht wegen des Dopplereffektes in seiner Frequenz verändert. Die Frequenzverschiebung des rückgestreuten Lichtes ist direkt proportional der Geschwindigkeit der angetasteten Oberfläche.

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Messbereich Mit dieser Technik können Bauteilgeschwindigkeiten bis 10 m/s erfasst werden und sie erlaubt auch die Erkennung der Bewegungsrichtung der Objekte. Man kann Laser geringer Leistung (Laser-Klasse 2, Leistung kleiner 1 mW) verwenden, so dass der Einsatz des Verfahrens nicht auf Grund von Sicherheitsauflagen eingeschränkt ist. Die Amplitude der Bauteilschwingung lässt sich unabhängig von der Schwingungsfrequenz absolut bestimmen. Die hohe Auflösung reicht je nach Arbeitsbereich von ca. 0,01 µm bis 40 µm. In Abb. 4.13 ist der typische Arbeitsbereich eines LaserVibrometers und der holografischen Doppelpuls-Interferometrie dargestellt.

Abb. 4.13 Arbeitsbereiche des Laser-Vibrometers und der holografischen Interferometrie

Typische Anwendungsbereiche Abb. 4.14 zeigt typische Anwendungen bei der Qualitätssicherung aus den Bereichen Automobilbau, Maschinenbau, Computertechnik und Elektronik. • Schwingungs- und Modalanalyse an Karosserieblechen und Motorblöcken sowie Vibrationsanalyse an rotierenden Bremsscheiben oder am Ventiltrieb von Zylinderköpfen.

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Schwingungsuntersuchungen an Werkzeugmaschinen, insbesondere an rotierenden Teilen, wie Spindeln und Werkzeugen. Über die Schwingungsanalyse ist die Untersuchung und frühzeitige Erkennung von Lagerschäden möglich. Untersuchung der Wobbelbewegung von rotierenden Festplatten und der Bewegung der Schreib- Leseköpfe. Schwingungsmessung an bewegten Audio- und Videobändern. Einsatz bei der Untersuchung der Qualität von Lötstellen in elektronischen Schaltungen (Platine muss dabei zu Schwingungen angeregt werden). Aufgrund der Fokussierbarkeit des Laserstrahls auf wenige µm sind Messungen an sehr kleinen Strukturen, beispielsweise an Drähten, Nadeln von Druckern oder Relais-Kontakten möglich. Schwingungsanalyse an Lautsprechermembranen.

Abb. 4.14 Typische Anwendungen für Laser-Doppler-Vibrometer

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Faseroptische Vibrationssensoren Benutzt man den Referenzarm des Interferometers als zweiten Messarm so erhält man ein Zwei-Punkt-Vibrometer mit dem man den Bewegungsunterschied zwischen zwei angetasteten Messpunkten erfassen kann (Zwei-Punkt-Vibrometer). Besonders flexible Einsatzmöglichkeiten ergeben sich, wenn das Laserlicht über zwei polarisationserhaltende Lichtfasern zu den Messköpfen transportiert wird (differentielles faseroptisches Vibrometer). Damit lassen sich beispielsweise Rotations- und Torsionsschwingungen eines rotierenden Laufwerkes erfassen. In der zukünftigen Entwicklung werden faseroptische Systeme eine besondere Rolle spielen. Es ist mit dieser Technik möglich, Vibrationssensoren auf der Basis von Mikrointerferometern extrem zu miniaturisieren. Sie sind völlig unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen und sie sind leicht in Sensornetze integrierbar, deren Ausdehnung bis in den Kilometerbereich reichen können. (Abschn. 5.7 Fasersensoren) Holografische Interferometrie und Speckle-Pattern-Interferometrie Holografische Verfahren und die Speckle-Messtechnik werden insbesondere zur genauen Verformungsmessung von Bauteilen eingesetzt: Beide Verfahren lassen sich aber auch zur Untersuchung von stationären Schwingungen einsetzen. Man benutzt hierbei das sogenannte Zeit-Mittelungsverfahren. Dabei werden bei der Aufnahme auf dem Hologramm bzw. der CCD-Kamera innerhalb der Belichtungszeit mehrere Schwingungen aufgezeichnet. Das entstehende Interferogramm zeigt flächenhaft über dem Objekt Interferenzlinien als Orte gleicher lokaler Schwingungsamplitude. Mit solchen Untersuchungen lassen sich auch quantitative Angaben über die räumliche Verteilung der Schwingungsamplituden von Bauteilen gewinnen.

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Farbmessung Einsatzbereiche In folgenden Bereichen spielt die Farbmessung eine wichtige Rolle für die Qualitätssicherung: • Farberkennung Das Wiedererkennen einer Farbe durch Vergleich mit abgespeicherten Farbmustern ist wichtig für die bei der Kontrolle von Farbmarkierungen auf Arzneimittelflaschen, bei der Kontrolle der Reihenfolge verschiedenfarbiger Pillen in Verpackungen oder bei der Sortierung verschiedenfarbiger Gegenstände (z.B. Getränkekästen). • Farbrezeptierung Farbmessgeräte zusammen mit entsprechenden Computerprogrammen erzeugen die gewünschten Farbtöne in der Drucktechnik, beim Lackieren oder bei der Herstellung gefärbter Kunststoffe. • Farbkontrolle Bei zahlreichen Produkten (z.B. bei Textilien) spielt die Farbe (international standardisiert) eine entscheidende Rolle. Die Qualität der Farbwiedergabe ist auch wichtig bei Erzeugnissen der Druckindustrie (Farbdruck), des Maschinenbaus (farbige Produktober-flächen), bei Farbmonitoren und bei LC-Displays. Messprinzip Ziel der Farbmessung ist es, den vom Menschen wahrgenommenen Farbeindruck durch eindeutige reproduzierbare Zahlenwerte zu beschreiben. Die Farbwahrnehmung des menschlichen Auges beruht auf drei unterschiedlichen Sinneszellen, die für die Farben Rot, Grün, Blau empfindlich sind. Ein bestimmter Farbeindruck lässt sich daher durch Angabe der unterschiedlichen Reizstärken der 3 Farbrezeptoren als Zahlentripel charakterisieren, das als Punkt in einem dreidimensionalen Farbraum dargestellt werden kann. Ist die spektrale Energieverteilung des den Farbreiz erzeugenden Lichts bekannt, lassen sich die Farbkoordinaten rechnerisch ermitteln.

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Die Farbmessung wird deshalb so vorgenommen: Das von der Probe rückgestreute Licht wird meist durch ein optisches Gitter spektral in die in drei der menschlichen Farbwahrnehmung entsprechende Farbanteile zerlegt und die genormten Farbkoordinaten berechnet. Anschließend werden diese Farb-Koordinaten mit den eingespeicherten verglichen und entsprechende Aktionen eingeleitet. Einfacher aufgebaut sind Farbmessgeräte, die nach dem Dreibereichsverfahren arbeiten, bei dem häufig keine genormten Farbkoordinaten bestimmt werden. Diese Geräte verwenden drei Lichtempfänger, die direkt den Normfarbwerten X,Y und Z entsprechen. Das Dreibereichsverfahren wird häufig bei Farbsensoren eingesetzt, bei denen es lediglich darauf ankommt, eine oder mehrere Farben aus bestehenden Farbmustern wiederzuerkennen, bzw. festzustellen, ob die Abweichung vom vorgegebenen Farbmuster einen Toleranzwert überschreitet. Anwendungsbeispiele Kontrolle von Farbdisplays

Abb. 4.15 Qualitätskontrolle bei einem Farbdisplay

Bei dieser Anwendung (Abb. 4.15) wird ein spektral messender Sensor eingesetzt. Das Objektiv bildet das (selbstleuchtende) Objekt auf eine Lichtleitfaser ab, die für eine Durchmischung des Lichts sorgt. Die unterschiedlichen Farbanteile sind so gleichmäßig über den Austrittsquerschnitt der Faser verteilt. Das optische Gitter zerlegt das Licht in die spektralen Anteile, die von einem Zeilensensor erfasst werden. Erkennung von Farbmarken Zur Erkennung von Farbmarken nach Abb. 4.16 wird ein Sensor nach dem Dreibereichsverfahren verwendet. Über ein Lichtleiterbündel

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wird das Messobjekt beleuchtet. Das zurückgestreute Licht wird ebenfalls über ein Lichtleiterbündel zum Farbsensor geführt. Die Trennung in drei Wellenlängenbereiche erfolgt durch vor den Sensoren angeordnete dichroitische Spiegel.

Abb. 4.16 Erkennung von Farbmarken (nicht selbstleuchtende Objekte)

Temperaturmessung Messprinzip Mit optischen Messungen im infraroten, nicht sichtbaren Spektralbereich kann die Temperatur von festen , flüssigen oder gasförmigen Körpern sehr schnell, berührungsfrei und mit geringem Fehler bestimmt werden. Die Geräte messen die vom Messobjekt abgestrahlte Strahldichte und berechnen mit Hilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes die Oberflächentemperatur des Messobjektes. Im Gegensatz zu berührenden Temperaturfühlern haben Strahlungstemperatur-Messgeräte folgende Vorteile: • Sie beeinflussen nicht das Messobjekt. Das Messergebnis ist nicht abhängig von der Messentfernung. • Sie sind etwa um den Faktor 1.000 schneller. • Bei Temperaturen über 1.300°C sind sie die einzige kostengünstige Möglichkeit der Temperaturmessung. • Sie sind sehr wirtschaftlich, wenn viele Temperaturwerte gleichzeitig auf einer Fläche gemessen werden sollen. Der vom Messgerät genutzte Wellenlängenbereich richtet sich nach der Messaufgabe. Bei heißen Messobjekten (>500°C) wir das nahe Infrarot genutzt. Bei Objekten im Raumtemperaturbereich

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kommt das mittlere Infrarot bis 14 µm zum Einsatz. Bei großen Messentfernungen nutzt man die atmosphärischen Fenster von 3 µm bis 5 µm oder 8 µm bis 14 µm. Zum Messen der Oberflächentemperatur von Kunststoffen oder Gläsern werden spezielle Spektralbereiche genutzt. Messgeräte Die Strahlungstemperatur-Messgeräte werden in 3 Gruppen eingeteilt: • Strahlungsthermometer (von einer runden Fläche wird die Durchschnittstemperatur ermittelt). • Linescanner (eine Messlinie wird abgetastet und die Temperatur wird entlang der Linie berechnet). • Thermografie-Kamera (das Messobjekt wird als Farbbild dargestellt, wobei der Farbwert einem Temperaturwert zugeordnet ist). Strahlungsthermometer (Pyrometer) Der zu messende Gegenstand wird hierbei durch einen Laserpointer oder einen optischen Sucher anvisiert. Der Temperaturwert wird auf einem Display angezeigt oder als elektrisches Signal an einer Standard-Schnittstelle zur Verfügung gestellt. Die Messgeräte werden bezüglich ihrer Optik, Elektronik und Spektralbereich auf den Anwendungszweck optimiert. Beispiele für Kennwerte von industriell einsetzbaren Strahlungsthermometern sind in der folgenden Tabelle enthalten. Messgröße Messtemperatur-Bereich, unterteilt in Abschnitte Messunsicherheit Rauschäquivalente Temperaturauflösung Distanzverhältnis

Typische Werte -100°C bis 3.000°C

0,1K ± 0,1% des Messwertes 0,05K bei Messtemperatur 20°C , Einstellzeit t90 = 0,25s 1:1 bis 100:1 (Messentfernung/Messfelddurchmesser) Einstellzeit bei Temperatursprung 50ms (90% des Endwertes) (25°C auf 1.000°C)

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Bevorzugte Einsatzgebiete • Unzugängliche, aggressive, spannungsführende oder weit entfernte Messobjekte. • Schnell bewegte Messobjekte, wie Folienbahnen, Walzen, sich drehende Teile oder Fahrzeuge in Bewegung. • Objekte mit schneller Temperaturänderung, wie Impulsheizer, Kühl- und Heizgeräte. • Objekte mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie Glas, Kunststoffe, hochlegierte Stähle, Keramik, Grafite oder Faserverbundwerkstoffe. • Messung durch Sichtfenster hindurch auf das dahinter befindliche Messobjekt, wie in Öfen, Vakuumkammern. • Kleine Messobjekte, Spitzen, Drähte, Gitter, Netze oderFolien. • Objekte mit unterschiedlicher OberflächentemperaturVerteilung, wie Bauwerke, biologische Objekte, Glas- oder Kunststoffbahnen während der Herstellung. • Schnelles Erkennen von Veränderungen, wie bei der Geländeüberwachung, Prüfung von elektronischen Baugruppen, Brandherdlokalisation oder vorbeugende Instandhaltung. Linescanner und Thermografiekameras Linescanner messen gleichzeitig entlang einer Linie die Temperaturverteilung. Thermografiekameras stellen die Temperaturverteilung als flächiges Bild (meist in Farbe) dar. Häufig ist rot die höchste und blau die niedrigste Temperatur, so dass man schnell einen exakten Überblick bekommt. Die Bildgeräte liefern wertvolle Informationen für die Qualitätssicherung in der Entwicklung und der Produktion. Typische Kennwerte von industriell einsetzbaren Thermografiesystemen sind in der folgenden Tabelle enthalten. Bevorzugte Eisatzgebiete Thermografiekameras und Linescanner werden überall dort eingesetzt, wo Bilder einen schnellen Überblick bringen: • Inspektion von energietechnischen Anlagen (Generatoren, Motoren, Hochspannungsleitungen, Transformatoren, Öfen oder Auspuffe).

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Analyse der Wärmeisolation von Gebäuden und Fehlerlokalisation bei der Winddichtheit und Lecks in der Fußbodenheizung. Überwachung von Erwärmungs- und Abkühlprozessen bei Bahnware, Stangen, Drähten oder Folien. Auffinden von Heißläufern an Lagern. Temperaturüberwachung bei der Lebensmittelproduktion (Kakaoerzeugnisse, Backwaren). Optimierung von Reibwiderständen (Reifenprüfung, Bremsbeläge oder Anströmflächen). Prüfung von Wärmeaustauschern, Nachweis der Wirkung der Wärme- oder der Kälteisolation. Lokalisation der thermischen Belastung von Gewässern, Deponien oder Lecks in Fernwärmeleitungen.

Messgrößen von Thermografie-

Typische Werte

systemen Messtemperatur-Bereich, unterteilt in Abschnitte Messunsicherheit Rauschäquivalente Temperaturauflösung Geometrische Auflösung Pixel pro Bild Bildfrequenz

-50°C bis 2.000°C 1K ± 0,5% des Messbereiches 0,02K am Hohlraumstrahler bei 30°C , 1mrad x 1mrad 104 bis zu 106 0,5Hz bis 60Hz

Eine Kombinationen von Thermografiekamera und WärmewellenMesstechnik (Lock-in-Thermografie) eröffnet neue Möglichkeiten der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Damit können Delaminationen in Schichtwerkstoffen, Risse und Inhomogenitäten in größeren Tiefen sichtbar gemacht werden.

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Verformungsmessung Holografische Interferometrie Einsatzbereich Holografische interferometrische Untersuchungen werden im Rahmen der Qualitätssicherung sicherheitsrelevanter Bauteile durchgeführt., deren Fehlerfreiheit unbedingt gewährleistet und dokumentiert werden muss (z. B. Treibstofftanks für Raketen, Castorbehälter oder Flugzeugreifen). Ziel ist es hierbei, Fehler (z.B. Lunker, Schweißnahtfehler, Ablösungen von Laminaten) sichtbar werden zu lassen. Im Entwicklungsbereich wird die Holografie in der vorbeugenden Qualitätssicherung ebenfalls eingesetzt, und zwar hauptsächlich zum Aufspüren von Geräuschquellen, beispielsweise an Autokarossen, Motor-Getriebeblöcken, Bremsscheiben oder Autoreifen sowie zur experimentellen Prüfung von Verformungen spezieller Bauteile (z. B. im Flugzeugbau). Diese Untersuchungen werden heute meist flankierend zu Berechnungen mit der Methode der Finiten Elemente durchgeführt. Messprinzip Die Grundidee der holografischen Interferometrie besteht darin, zwei Zustände eines Objektes, die zeitlich nacheinander vorliegen, mit Hilfe der Holografie aufzuzeichnen und ihre Bilder gleichzeitig zu rekonstruieren. Die gleichzeitig vorhandenen Bilder sind in der Lage, miteinender zu interferieren, so, als ob beide Zustände gleichzeitig vorliegen würden. Aus den sichtbar werdenden Interferenzen können die Verformungsvektoren bzw. die Abweichungen quantitativ ermittelt werden. Abb. 4.17 zeigt eine mögliche Anordnung zur holografischen Untersuchung eines Objektes. Für die Aufnahme des Hologramms müssen zwei Teilbelichtungen auf die gleiche holografsche Filmplatte aufgezeichnet werden; zwischen diesen Belichtungen wird die Belastung des zu untersuchenden Objektes geändert. Für die erste Belichtung sind die Verschlüsse 1 und 3 geöffnet, so dass das Objekt mit der Beleuchtungswelle beleuchtet und gleichzeitig die Hologrammplatte mit der Referenzwelle 1 bestrahlt wird. Die von der rauhen Objektoberfläche diffus reflektierte Welle interferiert aufgrund der Kohärenz des Laserlichtes zu

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einem raumfesten, stationären Mikrointerferenzmuster, den sogenannten Speckles, die mikroskopisch kleine Hell-DunkelErscheinungen in dem Raum vor dem Objekt bilden. Jedes dieser Speckle besitzt eine eigene Phase der Lichtwelle, die durch die Mikrorauheit und die Position der Objektoberfläche festgelegt wird. Diese Phase der Speckle wird in einem mikroskopisch feinen Interferenzmuster in der Hologrammplatte gespeichert, wobei die Speckle mit der ebenfalls einstrahlenden, intensitätsstarken Referenzwelle interferieren. Diese liefert sozusagen die Bezugsphase für das Specklefeld.

Abb. 4.17 Anordnung zur interferometrischen Holografie

Nach der Verformung des Objektes erfolgt die Belichtung 2, wobei nun die Verschlüsse 2 und 3 geöffnet werden. Die nun aufgezeichneten Phasen des aufgrund des neuen Lastfalles leicht modifizierten Specklefeldes werden bezüglich der Phase der Referenzwelle 2 aufgezeichnet. Hierbei ist wesentlich, dass sich die Mikrostruktur der Oberfläche durch die Verformung nicht geändert hat, wohl aber ihre makroskopische Position. Die beiden holografisch gespeicherten Specklefelder unterscheiden sich also ebenfalls nicht in ihrer mikroskopischen Feinstruktur, wohl aber in ihrer makroskopischen Phasenlage zueinander.

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Nach der Entwicklung der Hologrammplatte kann diese mit Hilfe der beiden Referenzwellen 1 und 2 rekonstruiert werden. Jetzt werden also die beiden Verschlüsse 1 und 2 geöffnet; das Objekt selbst wird nicht mehr benötigt. Dabei rekonstruiert Referenzwelle 1 das erste Specklefeld, Referenzwelle 2 das zweite Specklefeld. Da beide Felder eine nahezu identische Feinstruktur der Phase aufweisen, können sie miteinander interferieren. Die Interferenzstreifen zeigen jeweils eine Phasenänderung um 2π an, was einer Verformung der Oberfläche um etwa λ/2 entspricht, wobei λ die Wellenlänge des Lasers bei der Hologrammaufnahme ist. Die Interferogramme werden mit einer CCDKamera aufgenommen und mit Computerprogrammen ausgewertet. Spannungs-, Dehnungs-, Kraftmessung Spannungsoptische Verfahren Spannungsmessungen an transparenten Bauteilen lassen sich traditionell mit spannungsoptischen Verfahren durchführen. Viele lichtdurchlässige, optisch isotrope Körper werden durch elastische Verformung wie Zug, Druck, Biegung und Torsion doppelbrechend. Befinden sich diese Bauteile zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren, so hellt sich das Gesichtsfeld an den Stellen auf, an denen durch Deformation die Brechzahl verändert wurde. Um bei lichtundurchlässigen, komplizierten oder besonders großen Bauteilen die Verteilung der Spannung untersuchen zu können, bringt man maßstabsgetreue Modelle in den Strahlengang zwischen die gekreuzten Polarisationsfilter. Als Material für die Modelle verwendet man Kunsstoffe, beispielsweise Phenolharze. Unter Belastung entstehen Aufhellungen, im weißen Licht Linien gleicher Farbe, sogenannte Isochromaten. Diese entsprechen den Gebieten mit gleicher Hauptspannungsdifferenz . Durch Abzählen der Isochromaten kann man auf die Höhe der Spannung und ihre Verteilung schließen. Sie sind anschaulich die Höhenlinien des Belastungsgebirges. Speckle-Pattern Interferometrie (ESPI) Spannungen und Spannungsverteilung an einer zugbelasteten Probe lassen sich mittels Speckle-Interferometrie direkt an der Universalprüfmaschine aus der Dehnung der Probe ermitteln.

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Faseroptische Sensorik (FOS) zur Spannungs- und Dehnungsmessung Die Vorteile faseroptischer Sensoren sind augenscheinlich: Unempfindlichkeit gegenüber extremen Umgebungsbedingungen (z. B. elektromagnetische Felder, Umwelteinflüsse, Chemikalien, hohe und tiefe Temperaturen), Miniaturisierung, Gewichtseinsparungen, einfache Integration in Bauteile, insbesondere in Faserverbundwerkstoffe, lange Lebensdauer und geringer Wartungsaufwand verbinden sich mit hoher Messgenauigkeit. Der Einsatz faseroptischer Sensoren (FOS) in Messtechnik und Qualitätssicherung wird begünstigt durch die enormen Fortschritte in den optischen Technologien und der Telekommunikation mit kostengünstig erhältlichen Komponenten, den Fasern, Halbleiterlasern, Optokopplern und der zugehörigen Signalelektronik. Die FiberBragg-Grating-Sensoren stehen dabei an der Schwelle der industriellen Einführung und werden zu den wichtigsten Messtechniken gehören. Faseroptische Sensoren mit Multimodefasern Die Lichtausbreitung erfolgt durch Totalreflexion zwischen Fasermantel und Faserkern. Bei Multimodefasern liegt der Kerndurchmesser bei 50 µm. Es wird die Änderung der Lichtintensität durch Krafteinwirkung auf die Faser gemessen. Durch Krafteinwirkung auf die Faser ändert sich die durch die Faser transmittierte Intensität auf Grund von Verlusten durch Modenauskopplung (Abb. 4.18).

Abb. 4.18 Schematische Darstellung der Kraftmessung mit faseroptischen Sensoren

Eine Änderung der Lichtmodulation kann auch durch eine Belastung außerhalb der Faser hervorgerufen werden. Der FOS besteht

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dabei aus einer Sende- und einer oder mehreren Empfängerfasern. Dabei wird das von einer Membran in die Faser zurückgestreute oder zurückreflektierte Licht gemessen. Variiert der Abstand der Membran zum Faserende auf Grund eines äußeren Druckes, so ändert sich die von der Empfängerfaser aufgenommene Lichtmenge (Abb. 4.19).

Abb. 4.19 Faseroptischer Drucksensor mit einer Membran zur Druckaufnahme

Sensoren mit Monomodefasern (Faserinterferometer) Auf Grund des geringen Faserkerndurchmessers von etwa 5 µm kann sich nur ein Wellenmodus entlang der Faser ausbreiten. Bei der Messung wird die Verschiebung der Phase im Lichtwellenleiter (LWL) ermittelt, die durch die Einwirkung einer äußeren Kraft hervorgerufen wird. Durch die Überlagerung des Lichts aus einem Mess-LWL mit dem eines Referenz-LWL lässt sich die Phasenänderung bis zu einer Genauigkeit von 10-6 rad bestimmen. Damit lässt sich ein Verschiebeweg von 10 nm auflösen. Fiber-Bragg-Grating-Fasersensoren (FBGS) Bei Fiber-Bragg-Grating-Fasersensoren handelt es sich um Monomode-Glasfasern (Kerndurchmesser 5 µm), in die eine Gitterstruktur mit einer periodischen Brechzahländerung eingeprägt wird. Diese Gitterstruktur reflektiert das durchlaufende Licht bei der sogenannten Bragg-Wellenlänge, d. h. bei einer Wellenlänge λB, die dem Zweifachen der Gitterperiode d entspricht. Andere Wellenlängen werden ohne wesentliche Abschwächung durchgelassen. Die FBG-Sensoren

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werden zur Spannungsmessung in die zu überwachende Struktur eingebettet. Wird die Faser einer Zugspannung (und oder einer Temperaturänderung) unterworfen, so ändert sich auf Grund der Dehnung der Faser die Gitterperiode (und die Brechzahl) und damit die Wellenlänge des reflektierten Laserlichtes. Aus der Wellenlängenänderung lassen sich Dehnungen und Zugspannungen sehr genau bestimmen. Der Messbereich für die Dehnung der FBGS reicht von – 103 µm pro Meter Faserlänge bis +104 µm/m und besitzt eine relative Auflösung bis zu 1 µm/m (µε). Die Messtechnik ist sehr robust, da ja nicht die Intensität, sondern die Wellenlängenänderung des reflektierten Lichtes als Messgröße auftritt. Allerdings ist häufig eine Temperaturkompensation erforderlich (z. B. durch einen weiteren FBGS für die Temperatur). Die Länge eines Bragg-Gitters liegt bei 1 mm. In eine Faser lassen sich mehrere Gitter unterschiedlicher Periode an beliebig verschiedenen Stellen einschreiben. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, mit einer Faser eine Vielzahl von Meßstellen (bis zu 100) gleichzeitig zu überwachen. Wird zusätzlich die Laufzeit des reflektierten Signals bestimmt, so lassen sich die Stellen der äußeren Kraft- oder Lasteinwirkung angeben. Die erreichbare Ortsauflösung liegt (bei Faserlängen von 1 km) bei etwa 1 m. Als Lichtquelle wird ein breitbandiger Laser (z.B. eine Superlumineszensdiode) oder ein durchstimmbarer Laser eingesetzt. Auch das Verfahren des Wellenlängenmultiplexing findet Anwendung. Da die Signalgewinnung schnell erfolgt, ist es möglich, dynamische Lastwechselvorgänge an Bauteilen zu messen und Schwingungen- und Vibrationen auszuwerten. Die Abtastfrequenzen reichen im Augenblick bis 500 Hz. Vorteilhaft ist dabei die im Vergleich zu anderen Sensoren (auch z. B. Dehnmess-Streifen) außerordentlich hohe Lebensdauer der FBGS, die mehr als 106 Belastungszyklen standhält, sowie ihre Stabilität über lange Zeiträume (>25 Jahre). Anwendungen Es sind in der nahen Zukunft weitreichende Anwendungen bei vielen Mess- und Überwachungsaufgaben (Monitoring) in Luft- und

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Raumfahrt, im Automotive-Bereich und in der Bautechnik zu erwarten: • Integration von FBGS in Bauteile aus Verbundwerkstoffen, z.B. in die Tragflügel von Verkehrsflugzeugen, in die Rotorblätter von Hubschraubern, in den Mast von Hochseeyachten, zur Untersuchung und der Überwachung von statischen und dynamischen Belastungen. • Integration von FBGS in Schiffsrümpfen, Treibstoffbehälter von Flugzeugen und Raketen sowie Karosserien. • Überwachung (Monitoring) von Bauwerken mit langreichweitigen Fasern und mit Fasernetzen, beispielsweise Staudämme, Hängbrücken, Hochhäuser, Kernreaktoren, Tunnel oder Offshore-Anwendungen. Feuchtemessung Messprinzip und Einsatzbereich Der physikalisch gebundene Anteil von Wasser in Gasen oder festen Stoffen wird als Feuchte bezeichnet. Den Feuchtegehalt an der Oberfläche von Gegenständen kann man optisch messen; denn die Wassermoleküle verursachen im infraroten Spektralbereich Absorptionsunterschiede. Das feuchte Messobjekt wird mit infraroter Strahlung bestrahlt, die aus zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen stammt. Die Strahlungsanteile des 1. Wellenlängenbereiches werden auf Grund der Feuchte stark absorbiert und die Anteile des 2. Wellenlängenbereich werden deutlich weniger absorbiert. Der Quotient der beiden Messergebnisse (Signal der 1. Messung geteilt durch Signal der 2. Messung) ist proportional dem Wasseranteil im Messgut. Nach dem gleichen Prinzip werden auch die Gasanteile in der Luft bestimmt. Aus Kostengründen nutzt man bei der Feuchtebestimmung Absorptionsbanden bei 0,95µm, 1,1µm, 1,43µm und 1,93µm. Je nach Anzahl und Anordnung der optischen Sensoren (z. B. Einelementsensor, Zeile oder Matrix) kann der Durchschnittswert der Feuchte von einer Fläche, die Feuchteunterschiede entlang einer Linie oder von einer ganzen Fläche bestimmt werden. Besonders aussagekräftig sind Bildaufnahmen, bei denen man in Millisekunden

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Feuchtewerte von einer ganzen Fläche erhält. Die beiden Wellenlängenbereiche 2 µm bis 5 µm sowie 8 µm bis 14 µm eignen sich ebenfalls für die Feuchtebestimmung. Dafür können kommerzielle Thermografiekameras eingesetzt werden (Abschn. C 5.5) mit dem Vorteil einer schnellen, berührungslosem Bestimmung der Oberflächenfeuchte im Bereich von 0% bis 10% relative Feuchte. Typische Anwendungsfelder Die Anwendungsfelder liegen vor allem bei der Feuchtemessung an der Oberfläche von Baustoffen, Pulver, Tabak, Lebensmittel, Bauwerken und Gemälden. Oberflächenmesstechnik Lichtmikroskopische Verfahren zur Abbildung technischer Oberflächen arbeiten mit Hellfeld- oder Dunkelfeldbeleuchtung; sie gestatten mittels Okularmikrometern ein laterales Ausmessen von Oberflächenstrukturen und sind durch folgende Grenzdaten gekennzeichnet: Maximale Vergrößerung ca. 1.000fach, laterales Auflösungsvermögen in der Objektebene ca. 0,3 µm, Steigerung der Tiefenauflösung auf ca. 1 nm durch Methoden des Interferenzkontrasts nach Normanski. Gleichzeitig hohe Vergrößerung (bis zu 105fach) und große Tiefenschärfe (> 10 µm bei 5.000facher Vergrößerung) liefert das Rasterelektronenmikroskop (REM). Bei REM wird in einer Probenkammer unter Hochvakuum ein Elektronenstrahl rasterförmig über die Probenoberfläche bewegt, und die in Abhängigkeit von der Oberflächen-Mikrogeometrie rückgestreuten Elektronen (oder ausgelöste Sekundärelektronen) werden zur Helligkeitssteuerung (Topographiekontrast) einer Fernsehröhre verwendet. Mit Methoden der Bildverarbeitung (z.B. Graustufenanalyse) oder stereoskopischen Auswerteverfahren kann außer der Oberflächenabbildung eine numerische Klassifizierung der Oberflächenmikrogeometrie vorgenommen werden. Beim Lichtschnittmikroskop erfährt eine unter 45° auf eine technische Oberfläche projizierte schmale Lichtlinie (optisches Spaltbild) durch die Oberflächenmikrogeometrie eine affine Verzerrung, die fotographisch dargestellt oder in einem Okularmikrometer mikroskopisch ausgemessen werden kann und eine Bestimmung von Rautiefen für RZ > 1 µm gestattet.

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Beim Interferenzmikroskop ergeben optische Schnitte parallel zur auszumessenden Oberfläche durch Lichtinterferenz ein Höhenschichtlinienbild von (spiegelnden, nicht zu rauen) Oberflächen mit Niveaulinien im Abstand von λ/2; die messbaren Rautiefenunterschiede betragen ca. 0,02 µm. Beim Streulichtverfahren ergibt eine vergleichende Intensitätsmessung bei der Reflexion der auf eine Oberfläche projizierten Lichtbündel durch eine statistische Auswertung (Bildung des zweiten Moments) eine mit dem arithmetischen Mittenrauwert Ra korrelierte Kennzahl. Da Streulichtverfahren überwiegend auf Oberflächenneigungen der mikroskopischen Rauheitshügel reagieren, sind diese Verfahren nicht nur zur Rauheitsmessung, sondern auch zur Erfassung von Welligkeiten geeignet. Drehzahlmesstechnik Drehzahlfrequenzen können mit optisch aufgenommenen Impulsen unter Nutzung von Zählern digital dargestellt werden (Abb. 4.20).

Abb. 4.20 Optoelektronischer Impulsabgriff zur digitalen Drehzahlmessung. 1 Lichtquelle, 2 Kondensor, 3 Objektiv, 4 Lochscheibe, 5 optoelektronischer Empfänger

Bei der stroboskopischen Messung einer Drehzahl n wird ein mit z Zeilen markiertes Messobjekt mit einer pulsgeregelten Lichtquelle der Frequenz f beleuchtet, bis sich ein stehendes Bild ergibt; es gilt dann n = f / z. Lichtmesstechnik Lichttechnische oder fotometrische Kenngrößen beziehen sich auf sichtbare Strahlung im Wellenlängenbereich λ = 380 nm (blau) bis 780 nm (rot). Ihre Werte ergeben sich aus physikalischen Größen der elektromagnetischen Strahlung unter Benutzung des fotometrischen

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Strahlungsäquivalents Km = 683 lm/W bei Bewertung durch den spektralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) des menschlichen Auges. Die Lichtmenge Q ist die V(λ) getreu bewertete Strahlungsmenge Qe(λ)

∫

Q = K m Qe (λ) ⋅ V (λ) dλ .

Lichtstrom Φ = dQ/dt. Quotient aus Lichtmenge Q und Zeit t, Einheit Lumen (lm). Lichtstärke I = dΦ/dΩ. Quotient aus Lichtstrom Φ und durchstrahltem Raumwinkel , Einheit 1 Candela (cd) = 1 lm/sterad. Beleuchtungsstärke E = dΦ/dA. Quotient aus Lichtstrom und davon beleuchteter Fläche, Einheit 1 Lux (lx) = 1 lm/m². Empfehlungen: Straßen 4 lx bis 16 lx; Wohnräume von 120 lx bis 250 lx; Zeichensäle 250 lx bis 600 lx; Arbeitsplätze mit hohen Anforderungen 1.000 lx bis 2.000 lx. Leuchtdichte L = d²Φ/(dΩ⋅dAcosε). Quotient aus dem durch eine Fläche A in einer bestimmten Richtung ε durchtretenden (oder auftreffenden) Lichtstrom Φ und dem Produkt aus durchstrahltem Raumwinkel Ω und der Flächenprojektion A⋅cosε senkrecht zur Richtung ε, Einheit Candela/Quadratmeter (cd/m²). Fällt ein Lichtstrom Φ0 auf ein Material, so wird ein Anteil reflektiert (Φr), ein Anteil absorbiert (Φa) und häufig ein Anteil durchgelassen (Φd). Es gilt: Φr + Φa + Φd = Φ0, Φr Φa Φd + + =1, Φ0 Φ0 Φ0 ρ + α + τ = 1. Die Größen Reflexionsgrad ρ, Absorptionsgrad α und Transmissionsgrad τ bilden mit den photometrischen Grundgrößen Φ, I, E, L die Basis zur Kennzeichnung der lichttechnischen Eigenschaften von optischen Strahlungsquellen und Materialien.

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Photometer Sie bestehen aus einem Fotometerkopf mit optoelektronischem Empfänger (z.B. Fotoelement mit linearem Zusammenhang zwischen Kurzschluss-Fotostrom und Beleuchtungsstärke) sowie Einrichtungen zur spektralen Bewertung (z.B. mittels Filtern) und zur richtungsabhängigen Bewertung (z.B. mittels Goniometern) des zu messenden Lichtes. Die Messung von Lichtstärke und Leuchtdichte kann häufig auf die Messung von Beleuchtungsstärken zurückgeführt werden. Wird eine auszumessende Lichtquelle (z.B. eine Leuchte) in einem Kugelfotometer (Ulbrichtsche Kugel) angebracht, so kann ihr Lichtstrom Φ aus Messung der Beleuchtungsstärke EK auf der Kugeloberfläche A (ρ Reflexionsgrad der Kugelwand) bestimmt werden aus 1− ρ Φ = EK A. ρ Farbmesstechnik Basis der Farbmessung ist das Farbmetrische Grundgesetz: Das helladaptierte Auge bewertet eine einfallende Strahlung (Farbreiz) nach drei voneinander unabhängigen, spektral verschiedenen Wirkfunktionen linear und stetig, wobei sich die Einzelwirkungen additiv linear zu einer einheitlichen Gesamtwirkung zusammensetzen, die Farbvalenz genannt wird. Jeder Farbvalenz ist ein Farbvektor F zugeordnet, der vom sog. Schwarzpunkt ausgeht und durch die Farbwerte X, Y, Z als Vektorkoordinaten eines (virtuellen) Normvalenzsystems X, Y, Z festgelegt ist (Vektorraum der Farben mit Normfarbwert Y als Hellbezugswert). F = XX + YY + ZZ. Die Kennzeichnung einer Farbe erfolgt durch Angabe der relativen Größen ihrer Farbwerte (die Normfarbwertanteile x = X/(X + Y + Z); y = Y/(X + Y + Z); z = Z/(X + Y + Z)). Da x + y + z = 1, genügt die Angabe von x und y allein, so dass eine Farbe durch zwei rechtwinklige Koordinaten zu einer ebenen Farbtafel dargestellt werden kann (Abb. 4.21).Die messtechnische Bestimmung von Normfarbwerten erfolgt mit Dreibereichsverfahren oder Spektralverfahren. Als Maß für die Farbvalenz von Lichtquellen wird näherungsweise die Temperatur („Farbtemperatur Tf“) eines farbgleich strahlenden Planckschen Strahlers verwendet.

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Abb. 4.21 Normfarbtafel; der Kurvenzug kennzeichnet den Ort der Spektralfarben, angegeben in Wellenlängen (farbtongleiche Wellenlängen)

Dreibereichsverfahren. Mit diesem Verfahren werden die drei Farbwerte der zu messenden Farbvalenz durch fotometrische Messungen bestimmt. Für jeden Farbwert wird ein optoelektronischer Empfänger benutzt, dessen relative spektrale Empfindlichkeit an die jeweilige Normspektralwertfunktion angepasst ist. Bei entsprechendem Abgleich der drei Empfänger können die zwei Normfarbwertanteile x, y direkt angezeigt werden.

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Spektralverfahren. Bei diesem Verfahren wird jede Farbvalenz als additive Mischung aus spektralen Farbvalenzen aufgefasst. Der Messvorgang mit einem Spektralfotometer, bestehend aus einem Spektralteil (Monochromator) und einem Fotometerteil (optoelektronischer Empfänger), erstreckt sich hier auf die Bestimmung der Farbreizfunktion, die anschließend in einer „valenzmetrischen Auswertung“ mit den Farbseheigenschaften des Normalbeobachters rechnerisch vereinigt wird. Refraktometrie Eine wichtige optische Stoffkenngröße ist die Brechungszahl n = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c0 / Lichtgeschwindigkeit im Medium c. Beim Durchtritt eines Lichtstrahls durch die Grenzfläche zweier optisch transparenter (homogener und isotroper) Stoffe der Brechungszahlen n1 und n2 tritt eine Richtungsänderung des Lichtstrahls (Lichtbrechung oder Refraktion) ein, beschrieben durch das Brechungsgesetz n1sinα1 = n2sinα2 (α1, α2 Eintritts- bzw. Austrittswinkel bezogen auf die Grenzflächennormale). Die Brechungszahl n ist außer vom Stoff auch von der Dichte und der Wellenlänge λ des Lichts abhängig (Dispersion); n nimmt mit abnehmendem λ zu. Refraktometer. Sie dienen zur Bestimmung der Brechungszahl von (flüssigen) Substanzen. Die Messprobe wird auf ein Messprisma gegeben, das Gerät thermostatisiert und die Grenzfläche mit monochromatischem Licht bestrahlt. Grundlage der Messung ist das Brechungsgesetz: n1 (Messprisma) ist bekannt, Einfalls- und Ausfallswinkel werden gemessen und daraus n2 (Messsubstanz) bestimmt. Das Abbe-Refraktometer arbeitet nach dem Prinzip der Totalreflexion mit einem zur Grenzfläche Messprisma/Messsubstanz streifend einfallendem Lichtbündel. Messbereich n = 1,3 bis 1,8; Auflösung 10-4 bis 5⋅10-6. Polarimetrie Optisch aktive Stoffe drehen die Lichtebene linear polarisierten Lichts, woraus mit Polarimetern ihre Konzentration in wässrigen Lösungen bestimmt werden kann. Polarimeter bestehen (Abb. 4.22) aus einer Lichtquelle mit Wellenlängeneinstellung, einem Polarisator zur

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Abb. 4.22 Aufbau eines Polarimeters. 1 Lichtquelle, 2 Wellenlängeneinstellung, 3 Polarisator, 4 Halbschattenelement, 5 Küvette mit Probe, 6 Analysator mit Teilkreis, 7 Empfänger

Erzeugung linearpolarisierten Lichts, einem Halbschattenelement bzw. einem Drehschwingmodulator (Faraday-Spule), einem drehbaren Analysator mit Teilkreis und einem optoelektronischen Empfänger. Ausgehend von einer gekreuzten Stellung von Polarisator und Analysator (kein Lichtdurchgang) wird der beim Einbringen einer optisch aktiven Substanz eintretende Lichtdurchgang durch Drehen des Polarisators wieder auf Null abgeglichen. Aus dem gemessenen Drehwinkel kann nach dem Gesetz von Biot die Konzentration mit einer Genauigkeit von ca. 0,1% bestimmt werden. Strahlungsmesstechnik Für die Belange der Strahlungsmesstechnik ist neben der niederenergetischen elektromagnetischen Strahlung, z.B. Temperaturstrahlung oder der optischen Strahlung besonders die bei Atomkernumwandlungen auftretende hochenergetische ionisierende Strahlung, z.B. in der Form von den radioaktiven α−, β− oder γ–Strahlen von Interesse. α–Strahlen bestehen aus Heliumkernen (zwei Protonen und zwei Neutronen) mit einer Reichweite von wenigen Zentimetern in der Luft. β–Strahlen sind freie Elektronen hoher Geschwindigkeit; Reichweite in Luft etwa 5 m. Die γ–Strahlen sind kurzwellige (λ = 10-9 cm bis 10-12 cm), aus Atomkernen stammende elektromagnetische Wellen, ähnlich wie Röntgenstrahlen, jedoch mit noch höherer Durchdringungsfähigkeit. Die wichtigen Kenngrößen ionisierender Strahlung sind: Aktivität. Eigenschaft bestimmter Atomkerne, sich spontan unter Aussendung von Strahlung umzuwandeln, die Einheit 1 Becquerel (Bq) = 1 Umwandlung /s; als typischer Grenzwert für Atemluft gilt 300 Bq/m³.

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Halbwertszeit T1/2. Zeit, in der die Aktivität einer radioaktiven Substanz und somit die Anzahl ihrer zerfallsfähigen Atomkerne auf die Hälfte des Ausgangswerts abgesunken ist; z.B: T1/2 (Jod 131) = 8 Tage, T1/2 (Strontium 90) = 28 Jahre, T1/2 (Cäsium 137) = 30 Jahre. Energiedosis D. Energie, welche die Strahlung an den durchstrahlten Stoff (Masse) abgibt, Einheit 1 Gray (Gy) = 1 J/kg (= 100 Rad). Effektive Äquivalentdosis (Strahlungsschutzgröße) Dq. Produkt aus Energiedosis D und Bewertungsfaktor q für die Strahlungsempfindlichkeit einzelner biologischer Organe und Gewebe, Einheit 1 Sievert (Sv) = 1 J/kg (=100 Rem). Anhaltswerte: Jahresdurchschnittsbelastung für Bewohner der Bundesrepublik Dq = 3 mSv, unbedenklicher Höchstwert (Berufsbelastung) Dq = 50 mSv, letale Dosis 7 Sv. Anregungsdetektoren. Die zu messende Strahlung führt zu einer Lichtemission in Kristallen, Kunststoffen, Flüssigkeiten und Gasen. Bei Szintillationszählern werden in strahlenempfindlichen Detektoren (z.B. NaJ-Kristalle) Lichtblitze erzeugt und mit einem Sekundärelektronenvervielfacher in elektrische Signale umgesetzt. Andere Ausführungsarten arbeiten mit Thermolumineszenzdetektoren oder Radiophotolumineszenzdetektoren. Aktivierungsanalyse. Die Methode beruht auf der Aktivierung der zu untersuchenden Materialien durch den Beschuss mit Strahlungen (Neutronenquelle), die nukleare Umwandlungen auslösen. Die in der Probe enthaltenen Spurenelemente werden dabei aktiviert und können z.B. mit Halbleiterzählern und Vielkanalanalysatoren aus der bei ihrem Zerfall freigesetzten Strahlung qualitativ und quantitativ bestimmt werden; die Nachweisempfindlichkeit für einzelne Elemente liegt bei Stoffmengen bis zu 10-13g.

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4.3 Mikrowellen Einleitung Als Mikrowellen werden elektromagnetische Wellen im Wellenlängenbereich von Zentimetern und darunter bezeichnet. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und werden durch ihre Schwingungsparameter charakterisiert: Frequenz, Wellenlänge, Amplitude, Phase, Schwingungsebene. Der Vorteil der Mikrowellen liegt in ihrer im Vergleich zum Licht um den Faktor 10³ bis 105 größeren Wellenlänge, der Nachteil in ihrer aufwändigeren Erzeugung und Erfassung. Da Objekte, die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge, keine große Störung verursachen, können Mikrowellen in Staub- und Dampf(Nebel)-Umgebung eingesetzt werden, in welcher Licht durch zu starke Absorption und Streuung versagt. Dafür müssen aber andererseits die zu erfassenden Objekte mindestens in der Größenordnung der Wellenlänge liegen um nutzbare Signale zu erzielen. Spezielle Verfahren lassen allerdings bei fehlenden Störungen unter Nutzung der Streuung auch noch die Erfassung von Objekten zu, die nur 1/10 der Wellenlänge groß sind. Doppler-Geschwindigkeitsmessung Bewegt sich ein Körper mit der Geschwindigkeit v auf einen ruhenden Mikrowellensender der Frequenz νL zu, so empfängt er die Frequenz νL. Bezieht man die Geschwindigkeit v auf die Wellengeschwindigkeit c v/c = β , so ergibt sich ν K = ν L (1 + β ) . Das von dem Körper reflektierte Mikrowellensignal der Frequenz νK hat beim Auftreffen auf einen neben dem Sender ruhenden Empfänger die Frequenz νE ν νE = K . 1− β Somit ergibt sich für νE

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1+ β ≈ ν L (1 + 2 β ) . 1− β Diese Näherung berücksichtigt die ersten Glieder der Reihenentwicklung. Der Fehler bezüglich der Frequenzänderung beträgt 0,01% für v = 30 km/s. Für eine Geschwindigkeit, die nicht größer ist (1/10.000 der Lichtgeschwindigkeit), kann auch die aus der Lorentz-Transformation resultierende Zeitdilatation unberücksichtigt bleiben, da der Fehler der Frequenzänderung in diesem Falle maximal 0,015% beträgt. Wenn die Wellenausbreitung in Richtung der Bewegungsbahn erfolgt, ergibt sich die Frequenzverschiebung zu 2v ν D = ν L = 2 βν L . c Aus dieser Gleichung folgt für den relativen Fehler ∆v ∆c ∆ν L ∆ν D . = + + v c νL νD ∆ν L ∆c Hierbei beträgt etwa 10-6, bei Verwendung eines guten c νL Senders 10-4. Ist eine Genauigkeit von 1% ausreichend, so zählt als einziger Wert die Genauigkeit, mit welcher die Doppler-Frequenz erzeugt und aufgezeichnet wird. Die Wellenlänge λ ist proportional 1/ν. Somit ist für diesen Fall 1− β λE = λL ≈ λL (1 − 2 β ) , 1+ β λD = −2 βλL . Man erkennt, dass für den Dopplereffekt bei Geschwindigkeiten kleiner 300 m/s sich β–Werte < 10-6 ergeben. Für GHz-Frequenzen bedeutet dies Verschiebungen um weniger als 1 kHz. ν E =νL

Laufzeitmessung (Radar) Die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit liegt in der Luft im Bereich von 30 cm/ns. Somit ist mit einer präzisen Zeitmessung eine Entfernungsmessung möglich. Solche Entfernungsmessungen in bekannten Zeitintervallen erlauben es, die Bewegung eines Objektes zu erfassen. Diese Methode wird beim Radar-Verfahren genutzt.

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Steuerungstechnik

5.1 Allgemeines Steuerungstechniken Sie werden in selbstarbeitenden und automatisierten (Produktions-) Prozessen genutzt und umfassen: • logisches Einsetzen von Schaltvorgaben; • logisches Verarbeiten von Signalen aus dem Prozess; • Geben von Kommandos gemäß dem Prozess; • Antrieb (pneumatisch, elektrisch, hydraulisch). Die digitale Steuerung eines Prozesses verläuft gemäß einer logischen Schaltung von Programmen und arbeitet mit Hilfe von digitalen Signalen. Die Steuerung kann mit pneumatischen, elektrischen (Relais) oder elektronischen Komponenten ausgeführt werden oder mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS). Normen Die wesentlichsten Normen auf diesem Gebiet sind: DIN 1319 Grundbegriffe der Messtechnik DIN 19226-1/5 Leittechnik; Regelungstechnik und Steuerungstechnik; Begriffe... DIN 19237 Steuerungstechnik; Begriffe DIN 19239 Speicherprogrammierbare Steuerungen; Programmierung DIN 40719-6 ...; Regeln für Funktionspläne

5.2 Symbole In der Steuerungstechnik sind von Belang: • pneumatische und hydraulische Symbole (siehe folgende Seiten); • logische Symbole der Informatik; • elektrotechnische und elektroinstallationstechnische Symbole.

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Pneumatische und hydraulische Symbole Tabelle 5.1 Anschlusskodierungen von pneumatischen Ventilen Anschluss

bisheriger

neuer

Buchstabencode

Zifferncode (ISO)

Speisung

P

1

Ausgänge

A; B

2; 4

Entlüftung

R; S

3; 5

Steuerluft

z; y

12; 14

14: 1 → 4 und 2 → 3

14: 1 → 4 und 2 → 3

12: 1 → 2

12: 1 → 2 und 4 → 3

12: 1 → 2 und 4 → 5

12: 2 → 3

Abb. 5.1 Beispiele für Anschlusscodierungen Tabelle 5.2 Pneumatische und hydraulische Symbole

STEUERUNGSTECHNIK Tabelle 5.2 Fortsetzung

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C/108 Tabelle 5.2 Fortsetzung

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STEUERUNGSTECHNIK Tabelle 5.2 Fortsetzung

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Tabelle 5.3 Elektrotechnische Symbole Schaltkontakte

Grundsymbole Schließkontakt unbetätigt ebenso betätigt

bistabile Betätigung

Grundsymbole Öffnerkontakt unbetätigt

ebenso mechanisch betätigt im Stillstand der Maschine

Schließkontakt relaisbetätigt

monostabile Betätigung (Federrückstellung)

Öffnerkontakt relaisbetätigt

Wechselkontakt bistabil betätigt

Wechselkontakt relaisbetätigt

doppelpoliger Schalter monostabil betätigt

Reedkontakt

pneumatisch betätigt monostabil Wechselkontakt

hydraulisch betätigt monostabil Wechselkontakt

STEUERUNGSTECHNIK

C/111

Tabelle 5.3 Fortsetzung Betätigungen

Verschiedenes

Stift

Elektromotor

verzögert schließend

Diode

Rolle

Fuß Pedal

Schlüssel

verzögert öffnend

Hand

Hebel

Signallampe

Relaisspule

Spule von pneumatischem oder hydraulischem Steuerschieber

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5.3 Schemata Zeichnungsregeln Pneumatische Schemata: • Informationsfluss von unten nach oben; • Zeichnung im Ruhe- oder Einschaltzustand der Maschine; • im Ruhezustand mechanisch betätigte Signalgeber der Maschine werden betätigt gezeichnet; • aufteilen in drei übersichtliche von einander getrennte Teile (Signale, logische Steuerung und Antriebe). Elektrische Stromkreisschemata: • Zeichnung im Ruhe- oder Einschaltzustand der Maschine; • Kontakte, die im Ruhezustand betätigt sind, werden auch betätigt gezeichnet; • Zeichnung im spannungslosen Zustand, so dass Relaiskontakte stets im unbetätigten Zustand gezeichnet werden; • nur elektrische Steuerungsanteile darstellen (also keine pneumatischen Ventile und dergleichen); • Spule und Kontakte eines Relais getrennt voneinander zeichnen; • Stromkreise von jeder Zeichnung mit festen Abständen zwischen den Phasen zeichnen (+ und 0 oder + und – oder L und N); • alle ausführenden Organe wie Spulen, Lampen und dergleichen in dem unteren Bereich des Stromkreises zeichnen. Logische Schemata: • Informationsfluss von links nach rechts oder von oben nach unten; • nur logische Funktionen und ihre Beziehungen zeichnen (also keine Spulen, Lampen und dergleichen); • Symbolblöcke nur in der notwendigen Größe zeichnen; • die Anzahl der Eingänge bei einer logischen Funktion ist unbegrenzt.

STEUERUNGSTECHNIK

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Beispiel Ausgangspunkt ist Abb. 5.2; Abb. 5.3 bis Abb. 5.5 geben die Steuerungsschemata. monostabil Schaltformeln v verkürztes Symbol Signalgeber

monostabil

b0 v

set = a 0 ⋅ s ⎫ ⎬ Q1 = ( a 0 ⋅ s + q1 ) ⋅ b1 reset = b1 ⎭ set = b1 ⎫ Q2 ⎬ Q2 = (b1 + q 2 ) ⋅ c1 reset = c1 ⎭ Q1

A+ = q A − = c 0 ⋅ q1 ⋅ q 2 bistabil

a0

B + = a1 ⋅ q1 C + = b0 ⋅ q 2

Signale

Steuerung

Antriebe

Abb. 5.2 Lageskizze und Schaltformeln einer Reihenschaltung von drei Zylindern

Abb. 5.3 Pneumatisches Schema für Abb. 5.2

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Ausführung

Steuerung

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s ö s ö s ö 2 7 4 7 3 1 6 9 8 Abb. 5.4 Elektrisches Stromkreisschema von Abb. 5.2

Signale

Steuerung

Abb. 5.5 Logisches Schema für Abb. 5.2

Kodierungen gewählt in Verbindung mit den Steuerbefehlen

Ausführung

STEUERUNGSTECHNIK

C/115

5.4 Sequenzielle Schaltungen Sequenzielle Schaltungen: Die Bewegungen der Ausführungsorgane verlaufen gemäß einem festen Muster (z.B. Verpackungsmaschinen).

bistabil bistabil monostabil

Bewegungen

W-S-T Diagramm Das Weg-Signal-Zeit-Diagramm ist eine grafische Wiedergabe der Bewegungen, Signale und Befehle einer Folgeschaltung bezüglich der Zeit (Abb. 5.6).

Schaltformeln

Q

set = b0 ⋅s reset = t 0 + n

A + = q ⋅ a0 ⋅ b0

Notaus

Signale

A − = a1 + n B + = a1 ⋅ n

Befehle

B− = q M =q T0 = b1 ⋅ a 0 Primäre Signale; b0, t0, q, a1, b1, q Anfüllungssignal für A+: a0 Extra Signale: Zeitfür Q: s, für A+: b0, oder für T0: a0 WechNotaussignal: sellinie n, n Abb. 5.6 Weg-Signal-Zeit Diagramm für die Bewegung von zwei Zylindern und einem Motor

C/116

MESSEN, STEUERN, REGELN

Ermittlung der Schaltformeln Bei der Ermittlung der Schaltformeln nach der „SchaltformelMethode“ gelten die folgenden Regeln: • Notiere nach dem Befehl zuerst das primäre Signal (das Signal, das gerade „1“ geworden ist); • Ein primäres Signal, das nicht die richtige Länge hat, um als Befehl zu fungieren, kann entsprechend verkürzt werden durch eine hinzugefügte UND-Funktion oder verlängert werden durch ein anfüllendes Signal mit einer hinzugefügten ODER-Funktion; • Extra Signale dienen dazu, die Folgebewegung in Gang zu setzen (Start s) und dem Zyklus besondere Bedingungen hinzuzufügen (z.B. die Bedingung, dass ein neuer Bewegungsschritt beginnen darf, wenn alle vorangegangenen Bewegungen ausgeführt wurden; siehe in Abb. 5.6 die Punkte auf der Zeitlinie 2 und die Schaltformel für T0, wo das primäre Signal a0 als extra Signal hinzugefügt ist); • Nur das Startsignal darf im allgemeinen Einfluss auf die Zeitlinie 0 haben (das Signal kann dann einzig in Befehlen vorkommen, die an dieser Zeitlinie beginnen); • Jeder Befehl wird mit einer minimalen Anzahl von Signalen ausgeführt; • Bei bistabilen Bedienungsorganen dürfen sich der Plus- und der Minus-Befehl nicht überlappen; • Wenn zur Zeitlinie 0 ein monostabiles Ausführungsorgan startet, ist ein Startspeicher notwendig; • Wenn bei Betätigung des Notaus alle Ausführungsorgane in Ruheposition zurückkehren sollen, gelten folgende Regeln: • Mache monostabil bediente Ausführungsorgane von einem Speicher abhängig und setze diesen Speicher mit dem Notaus zurück (reset dominant); • Wenn der Plus-Befehl von einem bistabilen Befehl nicht von einem Speicher abhängig ist, dem Signal UND n zufügen; • Wenn der Minus-Befehl eines bistabilen Ausführungsorgans nicht von einem invertierten Speichersignal abhängig ist, dem Signal ODER n zufügen.

STEUERUNGSTECHNIK

C/117

5.5 Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS-Technik) Allgemeines SPS sind Automatisierungsgeräte, vorzugsweise für den Einsatz bei prozess- und zeitgeführten Ablaufsteuerungen. Sie sind modulare, flexibel an die jeweilige Steuerungsaufgabe, hinsichtlich der hardwaremäßigen Konfigurierung und der softwaremäßigen Ausführung der Steuerungsprogramme anpassbare Steuerungssysteme. Das Steuerungsprogramm befindet sich in einem in der Regel austauschbaren, programmierbaren Halbleiter-Nurlesespeicher.

Abb. 5.7 Prinzipieller Hardware-Aufbau einer SPS

Die SPS besteht im Kern aus. • Zentraleinheit, die je nach Leistungsumfang als spezielles Hardwaresteuerwerk, als Bit- oder Wort-Prozessor oder auch als Mehrprozessoranordnung ausgeführt ist. Sie steuert die zyklische Bearbeitung des Steuerprogramms und führt dabei die Verknüpfungen, die arithmetischen und sonstigen Verarbeitungsoperationen aus. Als weiter Aufgaben wickelt sie den Datenaustausch zwischen Speichern, Verarbeitungseinheiten und diversen Interface-Einheiten ab. Diese Operationen laufen taktsynchron (synchrone Steuerung) ab.

C/118 •

•

•

•

•

MESSEN, STEUERN, REGELN Schreib-/Lesespeicher für die Speicherung des Prozessabbildes , d.h. der Werte aller Ein- und Ausgabesignale der Steuerung, von Zwischenergebnissen, von Merkerinhalten usw., meistens als batteriegepufferter Halbleiterspeicher (Random Access Memory, RAM) ausgeführt. Nurlesespeicher, der üblicherweise aus mit UV-Licht löschbaren EPROM-Bausteinen (Erasable Programmable Read Only Memory) oder aus elektrisch löschbaren EEPROMBausteinen (Elektrically Erasable Programmable Read Only Memory) aufgebaut ist. Dieser austauschbare Speicher ist in der Regel ausbaubar in Vielfachen von 1 kByte und dient der nichtflüchtigen Speicherung des Steuerungsprogramms. Koppelinterface für den Anschluss von Ein-/Ausgabeeinheiten zur Aufnahme der Eingangs- und Ausgangsschaltungen, die in Anzahl und Art bedarfsabhängig aufgerüstet werden können. Über diese Einheiten wird die Steuerung mit dem Prozess sowie den Bedien- und Beobachtungskomponenten verbunden. Der Anschluss der Ein-/Ausgabeeinheiten über das Koppelinterface an die Steuerung erfolgt durch parallele, bei manchen Systemen auch durch serielle Busverbindung (Ein-/Ausgabebus). Koppelinterface zum Anschluss eines speziellen Programmier- und Testgerätes für die Erstellung des Steuerungsprogramms, das Programmieren und gegebenenfalls Löschen des Nurlesespeichers und für die Inbetriebnahme der Steuerung, für Fehlersuche, Korrekturen, Erweiterungen sowie die Dokumentation des Steuerungsprogramms. Busanschaltung (Buskoppler) für die Vernetzung mehrerer SPS und gegebenenfalls weiterer Automatisierungs- und Leitgeräte ist in der Regel bei SPS für komplexe Steuerungsfunktionen und umfangsreiche Steuerungsaufgaben bedarfs-abhängig einbaubar. Neben der Verwendung einfacher serieller Schnittstellen, wie z.B. V 24, RS 232 oder RS 422 finden firmenspezifische bitserielle Bussysteme und standardisierte lokale Netzwerke wie z.B. ETHERNET, MAP Anwendung.

STEUERUNGSTECHNIK

C/119

Programmierung Die Programmierung der verschiedenen auf dem Markt befindlichen SPS erfolgt mit folgenden unterschiedlichen Prinzipien: • Boole-Schaltformeln direkt eingeben; • Programmieren über ein Leiterdiagramm (Tabelle 5.6); Eine moderne Entwicklung ist die Programmierung der SPS über ein Programm auf einem PC. Es ist auch möglich, auf einem PC eine SFC (Sequenzielle Funktions Chart) einer Steuerung zu entwerfen, mit dem das SPS-Programm automatisch erzeugt wird. Der Anschluss des SPS-Kerns an den Prozess über die Mess- und Steuergeräte sowie an die Einrichtungen zur Bedienung und Beobachtung erfolgt über die Eingangs- und Ausgangsschaltungen in den E/AEinheiten. Für die aufgabenabhängige Ausstattung der E/A-Einheiten stehen in der Regel für einfache analoge, binäre und digitale Ein/Ausgangssignale und komplexere Anschaltungen mit Verarbeitungsfunktionen z.B. Zähl- und Zeitfunktionen, Regelungsfunktionen zur Auswahl. Gemessen am zulässigen Ausbau der SPS mit E/AEinheiten und zugehörigen Baugruppen, also der Zahl der anschließbaren Ein-/Ausgabesignale, werden SPS nach Größenklassen eingeteilt (Tabelle 5.4). Tabelle 5.4 Größencharakterisierung von SPS Größe Zahl der E/A-Signale Funktionen klein < 64 Logik mittel < 1.000 Logik, Arithmetik, Kopplung groß > 1.000 Logik, Arithmetik Grafik, Kopplung

Zahl der Anweisungen 4K < 16 K

> 16 K

Neben Ausbaubarkeit und Größe der SPS sind weitere wichtige Kenngrößen die Bearbeitungszeit der Steueranweisung, die bei Werten zwischen 1 und 50 ms für 1.000 Anweisungen liegt, und die Reaktionszeit, d. h. die Zeit zwischen dem Erkennen einer Signaländerung am Eingang und einer Durchschaltung auf einen Ausgang. Hier werden Zeiten von 2 µs in Sonderfällen und typisch 0,5 ms bis 20 ms angegeben.

C/120

MESSEN, STEUERN, REGELN

Die Programmierung der SPS bzw. des Nurlesespeichers erfolgt mit speziellen Programmiergeräten. Sie werden für die Programmerstellung, -fehlersuche, -korrektur und -dokumentation, bei der Inbetriebnahme für Tests an der Anlage, für Speichern oder Löschen des Programms im Nurlesespeicher benötigt. Für den Steuerungsbetrieb nach der Fertigstellung des Programms ist das Programmiergerät wieder für neue, andere Programmieraufgaben verfügbar. Die Programmerstellung erfolgt im einfachsten Falle in der Form der Anweisungsliste, die in mnemotechnischer und/oder mathematischer Darstellung die einzelnen Steuerungsanweisungen in der Reihenfolge der Bearbeitung enthält. Die Steuerungsanweisung ist dabei die kleinste Programmeinheit. Sie besteht aus Operationsteil und Operandenteil. Neben der Anweisungsliste sind auch graphische Programmerstellung in der Form des Funktionsplans, des Kontaktplans oder als Steuergraph eingeführt. Eine weitere Art für die Erstellung des Steuerungsprogramms sind Tabellentechniken für die Festlegung der Eingangssignalverknüpfungen und der Ausgangssignalzuordnung. Tabelle 5.5 Übersicht über die Bestellkriterien einer SPS Zykluszeit der SPS Kosten eines Minimalsystems Möglichkeiten für PID-Regelung Kosten der Programmiereinheit Serielle Kommunikation mit Computer Anzahl digitaler Eingänge Möglichkeit für hierarchisches Arbeiten Anzahl digitaler Ausgänge Programmiersprache Anzahl analoger Eingänge Rechenmöglichkeiten Anzahl analoger Ausgänge Spannungsniveau der Eingänge und Aus- Speicherumfang Nutzerfreundlichkeit gänge Abstand der I/O-Module von der SPS Anzahl der Zeitgeber Anzahl der Zähler

STEUERUNGSTECHNIK Tabelle 5.6 Basisbefehle für SPS Bezeichnung Kontaktsymbol LD LDI OUT AND ANI OR ORI ANB ORB MPS

C/121

Funktion1) Beginn einer Bearbeitung (NOKontakt); X, Y, M, S, T, C Beginn einer Bearbeitung (NCKontakt); X, Y, M, S, T, C Ausführungsbefehl, Ergebnis einer Bearbeitung; Y, M, S, T, C UND-Bearbeitung mit NO-Kontakt (Reihenschaltung); X, Y, M, S, T, C UND-Bearbeitung mit NC-Kontakt (Reihenschaltung); X, Y, M, S, T, C ODER-Bearbeitung mit NO-Kontakt (Parallelschaltung); X, Y, M, S, T, C ODER-Bearbeitung mit NC-Kontakt (Parallelschaltung); X, Y, M, S, T, C Zusammenfügbefehl, Serienschaltung von Parallelbearbeitung Zusammenfügbefehl, Parallelschaltung von Serienbearbeitung Speichern eines Bearbeitungsergebnisses

MRD

Lesen eines Bearbeitungsergebnisses

MPP

Lesen und Löschen eines Bearbeitungsergebnisses

MC

Aktivieren einer gemeinschaftlichen Steuerungsbedingung; Y, M

MCR

Rücksetzen einer gemeinschaftlichen Steuerungsbedingung Aktivieren von Operanden; Y, M, S

SET RST PLS PLF NOP END 1)

Rücksetzen von Operanden; Y, M, S. D, V, Z, C Erzeugen von Plus bei aufsteigender Flanke; Y, M Erzeugen von Plus bei abfallender Flanke; Y, M Programmieren einer Leerzeile Ende eines SPS-Programms Symbolerläuterung: X = Eingangssignal, Y = Ausgangssignal, M = Speicher, S = Operand, T = Zeitgeber, C = Zähler, D = Datenspeicher, V = Indexspeicher, Z = Indexspeicher, NO = normal offen (Schließkontakt), NC = normal geschlossen (Öffnerkontakt)

C/122

MESSEN, STEUERN, REGELN

Programmierbeispiele Zeile Befehl Adresse

Abb. 5.8 Programm aus Leiterdiagramm Zeile Befehl Adresse

L = a ⋅ b ⋅ ( a + b) Adressen: L = Y0 H = M100 a = X5 b = X6 h = M100

Abb. 5.9 Programm aus Stromkreisschema

Q

set = b0 ⋅ a 0 ⋅ s reset = a1

Zeile Befehl Adresse

Q = ( a0 ⋅ b0 ⋅ s + q) ⋅ a1 A+ = q B + = a1 B − = a 0 ⋅ b1

Abb. 5.10 Programm aus Schaltformeln

Erläuterung lade a0 ⋅ b0 ⋅ s + speichern (übernehmen)

⋅ a1 = Speicher lade Speicher = A+ lade a1 = B+ lade a0 ⋅ b1 = BProgrammende

STEUERUNGSTECHNIK Zeile Befehl Adresse

C/123 Erläuterung lade X0 ⋅ X2

Block 1

lade X1 ⋅ X3 (+) lade X4 + X5 (⋅) = Y0 Programmende

Block 2

Abb. 5.11 Anwenden von ODER-Block und UND-Block Zeile

Befehl

Adresse

K = Anzahl Abb. 5.12 Zählfunktion Zeile

Befehl

K = Zeit [s]

Abb. 5.13 Zeitfunktion

Adresse

C/124

6

MESSEN, STEUERN, REGELN

Regelungstechnik

6.1 Allgemeines Experimentelle Voraussetzungen und Testsignale Eine wesentliche Grundlage zur Untersuchung und Beschreibung von Gliedern ergibt sich aus der Eigenschaft linearer Systeme, Eingangsgrößen in bestimmter Weise auf Ausgangsgrößen zu übertragen. Dadurch ist es möglich, ein lineares Übertragungsglied mit einem definierten Eingangssignal zu beaufschlagen und aus dem gemessenen Ausgangssignal mit Hilfe entsprechender Verfahren die Kennwerte und Eigenschaften eines Gliedes zu ermitteln. Voraussetzungen einer experimentellen Untersuchung sind: • das zu untersuchende System (Glied) befindet sich ursprünglich im Beharrungszustand, • es wirkt nur das aufgeschaltete Testsignal, alle weiteren Signale sind konstant oder haben den Wert Null, • die erzwungene Abweichung durch das Testsignal von einem Arbeitspunkt ist so klein, dass lineare Verhältnisse zutreffen. Häufig angewendete Eingangsgrößen zur Untersuchung von Systemen sind die Testsignale: • Sprungfunktion, • Impulsfunktion, • Rampenfunktion und • Harmonische Funktion. Mit Hilfe dieser Testsignale lassen sich das Übergangsverhalten und daraus die Parameter zur Systemidentifikation bestimmen. Systemidentifikationen mit statistischen Methoden werden im folgenden nicht behandelt.

REGELUNGSTECHNIK

C/125

Systemvergleich Die Verbindung zwischen Eingang (u) und Ausgang (v) eines Systems ist zu beschreiben durch eine lineare Differenzialgleichung mit konstanten Koeffizienten (evtl. erst linearisieren und reduzieren): du d nv dv d mu + ... + a + a v = b + ... + b1 + b0u . 1 0 m n m dt dt dt dt Für normale physikalische Systeme ist n > m. Die Ordnung des Systems ist n. an

Zeitantwort Das System ist mit seiner Impulsantwort h(t) zu charakterisieren. Mit dem Konvolutions-Integral ist der Ausgang als Funktion des Eingangssignals zu berechnen: t

v(t ) =

∫ u(t − τ)h(τ)dτ = h(t ) × u(t ) .

−∞

Übertragungsfunktion Diese Funktion beschreibt das Übertragungsverhalten eines Systems oder Übertragungsglieds. Sie ist die Laplace-Transformierte der Gewichtsfunktion dieses Systems. Mathematisch gesehen ist die Übertragungsfunktion eine spezielle Darstellungsform der das System beschreibenden Differenzialgleichung. Sie entsteht durch die Anwendung der Laplace-Transformation mit der Voraussetzung, dass alle Anfangswerte verschwinden. Die Differenzialgleichung eines Systems mit u(t) als Eingang und v(t) als Ausgang sei dv(t ) d 2v(t ) d n v(t ) a0 v(t ) + a1 + a2 + + = a ... n dt dt 2 dt n du (t ) d m u (t ) = b0u (t ) + b1 + ... + bm . dt dt m Für die Laplace-Transformation gilt, wenn alle Anfangswerte Null gesetzt werden d k x(t ) = s k X (s) . k dt

C/126

MESSEN, STEUERN, REGELN

Der Differenzialoperator s gibt mit seiner Potenz an, die wievielte Ableitung im Zeitbereich gebildet werden soll. Auf die Differenzialgleichung angewendet erhält man a0 + a1s + a2 s 2 + ... + an s n V ( s ) = b0 + b1s + ... + bm s m U ( s) . Der Quotient der Laplace-Transformierten V(s) dividiert durch U(s) wird als Übertragungsfunktion F(s) bezeichnet V ( s) b0 + b1s + ... + bm s m . F (s) = = U ( s) a0 + a1s + ... + an s n In dieser Gleichung bilden Zähler und Nenner jeweils ein Polynom in s. Der Nenner der Übertragungsfunktion ist das charakteristische Polynom. Dieses gleich Null gesetzt ist die charakteristische Gleichung des Systems mit den Lösungen p1,..., pn als seine Pole oder Eigenwerte. Das Zählerpolynom gleich Null gesetzt ergibt als Lösungen die Nullstellen n1,..., nm. Wenn Pole und Nullstellen einer Übertragungsfunktion bekannt sind, schreibt man sie gelegentlich als Produktform. Charakteristische Gleichung des Systems: an s n + ... + a1s + a0 = 0 . Nullpunkte (n): Werte von s, für die der Zähler Null ist. Pole (p): Werte von s, für die der Nenner Null ist. b ( s − nm )(s − nm −1 )...(s − n1 ) . F (s) = m an ( s − pn )(s − pn −1 )...(s − p1 ) Oder man verwendet die grafische Darstellung als Pol-Nullstellen-Plan. Hierzu werden die Pole und Nullstellen in die komplexe s-Ebene eingetragen. Aus der Konfiguration kann man auf die Dynamik des Systems schließen. (Wurzelortskurve). Die Ordnung n eines realen Systems ist Abb. 6.1 Pole (x) und Nullpunkte (o) größer als die Anzahl m

(

)

(

)

REGELUNGSTECHNIK

C/127

seiner Nullstellen, im allgemeinen gilt n ≥ m + 2. (Für einen begrenzten Frequenzbereich ist n = m möglich.) Nullpunkte und Pole, die reell (p1) oder zugeordnet komplex (z.B. p2 und p3) sein können, werden in der komplexen s-Ebene mit „o“ bzw. „x“ angegeben. Die Pole und Nullpunkte charakterisieren vollständig das autonome Systemverhalten. Die Übertragungsfunktion ist hervorragend geeignet zur Untersuchung von Regelkreisen oder Systemen, die aus mehreren Übertragungsgliedern bestehen. Die Laplace-Transformierte V(s) am Ausgang ist gleich der Laplace-Transformierten U(s) am Eingang multipliziert mit der Übertragungsfunktion F(s), nämlich V(s) = F(s)U(s). Damit lässt sich ein System oder Regelkreis leicht zu einem Übertragungsglied höherer Ordnung zusammenfassen, um so ein Gesamtübertragungsverhalten festzustellen. Sinusfunktion, Frequenzgang Der Frequenzgang beschreibt das Übertragungsverhalten linearer Systeme bei harmonischer Erregung (Abb. 6.2a) für den Beharrungszustand.

Abb. 6.2 Harmonische Funktion. a Sinusfunktion, b Sinusantwort

C/128 F ( jω) =

MESSEN, STEUERN, REGELN X a ( jω) xai ( jω) jϕi ( ω) . = e X e ( jω) xe0 ( jω)

mit xe (t ) = xe0 sin ωt xa (t ) = xa 0 sin(ωt + ϕ).

Infolge der Systemträgheit ergibt sich die Phasenverschiebung ϕ(ω) zu (Abb. 6.2b): ϕ(ω) = ϕ a − ϕe .

Bode-Diagramm Das Bode-Diagramm ist die graphische Darstellung des Frequenzgangs im logarithmischen Maßstab. Dazu wird der Frequenzgang F ( jω) = A(ω)e jϕ( ω) logarithmiert, so dass lg[F ( jω)] = lg[A(ω)] + ϕ(ω) ⋅ j lg(e). Über der Kreisfrequenz ω im logarithmischen Maßstab werden der Betrag A(ω) als Amplitudengang logarithmisch oder linear in dB (Dezibel) und der Winkel ϕ(ω) als Phasengang linear aufgetragen. Der Koeffizient j lg(e) kann als Maßstabsfaktor angesehen werden. Der Vorteil dieser logarithmischen Darstellung liegt darin, dass Frequenzgänge von Kettenschaltungen (lineares Übertragungsglied) durch Überlagerung (Addition) der einzelnen Amplituden- bzw. Phasengänge erstellt werden können. Inverse Frequenzgänge erhält man durch Spiegelung an der 0 dB-Linie (entspricht dem Wert 1) bzw. für den Phasengang an der 0°-Linie. Abb. 6.3 zeigt das Bode-Diagramm eines Übertragungsgliedes zweiter Ordnung und zwar eines P-T2-Gliedes mit reellen Polen. In diesem Fall handelt es sich eine Kettenschaltung von zwei P-TlGliedern (Übertragungsglied erster Ordnung, Verzögerungsglied). Sein Frequenzgang ist K . F ( jω) = 1 + jω(T1 + T2 ) − ω 2T1T2 mit dem Amplitudengang

REGELUNGSTECHNIK A(ω) =

C/129

K

(1 + ω )(1 + ω T ) 2

T12

2

2 2

und dem Phasengang ϕ(ω) = − arctan(ωT1 ) − arctan(ωT2 )

Abb. 6.3 Bode-Diagramm eines P-T2-Gliedes mit reellen Polen

An der gestrichelten Linie erkennt man die Überlagerung der geradlinigen Näherungen für die P-T1-Glieder. An der ersten Eckkreisfrequenz ω1 = 1/T1 beginnt im Amplitudengang der Abfall mit -1 bzw. -20 dB/Dekade, nach der zweiten Eckkreisfrequenz von ω2 = 1/T2 ist die Neigung -2 bzw. -40 dB/Dekade.

C/130

MESSEN, STEUERN, REGELN

Der exakt berechnete Verlauf (ausgezogene Linie) liegt darunter. Bei Reglerentwurf und Stabilitätsuntersuchung (Nyquist-Kriterium) arbeitet man mit der geradlinigen Näherung auf der sicheren Seite. Im Phasengang ist der Unterschied zwischen dem exakten Verlauf und der Überlagerung aus den linearen Näherungen kaum festzustellen. Bei Regelkreisuntersuchung und -auslegung genügt es daher in den meisten Fällen, mit den geradlinigen Näherungen zu arbeiten. Polardiagramm Die Auswertung des Frequenzganges ist die Frequenzgangortskurve (Abb. 6.4). Die Frequenzgangortskurve ist der geometrische Ort eines Zeigers |F(jω)|, der mit der Kreisfrequenz von ω = 0 bis ω → ∞ umläuft. Die Ortskurve ergibt sich als Verbindung aller Zeigerspitzen in Abhängigkeit von der Kreisfrequenz ω.

Abb. 6.4 Polare Abbildung

Minimum Phasensysteme Bei minimum Phasensystemen ist die Phasenverschiebung bei einer gegebenen Amplitudencharakteristik über dem ganzen Frequenzbereich so minimal wie möglich. Bei nicht-minimum Phasensystemen ist die Phasenverschiebung größer, das System hat Nullpunkte in der rechten Halbebene oder weist eine Totzeit auf. Der Prozess ist nicht völlig kompensierbar. Charakteristisches Verhalten eines solchen Systems: z.B. inverse Zeitantwort oder Totzeit.

REGELUNGSTECHNIK

C/131

Dynamische Systeme Die Ordnung eines Systems (n in der Differenzialgleichung) ist im allgemeinen gleich der Anzahl der Bereiche, bei denen eine Betragänderung von Energie oder Materie stattfinden kann, welche dann mit dem Betrag von anderen Bereichen ausgewechselt werden kann. Beispiel: Ein Masse-Feder System ist ein System zweiter Ordnung, auswechselbarer Energiebetrag zwischen Feder und Masse. Übertragungsglied erster Ordnung Das dynamische Verhalten eines linearen Übertragungsgliedes erster Ordnung wird durch eine gewöhnliche Differenzialgleichung erster Ordnung beschrieben. Das Übertragungsglied enthält somit eine einfache Verzögerung mit einer Zeitkonstanten (Verzögerungsglied). Für das einfachste Übertragungsglied dieser Gruppe mit dem Eingang u(t) und dem Ausgang v(t) lautet die Differenzialgleichung v(t ) + Tv&(t ) = K u (t ) . Das verzögerte P-Übertragungsverhalten dieses P-T1-Gliedes ist an der Übergangsfunktion (Abb. 6.5) erkennbar v(t ) = h(t ) = K 1 − e −t / T σ(t ).

(

)

Abb. 6.5 Übergangsfunktion eines P-T1-Gliedes

Nach einer Dauer von fünf Zeitkonstanten T ist der Endwert mit einer Toleranz von weniger als 1% der Gesamtänderung erreicht. Im Zeitbereich t << T verhält sich das P-T1-Glied wie ein I-Glied (also ein

C/132

MESSEN, STEUERN, REGELN

I-Übertragungsverhalten), für t >> T dagegen wie ein P-Glied. Entsprechendes zeigt der Frequenzgang im Bode-Diagramm, mit dem Amplitudengang A(ω) = K / 1 + ω 2T 2 und dem Phasengang ϕ(ω) = − arctan(ωT ) . P-Verhalten liegt vor für ωT << 1 und I-Verhalten für ωT >> 1: mit der Abnahme von - 20 dB/Dekade bzw. der Neigung -1 im Amplitudengang. Die entsprechenden geradlinigen Annäherungen schneiden sich in der Eckkreisfrequenz ω0 = 1/T. An dieser Stelle ist dann mit A(ω) = K / 2 (3 dB-Abfall) die maximale Abweichung von der Näherung. Der Phasengang lässt sich ebenfalls durch Geraden annähern und zwar für ωT < 0,1: ϕ(ω)= 0°; für den Bereich von 0,1 < ωT < 10: ϕ(ω) = - 45° lg(10 ωT); für ωT > 10: ϕ(ω) = - 90°. Die größte Abweichung vom exakten Verlauf ist kleiner als 6°. Deswegen arbeitet man bei zusammengesetzten Frequenzgängen immer mit den Näherungen. Das P-T1-Glied tritt oft in Kombination mit anderen Übertragungsgliedern auf, besonders bei solchen mit D-, PD- und PIDÜbertragungsverhalten. Dann lassen sich im Bode-Diagramm gerade Linienzüge schnell addieren. P-T1-Glieder werden häufig als Speicher bezeichnet, da man beim Auffüllen eines geschlossenen Behälters ein solches Verhalten feststellen kann. Die Ladespannung eines Kondensators, der über einen Widerstand an eine konstante Spannung gelegt wird, hat einen Verlauf wie h(t) (Abb. 6.5); ebenso der Druck beim Auffüllen eines Druckluftbehälters. Totzeit- (Tt-)Verhalten Beim Totzeit- oder Tt-Glied (Laufzeitglied) ist die Sprungantwort xa (Abb. 6.6a) um die Totzeit Tt gegenüber xe verschoben. xa (t ) = xe (t − Tt ) für t > Tt . Beispiel: Bei einem Förderband (Abb. 6.6c) tritt die Änderung xe des Schüttguteingangs in Abhängigkeit von der Bandgeschwindigkeit vB und der Bandlänge sB erst nach einer Totzeit Tt = s B / vB am Bandende als Ausgangsänderung xa auf.

REGELUNGSTECHNIK

C/133

Abb. 6.6 Tt-Glied. a Sprungantwort; b Blockbild; c Förderband

Inverse Antwort Die Stufenantwort läuft erst in die „verkehrte“ Richtung los. Als eine Parallelschaltung von zwei Prozessen erster Ordnung anzusehen:

Abb. 6.7 Inverse Antwort

U ( s ) ( K1 − K 2 ) − s ( K 2τ 1 − K1τ 2 ) . = I (s) (1 + sτ 1 )(1 + sτ 2 )

Invers, wenn K1 > K2 und K2τ1 > K1τ2; die Übertragungsfunktion enthält einen Nullpunkt in der rechten Halbebene (nicht-minimum Phasensystem). Dies ist regelungstechnisch eine mögliche Übertragung.

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Integrales (I-)Verhalten Für das integrale (I-)Glied gilt mit der Nachstellzeit Tn und Integrierbeiwert K I = K P / Tn zwischen den Änderungen der Eingangs- und Ausgangsgröße

∫

xa = K I xe dt .

Nach einer Sprungänderung von xe (Abb. 6.8) vergeht die Zeit Tn, bis xa sich um den Wert KP xe geändert hat.

Abb. 6.9 Blockschaltbild eines I-Glieds Abb. 6.8 Sprungantwort eines I-Glieds

Differenziales (D-)Verhalten Für das differenziale (D-)Glied (Abb. 6.10) gilt zwischen den Änderungen der Ausgangs- und Eingangsgröße xa = K D x&e .

Abb. 6.10 a D-Glied, Blockbild; b Sprungantwort

Der Beiwert KP und die Vorhaltzeit Tv führen auf den Differenzierbeiwert K D = K PTv . Die Sprungantwort ist theoretisch eine Nadelfunktion unendlicher Größe. Rein D-wirkende Glieder sind wegen der Massen und endlichen Geschwindigkeiten nicht exakt

REGELUNGSTECHNIK

C/135

realisierbar. Das realen, technischen Lösungen besser angepasste Vorhaltglied oder D-T1-Glied (Abb.6.11) folgt der Gleichung T1 x& a + xa = K PTv x&e .

Abb. 6.11 Blockbild eines realen (D-T1)-Vorhaltglieds

Verzögertes (P-T1-)Verhalten 1. Ordnung Mit der Zeitkonstanten T und dem Proportionalbeiwert KP lautet die Differenzialgleichung Tx& a + xa = K P xe . Für die Antwort xa(t) (Abb. 6.12a) auf einen Eingangssprung xes gilt xa = K P xes 1 − e −t / T .

(

)

Abb. 6.13 Masseloses Feder-Dämpfer-System Abb. 6.12 Verzögerungsglied 1. Ordnung (P-T1)-Glied. a Sprungantwort; b Blockschaltbild

Beispiel: Masseloses Feder-Dämpfer-System (Abb. 6.13), cF Federkonstante und dF geschwindigkeitsproportionale, viskose Dämpfung. Wie lautet die Übertragungsgleichung zwischen xe und xa? – Das Kräftegleichgewicht ergibt c F (xe − xa ) − d F x& a = 0 bzw. (d F / cF ) x&a + xa = xe , in obiger Gleichung KP = 1 und T = d F / cF .

C/136

MESSEN, STEUERN, REGELN

Abb. 6.14 Frequenzkennlinien eines P-T1-Glieds

Verzögertes (P-T2-)Verhalten 2. Ordnung Für das Verzögerungsglied 2. Ordnung oder P-T2-Glied gilt mit der Kennkreisfrequenz ω0 bzw. der Dauer T0 = 2π / ω0 der ungedämpften Schwingung, dem Dämpfungsgrad d und der Eigenkreisfrequenz der ungedämpften Schwingung ω d = ω0 1 − d 2 die Differenzialgleichung &x&a / ω02 + 2dx& a / ω 0 + xa = K P xe . Abb. 6.15 zeigt die Sprungantwort xa1 für d < 1 und xa2 für d > 1. Der günstigste Dämpfungsgrad ist meist mit d ≈ 0,7 gegeben. Zwischen dem Dämpfungsgrad und dem logarithmischen Dekrement ϑ als Abklingmaß zweier aufeinanderfolgender Schwingungsamplituden A1 und A2 gilt ϑ = ln ( A1 / A2 ) und d = ϑ / π 2 + ϑ2 .

REGELUNGSTECHNIK

C/137

Abb. 6.15 Verzögerungsglied zweiter Ordnung (P-T2-Glied). a Sprungantwort; b Blockbild

Beispiel: Feder-Masse-Dämpfungssystem (Abb. 6.16), cF Federkonstante und dF geschwindigkeitsproportionale, viskose Dämpfung, m Masse. Wie lautet die Übertragungsgleichung zwischen xe und xa? – Das Kräftegleichgewicht ergibt m&x&a + d F x& a + cF (xa − xe ) = 0 bzw. (m / cF )&x&a + (d F / c F ) x& a + xa = xe .

Abb. 6.16 Feder-Masse-Dämpfungssystem

C/138

MESSEN, STEUERN, REGELN

Abb.6.17 Frequenzkennlinien von P-T2-Gliedern mit verschiedenen Dämpfungsgraden d

Abb.6.18 Normierte Stufenantworten für ein System zweiter Ordnung. Die Spitzen der gedämpften Schwingung liegen auf den Linien 1±exp(-dω0t).

REGELUNGSTECHNIK

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Überschwingen (overshoot): Relative Höhe der ersten Spitze über dem Gleichgewichtswert. Das Überschwingen ist eine Funktion der Dämpfung d: ⎛ − πd ⎞ ⎟ × 100 % . exp⎜ ⎜ 2 ⎟ ⎝ 1− d ⎠

Abb. 6.19 Prozentuales Überschwingen über dem relativen Dämpfungsfaktor d Verzögerungsverhalten höherer Ordnung Ein Glied mit mehreren Verzögerungen in Serienschaltung heißt Verzögerungsglied höherer Ordnung. Abb. 6.20 zeigt die Sprungantwort mit der Wendetangente. Der Schnittpunkt der Wendetangente mit der Abszisse ergibt gegenüber t = 0 die Verzugszeit Tu und gegenüber dem Schnittpunkt mit der Asymptote des Beharrungszustands die Ausgleichszeit Tg (Ersatzzeitkonstante). Oft ist ein solches Verzögerungsglied durch mehrere P-T1-Glieder in Serienschaltung darstellbar. Weiter Näherungslösungen sind in Hintereinanderschaltung eines Totzeitglieds mit Tt = Tu und eines P- T1 -Glieds mit T = Tg sowie für Tg < Tu ein Totzeitglied mit Tt = Tu + Tg /2.

Abb. 6.20 Sprungantwort eines Verzögerungsglieds höherer Ordnung mit Verzugszeit Tu und Ausgleichszeit Tg

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Beispiel: Bei einem elektrisch beheizten Wasserbad (Abb. 6.21) erwärmt sich nach Einschalten der Heizleistung P die elektrische Heizplatte H, anschließend Flüssigkeit F1 und schließlich die Flüssigkeit F2. Die drei Wärmespeicher H, F1 und F2 bilden ein Verzögerungsglied 3. Ordnung.

Abb. 6.21 Elektrische Heizplatte H mit Flüssigkeiten F1, F2 (Verzögerungsglied 3. Ordnung)

Abb. 6.22 Polare Abbildung für Systeme n-ter Ordnung

REGELUNGSTECHNIK

Abb. 6.23 Bodediagramm von Systemen n-ter Ordnung

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MESSEN, STEUERN, REGELN

6.2 Prozessregelungstechnik Rückführung Auch Rückkopplung (engl. feedback). In einer Rückführung wird Energie oder Information vom Ausgang eines Systems zu seinem Eingang übertragen. F1(s) (Abb. 6.24) ist das Übertragungsglied im Vorwärtszweig und F2(s) das Übertragungsglied in der Rückführung. In der Annahme, dass beide Übertragungsglieder keine Vorzeichenumkehr bei den Signalen bewirken, gilt das Minuszeichen für Gegenkopplung. Dabei wird die Differenz von Eingangs- und Rückführungssignal u - r auf den Vorwärtszweig gespeist. Bei der Mitkopplung wird das Summensignal u + r auf F1(s) gegeben. Die Gesamtübertragungsfunktion vom Eingang u zum Ausgang v ist dann V ( s) F1 ( s ) . = U ( s ) 1 ± F1 ( s ) F2 ( s ) Hier gilt das Pluszeichen für Gegenkopplung und das Minuszeichen für Mitkopplung. Das Produkt im Nenner wird meist durch die Kreisübertragungsfunktion F0(s) = F1(s)F2(s) ersetzt.

Abb. 6.24 System mit Rückführung

Im Regelkreis wird die Rückkopplung als Gegenkopplung geschaltet, nämlich am Reglereingang zum Vergleich von Führungs- und Regelgröße. Meist hat man im Vorwärtszweig Regler und Regelstrecke, so dass F1(s) = FR(s)FS(s), mit einer Einheitsrückführung F2(s) = 1. Die gerätemäßige Ausführung eines Reglers selbst besteht oft aus

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einem Verstärker mit der erforderlichen Stellenergie am Ausgang und einer (meist passiven) Rückführung, die so das dynamische Verhalten (z.B. PI- oder PID-Übertragungsverhalten) erzeugt. Ganz allgemein lassen sich folgende Gründe benennen, warum in einem System eine Rückführung, vorzugsweise eine Gegenkopplung, eingesetzt wird: • zur Änderung des Frequenzgangs eines Systems, also um z.B. den Stabilitätsgrad oder die Grenzfrequenz zu ändern, oder um die Verstärkung über einen größeren Frequenzbereich konstant zu halten, • zur Verringerung der Einflüsse von Nichtlinearitäten, • zur Verringerung der Einflüsse von Parameteränderungen, • zur Verringerung des Ausgangsrauschens, • zur Änderung von Eingangs- und Ausgangsimpedanzen, besonders bei Verstärkern, • zur Begrenzung der Amplitude von einer oder mehreren Systemgrößen. Rückführungen kommen auch oft in nichttechnischen Systemen vor, beispielsweise in wirtschaftlichen und biologischen Systemen. Vorsteuerung Auch Vorwärtssteuerung oder Führungsgrößenaufschaltung. Die Vorsteuerung. wird als eine der Regelung überlagerte Steuerung eingesetzt, um das FührungsverAbb. 6.25 Vorsteuerung halten einer Folgeregelung zu verbessern. Die Vorsteuerung arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die Störgrößenaufschaltung bezogen auf die Führungsgröße. Diese wird über ein Steuerungselement zusätzlich auf den Reglerausgang geschaltet, so dass trotz Einsatz eines einfachen Reglers ein gutes dynamisches und stationäres Folgeverhalten erreicht wird.

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Wenn die Aufschaltung auf den Reglerausgang mit gerätetechnischem Aufwand verbunden ist, wird ein Vorfilter verwendet. Die Führungsgröße wird, bevor sie auf den Reglereingang gegeben wird, durch ein vorgeschaltetes Übertragungsglied so beeinflusst, dass die Verzögerung des Regelkreises mindestens teilweise kompensiert wird. Dieses Vorfilter muss deshalb einen Vorhalt erzeugen, d.h. es muss PD-Übertragungsverhalten haben. Dann wird die Regelgröße schneller gleich der Führungsgröße als durch die Regelung allein. Störgrößenaufschaltung Bei der Störgrößenaufschaltung wird ein von der Störgröße abgeleitetes Signal zusätzlich auf den Regelkreis geschaltet, um sein Störverhalten für eine Festwertregelung zu verbessern. Eine Störgrößenaufschaltung ist nur möglich, wenn die Wirkung der Störung oder die Störgröße selbst messbar ist. So wirkt bei einer Temperaturregelung die Umgebungstemperatur als Störgröße. Sie kann gemessen werden und als Messsignal auf den Regler geschaltet werden. Bei der Spannungsregelung eines Generators wirkt die Belastungsänderung als Störung. Aus der Messung des Laststromes lässt sich ein Signal zur Störgrößenaufschaltung herleiten.

Abb. 6.26 Wirkungsplan der Störgrößenaufschaltung

Eine Konfiguration zur Störgrößenaufschaltung wird in Abb. 6.26 dargestellt. Der Regelkreis wurde erweitert um das Übertragungsglied mit der Übertragungsfunktion FSt(s), das aus der Störgröße z ein Signal für den Reglereingang erzeugt. So wird erreicht, dass der

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Störeinfluss am Reglereingang schneller festgestellt wird als über die Regelgröße x. Man unterscheidet zwischen starrer Störgrößenaufschaltung, dann hat FSt(s) ein P-Übertragungsverhalten, und nachgebender Störgrößenaufschaltung , dann hat FSt(s) ein D-Übertragungsverhalten, bzw. D-T1-Verhalten (Verzögerungsglied). Meist kombiniert man beides, so dass FSt(s) ein PD-Übertragungsverhalten (bzw. PD-T1-Verhalten) bekommt. Wenn die Störgröße z über FL(s) positiv auf den Regelkreis einwirkt, dann muss der Einfluss über FSt(s) negativ erfolgen. Das Störverhalten wird damit durch die Störübertragungsfunktion FZ(s) beschrieben F ( s ) − FSt ( s) F0 ( s ) FZ ( s) = L 1 + F0 ( s ) mit der Kreisübertragungsfunktion FZ(s) = FR(s)FS(s). Für die ideale Störgrößenaufschaltung, nämlich FZ(s) = 0, wäre zu fordern, dass FSt(s) = FL(s)/F0(s). F0(s) hat jedoch eine höhere Ordnung als FL(s), somit müsste FSt(s) mehrfache D-Anteile enthalten. Für die Störsprungantworten (Übergangsfunktion) wurde für FL(s) eine einfache Verzögerung angenommen (Verzögerungsglied, Übertragungsglied erster Ordnung) als P-Tl-Glied mit der Übertragungskonstanten KL und der Zeitkonstanten TL. Das Steuerverhalten der Regelstrecke mit Ausgleich, FS(s), ist ein mehrfach verzögertes P-Glied. Um die Stabilität des Kreises so wenig wie möglich zu verschlechtern, wird ein P-Regler eingesetzt. Der Verlauf der Störsprungantwort für die reine Regelung zeigt jedoch, dass ein Störeinfluss bestehen bleibt, da der Regelfaktor r = 1/(1 + K0) nicht verschwindet (K0 als Kreisverstärkung). Jedoch mit einer starren Störgrößenaufschaltung, FSt(s) = KSt = k ·KL/K0, kann dieser Einfluss verringert werden. Die Einstellung k = 0,5 halbiert den Einfluss; mit k = 1 verschwindet er. Jedoch zeigt sich ein starkes Überschwingen. Dieses Überschwingen kann durch eine zusätzliche nachgebende Störgrößenaufschaltung reduziert werden. Hier wurde ein optimaler D-Anteil ermittelt aus der Summe aller Zeitkonstanten von FS(s), bzw. der Summe von Ausgleichs- und Verzugszeit (Wendetangentenverfahren), vermindert um TL. Die zugehörigen Sprungantworten unterscheiden sich durch die Zeitkonstanten T1 der nachgebenden Aufschaltung. Mit einer kleineren Zeitkonstanten kann die Aufschaltung schneller reagieren und so das Überschwingen verringern sowie die Einschwingzeit verkürzen.

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MESSEN, STEUERN, REGELN

Der Vorteil der Störgrößenaufschaltung. liegt darin, dass man trotz Einsatz eines einfachen Reglers ein sehr gutes dynamisches und stationäres Störverhalten erzielen kann. Zwar kann man mit einem I- oder PI-Regler die bleibende Abweichung ausregeln, aber man muss starkes und langes Einschwingen in Kauf nehmen (Festwertregelung). Außerdem hat die Störgrößenaufschaltung keinen Einfluss auf das Anfahrverhalten (Folgeverhalten). Beim Hochfahren des Regelkreises wird die Dynamik nur durch Regler, FR(s), und Regelstrecke, FS(s), bestimmt. Positionsregelung Gleichstrommotoren für höherwertige Stellantriebe werden über Stromrichter gespeist und erhalten eine Positionsregelung. Vorzugsweise verwendet man eine Kaskadenregelung. Positions-, Drehzahlund Stromregelung sind ineinander verschachtelt, wobei die jeweils überlagerte Regelschleife die Führungsgröße der unterlagerten Regelschleife vorgibt. Abb. 6.27 zeigt das Blockschaltbild und den Signalflussplan eines Gleichstrommotors mit unterlagerter Stromrege-

Abb. 6.27 Stromrichtergespeister Gleichstrommotor. a Blockschaltbild, b Signalflussplan; V Verstärkungsfaktor, K Konstante, TΣ Verzögerungszeitkonstante

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lung. Die Stromversorgung erfolgt über eine netzgeführte zweipulsige Brücke aus dem Wechselstromnetz oder über eine sechspulsige Brücke aus dem Drehstromnetz (L1, L2, L3) und einen Gleichspannungszwischenkreis (ud). Die Positionsregelung ermittelt aus der Differenz der vorgegebenen Position ϕs und der Istposition des Läufers ϕi, die durch einen Enkoder E (Inkremental- oder Absolutgeber) gemessen wird, die Führungszwischengröße des Drehzahlregelkreises, die Sollgeschwindigkeit ωs. Der Vergleich mit der Istgeschwindigkeit ωi, die sich aus der induzierten Spannung des Tachogenerators T ergibt, liefert die Führungszwischengröße is des Stromregelkreises. Die Ausgangsspannung des Stromreglers uSt wird auf das Stellglied geführt und beeinflusst so die Schaltzeiten der Transistoren oder Thyristoren der Endstufe. Drehzahl und Strom werden begrenzt (ωGr, iGr), damit nicht zu hohe Drehzahlen oder Ströme (Drehmomente) z.B. beim Beschleunigen oder Abbremsen Schäden am Motor, an elektronischen Bauelementen oder an den Sensoren verursachen. Verhältnisregelung Zwei Größen werden in einem bestimmten Verhältnis geregelt. Störungen in der einen Größe, z.B. dadurch, dass diese Größe durch einen anderen Regler angesteuert wird, werden vorwärtsgekoppelt weggeregelt. Das Verhältnis selbst kann wieder durch einen anderen Regler geregelt werden. Beispiele: Brennstoff / Luft bei Verbrennung, Abfluss / Zufluss bei Destillation, Misch-prozesse. Eine gemessene Größe – mehrere korrigierende Organe (selektive Regelung; split – range) Eine gemessene Größe steuert über einen Regler zwei oder mehr regelnde Organe, wovon eines (abhängig von der Re-

Abb. 6.28 Verhältnisregelung

Abb. 6.29 Selektive Regelung

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gelgröße) wirksam eingreift. Beispiel einer Temperaturregelung: Von 0% bis 50% wird das Kühlwasserventil zugeregelt, danach wird von 50% bis 100% das Dampfventil aufgere-gelt. Mehrere gemessene Größen, ein korrigierendes Organ (Übernahme-Regelung; override-control) Zwei oder mehr gemessene Größen steuern über gleichviel Regler ein korrigierendes Organ, wobei nur eine gemessene Größe aktiv geregelt wird (viel verwendet bei Sicherungen). Beispiel: Flussregelung bei einem Kondensator mit variabler Oberfläche mit Sicherung für den

Abb. 6.30 Übernahme-Regelung

Flüssigkeitsstand, um einen Gasdurchschlag zu vermeiden. Normal bestimmt FC die Ventilstellung. Wird aber mehr Flüssigkeit angefordert, als kondensiert werden kann, (wodurch der Flüssigkeitsstand zu weit absinken würde), dann bestimmt LC über LSS (Low Selector Switch) die Ventilstellung. Dreikomponentenregelung Regeldynamisch günstige Struktur zur Füllstandsregelung besonders in Dampftrommeln. Eine Verhältnisregelung zwischen zulaufendem Speisewasser und abströmendem Dampf erhält ihren Sollwert vom Füllstandregler, der auf diese Weise nur sehr verhalten eingreifen muss (DIN 19227).

REGELUNGSTECHNIK

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Proportionales Band (Proportionalitätsbereich) Dieses drückt der Verstärkungsfaktor als den Prozentanteil aus, den der Reglereingang vom gesamten Eingangsbereich verändert werden muss, um 100% Änderung am Ausgang zu erhalten: 1 ⋅ 100% . PB = Kr Direkte (increase) und indirekte (decrease) Regelung Die umgehende Verstärkung in der Rückkopplung muss negativ sein (Gegenkopplung). 100% u= ( sp − mv) + Konstante Indirekt: PB 100% u= (mv − sp ) + Konstante Direkt: PB wobei: mv = gemessene Werte (measured value) sp = eingestellte Werte (set point; Abb. 6.31) Die Auswahl wird durch die statische Prozesscharakteristik bestimmt.

direkte Regelung Nullpunkt 50% Einstellung 50%

indirekte Regelung Nullpunkt 75% Einstellung 35%

Abb. 6.31 Beispiele für Nullpunktswerte und Einstellung

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Nullpunkteinstellung P-Regler (bias, manchmal: manual reset) Im Gegensatz zu PI-Reglern gibt es bei P-Reglern eine feste Beziehung zwischen dem Fehlersignal e = sp – mv und dem Ausgang u. Wenn sp = mv, dann hat der Regler den Nullpunktswert als Ausgang (bei pneumatischen Reglern: den Einstelldruck); dieser ist meisten 50%. D-Funktion Um ein heftiges Reagieren auf hochfrequentes (Mess-) Rauschen zu vermeiden wird meistens die gemäßigte D-Funktion verwendet: ⎛ 1 + sτ d ⎞ ⎟⎟ gemäßigter PD-Regler: K r ⎜⎜ ⎝ 1 + asτ d ⎠ für: a = 0, reiner PD-Regler a = 1, reiner P-Regler. Hat ein normaler PD-Regler für hohe Frequenzen theoretisch eine unendliche Verstärkung, so ist diese bei einem gemäßigten PD-Regler begrenzt auf Kr/a (Asymptote in der Amplituden-Charak-teristik an ωτd = 1/a). Meistens liegt a zwischen 0,1 und 0,2. Um eine zu heftige Reaktion auf die Verstellung der eingestellten Werte zu verhindern, reagiert bei manchen Reglern die D-Funktion nur auf die gemessenen Werte. I-Funktion Reset windup: Wenn eine länger andauernde Zeit ein Fehlersignal ≠ 0 anliegt, kann die I-Funktion soweit durchintegrieren, dass der Ausgang in Sättigung gerät. Dadurch, dass der Regler aber wieder reagiert, wenn die gemessenen Werte den Einstellpunkt passieren, tritt meistens beträchtliches Überschwingen auf. Reset windup kommt bei Regelungen vor, bei denen Ventile länger andauernde Zeit völlig offen oder geschlossen sein müssen, wie beim Anlaufen von Prozessen und bei Befehlen. Es sind spezielle Regler, bei denen die I-Funktion einen bestimmten Wert (preload) erhält, wenn der Ausgang in Sättigung kommt. Der Regler beginnt dann zu reagieren, bevor die gemessenen Werte die eingestellten Werte passieren.

REGELUNGSTECHNIK

Abb. 6.32 Aufbau und Verhalten einiger wichtiger Glieder im Regelkreis

C/151

INHALT

D 1

2

3

4

5

6

7

D/1

Maschinenbau Grundlagen, Seite D/2 1.1 Mechanik, Seite D/2 1.2 Festigkeitslehre, Seite D/13 1.3 Wärme, Seite D/25 Technisches Zeichnen, Seite D/36 2.1 Formate, Maßstäbe, Ansichten, Seite D/38 2.2 Linien und Darstellungen, Seite D/42 2.3 Baumaterialien, Seite D/51 2.4 Bauelemente, Seite D/54 2.5 Werkzeugbauliches Zeichnen, Seite D/58 Maschinenelemente, Seite D/71 3.1 Allgemeines, Seite D/71 3.2 Verbindungen, Seite D/76 3.3 Momentenübertragung, Seite D/91 Konstruktionslehre Seite D/108 4.1 Grundlagen technischer Systeme, Seite D/108 4.2 Grundlagen methodischen Vorgehens, Seite D/112 4.3 Konstruktionsprozess, Seite D/117 4.4 Grundlagen der Gestaltung, Seite D/123 4.5 Grundlagen der Baureihenentwicklung, Seite D/139 Getriebelehre Seite D/142 5.1 (Antriebs-)Ketten, Seite D/142 5.2 Keilriemen, Seite D/149 5.3 Zahnriemen, Seite D/152 5.4 Zahnradübersetzungen, Planetenräder, Seite D/153 5.5 Reibradgetriebe, Seite D/162 5.6 Getriebetechnik, Seite D/168 Maschinenkunde Seite D/179 6.1 Elemente der Werkzeugmaschinen, Seite D/179 6.2 Steuerungen, Seite D/202 Scheren und Schneiden, Seite D/214 7.1 Systematik, Seite D/214 7.2 Technologie, Seite D/217 7.3 Kräfte und Arbeiten, Seite D/220 7.4 Werkstückeigenschaften, Seite D/221 7.5 Werkzeuge, Seite D/223 7.6 Sonderschneidverfahren, Seite D/227

D/2

1

MASCHINENBAU

Grundlagen

1.1 Mechanik Geradlinige und kreisförmige Bewegung Tabelle 1.1 Übersicht über geradlinige und kreisförmige Bewegungen Geradlinige Bewegung oder Translation Kreisförmige Bewegung oder Rotation

Gleichförmige Bewegung Beschleunigung a = 0 Geschwindigkeit v = konstant Weginkrement ∆s = v·∆t Weg s = s0 + v·t

Winkelbeschleunigung α = 0 Winkelgeschwindigkeit ω = konstant Winkelinkrement ∆ϕ = ω·∆t ϕ = ϕ0 + ω ⋅ t

an = −

v2 = −ω 2 ⋅ R R

Gleichmäßig beschleunigte Bewegung Beschleunigung a = konstant ∆ v = a ⋅ ∆t

Winkelbeschleunigung α = konstant ∆ω = α ⋅ ∆t

v = v0 + a ⋅ t

ω = ω0 + α ⋅ t

1 s = s 0 + v0 ⋅ t + a ⋅ t 2 2 v0 + v v= 2 v 22 − v12 = 2a ( s 2 − s1 )

ϕ = ϕ0 + ω0 ⋅ t + ω=

ω0 + ω 2

1 α ⋅t2 2

ω 22 − ω12 = 2α(ϕ 2 − ϕ1 ) an =

v2 = ω 2 ⋅ R ; at = α ⋅ R R

a =

at2 + a n2

GRUNDLAGEN

D/3

Tabelle 1.1 (Fortsetzung) Geradlinige Bewegung oder Translation Kreisförmige Bewegung oder Rotation Veränderliche Bewegung Die Funktionsgleichung von s oder ϕ von t ist von drittem oder höherem Grad ϕ = ϕ(t ) s = s (t ) ω = ϕ&

v = s& a = v& = &s& d = a& = v&& = &s&& ≠ 0

& =ϕ && α=ω && = &ϕ&& ≠ 0 δ = α& = ω

Verbindung zwischen Translation und Rotation ∆s = ∆ϕ × R

v = ω× R at = α × R a n = ω × v = −ω 2 ⋅ R Geschwindigkeitsdiagramm

zurückgelegter Weg: Fläche unter der Ge- zurückgelegter Winkel: Fläche unter der schwindigkeitskurve (schraffiert) Winkelgeschwindigkeitskurve (schraffiert) t2 ∆s = s 2 − s1 = ∫ vdt t2 t1 ∆ϕ = ϕ 2 − ϕ1 = ∫ ωdt t

1 s 2 − s1 1 t2 t2 ∫ vdt = ϕ 2 − ϕ1 1 t 2 − t1 t t 2 − t1 ω= ∫ ωdt = 1 t 2 − t1 t t 2 − t1 1 (die Steigung der Geschwindigkeitskurve ist die Beschleunigung) (die Steigung der Winkelgeschwindigkeitskurve ist die Winkelbeschleunigung)

v=

Harmonische Bewegung Einfache harmonische Bewegung: Projektion einer gleichförmigen Kreisbewegung auf eine willkürliche Achse. Bei einer räumlichen Kreisbewegung ist die Komponente dieser Abb. 1.1 Harmonische Bewegung

D/4

MASCHINENBAU

Bewegung in jeder Achsrichtung eine einfache harmonische Bewegung. x-Richtung s x = R cos ωt v x = s& x = −ωR sin ωt 2

y-Richtung s y = R sin ωt 2

a x = v& x = &s&x = −ω R cos ωt = −ω s ω = 2π / T

π⎞ ⎛ = R cos⎜ ωt − ⎟ 2⎠ ⎝ sy, vy und ay sind 90° verschoben zu sx, vx und ax

Beispiele für harmonische Bewegung: Schwing- und Kolbenbewegung. x = R cos ωt + L2 − R 2 sin 2 ωt Für R << L gilt: R ⎛ ⎞ v ≈ −ωR⎜ sin ωt + sin 2ωt ⎟ 2 L ⎝ ⎠ R ⎛ ⎞ a ≈ −ω 2 R⎜ cos ωt + cos 2ωt ⎟ L ⎝ ⎠

Abb. 1.2 Schwing- und Kolbenbewegung

Grundgesetze 1. Newtonsches Gesetz Jeder Körper verharrt in seinem Zustand von Ruhe oder gleichförmiger Bewegung, solange keine Kraft auf ihn wirkt. 2. Newtonsches Gesetz Sobald auf einen Körper eine Kraft F wirkt, erhält dieser Körper dadurch (bei konstanter Masse) eine Beschleunigung a in dieselbe Richtung: F = m·a. 3. Newtonsches Gesetz Ein Körper, der auf einen anderen Körper eine Kraft ausübt (Aktion), erfährt von diesem letzteren Körper eine ebenso große, aber entgegengesetzte Kraft: Aktion = - Reaktion.

GRUNDLAGEN

D/5

Statik fester Körper Freimachen Um den Gleichgewichtszustand eines Körpers zu bestimmen, wird der Körper zuerst freigemacht: Alle Objekte, die Kräfte auf den Körper ausüben, werden weggelassen und durch die Kräfte ersetzt (Abb. 1.3).

Abb. 1.3 Freimachen

Normalkraft Die Normalkraft N ist die Komponente der Reaktionskraft, die senkrecht auf der Kontaktoberfläche steht (Abb. 1.4).

Abb. 1.4 Normalkräfte

Abb. 1.5 Normalkräfte bei einer gekrümmten Oberfläche

D/6

MASCHINENBAU

Bei einer gekrümmten Oberfläche geht die Normalkraft stets durch den Krümmungsmittelpunkt und steht senkrecht auf der Tangente an der Krümmung (Abb. 1.5). Gelenkkraft Die Richtung der durch ein Gelenk ausgeübten Reaktionskraft ist im allgemeinen beliebig. Die Gelenkkraft ist aus den Gleichgewichtsgleichungen zu bestimmen. Rollenlager Bei einem Rollenlager steht die Reaktionskraft stets senkrecht zu der Fläche, auf der sich die Rollen bewegen. Bei Gleichgewicht geht die Gelenkkraft S durch den Schnittpunkt O von F und R.

Abb. 1.6 Rollenlager

Einspannung Eine Einspannung liefert eine horizontale Reaktionskraft RH, eine vertikale Reaktionskraft RV und ein Einspannungsmoment Mr. Wenn die Konstruktion (Unterstützung) statisch beAbb. 1.7 Einspannung stimmt ist, sind die Größen dieser Reaktionen mit den Gleichgewichtsgleichungen bestimmbar. Zusammenfügen von Kräften • zwei Kräfte: Parallelogramm der Kräfte (Abb. 1.8) • mehrere Kräfte: Mehrfache Anwendung vom Parallelogramm im Kräftevieleck (Abb. 1.9)

GRUNDLAGEN

Abb. 1. 8 R ≡ F1 + F2

D/7

Abb. 1.9 R ≡ F1 + F2 + F3 + F4

Zerlegen von Kräften Jede Kraft kann in eine beliebige Anzahl von Komponenten zerlegt werden (Abb. 1.10 und 1.11).

Abb. 1.10 F ≡ Fx + Fy F ≡ Fa + F b + F c

Abb. 1.11. F ≡ Fx + Fy + Fz

Parallele Kräfte Die Resultierende R von zwei parallelen Kräften F1 und F2 ist gleich F1 + F2. Die Wirklinie parallel zu F1 und F2 kann beispielsweise mit der Momentenbeziehung Mr = M1 + M2 oder mit einer grafischen Konstruktion bestimmt werAbb. 1.12 Parallele Kräfte den (hierfür werden zwei gleiche aber entgegengesetzte Hilfskräfte H eingeführt).

D/8

MASCHINENBAU

Dynamik Allgemeines Die Dynamik behandelt die Wirkungen von Kräften und Momenten auf den Bewegungszustand eines Körpers (Tabelle 1.2). Tabelle 1.2 Kräfte und Momente Situation ΣF = 0 ΣM = 0 ΣF ≠ 0 (Wirklinie ΣF durch Z) ΣM = 0 ΣF ≠ 0 (Wirklinie ΣF nicht durch Z) ΣM = 0 ΣF = 0 ΣM ≠ 0

Wirkung Gleichgewicht (Ruhe oder gleichförmige Bewegung) Translation in Richtung ΣF

Translation in Richtung ΣF + Rotation

Rotation

Trägheitsmomente • Axiales Trägheitsmoment (bezüglich einer Achse l): Jl = ms rs2

∑ s

wobei: rs = Abstand des Massepunktes ms zur Achse l. • Ebenes Trägheitsmoment (bezüglich einer Fläche V): KV = ms rs′2

∑ s

wobei: rs´² = Abstand des Massepunktes ms zur Fläche V. • Trägheitsprodukt oder Zentrifugalmoment (bezüglich zweier zueinander senkrechte Flächen V und W): CVW = ms rs′rs′′

∑ s

wobei: rs′; rs′′ = Abstand des Massepunktes ms zur entsprechenden Fläche V und W.

GRUNDLAGEN •

D/9

Polares Trägheitsmoment (bezüglich eines Punktes O): JO = ms rs2

∑ s

wobei: rs = Abstand des Massepunktes ms zum Punkt O. Zwischen den verschiedenen Trägheitsgrößen gelten die folgenden Beziehungen: JX = ms y s2 + z s2 = K y + K z

∑ ( s

)

(zyklisch für Y und Z) JO = ms xs2 + y s2 + z s2 =

∑ (

)

s

= Kx + Ky + Kz = 1 Jx + Jy + Jz 2 Weiterhin ist: C yz = ms y s z s =

(

∑

) Abb. 1.13 Koordinaten

s

(zyklisch für zx und xy) Das Trägheitsprodukt ist ein Maß für das Kippmoment, das ein rotierender Körper auf seine Drehachse ausübt. Eine Achse ist eine Hauptträgheitsachse, wenn bei Drehung um diese Achse das Kippmoment Null ist. Es gilt dann: ms y s z s = 0

∑ s

Im allgemeinen gibt es drei zueinander senkrechte Hauptträgheitsachsen. Die axialen Trägheitsmomente Jx, Jy und Jz sind dann extrem (zumindest eine maximal und eine minimal). Der Ursprung der drei Hauptträgheitsachsen fällt mit dem Schwerpunkt zusammen. Symmetrieachsen sind stets Hauptträgheitsachsen. Das Trägheitsmoment eines zusammengesetzten Körpers (3 Teile) um eine Achse (x) ist gleich der Summe der Trägheitsmomente der J ix . zusammengesetzten Teile: J tot = J 1x + J 2 x + J 3 x =

∑

D/10

MASCHINENBAU

Abb. 1.14 Massenträgheitsmomente homogener Körper

GRUNDLAGEN Werkzeuge Momentensatz und Arbeitssatz Momentensatz: Kraft x Kraftarm = Last x Lastarm Arbeitssatz: Kraft x Kraftweg = Last x Lastweg Werkzeuge ohne Reibung Hängt die Last L an einem Flaschenzug mit n Strängen, dann gilt: Kraftweg = n x Lastweg l F·n·l = L·l

Abb. 1.15 Flaschenzug

Abb. 1.16 Westontakel

2 F ⋅ 2πR F=

Abb. 1.17 Winde

z2 = L ⋅ 2πr z1

r z1 ⋅ ⋅L 2 R z2

wobei: z1 = Zähnezahl des kleinen Zahnrades z2 = Zähnezahl des großen Zahnrades

Abb. 1.18 Leier

D/11

D/12

MASCHINENBAU

Werkzeuge unter Berücksichtigung der Reibung • Schiefe Ebene sin(α + ϕ) Last steigt: F1 = cos(β − ϕ) sin(α − ϕ) Last sinkt: F2 = cos(β + ϕ) wobei: ϕ = Reibungswinkel (N.B. F parallel zur Neigung: β = 0)

Abb. 1.19 Schiefe Ebene

• Keil Unterstellt, dass der Reibungswinkel an allen Flächen gleich ist, gilt: F = L tan(α + 2ϕ) mit α ≤ 2ϕ. Wirkungsgrad beim Heben der Last: η = tan α / tan(α + 2ϕ) . Selbsthemmend, wenn: α ≤ ϕ1 + ϕ 2 • Schraube

Abb. 1.20 Keil

L rg tan(α + ϕ) l L Senken der Last: F = rg tan(α − ϕ) l wobei: F = Kraft am Schlüssel der Schlüssellänge l von der Mittellinie der Schraubachse aus [N] L = Gewicht der Last [N] rg = mittlerer Gewinderadius (Abstand Schraubmittellinie zur Gewindemitte) α = Neigungswinkel des Gewindes (z.B. 4°) ϕ = Reibungswinkel (Reibungskoeffizient = 0,1: ϕ = 6°)

Heben der Last: F =

GRUNDLAGEN

D/13

1.2 Festigkeitslehre Allgemeines Grenzzustände • Elastische Spannungsüberschreitung oder Versagen, wobei die Fließgrenze des betrachteten Materials den Grenzzustand der elastischen Spannungsüberschreitung bestimmt. • Große elastische oder plastische Verformungen. • Instabilität mit der Folge von Knicken, Kippen oder Beulen. Der Grenzzustand kann im maßgebenden Querschnitt, in einer Verbindung, in einem Konstruktionsteil oder in der gesamten Konstruktion entstehen. Diese Kriterien werden für technische Berechnungen genutzt. Bei Stahlkonstruktionen für Hebezeuge gelten abweichende Regeln. Ausgangspunkte • Ebene Querschnitte bleiben trotz der Belastung eben (Gesetz von Bernoulli) • Bis zur 0,2% Streckgrenze (oder bei vielen Stahlarten die Fließgrenze) besteht Linearität zwischen Spannung und Längenänderung (Hooke’sches Gesetz). Diese Ausgangspunkte gelten für homogene, isotrope Materialien und sind für alle Belastungsarten auf die meisten Baustahlsorten anzuwenden (für Torsion in geringerem Maße). Unterstellt man hierbei, dass die Vergleichsspannung σi die Rechenwerte der Fließgrenze nicht überschreiten darf, dann erfolgt die Berechnung gemäß der Elastizitätslehre. Geht man dagegen vom Kriechzustand als Entwurfskriterium für die Stärke der Konstruktion aus, dann wird die Berechnung gemäß der Plastizitätslehre durchgeführt. Unterteilung • Kraftlehre, womit die in einer Konstruktion auftretenden Kräfte sowie die Reaktionskräfte in den Auflagern berechnet werden, verursacht durch die auf die Konstruktion wirkenden äußeren Belastungen. • Elastizitätslehre, womit die in einer Konstruktion auftretenden Verformungen und Spannungen berechnet werden.

D/14 • •

MASCHINENBAU

Plastizitätslehre, womit die in einer Konstruktion auftretenden bleibenden Verformungen und die Spannungen berechnet werden, wenn diese Spannungen über die Elastizitätsgrenze hinausgehen. Stabilitätslehre, womit die Stabilität einer Konstruktion als ganzes oder von Konstruktionsteilen untersucht wird.

Statik Gleichgewichtsbedingungen für die ebene Fläche ΣFx = 0: Die algebraische Summe der Anteile der Kräfte und Reaktionskräfte in X-Richtung ist Null. ΣFy = 0: ebenso, in Y-Richtung ist Null. ΣM =0: Die algebraische Summe der statischen Momente der wirkenden Kräfte und Reaktionskräfte, bezogen auf einen beliebigen Punkt, ist Null. Eine Konstruktion ist äußerlich statisch bestimmt, wenn mit Hilfe der Gleichgewichtsbedingungen die Auflagereaktionen bestimmt werden können. Eine Konstruktion ist äußerlich statisch unbestimmt, wenn für die Bestimmung der Auflagereaktionen neben den Gleichgewichtsbedingungen noch eine oder mehrere Elastizitätsgleichungen nötig sind. Berechnung von Fachwerkkonstruktionen (Beispiel Abb. 1.21) Die Berechnung der Stabkräfte kann erfolgen: • Grafisch aus dem Gleichgewicht der jeweiligen Knotenpunkte mit der Cremona-Methode. • Analytisch mit der Schnittmethode von Ritter oder aus dem Gleichgewicht der jeweiligen Knotenpunkte. Der Cremona-Plan (Abb. 1.22) kann gezeichnet werden, wenn: • Alle Lasten, auch die Stützpunktreaktionen, in den Knotenpunkten längs des Umfangs des Fachwerks angreifen. • Die Stäbe sich nicht schneiden. • Alle Knotenpunkte des Fachwerks im Uhrzeigersinn durchlaufen werden. • In derselben Reihenfolge müssen die Kräfte im Kräftevieleck gezeichnet werden.

GRUNDLAGEN

D/15

Abb. 1.21 Fachwerkausleger. a System; b Knotenschnitte

Abb. 1.22 Fachwerkausleger. a Cremonaplan; b Ritterscher Schnitt

Abb. 1.23 Fachwerkausleger. a Wanderlast; b Einflusslinie für Stab S6

Mit der Schnittmethode von Ritter (Abb. 1.22) betrachtet man das Fachwerk nach Durchschneiden des Fachwerks. Diese Rechenweise wird gerne als Kontrollrechnung benutzt. Die Berechnung einer Stabkraft FSi als Funktion von x infolge einer Wanderlast F =1 liefert die Einflussfunktion η(x); ihre grafische Darstellung heißt Einflusslinie (Abb. 1.23).

D/16

MASCHINENBAU

Elastizitätslehre Durch die vorhandenen Belastungen erfahren Konstruktionen und Konstruktionsteile Verformungen, die von den auftretenden Spannungen abhängig sind. Bei der Berechnung wird in der Regel von elastischen Verformungen ausgegangen, was bedeutet, dass die auftretenden Spannungen die 0,2% Streckgrenze nicht überschreiten dürfen. Hooke’sches Gesetz ∆l σ F ε= = = l E AE wobei: σ = auftretende Spannung (=F/A) ∆l = Verlängerung über einer Länge l E = Elastizitätsmodul A = Querschnittsfläche Querkontraktion: Die Erscheinung, dass ein Stab, wenn er gestreckt wird, in der Querrichtung dünner wird. ∆d /d Querkontraktionskoeffizient (Poisson - Zahl): ν = ∆l /l wobei: ν = Werte abhängig vom Material (für Metalle ist ν ≈ ⅓) E Schubmodul: G = 2(1 + ν) Dauerfestigkeit und Kerbwirkung Bei sich verändernden Belastungen können die Werte der zulässigen Spannungen aus dem Smith-Diagramm erhalten werden (siehe Abb. 1.24). σB = Bruchfestigkeit σm = mittlere Spannung σ0 = Schwellfestigkeit σA = Spannungsamplitude σw = Wechselfestigkeit Bei Querschnittsveränderungen treten im allgemeinen Spannungsspitzen auf, bezeichnet als Kerbwirkung.

GRUNDLAGEN

D/17

Zulässige Spannung in Bauwerken σ σ ≤ a ⋅b⋅c ⋅e⋅ g ⋅ B 4

Abb. 1.24 Smith-Diagramm der Dauerfestigkeit

a = Faktor gemäß Tabelle 1.3 b = Faktor abhängig von der Oberflächenrauheit (= 0,8 – 1,0) c = Faktor abhängig von Stößen (von stark zu keinen) (0,35 – 1,0) e = Temperaturfaktor (300°C: 0,64; 120°C: 1,0) g = Torsionsfaktor (Torsion in Verbindung mit anderen Belastungen ( 0,3 – 1) Tabelle 1.3 Werte für den Faktor a Belastungsfall Wirkkraft N I ist konstant = N II dauernd veränderlich zwischen 0 und N III

dauernd wechselnd zwischen – N und + N

IV

dauernd veränderlich zwischen Nmax und Nmin

a 1 2 3 1 3 N 2 + min 3 3 N max

D/18

MASCHINENBAU

Flächenträgheitsmoment und Widerstandsmoment Das axiale Flächenträgheitsmoment bezüglich einer beliebigen Linie ist folgendermaßen definiert (siehe Abb. 1.25):

∫ = ∫ y dA (bezüglich der Z-Achse).

•

I Y = z 2 dA (bezüglich der Y-Achse);

•

IZ

2

Abb. 1.25 Koordinaten

Zentrifugales Flächenträgheitsmoment: I YZ =

∫

∫ y ⋅ z ⋅ dA

Polares Flächenträgheitsmoment: I p = r 2 dA = I Y + I Z Flächenträgheitsmoment bezüglich einer Achse l im Abstand a parallel zur Y-Achse: I l = I Y + A ⋅ a 2 Trägheitsradius: i y =

IY ; iz = A

IZ A

I e Widerstandsmoment gegen Torsion für runde Querschnitte: WW = Ip/r. Für Formeln von I und W siehe Tabelle 1.4. Statisches Moment oder lineares Trägheitsmoment eines Querschnitts:

Widerstandsmoment gegen Biegung: WB =

∫

SY = z dA und S Z =

∫ y dA

Genutzt für die Bestimmung der Koordinaten (y0, z0) des Mittelpunkts eines Querschnitts: y dA z dA y = ; z0 = 0 Atot Atot

∫

∫

GRUNDLAGEN Tabelle 1.4 Axiale Flächenmomente 2. Grades und Widerstandsmomente

D/19

Tabelle 1.4 Fortsetzung

D/20 MASCHINENBAU

GRUNDLAGEN

D/21

Zug und Druck Wenn auf einen Stab in Längsrichtung zwei gleiche aber entgegengesetzte Kräfte F wirken, entstehen in den Normalquerschnitten A (Querschnitte senkrecht zur Stabachse) Normalspannungen, die gleichmäßig über die Oberfläche des Querschnitts verteilt sind: F (σ > 0: Zug; σ < 0: Druck). σ=± A Bei einer Stablänge l entsteht eine Verlängerung bzw. Verkürzung: F ⋅l . ∆l = E⋅A p Allseitiger Druck: v = − K wobei: v = spezifische Volumenänderung p = äußerer Druck K = Kompressionsmodul = E/(3 – 6ν). Biegung (Spannung und Verformung) Wenn ein eingespannter oder auf andere Weise gelagerter Balken senkrecht zur Längsrichtung belastet wird, tritt Biegung auf. Verformung durch Schub wird hier vernachlässigt. Die Materialfasern werden an der einen Seite auf Zug und an der anderen Seite auf Druck belastet. Auftretende größte Normalspannung bei Biegemoment M: M ⋅e M σ= = I WB wobei: e = Abstand zur neutralen Faser I = axiales Flächenmoment 2. Grades Durch die bei Biegung auftretenden Spannungen verformt sich der Balken. Für die Berechnung dieser Verformungen können Formeln aus der Differentialgleichung der elastischen Linie (Linie durch die Oberflächenmittelpunkte der Normalquerschnitte) abgeleitet werden: d 2z M = z ′′ = EI dx 2 Hieraus folgen Formeln für die elementaren Fälle von einseitig eingespannten Balken für die Durchbiegungen f und auch die Biegewinkel ϕ.

D/22

MASCHINENBAU

Plastizitätslehre Für die Berechnung der Versagensbelastung nimmt man an, dass die Spannungen in allen Fasern des Querschnitts die Werte σe oder σv des Materials annehmen. Für Stahl geht man vom vereinfachten bilineaAbb. 1.26 Vereinfachtes bilineares ren σ - ε Diagramm aus σ - ε Diagramm (Abb. 1.26). Bei Belastung auf Zug ist die Versagenslast: Fv = A × σ v Bei Belastung auf Biegung geht man für die Berechnung der Versagensbelastung Mv von einer Spannungsverteilung gemäß der Abb. 1.27 aus. Die neutrale Linie (Y-Achse) teilt hierbei den Quer-

Abb. 1.27 Spannungsverteilung bei Biegung

schnitt in gleiche Oberflächen: 1 AZug = ADruck = Atot 2 Versagensmoment M v = σ v (STY + S DY ) STY = statisches Moment Zugzone bezüglich der Y-Achse SDY = statisches Moment Druckzone bezüglich der Y Achse

GRUNDLAGEN

D/23

Stabilitätslehre Knicken Für Knicken im elastischen Bereich des Materials gilt mit dem minimalen Trägheitsradius imin die Theorie von Euler: l π2 ⋅ E ⋅ I π2 ⋅ E FK = ; σ = ; λ= k E 2 2 imin lk λ

Abb. 1.28 Knickfälle mit zugehörigen Knicklängen

Die Theorie von Euler gilt für σE kleiner als die Proportionalitätsgrenze σp eines Materials. Für σE > σp bestehen andere Näherungstheorien, wie die von Engesser und von Tetmajer. Man folgt für die Berechnung von Druckstäben für Stahlbaukonstruktionen im allgemeinen DIN 4114. Für die praktische Rechenweise benutzt man hierbei eine fiktive Spannung: ω⋅ F . σ= A Der Knickkoeffizient ω ist abhängig von der Schlankheit λ. Die berechnete fiktive Spannung wird verglichen mit σ oder mit σ0,2 des Materials. In den Normen sind Rechenregeln für zusammengesetzte Stäbe und Knicken kombiniert mit Biegung aufgenommen.

D/24

MASCHINENBAU

Auf Druck und Schub belastete Platten (Beulen) Die in einer ebenen rechteckigen Platte auftretenden größten Spannungen σ und τ müssen mit den kritischen Beulspannungen σKR und τKR verglichen werden. σ KR = k D ⋅ σ E und τ KR = k S ⋅ σ E σE ist die Knickspannung gemäß Euler für eine Platte: 2

⎛ 100 t ⎞ σ E = 19⎜ ⎟ ⎝ b ⎠ σE wird an der Oberseite durch σ0,2 begrenzt. Die Beulfaktoren kD und kS sind abhängig vom Randspannungsverhältnis Ψ und dem Seitenverhältnis α und von der Art, wie die Platte an den Rändern gestützt wird. Für die Ermittlung von kD und kS für Stahlkonstruktionen siehe DIN 4114. Allgemein muss eingehalten werden, dass:

⎛ σ1 ⎜⎜ ⎝ σ KR

2

⎞ ⎛ τ ⎟⎟ + ⎜⎜ ⎠ ⎝ τ KR

2

⎞ ⎟⎟ ≤ 1 ⎠

Abb. 1.29 Spannungssituation für eine Platte

GRUNDLAGEN

D/25

1.3 Wärme Temperatur und Temperaturskalen Thermodynamische (= absolute) Temperatur: Symbol T, Einheit Kelvin (K). Celsius-Temperatur: Symbol t oder ϑ, Einheit °C. Fahrenheit-Temperatur: Symbol t oder ϑ, Einheit °F. Umrechnung für Temperaturen: x K = (x – 273,15) °C = (9/5 x – 459,67) °F x °C = (x + 273,15) K = (9/5 x + 32) °F x °F = 5/9 (x – 32) °C = 5/9 (x + 459,67) K Für Temperaturänderungen: 1K = 1°C = 1,8°F. Anmerkung. Exakt ist: T(K) = t (°C) + 273,15, nicht 273,16, da der Tripelpunkt von Wasser bei +0,01°C liegt. Ausdehnung Ausdehnung von festen Stoffen und Flüssigkeiten Lineare Ausdehnung, Ausdehnungskoeffizient α, nur für feste Stoffe: ∆l = αl∆t oder l2 = l1 [1 + α(t 2 − t1 )] Räumliche Ausdehnung von festen Körpern und Flüssigkeiten, Ausdehnungskoeffizient γ: ∆V = γV∆t oder V2 V1 [1 γ (t 2 − t1 )] γ ≈ 3α wobei: l1, V1 = Länge bzw. Volumen bei Temperatur t1 l2, V2 = Länge bzw. Volumen bei Temperatur t2 Ausdehnung von Gasen Für alle idealen Gase gilt: γ =

1 ≈ 3,66086 × 10 − 3 K −1 273,16

D/26

MASCHINENBAU

Spezifische Wärme Wärme ist eine Form von Energie. Eine Wärmemenge (Q) wird in einer Anzahl Joule (J) ausgedrückt und hängt beispielsweise mit der Temperatur eines Körpers zusammen: ∆Q = m ⋅ c ⋅ ∆T . Spezifische Wärme (c): Die nötige Wärmemenge, um 1 kg eines Stoffes um 1 K zu erwärmen. Für m kg gilt: ∆Q = m ⋅ c ⋅ ∆T . Wärmekapazität (C) eines Körpers oder Systems: Die Wärmemenge, um m kg des Stoffes um 1 K zu erwärmen: ∆Q C = m⋅c = ∆T Gase Bei Gasen unterscheidet man: • cp = spezifische Wärme bei konstantem Druck; • cV = spezifische Wärme bei konstantem Volumen. Für 1 kmol Gas verwendet man Cp bzw. CV. R Cp – CV = R und c p − cV = = Rs mit M = molare Masse M Cp = Mcp und CV = McV R = molare Gaskonstante Spezifisches Wärmeverhältnis γ = c p / cV : • • •

5 = 1,67 für einatomige Gase; 3 7 γ = = 1,40 für zweiatomige Gase; 5 4 γ = = 1,33 für dreiatomige Gase. 3

γ=

Mischungen und Lösungen Wenn m1 kg eines Stoffes mit der Temperatur T1 und der spezifischen Wärme c1 mit m2 kg eines zweiten Stoffes (T2, c2) gemischt

GRUNDLAGEN

D/27

werden, dann ist die spezifische Wärme dieser Mischung: m c + m2 c2 cm = 1 1 m1 + m2 und die Temperatur der Mischung: m c T + m2c2T2 Tm = 1 1 1 m1c1 + m2 c2 wenn keine chemische Reaktion, Wärmeentwicklung oder Wärmeabsorption stattfindet. Für Lösungen von Salzen in Wasser gilt: p ⎞ ⎛ cLös ≈ ⎜1 − m ⎟c H 2 O 100 ⎝ ⎠ wobei: pm = Gewichtsprozent Salz in Wasser. Veränderung des Aggregatzustands Normale Schmelztemperatur (auch Schmelzpunkt) eines Stoffes: Die Temperatur, bei der unter einem Druck pn (101.325 Pa) die feste und flüssige Phase zugleich vorliegen können. Die Temperatur des Schmelzpunkts ist gleich der des Erstarrungspunktes (auch Gefrierpunkt genannt). Siedepunkt einer Flüssigkeit: Die Temperatur, bei welcher der Sättigungsdruck gleich dem Druck auf die Flüssigkeit ist. Der normale Siedepunkt wird bei einem Druck pn definiert. Spezifische Schmelzwärme = spezifische Erstarrungswärme (l32): Die Wärmemenge, die nötig ist (bzw. frei wird), um 1 kg eines Stoffes bei seinem Schmelzpunkt schmelzen (erstarren) zu lassen. Eine kleine Konzentration eines Stoffes in einem Lösungsmittel ergibt eine Gefrierpunkterniedrigung des reinen Lösungsmittels gemäß: n (Gesetz von Van´t Hoff) ∆T = K v mL wobei: Kv = molare Gefrierpunkterniedrigung des Lösungsmittels n = Anzahl kmol des aufgelösten Stoffes mL = Masse des Lösungsmittels Beim Sieden erfolgt Verdampfung. Der Übergang von der Dampfphase zur Flüssigkeitsphase heißt Kondensieren.

D/28

MASCHINENBAU

Spezifische Verdampfungswärme = spezifische Kondensationswärme (l21): Wärmemenge, die zugeführt werden muss (frei wird), um 1 kg einer Flüssigkeit beim Siedepunkt zu verdampfen (kondensieren). Siedepunkterhöhung erfolgt infolge einer kleinen Konzentration eines Stoffes in einem Lösungsmittel gemäß: n ∆T = K k mL wobei Kk = molare Siedepunkterhöhung des Lösungsmittels

Abb. 1.30 pT-Phasendiagramm

Sublimieren: Der Prozess, bei dem ein Stoff direkt von der festen Phase in die Dampfphase übergeht, ohne in die Flüssigkeitsphase zu kommen. Bei Stoffen, die diese Eigenschaft haben, spricht man vom Sublimationspunkt statt Siedepunkt. Desublimieren: Der Prozess, bei dem ein Stoff direkt von der Dampfphase in die feste Phase übergeht. Verflüssigung von Gasen: • Kritische Temperatur: Oberhalb dieser Temperatur kann ein Gas nicht verflüssigt werden, wie hoch der Druck auch sei. • Kritischer Druck: Der minimale Druck, der nötig ist, um ein Gas bei der kritischen Temperatur zu verflüssigen. • Kritisches Volumen: Das Volumen einer bestimmten Gasmenge bei kritischer Temperatur und kritischem Druck.

GRUNDLAGEN

D/29

Thermodynamik Erster Hauptsatz (Gesetz der Energieerhaltung) In einem abgeschlossenen System ist die algebraische Summe aller Energieveränderungen gleich Null. (Wärme und Arbeit sind beides Energieformen). Die innere Energie (U) eines Systems ist eine Zustandsgröße: dU = ∆Q − ∆W wobei: dU = kleine Zunahme von U ∆Q = kleine zugeführte Wärmemenge ∆W = kleine Menge verrichteter Arbeit Für ein Gas ist ∆W = pdV Für einen Kreisprozess eines geschlossenen Systems ist U2 = U1 und

∫ ∆Q = ∫ ∆W

Zustandsveränderungen eines idealen Gases Allgemeine Formeln für ein kmol: pV = RT R = C p − CV dU = CV dT Cp CV Vdp + pdV R R Zweiter Hauptsatz (Gesetz der Energieumwandlung) Quasistatischer Prozess = Prozess, bei dem das System zu jedem Zeitpunkt im Gleichgewicht ist (= umkehrbarer (reversibler) Prozess). Nicht-quasistatischer Prozess = nicht-umkehrbarer (irreversibler) Prozess = von selbst verlaufender Prozess; hierzu gehören die meisten reellen Prozesse. Formen des zweiten Hauptsatzes: • Es ist unmöglich, einen Kreisprozess zu beschreiben, bei dem mit Hilfe von nur einer Wärmequelle Wärme in Arbeit umgesetzt werden kann (Regel von Kelvin). • Es ist unmöglich, einen Kreisprozess zu beschreiben, bei dem ohne Arbeit zu verrichten, Wärme von niedrigerer zu höherer Temperatur überführt wird (Regel von Clausius). ∆Q =

D/30

MASCHINENBAU

Tabelle 1.5 Übersicht der Zustandsveränderungen des idealen Gases Zustandskonstant dU Anmerkung ∆Q ∆W veränderung Isobare p 2 CV dT C p dT p dV

∫ 1

Isochore

V

CV dT

CV dT

0

Isotherme

T

0

V RT ln 2 V1

∆Q

p RT ln 1 p2 Adiabate (Isentrope)

Polytrope

Poisson: pVγ TVγ−1 Tγp1−γ H pVn TVn-1 Tnp1-n

n = 0: C = Cp (Isobare) n = 1: C = ∞ (Isotherme)

Abb. 1.31 pV-Diagramm

CV dT

0

pdV = −CV dT

R =− dT γ −1 CV dT

CdT

R dT n −1 = (C − CV )dT

=−

γ=

Cp CV

Enthalpie: H = U + pV

C= n=

n = γ: C = 0 (Adiabate = Isentrope) n = ∞: C = CV (Isochore)

Abb. 1.32 pV-Isothermen

nCV − C p n −1 C −Cp C − CV

GRUNDLAGEN

D/31

Entropie Wenn einem Körper bei der Temperatur T eine Wärmemenge ∆Q zugeführt wird, wodurch der Körper eine Zustandsänderung erfährt, dann ändert sich die Entropie S: • •

∆Q = dS T

umkehrbarer Prozess:

nicht umkehrbarer Prozess:

∆Q ≤ dS T

2

oder

∫ 1

2

oder

∫ 1

∆Q = S 2 − S1 T

∆Q ≤ S 2 − S1 T

(S1 gehört zum Zustand 1, S2 gehört zum Zustand 2). Kreisprozess → allgemein

umkehrbar

nicht umkehrbar

∫

adiabatisch

S2 = S1

∫

∆Q =0 T

∆Q ≤0 T

S2 > S1

Für ein ideales Gas gilt pro kmol: TdS = dU + pdV V T dV dT +R S 2 − S1 = CV ln 2 + R ln 2 dS = CV V1 T1 V T Für die Entropie in einem bestimmten Zustand (p, V, T) des Gases gilt: S = C p ln V + CV ln p S = CV ln T + R ln V S = C p ln T − R ln p

Kreisprozesse Carnot (Wärmemotor) 1 – 2, 3 – 4 Isothermen 2 – 3, 4 – 1 Adiabaten (Isentropen) W T Wirkungsgrad: η = =1− 2 Q1 T1

Abb. 1.33 Carnot-Prozess

D/32

MASCHINENBAU

Otto (Viertaktmotor) 2 – 3, 4 – 1 Isochoren 1 – 2, 3 – 4 Adiabaten (Isentropen) 1 Wirkungsgrad: η = 1 − γ −1 ε V1 wobei: ε= = KompressionsV2 verhältnis und γ = C p / CV Diesel (Dieselmotor) 1 – 2, 3 – 4 Adiabaten (Isentropen) 2–3 Isobare 4–1 Isochore Wirkungsgrad: 1 ϕ γ − 1 T1 η =1− ⋅ ⋅ γ ϕ − 1 T2 V wobei: ϕ = 3 = VerbrennungsverV2 hältnis Stirling (Heißluftmotor, ausgerüstet mit Kolben und Verdränger) 1 – 2, 3 –4 Isochoren 2 – 3, 4 – 1 Isothermen TE Wirkungsgrad: η = TE + TC

Abb 1.34 Otto-Prozess

Abb. 1.35 Diesel-Prozess

Abb. 1. 36 Stirling-Prozess

Allgemein ist die durch den Prozess (= Motor) verrichtete Arbeit W gleich der schraffierten Oberfläche. Wirkungsgrad technischer Kreisprozesse: W η= Q1 Allgemeine Formeln

GRUNDLAGEN

D/33

Für die Veränderung von U mit V bei T = konstant: ⎛ ∂U ⎞ ⎛ ∂p ⎞ Helmholtz: ⎜ ⎟ = − p + T⎜ ⎟ ∂ V ⎝ ⎠T ⎝ ∂T ⎠V Für den Fall ∆Q = dU = 0 (Joule-Effekt): ⎛ ∂T ⎞ ⎛ ∂p ⎞ CV ⎜ ⎟ = p −T⎜ ⎟ ⎝ ∂V ⎠U ⎝ ∂T ⎠V Für die adiabatische Entspannung, wobei H = konstant (Joule⎛ ∂T ⎞ ⎛ ∂V ⎞ ⎟⎟ = −V + T ⎜ Kelvin-Effekt): C p ⎜⎜ ⎟ ⎝ ∂T ⎠ p ⎝ ∂p ⎠ H Charakteristische Funktionen (Zustandsfunktionen) Innere Energie U = f ( S , V ), dU = TdS − pdV Enthalpie H = U + pV , dH = TdS + Vdp Freie Energie (Helmholtz-Funktion) F = U − TS , dF = − SdT − pdV Freie Enthalpie (Gibbs-Funktion) G = H − TS , dG = − SdT + Vdp Beziehungen nach Maxwell ⎛ ∂T ⎞ ⎛ ∂V ⎞ ⎛ ∂T ⎞ ⎛ ∂p ⎞ ⎟⎟ = ⎜ ⎜⎜ ⎟ ⎜ ⎟ = −⎜ ⎟ ⎝ ∂V ⎠ S ⎝ ∂S ⎠V ⎝ ∂p ⎠ S ⎝ ∂S ⎠ p ⎛ ∂S ⎞ ⎛ ∂p ⎞ ⎜ ⎟ =⎜ ⎟ ⎝ ∂V ⎠T ⎝ ∂T ⎠V

Spezifische Wärme:

⎛ ∂S ⎞ ⎛ ∂V ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = −⎜ ⎟ ⎝ ∂T ⎠ p ⎝ ∂p ⎠T ⎛ ∂S ⎞ ⎛ ∂U ⎞ CV = ⎜ ⎟ = T⎜ ⎟ ⎝ ∂T ⎠V ⎝ ∂T ⎠V ⎛ ∂H ⎞ ⎛ ∂S ⎞ Cp = ⎜ ⎟ = T⎜ ⎟ ⎝ ∂T ⎠V ⎝ ∂T ⎠ p

Gesetz von Clapeyron (Beziehung nach Clausius-Clapeyron) gilt für (siehe pT-Diagramm, Abb. 1.30): • spezifische Verdampfungswärme l21 längs der Dampfdrucklinie; • spezifische Schmelzwärme l32 längs der Schmelzlinie; • spezifische Sublimationswärme l31 längs der Sublimationslinie.

D/34

MASCHINENBAU

Übergang von Phase a nach Phase b ist allgemein: lab dp . = dT T (Vb − Va ) Wärmetransport Stationärer Wärmetransport durch Leitung Allgemein: Q& = −λ ⋅ A ⋅ dT / dx q = −λ ⋅ dT / dx 1 oder: Q& = g ⋅ A ⋅ ∆T = G ⋅ ∆T = ⋅ ∆T R wobei für das leitende Material, z.B. Glas, Stein: λ = Wärmeleitungskoeffizient [W/(m·K)] G = Wärmeleitung [W/K] g = spezifische Wärmeleitung [W/(m²·K)] R = 1/G = Wärmewiderstand [K/W] Ebene Wand der Dicke d [m]: g =λ/d R = d /(λ ⋅ A) Zusammengesetzte ebene Wand: di di 1 1 = R= g λ i A λ i i i

∑

∑

Zylindrische Wand (Rohr): ln( Du / Di ) 2λ g= R= Du ln( Du / Di ) 2πλl A = πDu ⋅ l wobei: Du = Außendurchmesser [m] Di = Innendurchmesser [m] l = Länge [m]

GRUNDLAGEN

D/35

Sphärische Wand (hohle Kugel): 2πλ G= 1 1 − Di Du Stationärer Wärmetransport durch Konvektion Allgemein: Q& = α ⋅ A ⋅ ∆T (Abkühlungsgesetz nach Newton) ∆T = Tw − Tm wobei: A = Kontaktoberfläche zwischen festem Körper und entlangströmendem Medium [m²] Tm = mittlere Temperatur des strömenden Mediums [K] Tw = Oberflächen-(Wand-)Temperatur des festen Körpers [K]

Einige Richtwerte für α: α 10 20 50 100 200 500 1.000 2.000 5.000 10.000 Medium ← Gas → ← Flüssigkeit →← Kondensation →

D/36

MASCHINENBAU

2 Technisches Zeichnen Anmerkung: Alle Maße in mm, soweit nicht anders angegeben. Normenwerk Überbetriebliche Normen Nach DIN 820 ist Normung die planmäßige, von interessierten Kreisen gemeinschaftlich durchgeführte Vereinheitlichung materieller und immaterieller Gegenstände zum Nutzen der Allgemeinheit. Normen-Herkunft: DIN-Normen des DIN (Deutsches Institut für Normung) einschließlich der VDE-Bestimmungen, europäische Normen (EN-Normen) von CEN (Comité Européen de Normalisation) und CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique), Empfehlungen der IEC (International Electrotechnical Commission) und Empfehlungen, neuerdings auch Weltnormen, der ISO (International Organization for Standardization), sowie VDIRichtlinien. Nach dem Inhalt werden folgende Gebiete von der Normung erfasst: Verständigen, Sortieren, Typisieren, Planen, Maße, Stoffe, Qualität, Verfahren, Gebrauchstauglichkeit, Prüfen, Liefern und Sicherheit. Nach der Reichweite unterscheidet man Grundnormen (Normen von allgemeiner, grundlegender und fachübergreifender Bedeutung) und Fachnormen (Normen für ein bestimmtes Fachgebiet). Der Grad einer Norm wird hinsichtlich Breite, Tiefe und Umfang bestimmt. Neben den nationalen und internationalen Normen bestehen weitere überbetriebliche Vorschriften und Richtlinien (vgl. DIN-Katalog): • VDE-Bestimmungen des Verbands Deutscher Elektrotechniker, die jetzt auch als DIN-Normen gelten. • Vorschriften der Vereinigung der Technischen Überwachungsvereine, z.B. AD-Merkblätter (Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter), die ebenfalls Normcharakter haben. • VDI-Richtlinien des Vereins Deutscher Ingenieure.

TECHNISCHES ZEICHNEN

D/37

Innerbetriebliche Normen Zur Erleichterung und Rationalisierung der Konstruktion und der Fertigung werden innerbetriebliche Normen aufgestellt. Innerbetriebliche Normen können erfassen: Normen-Zusammenstellungen als Auswahl aus überbetrieblichen Normen bzw. Beschränkungen nach firmenspezifischen Gesichtspunkten; Kataloge, Listen und Informationsschriften über Fremderzeugnisse; Kataloge oder Listen über Eigenteile; Informationsblätter zur technischwirtschaftlichen Optimierung (z.B. über Fertigungsmittel, Fertigungsverfahren, Kostenvergleiche); Vorschriften oder Richtlinien zur Berechnung und Gestaltung von Bauelementen, Baugruppen, Maschinen und Anlagen; Informationsblätter über Lager- und Transportmittel; Festlegung zur Qualitätssicherung (z.B. Fertigungsvorschriften, Prüfanweisungen), Vorschriften und Richtlinien für das Zeichnungs- und Stücklistenwesen, für die Nummerungstechnik und die elektronische Datenverarbeitung. Normenanwendung Eine absolute Verbindlichkeit von Normen im juristischen Sinn gibt es nicht. Je nach Fachgebiet ist in Normen- und Richtlinienverzeichnissen nach zutreffenden Normen bzw. Richtlinien, insbesondere nach Sicherheitsnormen (DIN 31000/VDE 1000), zu suchen. Normzahlen und Normzahlreihen zur Größenstufung und Typisierung, vor allem bei Baureihen- und Baukastenentwicklungen, sind möglichst anzuwenden. Grundnormen Grundnormen sind von allgemeiner, grundlegender Bedeutung. Zeichnungsarten DIN 199 unterscheidet technische Zeichnungen nach Art ihrer Darstellung, Art ihrer Anfertigung, ihrem Inhalt und ihrem Zweck. Hinsichtlich der Darstellung wird unterschieden zwischen Skizzen, maßstäblichen Zeichnungen, Maßbildern, Plänen und sonstigen grafischen Darstellungen.

D/38

MASCHINENBAU

Hinsichtlich der Anfertigungsart unterscheidet man zwischen Original- oder Stamm-Zeichnungen als Grundlage für Vervielfältigungen sowie Vordruck-Zeichnungen, die oft unmaßstäblich sind. Hinsichtlich des Inhalts gibt es viele Unterscheidungsmöglichkeiten. Beim Erarbeiten der Fertigungsunterlagen interessiert die geeignete Struktur eines Zeichnungssatzes.

2.1 Formate, Maßstäbe, Ansichten Formate Zeichnungsformate sind in DIN 6771, Teil2 festgelegt. Meistens werden die Zeichnungen den A-Formaten angepasst. Hierbei besteht ein festes Verhältnis zwischen Länge und Breite, nämlich 2 : 1 , wobei die Oberfläche des folgenden Formats stets die Hälfte des vorhergehenden ist. Mit anderen Worten: Für das folgende Format wird stets das Längenmaß halbiert. Linienbreiten und Schrifthöhen sind den Bedürfnissen der Mikroverfilmung angepasst und folgen in ihrem Stufensprung ebenfalls 2. Tabelle 2.1 Bezeichnung und nominelle Abmessungen von A-Formaten

TECHNISCHES ZEICHNEN

D/39

Tabelle 2.2 Bezeichnung und nominelle Abmessungen von Z-Formaten lange (einfache) Z-Formate zusammengesetzte Z-Formate Bezeichnung nominelle Abmessungen Bezeichnung nominelle Abmessungen 1Z 297 x 2101) 2 x 2Z 549 x 390 2Z 297 x 390 2 x 3Z 549 x 570 3Z 297 x 570 2 x 5Z 549 x 930 4Z 297 x 750 3 x 3Z 811 x 570 5Z 297 x 930 3 x 5Z 811 x 930 7Z 297 x 1.290 9Z 297 x 1.650 usw. 1) Die Abmessungen dieses Formates stimmen mit den Abmessungen des A4-Formates überein.

Anmerkung: Im Gegensatz zu A-Formaten kann bei Z-Formaten durch das Nichteinhalten eines festen Verhältnisses zwischen Breite und Länge durch fotografisches Verkleinern kein vorangehendes kleineres Z-Format erhalten werden. Eine ebenfalls genormte Reihe für Papierformate ist die B-Reihe, die eher nicht für technisches Zeichenpapier verwendet wird. Tabelle 2.3 Nominelle Abmessungen B-Formate Format Abmessungen Format B0 1.000 x 1.414 B3 B1 707 x 1.000 B4 B2 500 x 707 B5

Abmessungen 353 x 500 250 x 353 176 x 250

Falten von Zeichnungen Technische Zeichnungen werden Zick-Zack gefaltet, so dass ein A4Format entsteht, mit dem Schriftfeld sichtbar auf der Vorderseite. Siehe ferner DIN 824. Maßstäbe DIN ISO 5455 schreibt die zu verwendenden Maßstäbe vor. Tabelle 2.4 Maßstäbe für technische Zeichnungen Benennung Maßstäbe für 2:1 Vergrößerungen Wahre Größe 1:2 1:2,5 Maßstäbe für 1:20 1:25 Verkleinerungen 1:200 1:2.000

Bezeichnung 5:1

10:1

1:1 1:5 1:50 1:500 1:5.000

1:10 1:100 1:1.000 1:10.000

D/40

MASCHINENBAU

Der Maßstab einer Zeichnung wird im Schriftfeld angegeben, das sich in der rechten unteren Ecke der Zeichnung befindet. Bei Anwendung verschiedener Maßstäbe auf einer Zeichnung wird nur der Hauptmaßstab im Schriftfeld angegeben und die hiervon abweichenden Maßstäbe bei der Teilenummer oder bei der Benennung einer Einzelheit. Wenn eine Zeichnung auf ein kleineres Format reproduziert wird, z.B. auf fotografischem Weg, soll der Hauptmaßstab aus einer gezeichneten Maßstablinie ersichtlich sein:

Bei einem vergrößert gezeichneten Werkstück dient es der besseren Information, eine Abbildung in wahrer Größe hinzuzufügen. Die Umrisslinien des Produkts, rechts unter der Zeichnung platziert, sind hierfür ausreichend. Ansichten Ansichten und Schnitte werden gewöhnlich in Normalprojektion angeordnet. Benennung der Ansichten

Die Gegenstände sind in Gesamt-Zeichnungen und GruppenZeichnungen in der Gebrauchslage, in Einzelteil-Zeichnungen bevorzugt in der Fertigungslage darzustellen. Die Ansichten werden aus Richtungen gesehen, die hierzu Winkel von 90° oder Vielfache von 90° ausmachen. Schnitte machen Zeichnungen übersichtlicher (Wegfall vieler unsichtbarer Kanten) und sind bei zylindrischen Hohlkörpern stets anzuwenden (sichtbare, umlaufende Kanten nicht vergessen).

TECHNISCHES ZEICHNEN

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Das Klappen einfacher Querschnittsdarstellungen in die Zeichenebene senkt die Zahl notwendiger Ansichten. Oft vorkommende Teile werden nur einmal gezeichnet. Unsichtbare Kanten nur zeichnen, wenn dadurch Unklarheiten und einfache zusätzliche Darstellungen vermieden werden können. Die Bemaßung ist eindeutig und übersichtlich vorzunehmen. Platzierung gemäß der amerikanischen Projektion Die Platzierung der Ansichten ist wie folgt: Die Seitenansicht von links (C) wird links der Vorderansicht (A) platziert, die Seitenansicht von rechts (D) rechts, die Ansicht von oben (B) oben, die Ansicht von unten (E) unten und die Ansicht von hinten (F) kann rechts von (D) oder links von (C) platziert werden. Europäische Projektion Die Platzierung der Ansichten ist wie folgt: Die Seitenansicht von links (C) rechts, die Seitenansicht von rechts (D) links, die Ansicht von unten (E) oben und die Ansicht von oben (B) unten. Kennzeichnung der angewendeten Projektion Amerikanische Projektion Europäische Projektion

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2.2 Linien und Darstellungen Linienarten, Buchstaben, Ziffern und Schrift

Tabelle 2.5 Linienarten und Linienbreiten Linienart Beschreibung Anwendung Volllinie, breit 1 Sichtbare Kanten 2 Sichtbare Umrisse 3 Gewindespitzen 4 Grenze der nutzbaren Gewindelänge 5 Hauptdarstellungen in Diagrammen, Karten, Fließbildern 6 Systemlinien (Metallbau-Konstruktionen) 7 Formteilungslinien in Ansichten 8 Schnittpfeillinien Volllinie, 1 Lichtkanten bei Durchdringungen schmal 2 Maßlinien 3 Maßhilfslinien 4 Hinweis- und Bezugslinien 5 Schraffuren 6 Umrisse eingeklappter Schnitte 7 Kurze Mittellinien 8 Gewindegrund 9 Maßlinienbegrenzungen 10 Diagonalkreuze zur Kennzeichnung ebener Flächen 11 Biegelinien an Roh- und bearbeiteten Teilen 12 Umrahmungen von Einzelheiten 13 Kennzeichnung sich wiederholender Einzelheiten 14 Zuordnungslinien an konischen Formelementen 15 Lagerichtung von Schichtungen 16 Projektionslinien 17 Rasterlinien Strichlinie, 1 Kennzeichnung von Bereichern mit zuläsbreit siger Oberflächenbehandlung Strichlinie, 1 Verdeckte Kanten schmal 2 Verdeckte Umrisse 1 Kennzeichnung von Bereichen mit (beStrichgrenzter) geforderter OberflächenbehandPunktlinie (langer Strich), lung, z.B. Wärmebehandlung 2 Kennzeichnung von Schnittebenen breit

TECHNISCHES ZEICHNEN Tabelle 2.5 Fortsetzung Linienart Beschreibung StrichPunktlinie (langer Strich), schmal StrichZweipunktlinie (langer Strich), schmal

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Anwendung 1 Mittellinien 2 Symmetrielinien 3 Teilkreise von Verzahnungen 4 Lochkreise 1 Umrisse benachbarter Teile 2 Endstellungen beweglicher Teile 3 Schwerlinien 4 Umrisse vor der Formgebung 5 Teile vor der Schnittebene 6 Umrisse alternativer Ausführungen 7 Umrisse von Fertigteilen in Rohteilen 8 Umrahmungen besonderer Bereiche oder Felder 9 Projizierte Toleranzzone

Linienbreiten Es ist eine Reihe Linienbreiten entwickelt, deren wichtigsten sind: 0,13 0,18 0,25 0,35 0,5 0,7 1,0 1,4 2,0 Die Dicke der Linienarten wird in Übereinstimmung mit der Größe und der Art der Zeichnung bestimmt. Für alle Ansichten eines Werkstücks vom selben Maßstab wird die Breite jeder Linienart gleich gehalten. Gebräuchliche Linienbreiten-Kombinationen - breit 0,35 0,5 0,7 - schmal 0,18 0,25 0,35 Schriftarten - Schmale Schrift (Typ A) mit Linienbreite 1/14 h, besonders geeignet für Reproduktion auf Mikrofilm - Gewöhnliche Schrift (Typ B) mit Linienbreite 1/10 h - Schräge Schrift kann auch verwendet werden (75° rechtsneigend) Tabelle 2.6 Schriftgrößen und zugehörige Linienbreiten1) Schriftgröße (h) 2,5 3,5 5 7 (1/14 h) 0,18 0,25 0,35 0,5 Linienbreite (d) (1/10 h) 0,25 0,35 0,5 0,7 1)

10 0,7 1

14 1 1,4

20 1,4 2

Beim Gebrauch von Schablonen muss auf die richtige Kombination von Schriftgröße und Linienbreite (zugehörige Federgröße) geachtet werden. Meistens sind Schablonen für eine Linienbreite von 0,1 h eingerichtet. Somit bei einer Schriftgröße von 0,35 mm eine Liniendicke von 0,35 mm.

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Tabelle 2.7 Verhältnis große / kleine Buchstaben und Abstände voneinander

Höhen und Abstände Höhe der Großbuchstaben (h) Höhe der Kleinbuchstaben (c) Mindestabstand zwischen Schriftzeichen (a) Mindestabstand zwischen Grundlinien (b) Mindestabstand zwischen Wörtern (e)

schmale Schrift (Typ A) 14/14 h 10/14 h 2/14 h 22/14 h 6/14 h

Schraffur Schraffurlinien bei metallischen Schnittflächen nur ± 45° geneigt, Schraffurabstand angepasst an die Größe der Schnittfläche.

Bemaßung Begriffe / DIN 406-10 Maßlinien werden • bei Längenmaßen parallel zur zu bemaßenden Länge • bei Winkelmaßen als Kreisbogen um den Scheitelpunkt des Winkels eingetragen

gewöhnliche Schrift (Typ B) 10/10 h 7/10 h 2/10 h 16/10 h 6/10 h

TECHNISCHES ZEICHNEN Maßlinien sollen sich untereinander und mit anderen Linien nicht schneiden. Ist dies unvermeidbar, dann werden die Maßlinien ohne Unterbrechung durchgezeichnet. Maßlinien dürfen abgebrochen werden bei • Halbschnitt rotationssymmetrischer Teile, • der vereinfachten Darstellung symmetrischer Teile

Maßhilfslinien werden bei Längenmaßen rechtwinklig zur Messstrecke eingetragen. Maßhilfslinien dürfen unterbrochen werden, wenn ihre Fortsetzung eindeutig erkennbar ist. Maßhilfslinien dürfen nicht von einer Ansicht zu einer anderen gezeichnet werden und nicht parallel zu Schraffurlinien eingetragen werden. Maßlinienbegrenzung ist durch Pfeil, Schrägstrich oder Punkt möglich In einer Zeichnung darf nur eine Art von Schrägstrichen oder Pfeilen in Kombination mit Punkten angewendet werden. Hilfslinien müssen senkrecht auf der Maßlinie stehen und über die Maßlinie hinaus durchgezogen werden.

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Methoden der Maßeintragung Methode 1: (bevorzugt anzuwenden) Die Maßzahlen werden so eingetragen, dass in Leselage (Zeichnungsvordruck) die Maße von unten und von rechts zu lesen sind. Dabei werden die Maßzahlen möglichst mittig über die Maßlinie gezeichnet. Methode 2: Die Maßzahlen werden alle in Leselage des Schriftfeldes eingetragen. Nicht horizontale Maßlinien werden zum Eintragen der Maßzahl möglichst mittig unterbrochen. Anordnung von Maßen • In der Ansicht bemaßen, in der das Element am Besten erkennbar ist. • Zusammengehörige Maße möglichst in einer Ansicht

Maße für Innen- und Außenformen getrennt anordnen. Jedes Maß nur einmal eintragen. Bei einer Winkelbemaßung stellen die Maßhilfslinien die Verlängerung der Schenkel das zu bemaßenden Winkels dar. Die Maßlinie wird als Kreisbogen zwischen den beiden Maßhilfslinien gezeichnet. Die Maßzahl wird durch ein Gradzeichen (°) ergänzt.

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Bemaßung von Formelementen Durchmesser Das graphische Symbol ∅ wird in jedem Fall vor die Maßzahl gesetzt. Radien Radiusangaben werden stets mit dem Buchstaben „R“ versehen, der vor der Maßzahl steht. Die Maßlinie sind vom Radiusmittelpunkt oder aus dessen Richtung zu zeichnen und nur am Kreisbogen mit einem Maßpfeil innerhalb oder außerhalb der Darstellung zu begrenzen. Kugel Kugelbemaßungen haben stets vor dem Durchmesser oder dem Radiuszeichen den Buchstaben „S“ (sphärisch - kugelförmig) Quadratische Formen Ein weiteres Zeichen zur Kennzeichnung nicht erkennbarer Formen ist das Quadratzeichen. Dieses Zeichen ist nur dann anzuwenden, wenn die quadratische Form in der bemaßten Ansicht nicht erkennbar ist. Schlüsselweiten Soll, anstatt der quadratischen Form nur der Abstand von zwei parallelen und symmetrisch gegenüberliegenden Flächen bemaßt werden, dann muss anstelle des Quadratzeichens das Kurzzeichen für die Schlüsselweite SW angegeben werden.

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Fasen und Senkungen Bei der gebräuchlichsten Form der Fase mit einem Winkel von 45° kann die Maßangabe vereinfacht werden. Bei der vereinfachten Angabe wird dir Winkelangabe (45°) mit einem Malzeichen hinter der Maßzahl der Fasenbreite geschrieben. Unmaßstäbliche Maße In Ausnahmefällen kann ein nicht maßstäblich dargestelltes Maß durch unterstreichen der Maßzahl kenntlich gemacht werden. Gewinde Gewinde werden durch Kurzzeichen näher gekennzeichnet. Das übliche Metrische ISO-Gewinde erkennt man an dem Kurzzeichen M für die Gewindeart vor der Maßzahl. Die Maßzahl gibt an, welchen Nenndurchmesser in mm das Gewinde hat. Maßzahl und Kurzzeichen werden nicht mit einem Durchmesserzeichen ∅ versehen, obwohl die zylindrische Form des Gewindes nicht erkennbar ist. Ein dem Gewinde anschließender zylindrischer Teil wird nicht bemaßt, wenn er den gleichen Durchmesser wie das Gewinde hat. Gängige Abkürzungen für Gewinde DIN 202

Wiederholende Formelemente Bauteile mit gleichen Formelementen die in periodischen Abständen angebracht sind, kann vereinfacht vermaßt werden. Dabei muss die

TECHNISCHES ZEICHNEN Anzahl der Formelemente dargestellt oder angegeben werden. Zusätzlich zum Teilungs- bzw. Winkelteilungsmaß muss noch das Produkt in Klammer (Hilfsmaß) angegeben werden Symmetrische Teile Bei symmetrischen Formen werden die Maß nur einmal bemaßt. Die Symmetrie wird durch zwei kurze, parallele schmale Volllinien angezeigt. Beschichtete Teile Bei beschichteten Teilen dürfen Maße vor und nach der Beschichtung in einer Zeichnung angegeben werden. Messstellen Kennzeichnet den Ort, an dem eine bestimmte Messung durchgeführt werden muss. Das Symbol ist ein geschlossener, nicht geschwärzter Pfeil. Hinweislinien Hinweislinien werden vorwiegend dann angewendet, wenn aus Platzmangel die Maßzahl nicht direkt über der Maßlinie eingetragen werden kann. In diesem Fall wird die Maßzahl durch eine Hinweislinie mit der Maßlinie verbunden.

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Besondere Maße / Zusammenfassung

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2.3 Baumaterialien Tabelle 2.6 Symbole für steinartige Baumaterialien Beschreibung Darstellung Querschnitt Beton, bewehrt Beton, unbewehrt Porenbeton, bewehrt (nicht genormt)

Leichtbeton Bimsbeton WU-Beton Betonfertigteile Mauerwerk, Ziegel Mauerwerk, erhöhte Festigkeit Mauerwerk, Leichtziegel Mauerwerk, Bimsbaustoffe Gipsplatte

Putz, Mörtel

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Tabelle 2.7 Symbole für Holzmaterialien Beschreibung Nadelholz

Darstellung Querschnitt

Laubholz

Nadel- und Laubholz (Längsholz

Leimnaht Verkleidungsplatte

Tabelle 2.8 Symbole für Metalle Beschreibung Stahl, alle Maßstäbe

Stahl, Maßstab 1:5 und 1:1

Aluminium, Bronze, Kupfer usw. Blei Zink

Darstellung Querschnitt

TECHNISCHES ZEICHNEN Tabelle 2.9 Symbole für verschiedene Materialien Beschreibung Darstellung Querschnitt Kunststoff Abdichtungsmittel Bitumengewebe, Folie Wiese Sand

Kies Wasser Glas

Isolierplatte

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2.4 Bauelemente Balkenlagen und Böden

Kanäle

Aufzüge bei einem Lastenaufzug die zulässige Last in kg angeben bei einem Personenaufzug die zulässige Personenzahl angeben Treppen

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Kücheneinrichtung, Sanitär

Brandschutz

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D/56 Installationen

Mauerdurchbrüche

Schränke

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TECHNISCHES ZEICHNEN Möbel

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2.5 Werkzeugbauliches Zeichnen Technische Oberflächen Grundbegriffe. Ein fester Körper wird gegenüber dem umgebenden Raum von seiner wirklichen Oberfläche begrenzt. Der geometrisch als vollkommen gedachte Körper hat eine ideale, die geometrische Oberfläche, die durch die geometrische Beschreibung, z.B. in einer Zeichnung oder in einem rechnerinternen Modell, definiert ist. Rauheitskenngrößen werden ausgehend von der Bezugsoberfläche erfasst, die im Regelfall die Form der geometrischen Oberfläche hat und in ihrer Lage im Raum mit der Hauptrichtung der tatsächlichen Oberfläche übereinstimmt. Durch senkrechte Schnitte erhält man jeweils das wirkliche oder geometrische Profil bzw. Bezugsprofil. Letzteres wird durch die Bezugslinie repräsentiert, auf welche die Rauheitskenngrößen bezogen sind. Nach DIN 4762 gilt: Die Profilabweichung y ist ein in Messrichtung ermittelter Abstand eines Profilpunkts von der Bezugslinie (Abbildung 2.1). Die Bezugslinie ist die Linie des geometrischen Pro-

Abb. 2.1 Lage von geometrischem und wirklichem Profil sowie Rauheitskennwerte senkrecht zur Mittellinie m

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fils innerhalb einer Bezugsstrecke l, die das wirkliche Profil so durchschneidet, dass die Summe der Quadrate der Profilabweichung von dieser Linie ein Minimum wird: Mittelinie m der kleinsten Abweichungsquadrate des Profils, kurz „Mittellinie“ genannt. Von der Mittellinie ausgehend werden folgende Senkrechtgrößen der Rauheit definiert: • Maximale Profilkuppenhöhe Rp ist der Abstand des höchsten Punkts des Profils von der Mittellinie m innerhalb der Bezugsstrecke. • Maximale Profiltaltiefe Rm ist der Abstand des tiefsten Punkts des Profils von der Mittellinie m. • Maximale Profilhöhe Ry ist der Abstand zwischen der Linie der Profilkuppen (obere Berührlinie) und der Linie der Profiltäler (untere Berührlinie). • Arithmetischer Mittenrauwert Ra ist der arithmetische Mittelwert der absoluten Werte der Profilabweichungen innerhalb der Bezugsstrecke. • Zehnpunkthöhe RZ (nach ISO) ist der Mittelwert der Absolutwerte der Höhen der fünf höchsten Profilkuppen und der Absolutwerte der Tiefen der fünf tiefsten Täler innerhalb der Bezugsstrecke. • Gemittelte Rautiefe RZ (nach DIN 4768) ist der Mittelwert der Rauheitskenngröße von fünf Bezugsstrecken innerhalb einer Auswertlänge. • Profiltraganteil tp ist das Verhältnis der tragenden Länge eines Profils zur Bezugsstrecke. Festlegen der Rautiefe. Die zulässige Rautiefe einer Oberfläche richtet sich nach der zu erfüllenden Funktion (Traganteil, Setzmaß, Reibungsverhalten, usw.; vgl. DIN 4764). Rauheitsbezeichnung Die Oberflächenzeichen und die Zuordnung von Rautiefen sind nach DIN ISO 1302 geregelt.

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MASCHINENBAU Basissymbol; wobei a = Rauheit in µm, die als maximale Rauheit derjenigen Fläche gilt, auf der dieses Symbol angegeben ist. Die Werkstatt bestimmt, wie diese Rauheit zustande kommt. Material mit Zerspanungszugabe Die angegebene Rauheit muss ohne Zerspanen erzeugt werden. Auf der horizontalen Verlängerung des Symbols wird die Oberflächenbehandlung angegeben.

Bedeutung der Symbole: q = Bearbeitungsmethode (z.B. hartverchromt) a = maximale Rauheit, die durch die Bearbeitungsmethode q erreicht werden kann s = Bezeichnung der Bearbeitungsbezugstrecke Grenzmaße und Passungen Toleranzen und Abmaße. Mit der Übernahme der internationalen Norm ISO 286 haben sich einige Begriffe gegenüber den bisherigen Normen DIN 7150 bis 7152, 7160, 7161, 7172, 7182 geändert; die Inhalte sind jedoch im wesentlichen bestehen geblieben. Zur Größenangabe wird in einer Zeichnung das Nennmaß angegeben. Am Werkstück wird ein Istmaß messtechnisch erfasst, das je nach Anwendung innerhalb einer Maßtoleranz, nämlich zwischen den Grenzmaßen, einem vorgegebenen Höchstmaß und einem Mindestmaß, liegen darf. Maßtoleranz ist die Differenz zwischen dem zulässigen Höchstund Mindestmaß. Die Größe einer Maßtoleranz wird von den Grundtoleranzen (IT = Internationale Toleranz, IT 1 bis IT 18) bestimmt, die einerseits nach Nennmaßbereichen und andererseits nach Grundtoleranzgraden (früher Qualität) bestimmt werden. Die Lage des Toleranzfeldes zum Nennmaß (Nulllinie) wird durch das Grundabmaß bestimmt.

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Als oberes Abmaß (ES, es) wird die algebraische Differenz zwischen dem Höchstmaß und dem Nennmaß, als unteres Abmaß (EI, ei) die zwischen dem Mindestmaß und Nennmaß verstanden. Als Toleranzklasse wird die Kombination eines Grundabmaßes mit dem Toleranzgrad bezeichnet, z.B.: f7, D13 usw. Schließlich besteht neben der Maßtolerierung noch die Form- und Lagetolerierung nach ISO 1101, die angewendet wird, wenn eine solche im Einzelfall notwendig erscheint. Passungen. Sie entstehen durch die Beziehung der Toleranzfelder gepaarter Teile zueinander und stellen bei gleichem Nennmaß eine bestimmte Funktion (z.B. Gleit- und Führungsaufgaben, Reibschluss in Schrumpfverbindungen), aber auch die Austauschbarkeit sicher. Dabei wird zwischen den Passungssystemen Einheitsbohrung und Einheitswelle unterschieden. Einheitswelle. Alle Außenmaße erhalten das obere Abmaß 0, also Toleranzfeldlage h (z.B. G7/h6, F8/h6, E9/h9). ISO 286 empfiehlt eine beschränkte Passungsauswahl um Werkzeuge und Lehren einzusparen. Wichtig ist dabei die Beachtung von Tolerierungsgrundsätzen: International gilt das Unabhängigkeitsprinzip nach ISO 8015, nach dem jede einzelne Maß-, Form- oder Lagetoleranz nur für sich allein geprüft wird, ohne Rücksicht darauf, wie die jeweils anderen Abweichungen liegen. National gilt das Hüllprinzip nach DIN 7167, nach dem die Maßtoleranz das „Maximum-Material-Maß (MMS)“ für das jeweils idealisierte Formelement (Zylinder, parallele Flächen (Quader) oder Kugel) bestimmt, welches das wirkliche Formelement umhüllt und innerhalb dessen die wahren Konturen liegen müssen. Schweißbezeichnung Schweißverbindungen können unterschieden werden in: • Schmelzschweißverbindungen; • Druckschweißverbindungen. Schmelzschweißungen zeichnet man in Ansicht mit einer einzelnen Linie (mit oder ohne Randschraffur). In der Seitenansicht oder im

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Querschnitt wird die schematische Schweißform fein schraffiert und voll gezeichnet. Man verwendet hierfür die Symbole der Tabelle 2.10 (siehe auch DIN EN 22553). Tabelle 2.10. Schweißnahtsymbole für ausgewählte Schweißverbindungen, nach DIN EN 22553.

Bei der Ansicht oder bei Schnitten gibt man die Schweißgegebenheiten wie folgt an: Symbol der Schweißnahtform, Schweißdicke und die Länge der Schweißung. Die Druckschweißung wird im Querschnitt der Verbindung durch einen ganzen Kreis angegeben, außer bei der Druckstumpfschweißung und bei der Funkenstumpfschweißung. In der Ansicht werden die Druckstumpfschweißung, die Funkenstumpfschweißung, die Rollenschweißung, die Walzenschweißung und die Folienschweißung mit einer einzelnen dünnen Linie angegeben. Die Punktschweißung und die Durchdrückschweißung werden in der Ansicht mit dem Zeichen + angegeben. Für die Bezeichnung der Schweißform verwendet man die Symbole der Tabelle 2.11.

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Tabelle 2.11 Einzelne Symbole bei Druckschweißverbindungen

Die Gegebenheiten für das Schweißen werden bei den Schnitten und falls nötig bei der Ansicht bei der Druckschweißverbindung wie folgt angegeben: Schweißform und soweit nötig Schweißpunktdurchmesser d, Abstand e1, Reihenabstand e2 und besondere Gegebenheiten. Muster von Bearbeitungsspuren Die Muster müssen nur angegeben werden, wenn dies in Verbindung mit der Funktion der Oberfläche erforderlich ist. Tabelle 2.12 gibt die Symbole, die neben das Symbol für die Rauheitswerte gesetzt werden müssen.

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MASCHINENBAU

Tabelle 2.12 Symbole für das Muster von Bearbeitungsspuren

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Stücklisten Zu jedem Zeichnungssatz gehört eine Stückliste bzw. ein Stücklistensatz, damit ein Erzeugnis vollständig beschrieben werden kann. Mengenübersichts-Stückliste. Sie enthält für das Erzeugnis (Abbildung 2.2) nur die Einzelteile mit ihren Mengenangaben.

Abb. 2.2 Schema einer Erzeugnisgliederung. a Gliederung; b Baukastenstückliste

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Struktur-Stückliste. Sie gibt die Erzeugnisstruktur mit allen Baugruppen und Teilen wieder, wobei jede Gruppe sofort bis zur höchsten Stufe (Ordnung der Erzeugnisgliederung) gegliedert ist. Baukastenstückliste. Sie umfasst zusammengehörende Gruppen und Teile, ohne zunächst auf ein bestimmtes Erzeugnis Bezug zu nehmen. Sachnummernsystem Als Sachnummernsystem werden solche Systeme bezeichnet, welche die Nummerung von Sachen und Sachverhalten umspannen. Sachnummern müssen eine Sache identifizieren, sie können sie darüber hinaus auch klassifizieren. Sachnummernsysteme können aus Parallelnummern und Verbundnummern aufgebaut sein. Unter einer Parallelnummer wird jede weiter Identnummer für dasselbe Nummerungsobjekt verstanden, z.B. haben ein Hersteller von Zukaufteilen und der Kunde für das gleiche Teil oft unterschiedliche Identnummern. Unter einer Verbundnummer wird eine Nummer verstanden, die aus mehreren Nummernteilen besteht. Eine Klassifizierung von Sachen und Sachverhalten – sei es im Rahmen einer Sachnummer, sei es mittels eines eigenständigen, von Identnummernsystemen unabhängigen Klassifizierungssystems – ist wichtig, damit Teile wiederholt verwendet und Sachaussagen wiedergefunden werden können. Zur Kennzeichnung von Teilen und Gruppen, insbesondere von Normteilen, haben sich Sachmerkmale eingeführt, die bestimmte Eigenschaften, die sich zum Beschreiben und Unterscheiden von Gegenständen innerhalb einer Gegenstandsgruppe eignen, kennzeichnen (DIN 4000).

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Form- und Lagetoleranzen Symbole Für die Angabe der Form- und Lagesauberkeit durch einen Toleranzwert wird von Symbolen (siehe unten) gebrauch gemacht. In den Blättern DIN ISO 1101 und DIN ISO 5459 werden die Form- und Lagetoleranzen ausführlicher behandelt.

Bezeichnungen Das Symbol wird auf die Zeichnung in ein Rechteck mit zwei oder drei Feldern gesetzt.

Das linke Feld ist für das Symbol bestimmt, rechts davon steht die Toleranz in mm wenn die Maße in der Zeichnung auch in mm angegeben stehen. Das rechteste (dritte) Feld wird verwendet, um den Buchstaben der Referenzfläche anzugeben.

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Mit Bezugslinien wird angegeben, worauf die Form- und Lagetoleranz anzuwenden ist.

Einzelne Bezeichnungen von Form- und Lagetoleranzen Die Linie muss innerhalb einer zylindrischen Zone mit einem Durchmesser von 0,2 mm liegen

Die Kontur dieses Produkts muss in einer Kreisschale mit einer Dicke von 0,05 mm liegen.

Die Oberfläche muss zwischen zwei parallelen Flächen mit einem gegenseitigen Abstand von 0,1 mm liegen. Die Zylinderoberfläche muss innerhalb einer zylinderförmigen Schale mit einer Dicke von 0,05 mm liegen.

TECHNISCHES ZEICHNEN Die Rechtwinkligkeit eines Zylinders oder einer Linie bezeichnet, dass die Mittellinie innerhalb eines rechtwinklig auf der Fläche A stehenden Zylinders mit einem Durchmesser von 0,2 mm liegen muss. Die Rechtwinkligkeit einer Fläche besagt, dass die zu erzeugende Fläche zwischen zwei parallelen Flächen mit einem Abstand von 0,2 mm liegen muss, wobei jede rechtwinklig zur Fläche A liegt. Bei einer vollständigen Umdrehung der Bezugsachse A-B darf der radiale Schlag der angegebenen Zylinderfläche nicht mehr als 0,1 mm betragen. Bei einer vollständigen Umdrehung um die Referenzachse A darf der axiale Schlag der angegebenen Fläche nicht mehr als 0,1 mm betragen. Der Mittelpunkt des betreffenden Kreises muss in einem Kreis liegen, dessen Mittelpunkt mit dem Schnittpunkt der gegebenen Mittellinien zusammenfällt und dessen Durchmesser 0,2 mm beträgt. Der Mittelpunkt des Kreises, für den die Konzentrizitätstoleranz angegeben ist, muss in einem Kreis mit einem Durchmesser von 0,01 mm liegen, dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des Referenzkreises A zusammenfällt.

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Die Mittellinie des Zylinders, dessen Koaxialitätstoleranz angegeben ist, muss in einer zylindrischen Zone mit einem Durchmesser von 0,08 mm liegen, dessen Mittellinie mit der Referenzachse A-B zusammenfällt.

MASCHINENELEMENTE

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Maschinenelemente

3.1 Allgemeines Rauheit Rauheitswerte Ra (ISO R468-1966) Die Rauheitswerte werden in Mikrometer (µm) ausgedrückt (früher wurden die Rauheitswerte in „ru“ angegeben). 1 ru = µ inch = 1/40 µm

Abb. 3.1 Relative Rauheit in µm und Mikroinch

Für die umfangreiche Definition von Ra: siehe DIN ISO 1302. Rauheitsdarstellung Die in der Zeichnung angegebene Rauheit muss als die maximal zulässige Rauheit angesehen werde. Die in der Zeichnung angegebene Rauheit soll nicht feiner sein als praktisch notwendig. Bearbeitungen bezüglich der Rauheit Die Oberflächenrauheit, die bereits bei spanender und nichtspanender Bearbeitung entsteht, ist abhängig von der Bearbeitungsart, dem Gerät usw. (Tabelle 3.2). Tabelle 3.1 Rauheit [µm] abhängig von den Abmessungen Rauheitsklassen Abmessungen [µm] R0 R1 R2 R3 von bis 3 18 40 10 2,5 0,6 18 80 63 16 4 1 80 250 100 25 6 1,6 250 500 160 40 10 2,5

R4

R5

R6

0,16 0,25 0,4 0,6

0,05 0,08 0,1 0,16

0,012 0,025 0,025 0,05

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MASCHINENBAU

Tabelle 3.2 Richtlinien für die Rauheit Ra in Bezug auf die Bearbeitung

MASCHINENELEMENTE ISO-Passungssystem

Abb. 3.2 ISO-Passungssystem

Die Bezeichnung besteht nacheinander aus: Nomineller Wert, Buchstabe Zahl wobei: Buchstabe = Lage des Toleranzfeldes (große Buchstaben: Bohrung; kleine Buchstaben: Welle) Zahl: Bezeichnung für die Größe des Toleranzfeldes Beispiel (Bohrung): 25H7 Tabelle 3.3 Empfohlene Passungen

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Tabelle 3.4 Toleranzen für Wellen [µm]

D/74 MASCHINENBAU

Tabelle 3.5 Toleranzen für Bohrungen [µm]

MASCHINENELEMENTE D/75

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MASCHINENBAU

3.2 Verbindungen Schraubengewindesysteme Metrisches Schraubgewinde (ISO): • M metrisch • MF metrisch fein Bewegungsschraubgewinde: • Tr trapezförmig Whitworth-Schraubgewinde: • BSW gewöhnliches Whitworthgewinde (W). Nicht verwenden. • BSF feines Whitworthgewinde. Nicht verwenden. • BSP Rohrschraubgewinde (G und R) Unie-Schraubgewinde: • UNC Unie-Schraubgewinde grob • UNF Unie-Schraubgewinde fein • UNEF Unie-Schraubgewinde extra fein Amerikanische Rohrschraubgewinde: • NPT National Pipe Thread Taper • NPTF National Pipe Thread Taper Fuel and Oildryseal Konisch. Sowohl für Innen- als auch Außengewinde angewendet. • NPSF wie NPTF, aber gerades Gewinde. Ausschließlich als Innengewinde verwendet; das zugehörige Außengewinde ist NPTF.

MASCHINENELEMENTE Tabelle 3.6 Metrisches Schraubgewinde M (Maße in mm)

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MASCHINENBAU

Tabelle 3.7 Trapezschraubgewinde Tr (Maße in mm)1)

MASCHINENELEMENTE

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Tabelle 3.8a Zylindrisches Rohrschraubgewinde oder Befestigungsrohrschraubgewinde (früher Gasgewinde)1)2)

Abb. 3.3 Konisches Rohrschraubgewinde (abdichtend). Siehe für die Maße Tabelle 3.8a mit der Erläuterung in Fußnote 2.

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MASCHINENBAU

Tabelle 3.8b Beschreibung Rohrschraubgewinde (früher Gasgewinde) Art Beschreibung Beispiel Bezeichnung 1½ Inch Innengewinde G 1½ Befestigungs(zylindrisch) Rohrschraubgewinde (nicht abdichtend)1) 1½ Inch Außengewinde G 1½ B Toleranzklasse B (zylindrisch) Rohrschraubgewinde ½ Inch Außengewinde R½ (abdichtend) 2) (konisch) ½ Inch Innengewinde Rp ½ (zylindrisch) ½ Inch Innengewinde Rc ½ (konisch) 1) Siehe DIN ISO 228-1 2) Siehe DIN EN 10226-1

MASCHINENELEMENTE Tabelle 3.9 Unie-Schraubgewinde (Maße in mm)

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MASCHINENBAU

Tabelle 3.10 Konisches Schraubgewinde NPTF

MASCHINENELEMENTE Tabelle 3.11 Zylindrisches Schraubgewinde NPSF

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MASCHINENBAU

Schraubenberechnung Maßgebend für die maximal zulässige Zugkraft der Schrauben ist der Spannungsquerschnitt As (stets größer als der Kernquerschnitt): As =

π ⎛ d1 + d 2 ⎞ ⎜ ⎟ 4⎝ 2 ⎠

2

wobei: d1 = Kerndurchmesser d2 = Flankendurchmesser Tabelle 3.12 Maximal zulässige Zugbelastungen (berechnet aus der Reckgrenze/Fließgrenze) für metrisches ISO-Schraubgewinde [kN]

Von prinzipieller Bedeutung für die Sicherheit einer Schraubverbindung ist die Wahl der richtigen Vorspannkraft (Tabelle 3.13) Um die gewählte Vorspannkraft zu erzeugen, kann die Verbindung mit einem Momentenschlüssel angezogen werden. Das richtige Moment wird berechnet mit:

MASCHINENELEMENTE

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M = Fv [0,16 p + µ t (0,58d 2 + Dm / 2) )]

wobei: M = p = = µt d2 Dm

= =

Fv

=

richtiges Moment [N·m] Gewindesteigung [m] Reibungskoeffizient Gewinde und Auflagefläche Mutter (≈ 0,14) Gewindeflankendurchmesser [m] gemittelter Durchmesser der Auflagefläche von Mutter oder Schraubenkopf [m] berechnete Vorspannkraft [N] (Tabelle 3.13)

Die Verbindung kann auch maschinell mittels der Dehnsteuerungsmethode angezogen werden. Hierbei ist die Dehnung der Schraube der Maßstab für das Anziehen. Tabelle 3.13 Gemittelte Werte der Vorspannkraft, abhängig von der Belastung pro Schraube

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Schrumpfverbindungen Maximal zu übertragendes Moment: M = 0,5 ⋅ πd a2 ⋅ l ⋅ f ⋅ σ0 Abb. 3.4 Schrumpfverbindung

wobei: M = maximal übertragbares Moment [N·mm] σ0 = zulässige Flächenpressung [N/mm²] Gusseisen: 30 – 50 N/mm² Stahl: 50 – 90 N/mm² = Wellendurchmesser [mm] da l = Nabenlänge [mm] f = Reibungskoeffizient (sicherheitshalber f = 0,1) Maximal zulässige Schrumpfmaße (∆d/d): • Schmiedestahl auf Eisen • Schmiedestahl auf Schmiedestahl • Gussstahl auf Gusseisen • Gussstahl auf Schmiedestahl • Gusseisen auf Schmiedestahl

1:750 1:650 1:750 1: 650 1:800 bis 1:2000

Mit Hilfe eines gewählten Schrumpfmaßes kann die benötigte Schrumpftemperatur berechnet werden: ∆d + s + T0 α ⋅ dn wobei: ∆d = da - dn da = Wellendurchmesser [mm] dn = Bohrungsdurchmesser Nabe [mm] s = notwendiges Mindestspiel für das Fügen s = d·10-3 [mm] α = linearer Ausdehnungskoeffizient (αStahl = 1,2·10-5K-1) T0 = Umgebungstemperatur Tk = Schrumpftemperatur Tk =

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Schweißen Autogen-Schweißen Beim Autogen-Schweißen wird das Werkstück durch ein brennendes Gasgemisch auf Temperatur gebracht, das meistens aus Acetylen und Sauerstoff in einem Verhältnis von 1:1 bis 1:1,1 besteht. Elektro-Schweißen Beim Elektro-Schweißen mit Wechselstrom wird ein Schweißtransformator benutzt, beim Schweißen mit Gleichstrom ein Umformer. Die Temperatur des Lichtbogens ist ca. 6000 °C. Nulllastspannung: 40 V bis 90 V; Bogenspannung: 20 V bis 30 V. Die Stromstärke wird abhängig von der notwendigen elektrischen Energie eingestellt. Offenes Bogenschweißen: Die nötige Wärme wird durch elektrische Energie geliefert, die einen Lichtbogen zwischen Werkstück und Schweißmaterial instandhält. Geschütztes Bogenschweißen: Der Lichtbogen brennt unter einem bestimmten Schutz, der von der Elektrodenbekleidung herrühren kann oder extra als Pulver zugeführt wird. Schweißen unter Schutzgas: Der Lichtbogen brennt hierbei in einem besonders zugeführten Gas. Man unterscheidet unter anderem CO2-, MIG-, TIG- und Plasmaschweißen. Die zugeführten Gase bestehen oft aus CO2, Ar, He oder Mischungen dieser Gase. Widerstandsschweißen: Durch den Übergangswiderstand wird der Berührbereich von zwei Bauteilen auf Schmelztemperatur erhitzt, Schweißmaterial wird zugefügt. Widerstandspressschweißen: Die durch den Übergangswiderstand erhitzten Schweißstellen werden durch Druck miteinander verbunden. Eine viel angewandte Variante hiervon ist das sogenannte Punktschweißen, wobei durch Kupferelektroden zwei Teile flächig aufeinander gedrückt werden und durch elektrischen Strom in diesem

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Bereich über die Schmelztemperatur erhitzt werden. Hierbei wird kein Schweißmaterial zugefügt. Laserschweißen: Hierbei wird mit einem Lichtstrahl geschweißt, wobei die benötigte Energie über Laserpulse erhalten wird. Vorteil dieser Methode ist die geringe Wärmeentwicklung in der Nähe der Schweißung. Löten Beim Löten werden zwei oder mehr Teile durch eine Lötlegierung miteinander verbunden. Man unterscheidet Weich- und Hart-Löten, abhängig vom Gebiet der Schmelztemperatur der Lötlegierung (siehe unten). Im dazwischenliegenden Temperaturbereich sind nur einzelne sehr spezielle Lötlegierungen bekannt. Die Materialien der zu verbindenden Teile müssen natürlich eine höhere Schmelztemperatur haben als die der verwendeten Lötlegierung. Weich-Löten Man spricht von Weich-Löten, wenn die Lötlegierung eine Schmelztemperatur hat, die niedriger als 350 °C ist. Tabelle 3.14 zeigt einige Weich-Lötlegierungen. Die Lötlegierung haftet nicht auf allen Metallen. Für das Löten ist ein Reinigungsmittel nötig (flüssig oder als Paste). Anwendungsbeispiele: Verbindungen bei kupfernen Wasserleitungen und in der elektrotechnischen Industrie. Hart-Löten Man spricht von Hart-Löten, wenn die Lötlegierung einen Schmelzpunkt hat, der höher ist als 550 °C. Tabelle 3.15 zeigt einige HartLötlegierungen. Hart-Löten ergibt eine stärkere Verbindung als Weich-Löten. Beim Hart-Löten muss man ein Flussmittel verwenden (viele Sorten mit verschiedenen Eigenschaften und Anwendungsgebieten). Anwendungsbeispiele: Fahrradrahmen, Kabelenden in Hülsen, Keramik an Metall, Verbindungen von Messing, Stahl.

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Tabelle 3.14 Weich-Lötlegierungen

Tabelle 3.15 Hart-Lötlegierungen

Nieten, Falzen, Kleben Nieten Nietverbindungen (kalt oder warm) werden immer weniger angewendet (unter anderem noch bei Restaurierungen und in einzelnen Spezialkonstruktionen). Blindnieten Verbindungen mit Blindnieten durch eine Nietzange werden viel in der plattenverarbeitenden Industrie angewendet und für die Befestigung kleiner Einzelteile. Die Verbindung kann einseitig ausgeführt werden ( Abb. 3.5).

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Abb 3.5 Blindnietverbindung

Abb. 3.6 Falzen

Falzen Falzen macht man mit den Rändern von zwei oder mehreren Flachteilen durch jeweiliges Falten und Umschlagen (viel verwendet in der Blechindustrie, Ofenrohre usw. Abb. 3.6). Kleben Klebeverbindungen (mit der Hand oder maschinell) werden immer häufiger verwendet, vor allem durch die Entwicklung neuer hochwertiger Kleberarten für die verschiedenartigsten Materialien. Der Kleber ergibt keine galvanische Wirkung zwischen den geklebten Teilen. Einige Anwendungen: Bremsbeläge und Reibflächen und Plattenverbindungen in der Flugzeugindustrie.

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3.3 Momentenübertragung Passfedern Tabelle 3.16 Passfedern (Maße in mm; Material meistens St60 oder C45k)

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Keilwellen Keilwellenverbindungen kommen mit verschiedenen Keilformen vor, darunter auch mit evolventenförmiger Flanke. Abb. 3.7 zeigt die viel verwendete Keilverbindung, die für die Übertragung stoßartiger Belastungen geeignet ist (Antriebswelle Lastwagen).

Abb. 3.7 Keilwellenverbindung mit parallelen Seitenflächen

Die Abmessungen sind in den einzelnen Normen festgelegt (Amerikanischer SAE-Standard in Inch-Maßen; DIN-Normen 5461 bis 5464 für mm-Maße). Ausführungen: 6, 8, 10, 16 und 20 Keile (Tabelle 3.17a und 3.17b). Man muss zwischen der festen und der beweglichen Wellenverbindung unterscheiden. Bei der beweglichen Verbindung müssen die Keile auf der Welle gehärtet und geschliffen sein. Für die Berechnung des von der Welle übertragbaren Moments geht man davon aus, dass nur ¾ der Keilanzahl mit der Nabe in Kontakt ist. Das übertragbare Moment beträgt: Mw =

3 D−d d n⋅l ⋅ ⋅ ⋅ σ0 [N·m] 4 2 2

wobei: n = Anzahl der Keile l = wirksame Keillänge [m] D, d = Durchmesser [m] σ0 = zulässiger Flächendruck [N/m²]

MASCHINENELEMENTE Tabelle 3.17a Normale Ausführung

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Tabelle 3.17b Schwere Ausführung

Tabelle 3.18 Passungen und Toleranzen

Tabelle 3.19 Zulässiger Flächendruck σ 0 [N/mm²]

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Wellen und Wellenkupplungen Antriebswellen Durchmesser Antriebswellen: d =3

Mw 0,2τw

wobei: d = Wellendurchmesser [m] Mw = zu übertragendes Moment [N·m] τ w = zulässige Torsionsspannung [N/m²] Weiterhin gilt: M w = Ww ⋅ τw =

π P ; Ww = d 3 = Torsionswiderstandsmoment 2πn 16

und somit: d = 23

P π ⋅ n ⋅ τw 2

wobei: P = zu übertragende Leistung [W] n = Drehzahl [s-1] Praxisformel (maximaler Verdrehungswinkel pro Meterlänge ¼°): d ≈ 0,129 4

P ; d ≈ 2,31 ⋅ 10 − 3 n

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Mw

wobei: P = zu übertragende Leistung [kW] n = Drehzahl [min-1] d = Wellendurchmesser [m]

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Wellenkupplungen • Feste oder starre Kupplungen. • Bewegliche Kupplungen: • Gelenk- oder Kardankupplung (einzeln oder doppelt), siehe auch weiter unten; • Flexible Kupplungen; • Elastische Kupplungen. • Momentenabhängige Kupplungen, unter anderem: • Rutschkupplung; • momentenbegrenzende Kupplung. • Drehzahlabhängige Kupplungen: • Fliehkraft-Anlaufkupplung • hydrokinetische Kupplungen • Flüssigkeitskupplungen • Ein- und ausschaltbare Kupplungen (elektromagnetische Kupplungen) Wenn zwei Wellen gekuppelt werden, können bei der Montage bestimmte kleine Abweichungen (oder Kombinationen davon) auftreten (Abb. 3.8). Diese können durch Verwendung beweglicher Kupplungen aufgefangen werden.

Abb. 3.8 Mögliche Abweichungen bei Wellenkupplungen

Die Kardankupplung hat den Nachteil, dass bei gleichmäßiger Bewegung der einen Welle die andere ungleichmäßig läuft. Das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten beträgt: ω2 cos δ = ω1 1 − sin 2 δ sin 2 ϕ

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wobei: δ = Winkel zwischen beiden Wellen ϕ = Winkel, um den die Gabel von Welle 1 aus der Ebene der beiden Wellen gedreht ist.

Abb. 3.9 Kardankupplung

Lager Gleitlager Gleitlager sind in einer großen Anzahl von Ausführungen erhältlich. Sie werden in diversen Materialarten geliefert; die Lauffläche ist aus Metall, Kunststoff oder eine Kombination davon. Gleitlager können sehr große Belastungen aufnehmen. Ausführliche Daten sind von den Lieferanten erhältlich. Keramische Gleitlager Bei sehr extremen Umständen (besonders hohe Temperatur, aggressive Umgebung, hohe Belastung) können keine Lager aus Kunststoff, Stahl oder anderen Metallen verwendet werden. In solchen Fällen kann man keramische Gleitlager wählen. Diese bestehen aus Karbiden, Nitriden oder Oxiden. Einzelne Eigenschaften von Keramik sind: hart, verschleißfest, beständig gegen Chemikalien und hohe Temperatur (bis ca. 1400°C), formfest, niedriger Reibungs- und Ausdehnungskoeffizient, elektrisch isolierend, gute Wärmeleitung, niedere spezifische Masse, keine Schmierung nötig. Wälzlager Anwendung: (Tabelle 3.20). Tabelle 3.20 Verwendung von Wälzlagern Belastung Wälzlager Kugellager radiale Belastung größere Belastung Zylinderlager (Rollen- oder Nadellager) Axiallager reine axiale Belastung leichtere Belastung Axialkugellager größere Belastung Axialzylinder oder -nadellager Axialtonnenlager sehr schwere axiale Belastung und bestimmte gleichzeitig auftretende radiale Belastung

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Äquivalente dynamische Lagerbelastung: P = X ⋅ Fr + Y ⋅ Fa wobei: P = äquivalente dynamische Lagerbelastung [N] Fr = wirkliche radiale Belastung [N] Fa = wirkliche axiale Belastung [N] X = radialer Belastungsfaktor ⎫ ⎬ siehe Lagertabellen des Herstellers Y = axialer Belastungsfaktor ⎭ Äquivalente statische Lagerbelastung: Tabelle 3.21. (wenn P0 < Fr: Rechnen mit P0 = Fr) Nominelle Lebensdauer: p

106 ⎛ C ⎞ ⎜ ⎟ 60 ⋅ n ⎝ P ⎠ wobei: L = nominelle Lebensdauer [Betriebsstunden] n = Drehzahl [min-1] C = dynamischer Traganteil des Lagers [N] P = äquivalente dynamische Lagerbelastung [N] p = Lebensdauerexponent (Kugellager: 3; Rollenlager 10/3) L=

Tabelle 3.21 Wälzlager-Ausführungen

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Tabelle 3.21 Fortsetzung

Montage: Lager müssen so montiert werden, dass der Ring, von dem jeder Punkt reihum belastet wird, mit einer Presspassung montiert wird, um einem Walzen des Lagers zuvorzukommen. Der andere Ring kann mit einer Gleitpassung montiert werden. Von zwei Lagern auf einer Welle von einiger Länge (l > d) muss eines der beiden La-

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ger als Festlager ausgeführt werden. Das andere Lager wird als Loslager ausgeführt, um die Längenänderung der Welle durch Temperaturänderung auffangen zu können. Die Montage- und Demontagekräfte nicht durch die Wälzkörper übertragen lassen: Diese direkt auf das richtige Einzelteil ausüben. Muss ausnahmsweise von dieser Regel abgewichen werden, dann muss das Lager während der Montage oder Demontage gedreht werden, um örtlichen Beschädigungen zuvorzukommen. Schmierung: Durch Schmierung wird direkter metallischer Kontakt zwischen Wälzkörpern, Lagerringen und Käfig vermieden. Das Schmiermittel schützt das Lager gegen Verschleiß und Korrosion. Die benötigte Menge ist relativ gering. Wenn bei Montage der Raum zwischen Innen- und Außenring ganz mit Kugellagerfett gefüllt wird, soll die Nachschmierungsperiode bei 5 bis 10.000 Betriebsstunden liegen (d ≤ 60 mm; n ≤ 2000 min-1). Hauptsächlich kommen Metallseifenfette der Konsistenzklassen 1, 2 und 3 zur Anwendung. Temperaturbereich der Fette: • Natriumseifenfette: -30°C ≤ Temperatur ≤ +80°C • Lithiumseifenfette: -30°C ≤ Temperatur ≤ +110°C • synthetische Fette haben größere Temperaturbereiche Unter sehr extremen Umständen (siehe unter „Keramische Gleitlager“ weiter oben) können auch hier (teilweise) aus Keramik gefertigte Wälzlager gewählt werden, mit spezieller Ausführung für die einzelne Anwendung. Bremsen Beim Bremsen können sehr große Kräfte auf die Lager und die Welle des Bremskörpers auftreten. Diese muss man bei der Berechnung von Wellen und Lagern berücksichtigen (Abb. 3.10 bis Abb. 3.12). Bandbremsen Bei Bandbremsen wird ein stählernes Band mit Bremsbelag um eine Bremsscheibe gelegt. Wird dieses Band mit einem Hebel angezogen, so übt die Reibungskraft Fw ein Bremsmoment auf das Bremsrad aus. Fw = T − t wobei T = t ⋅ e f ⋅α (für Stahl auf Gusseisen gilt e f ⋅α ≈ 2,2 )

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Abb. 3.10 Arten von Bandbremsen

Abb. 3.11 Bremsrad mit zwei Backen (Schienenfahrzeug)

a b Abb. 3.12 Fahrzeugbremsen. a Trommelbremse (Backen liegen im Bremsrad), b Scheibenbremse

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Elektrische Bremsen Ein Elektromotor wirkt wie eine Bremse, wenn er als Generator arbeitet. Die elektrische Leistung wird dann zurückgeliefert; je mehr Leistung davon abgenommen wird, desto größer die Bremskraft. Dichtringe Dichtringe sind in vielen Ausführungen erhältlich. Bei der Wahl eines Dichtrings ist von Belang: • statische oder dynamische Abdichtung (siehe unten) • hohe oder niedere Drücke des Mediums • Temperatur • Art des Mediums in Verbindung mit der Materialwahl des Rings Statische Abdichtungen Für eine statische Abdichtung wird, neben der Flachdichtung, oft ein O-Ring verwendet. Dieser ist in vielen Ausführungen erhältlich. Bei Druckunterschieden bis ca. 160 bar sind O-Ringe mit einer Härte von 70° Shore A gut brauchbar. Bei höheren Drücken verwendet man Typen mit einer Härte von 90° Shore A. Dynamische Abdichtungen Bei dynamischen Abdichtungen kann ein Unterschied gemacht werden zwischen: • schiebenden Teilen mit Abdichtung für Kolben, Kolbenstangen und Abstreifringen und • drehenden Teilen mit Anwendungen für Öldichtringe und Stoffdichtringe. O-Ringe (siehe oben) sind in beschränktem Maße für dynamische Abdichtungen brauchbar. Hierfür befrage man die Lieferanten. Federn Federn sind in vielen Sorten und Formen im Handel erhältlich, unter anderem: Druckfedern, Zugfedern, Biegefedern, Torsionsfedern, Blattfedern, Tellerfedern (Abb. 3.13). Tabelle 3.21 zeigt Federberechnungen.

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Abb. 3.13 Federn. F Federkraft, f Federdehnung Tabelle 3.21 Federberechnungen. nw Windungszahl ,τ Schubspannung, G Gleitmodul, σ Zug-, Druckspannung, E Elastizitätsmodul, ψ, ϕ, η Geometriefaktoren,

MASCHINENELEMENTE Tabelle 3.21 Fortsetzung

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D/104 Tabelle 3.21 Fortsetzung

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MASCHINENELEMENTE Tabelle 3.21 Fortsetzung

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Tabelle 3.21 Fortsetzung

Tabelle 3.22 Materialarten für Federn

Tabelle 3.23 Werte für η2 und η3

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Abb. 3.14 Zylindrische schraubenförmige Feder mit rechteckigem Querschnitt (siehe auch Tabelle 3.21, Nr. 5)

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Konstruktionslehre

4.1 Grundlagen technischer Systeme Energie-, Stoff- und Signalumsatz Technische Gebilde (Anlagen, Apparate, Maschinen, Geräte, Baugruppen, Einzelteile) sind künstliche und konkrete Systeme, die aus einer Gesamtheit geordneter und aufgrund ihrer Eigenschaften miteinander durch Beziehungen verknüpfter Elemente bestehen. Ein System ist dadurch gekennzeichnet, dass es von seiner Umgebung abgegrenzt ist, wobei die Verbindungen zur Umgebung – die Eingangsund Ausgangsgrößen – von der Systemgrenze geschnitten werden. Ein System lässt sich in Teilsysteme untergliedern. In technischen Systemen findet ein Energie-, Stoff- und/oder Signalumsatz statt. Bei jedem Umsatz sind die Quantität und Qualität der beteiligten Größen zu beachten, damit die Kriterien für die Präzisierung der Aufgabe sowie die Auswahl und Bewertung einer Lösung eindeutig sind. Funktionszusammenhang In einem technischen System mit Energie-, Stoff- und Signalumsatz müssen sowohl eindeutige, reproduzierbare Zusammenhänge zwischen den Eingangs- und Ausgangsgrößen des Gesamtsystems, den Teilsystemen, als auch zwischen den Teilsystemen selbst bestehen. Solche Zusammenhänge, die zwischen Eingang und Ausgang eines Systems zur Erfüllung einer Aufgabe bestehen, nennt man Funktion. Bezieht sie sich auf die Gesamtaufgabe, so spricht man von der Gesamtfunktion. Sie lässt sich oft in erkennbare Teilfunktionen gliedern, die den Teilaufgaben innerhalb der Gesamtaufgabe entsprechen (Abb. 4.1). Die Art und Weise, wie die Teilfunktionen zur Gesamtfunktion verknüpft sind, führt zur meist zwangsläufigen Funktionsstruktur. Hauptfunktionen dienen unmittelbar der Gesamtfunktion. Nebenfunktionen tragen nur mittelbar zur Gesamtfunktion bei; sie haben unterstützenden oder ergänzenden Charakter und sind häufig von der Art der Lösung bedingt (Beispiele: Abb. 4.2 und Abb. 4.3).

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Abb. 4.1 Bilden einer Funktionsstruktur mit Energie-, Stoff- und Signalfluss durch Gliedern einer Gesamtfunktion in Teilfunktionen

Abb. 4.2 Funktionskette (Funktionsstruktur) beim Verarbeiten von Teppichfliesen

Abb. 4.3 Funktionsstruktur beim Verarbeiten von Teppichfliesen nach Abb. 4.2 mit Nebenfunktionen

In der Schaltungslogik verwendet man logische Funktionen, die in einer zweiwertigen Logik Aussagen wie wahr/unwahr, ja/nein, ein/aus, erfüllt/nicht erfüllt ermöglichen.

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Wirkzusammenhang Physikalische Effekte Teilfunktionen werden in der Regel durch physikalische Effekte ermöglicht. Sind diese Effekte im konkreten Fall einer Teilfunktion zugeordnet, so erhält man das physikalische Wirkprinzip dieser Teilfunktion (Abb. 4.4).

Abb. 4.4 Erfüllen von Teilfunktionen durch Wirkprinzipien, die aus physikalischen Effekten und geometrischen und stofflichen Merkmalen aufgebaut werden.

Geometrische und stoffliche Merkmale Die Stelle, an der das physikalische Geschehen zur Wirkung kommt, kennzeichnet den Wirkort. Die Erfüllung der Funktion bei Anwendung der physikalischen Effekte wird von der Wirkgeometrie (Anordnung von Wirkflächen und Wahl von Wirkbewegungen) erzwungen. Darüber hinaus muss mindestens eine prinzipielle Vorstellung über die Art des Werkstoffs bestehen, mit dem die Wirkgeometrie realisiert werden soll. Erst die Gemeinsamkeit von physikalischem Effekt und geometrischen und stofflichen Merkmalen (Wirkfläche, Wirkbewegung und Werkstoff) lässt das Wirkprinzip sichtbar werden.

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Die Kombination mehrerer Wirkprinzipien führt zur Wirkstruktur, die das Prinzip der Lösung erkennen lässt. Bauzusammenhang Der in der Wirkstruktur erkennbare Wirkzusammenhang ist die Grundlage bei der weiteren Konkretisierung, die zur Baustruktur führt. Systemzusammenhang Technische Erzeugnisse stehen nicht allein, sie sind Bestandteil eines übergeordneten Systems. Der Mensch erfährt Rückwirkungen, die ihn zum weiteren Handeln veranlassen. Der Mensch unterstützt so die gewollten Zweckwirkungen des technischen Systems. Es treten aber auch Störwirkungen als ungewollte Eingangsgrößen und Nebenwirkungen als ungewollte Ausgangsgrößen auf (Abb. 4.5).

Abb. 4.5 Zusammenhänge in technischen Systemen unter Beteiligung des Menschen

Generelle Zielsetzungen und Bedingungen Die Lösung technischer Aufgaben wird durch zu erreichende Ziele und einschränkende Bedingungen bestimmt. Dabei bestehen als generelle Zielsetzung stets die Erfüllung der technischen Funktion, die wirtschaftliche Realisierung sowie die Sicherheit für Mensch und Umgebung (Umfeld/Umwelt).

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4.2 Grundlagen methodischen Vorgehens Allgemeine Arbeitsmethodik Das Lösen von Aufgaben besteht im wesentlichen in einer Analyse und einer Synthese. Analyse ist in ihrem Wesen Informationsgewinnung und Zerlegen, Gliedern und Untersuchen von Eigenschaften einzelner Elemente und der Zusammenhänge zwischen ihnen. Synthese ist in ihrem Wesenskern Informationsverarbeitung durch Bilden von Verbindungen, Verknüpfung von Elementen mit insgesamt neuen Wirkungen und Darstellen einer zusammenfassenden Ordnung. Daneben müssen beim methodischen Vorgehen folgende Voraussetzungen erfüllt werden: Motivation für die Lösung der Aufgabe sicherstellen, Klarstellen von Rand- und Anfangsbedingungen, Vorurteile auflösen, Varianten suchen, Entscheidungen fällen. Allgemeiner Lösungsprozess Der Lösungsprozess läuft in Arbeits- und Entscheidungsschritten in der Regel vom Qualitativen immer konkreter werdend zum Quantitativen ab. Die Aufgabenstellung bewirkt im allgemeinen zunächst eine Konfrontation mit Problemen und (noch) nicht bekannten Realisationsmöglichkeiten. Weitere allgemeingültige Stufen eines Lösungsprozesses bestehen in einer Information über die Aufgabenstellung, Definition der wesentlichen Probleme, Kreation der Lösungsideen, Beurteilung der Lösungen in Hinblick auf die Ziele der Aufgabenstellung und Entscheidung über das weitere Vorgehen. Abstrahieren zum Erkennen der Funktion Beim Abstrahieren sieht man vom Individuellen und Zufälligen ab und versucht das Allgemeingültige und Wesentliche durch Analyse der Anforderungsliste zu erkennen. Suche nach Lösungsprinzipien Allgemein anwendbare Methoden Bei der Lösungssuche stehen Informationsgewinnung und – verarbeitung durch Analyse und Synthese im Vordergrund. Konventionelle Hilfsmittel dazu sind Literatur- und Patentrecherchen,

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Analysen natürlicher und bekannter technischer Systeme, Analogiebetrachtungen, Messungen, Modellversuche. Kreativitätstechniken machen von folgenden Methoden Gebrauch, so dass man sie als allgemein anwendbare Grundlage ansehen kann: Gezieltes Fragen, Negation und Neukonzeption, bewusstes Vorwärtsschreiten, Rückwärtsschreiten, Gliederung in Teilprobleme (Faktorisierung) und Systematisieren. Intuitiv betonte Methoden Diese Methoden stützen sich weitgehend auf Ideenassoziation als Folge unbefangener Äußerungen von Partnern, Analogievorstellungen und gruppendynamischer Effekte. Sie sind mehr oder weniger formalisiert als Brainstorming, Galeriemethode, Synektik, Methode 635, und Delphi-Methode bekannt geworden. Diskursiv betonte Methoden Diese Methoden streben eine Lösung durch bewusst schrittweises Vorgehen an, was aber die Intuition nicht ausschließt. Im wesentlichen wird zum einen eine systematische Untersuchung des beteiligten oder denkbaren physikalischen Geschehens angestellt, zum anderen werden aus bisher erkannten Zusammenhängen funktioneller, physikalischer oder gestalterischer Art Ordnende Gesichtspunkte abgeleitet, die in einem Suchschema (Ordnungsschema) Anregung für neue oder andere Lösungsprinzipien sein können. Systematische Untersuchung des physikalischen Geschehens führt – besonders bei Beteiligung mehrerer physikalischer Größen – dadurch zu verschiedenen Lösungen, dass man die Beziehungen zwischen ihnen, also den Zusammenhang zwischen einer abhängigen und einer unabhängigen Veränderlichen, nacheinander analysiert, wobei die jeweils übrigen Einflussgrößen konstant gehalten werden. Systematische Suche mit Hilfe von Ordnungsschemata. Eine systematische, geordnete Darstellung von Informationen regt zum Suchen nach weiteren Lösungen an. Das allgemein übliche zweidimensionale Schema besteht aus Spalten und Zeilen, denen Parameter zugeordnet werden, die von einem Ordnenden Gesichtspunkt abgeleitet sind.

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Werden in der Kopfspalte Teilfunktionen und in die Kopfzeile Merkmale zur Lösungssuche eingetragen, ergeben sich in den Schnittfeldern Lösungen zu einzelnen Teilfunktionen, die zusammengefügt jeweils die Gesamtfunktion erfüllen. Systematische Suche mit Hilfe von Katalogen. Bei wiederkehrenden Aufgaben und solchen, die eine gewisse Allgemeingültigkeit aufweisen, kann sehr vorteilhaft von Katalogen Gebrauch gemacht werden. Ein systematisch aufgebauter Katalog soll in der Regel aus einem Gliederungsteil (ordnende Gesichtspunkte zur Einteilung, aus denen Umfang und Vollständigkeit ersichtlich sind), Hauptteil (Inhalt in Form von Objekten mit erläuternden Formeln und Skizzen) und dem Zugriffsteil (Eigenschaftsmerkmale, die eine sichere und einfache Auswahl ermöglichen) bestehen. Beurteilen von Lösungen Auswahlverfahren Ein formalisiertes Auswahlverfahren erleichtert durch Ausscheiden und Bevorzugen die Auswahl besonders bei einer großen Zahl von Vorschlägen oder Kombinationen. Weiterverfolgt wird nur das, was mit der Aufgabe und/oder untereinander verträglich ist, Forderungen der Anforderungsliste erfüllt, eine Realisierungsmöglichkeit hinsichtlich Wirkungshöhe, Größe, Anordnung usw. erkennen und einen zulässigen Aufwand erwarten lässt. Eine Bevorzugung lässt sich dann rechtfertigen, wenn bei noch sehr viel verbliebenen Varianten solche dabei sind, die eine unmittelbare Sicherheitstechnik oder günstige ergonomische Voraussetzungen bieten oder im eigenen Bereich mit bekanntem Know-how, Werkstoffen oder Arbeitsverfahren sowie günstiger Patentlage leicht realisierbar erscheinen. Bewertungsverfahren Zur genaueren Bewertung von Lösungen, die nach einem Auswahlverfahren weiter zu verfolgen sind, soll eine Bewertung den Wert einer Lösung in bezug auf vorher gestellte Ziele ermitteln. • Erkennen von Bewertungskriterien. Eine Zielvorstellung umfasst in der Regel mehrere Ziele.

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• • • •

•

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Untersuchen der Bedeutung für den Gesamtwert. Wenn möglich, ist nur Gleichgewichtiges zu bewerten. Zusammenstellen der Eigenschaftsgrößen. Das Zuordnen von Wertvorstellungen wird erleichtert, wenn quantitative Kennwerte für die Eigenschaftsgrößen angegeben werden können, was aber nicht immer möglich ist. Beurteilen nach Wertvorstellungen. Mit dem Vergeben von Werten (Punkten) geschieht die eigentliche Bewertung. Bestimmen des Gesamtwerts. Die Addition der ungewichteten bzw. gewichteten Teilwerte (wj bzw. wgj) ergibt den Gesamtwert. Vergleich der Varianten. Hierzu ist es zweckmäßig, die Wertigkeit der Variante zu bestimmen, indem man den Gesamtwert auf den maximal möglichen Gesamtwert (Idealwert) bezieht. Abschätzen von Beurteilungsunsicherheiten. Bevor eine Entscheidung gefällt wird, ist abzuschätzen, in welchem Maße Unsicherheiten in der Wertevergabe aufgrund von Informationsmangel und unterschiedlicher Einzelbeurteilung bestehen könnten. Suchen nach Schwachstellen. Unterdurchschnittliche Werte bezüglich einzelner Bewertungskriterien machen Schwachstellen erkennbar.

Ermitteln der Herstellkosten Herstellkosten HK setzen sich aus Materialkosten MK (Fertigungsund Zuliefermaterial) und Fertigungskosten FK zusammen. Bei der differenzierten Zuschlagskalkulation, wie sie bei der Herstellung technischer Produkte üblich ist, ergeben sich die Materialkosten MK aus den Kosten für Fertigungsmaterial FM (ggf. zuzüglich Zuliefermaterial) und den Materialgemeinkosten MGK, welche die Kosten der Materialwirtschaft abdecken, sowie die Fertigungskosten FK aus den Fertigungslöhnen FL und den Fertigungsgemeinkosten FGK. Zur Erhöhung der Kalkulationsgenauigkeit wird häufig eine Kostenstellenkalkulation durchgeführt, die für jede Kostenstelle aus dem dort geltenden Verhältnis von Gemeinkosten zu Einzelkosten einen gesonderten Zuschlagssatz ermittelt und berücksichtigt.

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Eine wichtige Größe zur Preisfindung sind die Selbstkosten, die sich aus den Herstellkosten HK, den Entwicklungs- und Konstruktionskosten EKK, den Verwaltungsgemeinkosten VwGK und den Vertriebsgemeinkosten VtGK ergeben. Kostenfrüherkennung Für den Konstrukteur ist es hilfreich, Kostentendenzen bereits bei der Variation von Lösungen zu erkennen. Relativkostenkataloge. In diesen werden Preise bzw. Kosten auf eine Vergleichsgröße bezogen. Kostenschätzung über Materialkostenanteil. Ist in einem bestimmten Anwendungsbereich das Verhältnis m von Materialkosten MK zu Herstellkosten HK bekannt und annähernd gleich, können bei ermittelten Materialkosten die Herstellkosten abgeschätzt werden. Kostenschätzung mit Hilfe von Regressionsrechnungen. Durch statistische Auswertung von Kalkulationsunterlagen werden Kosten in Abhängigkeit von charakteristischen Größen (z.B. Leistung, Gewicht, Durchmesser, Achshöhe) ermittelt. Kostenschätzung mit Hilfe von Ähnlichkeitsbeziehungen. Liegen geometrisch ähnliche oder halbähnliche Bauteile in einer Baureihe, vielleicht auch nur als eine Variante von schon bekannten vor, sind die Bestimmungen von Kostenwachstumsgesetzen aus Ähnlichkeitsbeziehungen zweckmäßig. Der Stufensprung der Kosten ϕHK stellt das Verhältnis der Kosten des Folgeentwurfs HKq (gesuchte Kosten) zu denen des Grundentwurfs HK0 (bekannte Kosten) dar und wird mittels Ähnlichkeitsbetrachtung ermittelt: FK q HK q MK q + ϕ HK = = HK 0 MK 0 + FK 0

∑ ∑

Wertanalyse Die Wertanalyse ist eine systematische, auf Funktionen basierende Methode, die es dem Unternehmen erlaubt, den vom Kunden erwarteten Wert zu den geringsten Kosten herzustellen.

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4.3 Konstruktionsprozess Der allgemeine Lösungsprozess wird unter Anwendung von Einzelmethoden und unter Beachten von Gestaltungsgrundlagen auf unterschiedliche Konkretisierungsstufen übertragen. Er gliedert sich in die Hauptphasen Klären der Aufgabenstellung, Konzipieren, Entwerfen und Ausarbeiten. Klären der Aufgabenstellung Diese Phase dient zur Beschaffung von Informationen über die Anforderungen, die an die Lösung gestellt werden, sowie die bestehenden Bedingungen und ihre Bedeutung. Sie führt zum Erarbeiten einer Anforderungsliste. Anforderungsliste Sie enthält die Ziele und Bedingungen der zu lösenden Aufgabe in Form von Forderungen und Wünschen: • Forderungen müssen unter allen Umständen erfüllt werden (Mindestanforderungen sind zu formulieren und anzugeben, z.B. P > 20kW, L ≤ 400mm). • Wünsche (mit unterschiedlicher Bedeutung) sollten nach Möglichkeit berücksichtigt werden, eventuell mit dem Zugeständnis, dass ein begrenzter Mehraufwand dabei zulässig ist. Ohne bereits eine bestimmte Lösung festzulegen, sind die Forderungen und Wünsche mit Angaben zur Quantität (Anzahl, Stückzahl, Losgröße usw.) und Qualität (zulässige Abweichungen, tropenfest usw.) zu versehen. Zweckmäßigerweise wird auch die Quelle angegeben, aufgrund der die Forderungen und Wünsche entstanden sind. Änderungen und Ergänzungen, wie sie sich im Laufe der Entwicklung nach besserer Kenntnis der Lösungsmöglichkeiten oder infolge zeitbedingter Verschiebung der Schwerpunkte ergeben können, müssen stets in der Anforderungsliste nachgetragen werden. Aufstellung der Anforderungen Als Hilfe zum Erkennen von Anforderungen wird eine Hauptmerkmalliste (Tabelle 4.1) empfohlen.

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Tabelle 4.1: Leitlinie mit Hauptmerkmalen zum Aufstellen einer Anforderungsliste

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Konzipieren Konzipieren (Abb. 4.6) ist ein Teil des Konstruierens, der nach Klären der Aufgabenstellung durch Abstrahieren, Aufstellen von Funktionsstrukturen und Suchen nach geeigneten Lösungsprinzipien und deren Kombination den grundsätzlichen Lösungsweg mit dem Erarbeiten eines Lösungskonzepts festlegt. Das Abstrahieren zum Erkennen der wesentlichen Probleme dient dazu, den Wesenskern der Aufgabe hervortreten zu lassen und sich von festen Vorstellungen sowie konventionellen Lösungen zu befreien, damit zweckmäßigere Lösungswege erkennbar werden. Danach folgt die Suche nach den die einzelnen Teilfunktionen erfüllenden Wirkprinzipien. Diese werden dann anhand der Funktionsstruktur so kombiniert, dass sie verträglich sind, die Forderungen der Anforderungsliste erfüllen und einen noch zulässigen Aufwand erwarten lassen. Die am geeignetsten erscheinenden Kombinationen werden anschließend so weit zu prinzipiellen Lösungsvarianten konkretisiert, dass sie beurteilbar und bewertbar werden. Entwerfen Unter Entwerfen wird der Teil des Konstruierens verstanden, der für ein technisches Gebilde von der Wirkstruktur bzw. prinzipiellen Lösung ausgehend die Baustruktur nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten eindeutig und vollständig erarbeitet. Die Tätigkeit des Entwerfens erfordert neben kreativen auch sehr viele korrektive Arbeitsschritte, wobei Vorgänge der Analyse und Synthese einander abwechseln. Auch hier geht man vom Qualitativen zum Quantitativen, d.h. von der Grobgestaltung zur Feingestaltung. Das Gestalten ist von einem Überlegungs- und Überprüfungsvorgang gekennzeichnet, der durch Befolgen der Leitlinie (Tabelle 4.2) wirksam unterstützt wird.

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Abb. 4.6 Arbeitsschritte beim Konzipieren

KONSTRUKTIONSLEHRE Tabelle 4.2 Leitlinie mit Hauptmerkmalen beim Gestalten

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Ausarbeiten Unter Ausarbeiten wird der Teil des Konstruierens verstanden, der den Entwurf eines technischen Gebildes durch endgültige Vorschriften für Anordnung, Form, Bemessung und Oberflächenbeschaffenheit aller Einzelteile, Festlegen aller Werkstoffe, Überprüfung der Herstellungsmöglichkeiten sowie der Kosten ergänzt und die verbindlichen zeichnerischen und sonstigen Unterlagen für eine stoffliche Verwirklichung und Nutzung schafft. Effektive Organisationsformen Der Prozess des Planens und Konstruierens wird als ein integrierter und interdisziplinärer Produktentwicklungsprozess verstanden. Die Schlagworte dazu heißen: Simultaneous Engineering oder Concurrent Engineering. Ziele sind kürzere Entwicklungszeiten, schnellere Produkterstellung, Kostenreduktion am Produkt und in der Produktentwicklung sowie eine Qualitätsverbesserung. Ein Entwicklungsteam, das zeitlich befristet zusammengesetzt ist, arbeitet unter der Leitung eines Projektmanagers selbständig und verantwortet seine Entscheidungen gegenüber der technischen Entwicklungsleitung selbst. Zweckmäßigerweise wird ein kleineres Kernteam gebildet, das verantwortliche Fachleute aus der Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Marketing und Vertrieb umfasst. Die Zusammenarbeit des Teams muss geplant vor sich gehen und richtet sich zweckmäßigerweise nach dem methodischen Konstruieren. Der überwiegende Zeitanteil der Konstruktions- und Entwicklungsarbeit wird weiterhin in Einzelarbeit geleistet, wie z.B. Berechnen und das Erstellen von Festigkeitsnachweisen, Untersuchung von bestimmten Sachverhalten, Ausarbeitung und Darstellung von Lösungsvorschlägen und Details, Informationsgewinnung, Normenanwendung und –prüfung, Vorbereitung von Teamsitzungen und von Kundenbesprechungen. Rapid Prototyping Zwecks Verkürzung von Entwicklungszeiten und rascherer Markteinführung (Rapid Product Development RPD) beginnt sich parallel zum Konstruktionsprozess die mitlaufende und schnelle Herstellung von Modellen zur Anschauung und Variation, zur Funktions- und Maß-

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überprüfung sowie als Urmodell für nachfolgende Abgießverfahren durchzusetzen. Konstruktionsarten Nicht immer ist das Durchlaufen aller Hauptphasen für das gesamte technische System erforderlich. Hieraus leiten sich drei Konstruktionsarten ab, deren Grenzen hinsichtlich der Bearbeitung einer Aufgabe fließend sein können: • Neukonstruktion. Erarbeitung eines neuen Lösungsprinzips bei gleicher, veränderter oder neuer Aufgabenstellung für ein System (Anlage, Apparat, Maschine oder Baugruppe). • Anpassungskonstruktion. Anpassen der Gestaltung (Gestalt und Werkstoff) eines bekannten Systems (Lösungsprinzip bleibt gleich) an eine veränderte Aufgabenstellung; dabei auch Hinausschieben bisheriger Grenzen. • Variantenkonstruktion. Variieren von Größe und/oder Anordnung innerhalb der Grenzen vorausgedachter Systeme.

4.4 Grundlagen der Gestaltung Grundregeln Die Grundregeln eindeutig, einfach und sicher sind Anweisungen zur Gestaltung und leiten sich aus der generellen Zielsetzung ab. Eindeutig: Wirkung, Verhalten klar und gut erkennbar voraussagen (Erfüllung der technischen Funktion). Einfach: Gestaltung durch wenig zusammengesetzte, übersichtlich gestaltete Formen anstreben und den Fertigungsaufwand klein halten (wirtschaftliche Realisierung). Sicher: Haltbarkeit, Zuverlässigkeit, Unfallfreiheit und Umweltschutz beim Gestaltungsvorgang gemeinsam erfassen (Sicherheit für Mensch und Umgebung). Gestaltungsprinzipien Gestaltungsprinzipien stellen Strategien dar, die nicht total anwendbar sind.

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Prinzip der Aufgabenteilung Beim Gestalten ergibt sich für die zu erfüllenden Funktionen die Frage nach der zweckmäßigen Wahl und Zuordnung von Funktionsträgern: Welche Teilfunktionen können gemeinsam mit nur einem Funktionsträger erfüllt werden und welche Teilfunktionen müssen mit einem jeweils zugeordneten, also getrennten Funktionsträger erfüllt werden? Das Prinzip der Aufgabenteilung, nach dem jeder Funktion ein besonderer Funktionsträger zugeordnet wird, ergibt eine bessere Ausnutzung aufgrund eindeutiger Berechenbarkeit (Übersichtlichkeit), eine höhere Leistungsfähigkeit durch Erreichen absoluter Grenzen, wenn diese allein maßgebend sind, ein eindeutiges Verhalten im Betrieb (Funktionserfüllung, Eigenschaften, Lebensdauer usw.) und einen besseren Fertigungs- und Montageablauf (einfacher, parallel). Beispiel: (Abb. 4.7) Gestaltung des Rotorkopfs eines Hubschraubers.

Abb. 4.7 Rotorblattbefestigung eines Hubschraubers nach dem Prinzip der Aufgabenteilung (Bauart Messerschmitt-Bölkow)

– Die Zentrifugalkraft wird allein über das torsionsnachgiebige Glied Z vom Rotorblatt auf das mittige Herzstück geleitet. Das aus der aerodynamischen Belastung herrührende Biegemoment wird allein über Teil B auf die Rollenlager im Rotorkopf abgestützt.

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Prinzip der Selbsthilfe Nach diesem Prinzip wird versucht, im System selbst eine sich gegenseitig unterstützende Wirkung zu erzielen, welche die Funktion besser zu erfüllen und bei Überlast Schäden zu vermeiden hilft. Das Prinzip gewinnt die erforderliche Gesamtwirkung aus einer Ursprungswirkung und einer Hilfswirkung (Beispiel: Abb. 4.8).

Abb. 4.8 Anordnung eines Mannlochdeckels. U Ursprungswirkung, H Hilfswirkung, G Gesamtwirkung, p Innendruck

Gleiche konstruktive Mittel können je nach Anordnung selbsthelfend oder selbstschadend wirken. Selbstverstärkende Lösungen. Bei Normallast ergibt sich die Hilfswirkung in fester Zuordnung aus der Haupt- oder Nebengröße, wobei sich eine verstärkende Gesamtwirkung aus Hilfs- und Ursprungswirkung einstellt. Selbstausgleichende Lösungen. Bei Normallast ergibt sich die Hilfswirkung aus einer begleitenden Nebengröße in fester Zuordnung zu einer Hauptgröße, wobei die Hilfswirkung der Ursprungswirkung entgegenwirkt und damit einen Ausgleich erzielt, der eine höhere Gesamtwirkung ermöglicht. Selbstschützende Lösungen. Bei Überlast ergibt sich die Hilfswirkung aus einem neuen, meist zusätzlichen Kraftleitungsweg für die belastende Hauptgröße.

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Prinzipien der Kraft- und Energieleitung Kraftleitung soll das Leiten von Biege- und Drehmomenten einschließen. Kraftflussgerechte Gestaltung. Der Kraftfluss ist eine physikalisch nicht begründbare, aber anschauliche Vorstellung für das Leiten von Kräften. Prinzip der gleichen Gestaltfestigkeit. Gleiche Ausnutzung der Festigkeit durch geeignete Wahl von Werkstoff und Form anstreben, sofern wirtschaftliche Gründe nicht dagegen sprechen (Tabelle 4.3). Tabelle 4.3 Träger gleicher Biegebeanspruchung

Prinzip der direkten und kurzen Kraftleitung. Kräfte und Momente sind von einer Stelle zu einer anderen bei möglichst geringem Werkstoffaufwand zu leiten. Kleine Verformung fordert kurzen und direkten Weg sowie möglichst nur Zug- und Druckbeanspruchung in den beteiligten Bauteilen (Beispiel: Abb. 4.9). Große elastische Verformung fordert lange Kraftleitungswege sowie vorzugsweise Biegeund/oder Torsionsbeanspruchung (Beispiele: Schraubendruckfeder, Rohrleitung mit biege- und torsionsbeanspruchten Ausgleichsbögen).

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Abb. 4.9 Lagerabstützung eines zweistufigen offenen Getriebes. a extrem falsch, lange Kraftleitungswege, hohe Biegeanteile, schlechte Gussgestaltung; b gute Lösung, Lagerkräfte direkt im Verbund aufgenommen, steife Abstützung mit vorwiegender Zug- und Druckbeanspruchung

Prinzip der abgestimmten Verformung. Die beteiligten Komponenten sind so zu gestalten, dass unter Last eine weitgehende Anpassung mit gleichgerichteter Verformung bei möglichst kleiner Relativverformung entsteht. Prinzip des Kraftausgleichs. Funktionsbedingte Hauptgrößen wie aufzunehmende Last, Antriebsmoment und Umfangskraft sind häufig mit begleitenden Nebengrößen wie Axialschub, Spann-, Massen- und Strömungskräften in fester Zuordnung verbunden. Nach dem Prinzip des Kraftausgleichs werden Ausgleichselemente bei vorwiegend relativ mittleren Kräften und symmetrische Anordnung bei vorwiegend relativ großen Kräften empfohlen (Abb. 4.10). Prinzipien der Sicherheitstechnik Nach DIN 31000 unterscheidet man zwischen unmittelbarer, mittelbarer und hinweisender Sicherheitstechnik. Grundsätzlich wird die unmittelbare Sicherheit angestrebt, bei der von vorn herein und von sich heraus keine Gefährdung besteht. Dann folgt die mittelbare Sicherheit mit dem Aufbau von Schutzsystemen und der Anordnung von Schutzeinrichtungen. Eine hinweisende Sicherheitstechnik, die nur vor Gefahren warnen und den Gefährdungsbereich kenntlich machen kann, löst kein Sicherheitsproblem.

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Abb. 4.10 Grundsätzliche Lösungen für Kraftausgleich am Beispiel einer Strömungsmaschine, eines Getriebes und einer Kupplung

Prinzip des sicheren Bestehens (safe-life-Verhalten). Es geht davon aus, dass alle Bauteile und ihr Zusammenhang die vorgesehene Einsatzzeit bei allen wahrscheinlichen oder möglichen Vorkommnissen ohne ein Versagen oder eine Störung überstehen. Prinzip des beschränkten Versagens (fail-safe-Verhalten). Es lässt während der Einsatzzeit eine Funktionsstörung und/oder einen Bruch zu, ohne dass es dabei zu schwerwiegenden Folgen kommen darf. In diesem Fall muss: • eine wenn auch eingeschränkte Funktion oder Fähigkeit erhalten bleiben, die einen gefährlichen Zustand vermeidet,

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• •

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die eingeschränkte Funktion vom versagenden Teil oder einem anderen übernommen und solange ausgeübt werden, bis die Anlage oder Maschine gefahrlos außer Betrieb genommen werden kann, der Fehler oder das Versagen erkennbar werden, die Versagensstelle ein Beurteilen ihres für die Gesamtsicherheit maßgebenden Zustands ermöglichen.

Prinzip der Mehrfach- oder redundanten Anordnung. Es bedeutet eine Erhöhung der Sicherheit, solange das ausfallende Systemelement von sich aus keine Gefährdung hervorruft und die parallel oder in Serie angeordneten Systemelemente die volle oder wenigstens eingeschränkte Funktion übernehmen. Bei der aktiven Redundanz (Abb.4.11) beteiligen sich alle Systemelemente aktiv an der Aufgabe,

Abb. 4.11 Redundante Anordnungen (Schaltungen von Systemelementen)

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bei passiver Redundanz stehen sie in Reserve und ihre Aktivierung macht einen Schaltungsvorgang nötig. Prinzipredundanz liegt vor, wenn die Funktion gleich, aber das Wirkprinzip unterschiedlich ist. Mittelbare Sicherheit. Zur mittelbaren Sicherheitstechnik gehören Schutzsysteme und Schutzeinrichtungen. Zur Auslegung von Schutzsystemen sind folgende Forderungen zu beachten: • Warnung oder Meldung. Bevor ein Schutzsystem eine Änderung des Betriebszustands einleitet, ist eine Warnung zu geben, damit seitens der Bedienung und Überwachung wenn möglich noch eine Beseitigung des Gefahrenzustands, wenigstens aber notwendige Folgemaßnahmen, eingeleitet werden können. • Selbstüberwachung. Ein Schutzsystem muss sich hinsichtlich seiner steten Verfügbarkeit selbst überwachen, d.h., nicht nur der eintretende Gefahrenfall, gegen den geschützt werden soll, hat das System zum Auslösen zu bringen, sondern auch ein Fehler in Schutzsystem selbst. • Mehrfache, prinzipverschiedene und unabhängige Schutzsysteme. Sind Menschenleben in Gefahr oder Schäden größeren Ausmaßes zu erwarten, müssen die Schutzsysteme mindestens zweifach, prinzipverschieden und unabhängig voneinander vorgesehen werden (primärer und sekundärer Schutzkreis). • Bistabilität. Schutzsysteme müssen auf einen definierten Ansprechwert ausgelegt werden. • Wiederanlaufsperre. Anlagen dürfen nach Beseitigen einer Gefahr nicht von selbst wieder in Betrieb gehen. • Prüfbarkeit. Schutzsysteme müssen prüfbar sein. Gestaltungsrichtlinien Die Gestaltungsrichtlinien ergeben sich aus den allgemeinen Bedingungen, aus der Leitlinie beim Gestalten (Tabelle 4.2) und nicht zuletzt aus den Gesetzmäßigkeiten und Aussagen im Zusammenhang mit den Maschinenelementen. Beanspruchungsgerecht Zu beachten sind die Aussagen der Festigkeitslehre, der Werkstofftechnik und die Prinzipien der Kraftleitung.

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Formänderungsgerecht Beanspruchungen sind stets von mehr oder weniger großen Formänderungen begleitet. Formänderungen können auch aus funktionellen Gründen begrenzt sein (z.B. begrenzte Wellendurchbiegung bei Getrieben, Elektromotoren oder Strömungsmaschinen). Stabilitäts- und resonanzgerecht Mit Stabilität werden alle Probleme der Standsicherheit und Kippgefahr sowie der Knick- und Beulgefahr aber auch die des stabilen Betriebs einer Maschine oder Anlage angesprochen. Resonanzen haben erhöhte, nicht sicher abschätzbare Beanspruchungen zur Folge. Ausdehnungsgerecht Maschinen, Apparate und Geräte arbeiten nur ordnungsgemäß, wenn der Effekt der Ausdehnung berücksichtigt worden ist. Ausdehnung von Bauteilen. Die Ausdehnungszahl ist als Mittelwert über den jeweils durchlaufenden Temperaturbereich zu verstehen; sie ist werkstoff- und temperaturabhängig. Relativausdehnung δrel zwischen Bauteilen. Sie ergibt sich aus δ rel = β1l1∆ϑm1(t ) − β 2l2 ∆ϑm 2(t ) β = Ausdehnungszahl des Teiles 1 bzw. 2 l = Länge des Teiles 1 bzw. 2 ∆ϑm(t) = zeitabhängige gemittelte Temperaturänderung des Teiles 1 bzw. 2 Stationäre Relativausdehnung. Ist die jeweilige mittlere Temperaturdifferenz zeitlich unabhängig, konzentrieren sich die Maßnahmen bei gleichen Längenausdehnungszahlen auf ein Angleichen der Temperaturen und/oder bei unterschiedlichen Temperaturen auf ein Anpassen mittels Wahl von Werkstoffen unterschiedlicher Ausdehnungszahlen. Instationäre Relativausdehnung. Ändert sich der Temperaturverlauf mit der Zeit (z.B. bei Aufheiz- oder Abkühlvorgängen), ergibt sich oft eine Relativausdehnung, die viel größer ist als im stationären Endzustand, weil die Temperaturen in den einzelnen Bauteilen sehr unterschiedlich sein können. wobei:

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Korrosionsgerecht Korrosionserscheinungen lassen sich nicht vermeiden, sondern nur mindern, weil die Ursache für die Korrosion nicht beseitigt werden kann. Ebenmäßig abtragende Korrosion. Ursache: Auftreten von Feuchtigkeit (schwach basischer oder saurer Elektrolyt) unter gleichzeitiger Anwesenheit von Sauerstoff aus der Luft oder dem Medium, insbesondere Taupunktunterschreitung. Abhilfe: Wanddickenzuschlag und Werkstoff; Verfahrensführung, die Korrosion vermeidet bzw. wirtschaftlich tragbar macht; kleine und glatte Oberflächen mit einem Maximum des Verhältnisses Inhalt zu Oberfläche; keine Feuchtigkeitssammelstellen; keine unterschiedlichen Temperaturen, also gute Isolierung und Verhinderung von Wärme- bzw. Kältebrücken. Lokal angreifende Korrosion. Sie ist besonders gefährlich, weil sie eine sehr große Kerbwirkung zur Folge hat und oft nicht leicht vorhersehbar ist. Folgende Maßnahmen helfen bei • Spaltkorrosion: glatte, spaltenlose Oberflächen auch an Übergangsstellen; Schweißnähte ohne verbleibenden Wurzelspalt, Stumpfnähte oder durchgeschweißte Kehlnähte vorsehen; Spalt abdichten, Feuchtigkeitsschutz durch Muffen oder Überzüge; Spalte so groß machen, dass infolge Durchströmung oder Austausch keine Anreicherung möglich ist. • Kontaktkorrosion: Metallkombinationen mit geringem Potentialunterschied und daher kleinem Kontaktkorrosionsstrom verwenden; Einwirkung des Elektrolyten auf die Kontaktstelle verhindern, indem die Metalle örtlich isoliert werden; Elektrolyt überhaupt vermeiden; notfalls gesteuerte Korrosion durch gezielten Abtrag an elektrochemisch noch unedlerem „Fressmaterial“, sogenannten Opferanoden, vorsehen. • Schwingungsrisskorrosion: mechanische oder thermische Wechselbeanspruchung klein halten, Resonanzerscheinungen vermeiden; Spannungsüberhöhung infolge von Kerben vermeiden; Druckvorspannung durch Kugelstrahlen, Prägepolieren, Nitrieren usw. erhöhen (längere Lebensdauer); korrosives Medium (Elektrolyt) fernhalten; Oberflächenschutzüberzüge (z.B. Gummierung, Einbrennlackierung, galvanische Überzüge mit Druckspannung) vorsehen.

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Spannungsrisskorrosion: empfindliche Werkstoffe vermeiden; Zugspannung an der angegriffenen Oberfläche massiv herabsetzen oder ganz vermeiden; Druckspannung in die Oberfläche einbringen (z.B. Schrumpfbandagen, vorgespannte Mehrschalenbauweise, Kugelstrahlen); Eigenzugspannungen durch Spannungsarmglühen abbauen; katodisch wirkende Überzüge aufbringen; Agenzien vermeiden oder mildern durch Erniedrigung der Konzentration und der Temperatur.

Verschleißgerecht Unter Verschleiß versteht man das unerwünschte Lösen von Teilchen infolge mechanischer Ursachen, wobei auch chemische Effekte beteiligt sein können. Aus konstruktiver Sicht sind Verschleißerscheinungen immer als Ergebnis eines tribologischen Systems zu sehen, das sich aus den die Funktion erfüllenden Elementen, deren Eigenschaften und ihrer Umgebung sowie der gewählten Zwischenschichten (Schmiermittel) als Wechselwirkung ergibt. Daraus folgt, dass allein die Wahl des Schmierstoffs nicht ausreichend sein kann, sondern stets konstruktive Merkmale entscheidend das geschehen bestimmen. Demzufolge ist zunächst zu sorgen für: • eine ertragbare, eindeutige und örtlich gleichmäßige Beanspruchung (u.a. mittels elastisch nachgiebiger oder sich selbst einstellender Elemente), • eine einen Schmierfilm aufbauende oder unterstützende Bewegung der Kontaktflächen, • eine auch unter Temperatur- oder sonstigen Einflüssen definiert erhalten bleibende Geometrie der Bauteile (z.B. Spaltgeometrie, Einlaufzone), • eine funktionsgerechte Oberfläche (Gestalt und Rauhigkeit), die sich auch während des Verschleißvorgangs nicht grundsätzlich verschlechtert, • eine zweckmäßige Werkstoffwahl, die aufgrund der Paarung adhäsiven oder abrasiven Verschleiß mildert.

Folgende Abhilfemaßnahmen können für die verschiedenen Verschleißgrundmechanismen zweckmäßig sein:

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•

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Adhäsiver Verschleiß. Die Wahl anderer Werkstoffe und das Einbringen andersartiger Zwischenschichten (z.B. Feststoffschmierstoff) bringen grundsätzlich Abhilfe. Abrasiver Verschleiß. Härte des weicheren Partners erhöhen (z.B. Nitrieren, Hartmetallauflage). Ermüdungsverschleiß. Örtliche Beanspruchung mindern, verteilen. Schichtverschleiß. Da dieser Vorgang in der Regel bei funktionell nicht schädlichen Verschleißvorgängen in der sogenannten Tieflage entsteht (Abtrag pro Zeit- oder Wegeinheit gering), ist er solange ertragbar, bis die Bauteildicke z.B. den Festigkeitsanforderungen nicht mehr genügt. Reibkorrosion. Dieser Vorgang ist komplexer Natur (mechanisch-chemisch) und führt zur Absonderung harter Oxidationsprodukte, welche die Funktion gefährden, während die Scheuerstelle selbst unter vielfach schädlicher Kerbwirkung leidet. Abhilfe: Vermeiden von Relativbewegungen an Fügestellen durch Verstärken des Bauteils, andere Lastein- und ableitung, Entlastungsnuten.

Arbeitssicherheits- und –ergonomiegerecht Arbeitssicherheitstechnische Gestaltung. Der arbeitende Mensch und seine Umgebung sind vor schädlichen Einwirkungen zu schützen. Vorschriften der Berufsgenossenschaften, der Gewerbeaufsichtsämter und der Technischen Überwachungsvereine sind branchen- und produktabhängig zu befolgen. Aber auch das Gerätesicherheitsgesetz verpflichtet den Konstrukteur zum verantwortungsvollen Handeln. Tabelle 4.4 gibt Mindestanforderungen für eine arbeitssichere Gestaltung mechanischer Gebilde an. Ergonomiegerecht. Die VDI-Richtlinie 2242 gibt Anleitung zum Konstruieren ergonomiegerechter Erzeugnisse. Formgebungsgerecht In der VDI-Richtlinie 2224 (mit instruktiven Bildbeispielen) sind Empfehlungen für den Konstrukteur zur Formgebung technischer Erzeugnisse zusammengestellt.

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Tabelle 4.4 Allgemeine Mindestanforderungen der Arbeitssicherheit bei mechanischen Gebilden

Fertigungs- und kontrollgerecht Beim Entwerfen und Ausarbeiten ist sowohl auf eine fertigungsgerechte Baustruktur als auch auf eine fertigungs- und kontrollgerechte Werkstückgestaltung zu achten, die mit einer auf die Fertigung abgestimmten Werkstoffwahl einhergeht. Fertigungsgerechte Baustruktur. Sie kann unter dem Gesichtspunkt einer Differential-, Integral- und Verbundbauweise vorgenommen werden. Unter Differentialbauweise wird die Auflösung eines Einzelteils (Träger einer oder mehrerer Funktionen) in mehrere fertigungstech-

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nisch günstige Werkstücke verstanden. Unter Integralbauweise wird das Vereinigen mehrerer Einzelteile zu einem Werkstück verstanden. Unter Verbundbauweise soll verstanden werden die unlösbare Verbindung mehrerer unterschiedlich gefertigter Rohteile zu einem weiter zu bearbeitenden Werkstück (z.B. die Verbindung urgeformter und umgeformter Teile), die gleichzeitige Anwendung mehrerer Fügeverfahren zur Verbindung von Werkstücken und die Kombination mehrerer Werkstoffe zur optimalen Nutzung ihrer Eigenschaften. Fertigungsgerechte Werkstückgestaltung. Sie beeinflusst die Form, Abmessungen, Oberflächenqualität, Toleranzen und Fügepassungen, Fertigungsverfahren, Werkzeuge und Qualitätskontrollen. Ziel der Werkstückgestaltung ist es, unter Beachten der verschiedenen Fertigungsverfahren mit ihren einzelnen Verfahrensschritten den Aufwand in der Fertigung zu verringern und die Qualität des Werkstücks zu verbessern. Montagegerecht Entscheidend ist eine montagegerechte Baustruktur, montagegerechte Gestaltung der Fügestellen und Fügeteile, wobei die automatische Montage an Bedeutung gewinnt. Allgemeine Richtlinien zur Montage. Anzustreben sind einheitliche Montagearten, wenige, einfache und zwangsläufige Montageoperationen sowie parallele Montagen von Baugruppen. Verbesserung einzelner Montageoperationen Speichern wird durch stapelbare Werkstücke mit ausreichenden Auflageflächen und Konturen zur eindeutigen Lageorientierung bei nichtsymmetrischen Teilen erleichtert. Werkstück handhaben. Beim Erkennen ist ein Verwechseln ähnlicher Teile auszuschließen. Positionieren. Günstig ist, Symmetrie anzustreben, wenn keine Vorzugslage gefordert wird (bei geforderter Vorzugslage ist diese durch die Form zu kennzeichnen), das selbsttätige Ausrichten der Fügeteile zu erzwingen oder, wenn das nicht möglich ist, einstellbare Verbindungen vorzusehen. Fügen. Oft zu lösende Fügestellen (z.B. zum Austausch von Verschleißteilen) mit leicht lösbaren Verbindungen ausrüsten. Einstellen. Feinfühliges, reproduzierbares Einstellen ermöglichen.

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Sichern. Gegen selbständiges Verändern ist anzustreben, selbstsichernde Verbindungen zu wählen oder form- bzw. stoffschlüssige Zusatzsicherungen vorzusehen, die ohne großen Aufwand montierbar sind. Kontrollieren. Mit gestalterischen Maßnahmen ist eine einfache Kontrolle (Messen) der funktionsbedingten Forderungen zu ermöglichen. Gebrauchs- und instandhaltungsgerecht Die Gestaltung hat auf die Erfordernisse des Betriebs und der Instandhaltung, die sich in Wartung, Inspektion und Instandsetzung gliedert, Rücksicht zu nehmen. Generell soll der Gebrauch oder die Inbetriebnahme sicher und einfach möglich sein. Betriebsergebnisse in Form von Meldungen, Überwachungsdaten und Messgrößen sollen übersichtlich anfallen. Recyclinggerecht Der Einsparung und Wiedergewinnung von Rohstoffen kommt zunehmende Bedeutung zu. Faserverbundbauweisen Definitionen Der Begriff Bauweisen erstreckt sich auf das optimierte Zusammenwirken der für die Entwicklung eines Bauteils oder eines Systems erforderlichen Fachdisziplinen wie: • Werkstoffe, Werkstoffverbunde, • Entwicklung und Konstruktion, • Berechnung und Auslegung, • Fertigungsverfahren, • Umwelt-Aspekte, • Kosten/Nutzen-Aspekte. Differenzialbauweise. Bei der Differenzialbauweise wird eine Struktur in einzelne, meist einfach zu fertigende Bauelemente aufgeteilt, die in anschließenden Montageschritten durch Fügevorgänge zur Gesamtstruktur zusammengesetzt werden.

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Integralbauweise. Die Integralbauweise ist von dem Bestreben geprägt, möglichst viele Strukturelemente einer Baugruppe in einem einzigen Fertigungsvorgang herzustellen. Mischbauweise. Große komplexe Strukturen bestehen in den wenigsten Fällen aus nur einer Bauweise, sie stellen eine Mischung von Differenzial- und Integralbauweise dar. Sandwichbauweise. Eine Sandwichstruktur besteht aus hochsteifen und hochfesten Deckschichten, die mit einem schubsteifen Kern verbunden sind. Passive und aktive Bauweisen. Bei der passiven Bauweise sind die Eigenschaften der Struktur nach der Fertigung fest definiert. Die aktiven Bauweisen sind dadurch gekennzeichnet, dass bei der Konstruktion und Fertigung Funktionsmöglichkeiten, z.B. AktuatorSensorwerkstoffe, integriert werden, mit denen man weitere Eigenschaften auslösen kann, z.B. Bewegungen, Verformungen. Gestaltungsgrundlagen Schichtverbunde. Faserverbundstrukturen sind schichtweise aufgebaut. Dimensionierung. Jede Schicht ist orthotrop, der Faserschichtverbund ergibt eine anisotrope Struktur. Für die Dimensionierung der Bauteile gibt es unterschiedliche Versagenskriterien: den Matrixbruch, den Faserbruch, die Delamination. Werkstoffe. Die einzelnen Schichten bestehen – die Fasern betreffend – aus unidirektionalen Fasern oder aus Geweben verschiedenster Art, bzw. aus Gestricken. Ist der Matrixwerkstoff als Thermoplast bzw. Duroplast bereits in der Schicht vorhanden, spricht man von einem Prepreg. Fertigungsverfahren Es werden nur Verfahren behandelt, die sich für Konstruktionen mit gerichteten Langfasern eignen. Nasslaminiertechnik. Über eine Positivform aus Metall, Faserverbund oder Formmassen werden Schichten aus Geweben oder Gestricken gelegt, die anschließend mit einem Pinsel oder anderen dafür geeigneten Geräten mit flüssigen Duroplastwerkstoffen getränkt werden.

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Autoklav-Prepreg-Technik. Mit Epoxidharz vorimprägnierte und mit unidirektionalen Fasern, Geweben oder Gestricken versehene Prepregs werden in bestimmten Richtungen von Hand oder maschinell übereinander gelegt und durch Umformen um ein Werkzeug und anschließender Aushärtung im Autoklaven zu einem hochfesten, steifen und leichten Bauteil gefertigt. Wickeltechnik. Die Wickeltechnologie ist das bisher am meisten automatisierte Fertigungsverfahren der Faserverbundtechnik. Harzinjektionstechnik = Resin-Transfer-Moulding-Technik (RTM). Die RTM-Technik erlaubt es, Bauteile in beliebiger Gestalt herzustellen. Diaphragmatechnik. Ein ebenes Gelege mit Thermoplastmatrix wird zwischen zwei elastische und temperaturbeständige Folien gelegt und in einem Rahmen so eingeklemmt, dass ein Vakuum zwischen den Folien erzeugt werden kann. Umform-Presstechnik. Ein Faserverbundthermoplastgelege wird vorgeheizt und danach in eine Kalt- oder Heisspresse transportiert.

4.5 Grundlagen der Baureihen- und Baukastenentwicklung Unter einer Baureihe versteht man technische Gebilde (Maschinen, Baugruppen, Einzelteile), die dieselbe Funktion mit der gleichen Lösung in mehreren Größenstufen bei möglichst gleicher Fertigung in einem weiten Anwendungsbereich erfüllen. Ähnlichkeitsbeziehungen Eine rein geometrische Vergrößerung ist nur statthaft, wenn Ähnlichkeitsgesetze es zulassen. Dezimalgeometrische Normzahlreihen Eigenschaften der dezimalgeometrischen Reihe Die dezimalgeometrische Reihe entsteht durch Vervielfachung mit einem konstanten Faktor ϕ und wird jeweils innerhalb einer Dekade entwickelt. Abgeleitete Reihen. Hier wird nur jedes k-te Glied einer Grundreihe benutzt.

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MASCHINENBAU

Wahl der Größenstufung Die Größenstufung richtet sich nach den Bedarfserwartungen des Marktes (Vertriebs), bezogen auf die einzelnen Baugrößen, nach dem Marktverhalten nach Typbereinigung und den damit verbundenen Lücken, nach den Fertigungskosten und –zeiten bei unterschiedlichen Größenstufungen und den Eigenschaften der Produkte bei unterschiedlichen Größenstufungen. Darstellung im Normzahldiagramm Fast alle technischen Beziehungen lassen sich in die allgemeine Form y = cxp bringen, deren logarithmische Form lg y = lg c + p lg x ist. Geometrisch ähnliche Baureihe Ausgehend von einem Grundentwurf prüft man, ob im wesentlichen nur Trägheits- und/oder elastische Kräfte einwirken. Passungen und Toleranzen sind mit den Nennmaßen nicht geometrisch ähnlich gestuft, sondern die Größe einer Toleranzeinheit folgt der Beziehung i = 0,45·D1/3 + 0,001·D, d.h. der Stufensprung der Toleranzeinheit i folgt im wesentlichen ϕi = ϕi1/3. Technologische Einschränkungen führen oft zu Abweichungen; z.B. kann eine Gusswanddicke nicht unterschritten, eine Wanddicke nicht durch und durch vergütet werden (Größeneinfluss). Übergeordnete Normen basieren nicht immer konsequent auf Normzahlen. Übergeordnete Ähnlichkeitsgesetze oder andere Anforderungen können eine starke Abweichung von der geometrischen Ähnlichkeit erzwingen. Halbähnliche Baureihen Bedeutende Abweichungen von der geometrischen Ähnlichkeit können durch folgende Gründe erzwungen werden (sie erfordern für die Baureihe ein anderes Wachstumsgesetz und führen zu halbähnlichen Baureihen): Übergeordnete Ähnlichkeitsgesetze durch Einfluss der Schwerkraft, Einfluss thermischer Vorgänge und/oder andere Ähnlichkeitsbeziehungen. Übergeordnete Aufgabenstellung. Bauteile, mit denen der Mensch bei der Arbeit in Berührung kommt, müssen den Körperabmessungen entsprechen.

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Übergeordnete wirtschaftliche Forderungen. In einer Baureihe können Einzelteile und Baugruppen, gröber gestuft, eine höhere Stückzahl ergeben und so eine noch wirtschaftlichere Fertigung ergeben. Anwenden von Exponentengleichungen Sie dienen als Hilfsmittel, die Bedingungen nach der Art der Ähnlichkeitsbeziehungen bei einer halbähnlichen Baureihe zu berücksichtigen. Beispiel: Elektromotoren-Reihe. Die vom Motor abgegebene Leistung P ist proportional der Winkelgeschwindigkeit ω, der Stromdichte G, der magnetischen Induktion B, den Leiterabmessungen b, h, t (Leitervolumen) sowie dem mittleren Abstand D/2 der Leiter von der Wellenmitte. Baukasten Unter einem Baukasten versteht man Maschinen, Baugruppen und Einzelteile, die als Bausteine mit oft unterschiedlichen Lösungen durch Kombination entstehen und verschiedene Gesamtfunktionen erfüllen. Je nach dem, ob ein Baustein in allen Funktionsvarianten eines Bausteinsystems vorkommen muss oder nur kann, spricht man von Muss- oder Kann-Bausteinen. Nicht im Baukastensystem vorgesehene auftragsspezifische Funktionen werden über „Nichtbausteine“ verwirklicht, die für die konkrete Aufgabenstellung in Einzelkonstruktion entwickelt werden müssen. Zur Baukastenabgrenzung definiert man Bauprogramme mit endlicher, vorhersehbarer Variantenzahl (geschlossene Baukastensysteme) und Baumusterpläne mit einer großen Vielfalt an Kombinationsmöglichkeiten, die nicht im vollen Umfang geplant und dargestellt werden (offene Baukastensysteme).

5

Abb. 5.1 Rollenketten in europäischer Ausführung Schmierschema: I Hand-, II Tropf-, III Tauch-, IV Druckschmierung

D/142 MASCHINENBAU

Getriebelehre

5.1 (Antriebs)ketten

Wirkungsgrad: Normal ca. 98%.

Leistung: Siehe Abbildung 5.1.

GETRIEBELEHRE

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Lebensdauer: Wird mitbestimmt durch die Belastung p, die im Scharnierpunkt auftritt: F [N/mm²] p= f wobei: F = auftretende Zugkraft in der Kette [N] f = Oberfläche Scharnierpunkt [mm²] Zulässig ist (bei unzureichender Schmierung und/oder Verschmutzung 50 % bis 25% von diesen Werten): • bei schweren Stößen 7 bis 12 N/mm² • normaler Betrieb 12 bis 30 N/mm² • kurze Lebensdauer 70 bis 120 N/mm² Kettengeschwindigkeit (bei richtiger Zähnezahl und guter Schmierung): • günstig bis 7 m/s • normal bis 12 m/s • möglich bis 25 m/s Achsabstand [mm]: 2 2⎤ ⎡ t z +z z +z ⎞ ⎛ ⎛z −z ⎞ a = ⎢ x − 1 2 + ⎜ x − 1 2 ⎟ + 2⎜ 2 1 ⎟ ⎥ 4⎢ 2 2 ⎠ ⎝ ⎝ π ⎠ ⎥ ⎣ ⎦ wobei: t = Kettenteilung x = Gliederzahl z1, z2 = Zähnezahlen der Kettenräder Anzahl der Glieder: 2

a z +z ⎛z −z ⎞ t x = 2 + 1 2 +⎜ 2 1⎟ ⋅ t 2 ⎝ 2π ⎠ a

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MASCHINENBAU

Umfangskraft am Kettenrad: P 2M d1 2M d 2 F= = = v d o1 do2 wobei: P = übertragene Leistung [W] v = Kettengeschwindigkeit [m/s] Md = Moment [Nm] = Kettenraddurchmesser [m] do Fliehzugkraft: Fc = q ⋅

v2 g

wobei: q = Kettengewicht [N/m] g = Erdbeschleunigung (≈ 9,81 m/s²) Gesamte Kettenkraft: Ft = F + Fc Statischer Sicherheitsfaktor: F S st = B ≥ 7 Ft wobei: FB = Bruchbelastung [N] Dynamischer Sicherheitsfaktor: F Sd = B ≥ 5 Ft ⋅ γ wobei: γ = Sicherheitsfaktor (Abb. 5.2) Anmerkung zur Abbildung 5.2: Gilt für eine Lebensdauer von 15.000 Betriebsstunden, gute Schmierung, stoßfreie Belastung und eine gesamte Kettenlänge von mindestens 100 Teilen. Bei anderen Betriebsumständen gelten Korrekturfaktoren für den Sicherheitsfaktor.

GETRIEBELEHRE

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Abb. 5.2 Sicherheitsfaktor γ (siehe auch Erläuterung im Text)

− keine Stöße − leichte Stöße

1 ⎫ 1,35 ⎪⎪ ⎬ Korrekturfaktoren − mittelmäßige Stöße 1,60⎪ − schwere Stöße 1,70 ⎪⎭ Für Duplex- oder Triplex-Rollenketten muss der Korrekturfaktor stets mit 1,2 vervielfältigt werden.

Stoßfaktor y = 1/Korrekturfaktor Für ausgedehntere Berechnung Lieferanten befragen.

2)

1)

Rollenketten gemäß DIN 8187. Die Rollenketten gemäß DIN 8188 (nach amerikanischer Norm ANSI) hat bezüglich den europäischen Ketten kleine Abweichungen, wodurch die Ketten und Kettenräder mit den europäischen nicht auswechselbar sind. Die amerikanischen Ketten und Kettenräder sind leicht erhältlich. Diese werden meistens in Maschinen für Amerika angewendet. f = Gelenkoberfläche; FB = Bruchbelastung (minimal); q = Masse (ca.)

Tabelle 5.1 Einzelne (Simplex-) Rollenkette in europäischer1) Ausführung (Maße in mm außer wenn anders angegeben)2)

D/146 MASCHINENBAU

GETRIEBELEHRE

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Tabelle 5.2 Duplex-Rollenketten in europäischer Ausführung1) (Maße in mm, außer wenn anders angegeben)2)3)

1)2) Siehe Fußnoten Tabelle 5.1. 3) Fehlende Maße sind gleich denen der Simplex-Ketten (Tabelle 5.1).

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MASCHINENBAU

Tabelle 5. 3 Triplex-Rollenkette in europäischer1) Ausführung (Maße in mm, außer wenn anders angegeben)2)3)

1)2) Siehe Fußnoten Tabelle 5.1. 3) Fehlende Maße sind gleich denen der Simplex-Ketten (Tabelle 5.1).

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5.2 Keilriemen Vorteile von Keilriemen: • lange Lebensdauer; • geräuschlos; • „eingebaute“ Sicherung; • geeignet für hohe Drehzahlen. Nachteil: Es tritt immer ein gewisser Schlupf auf. Schmalprofilriemen können pro cm Riemenbreite deutlich mehr Leistung übertragen, als die Standardprofile. Antriebswirkungsgrad: 60 % bis 95%. Der Wirkungsgrad ist unter anderem abhängig vom Antrieb, der Riemenspannung und den klimatologischen Umständen. Tabelle 5.4 Abmessungen Keilriemen [mm]

Durch die Keilwirkung ist die Reibung zwischen Keilriemen und Scheibe viel größer als beim Flachriemen. Die Seitenflächen des Keilriemens ergeben einen Winkel von 38°. Es werden so viele Riemen nebeneinander auf einer Scheibe angebracht, wie nötig sind, um die geforderte Leistung zu übertragen. Man muss gut darauf achten, dass alle Keilriemen eines Bündels dieselbe Längentoleranz haben. Diese wird mit einer Code-Zahl auf dem Keilriemen angegeben. Die Anzahl Biegungen, die der Riemen erfährt, soll nicht größer als 40 pro Sekunde sein, im Zusammenhang mit der großen Wärme-

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MASCHINENBAU

entwicklung durch innere Reibungsverluste. Die Riemengeschwindigkeit liegt gewöhnlich zwischen 2 m/s und 25 m/s.

Abb. 5.3 Auswahl von Keilriemen für einen Umspannungswinkel von 180°

Durch Entwicklung von neuen Materialien ist es möglich geworden, die Übertragungskapazität zu erhöhen. Der formverzahnte Schmalprofil-Keilriemen, X-Typ, hat hierdurch bei derselben Abmessung eine höhere Übertragungskapazität. Dieser Riemen ist durch seine Zahnform viel biegsamer als der Schmalprofilriemen. Dieser Vorteil macht es möglich, kleine Scheiben anzuwenden. Für die Auswahl von formverzahnten Schmalprofil-Keilriemen kann am besten von den Angaben der Lieferanten Gebrauch gemacht werden.

GETRIEBELEHRE

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Abb. 5.4 Bezeichnung der Durchbiegung E Tabelle 5.5 Bestimmung E100

Formel für die Bestimmung der Richtwerte der richtigen Riemenspannung: E ⋅H E = 100 100 mm Für E100 siehe Tabelle 5.5. wobei: E = Totale Eindrückung des Keilriemens in der Mitte des Achsabstands [mm] E100 = Eindrückung des Keilriemens pro 100 mm [mm] H = Achsabstand [mm]

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5.3 Zahnriemen Zahnriemen sind Kunststoffriemen, die durch ein Zahnprofil ohne Schlupf Leistung übertragen. In dem Kunststoffriemen ist ein meistens spiralartig laufender Zugdraht aufgenommen, der die Zugkraft aufnimmt. Vorteile: Geringe Masse, geräuscharmer Betrieb, schlupffrei und ein hoher Wirkungsgrad von ca. 98%. Zahnriemen dürfen – selbstverständlich – ungeschmiert laufen. Anwendungen unter anderem in Verpackungsmaschinen, in der Lebensmittelindustrie und als Nockenwellenantrieb bei Verbrennungsmotoren. Tabelle 5.6 Übertragene Leistung Zahnriemenantriebe

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5.4 Zahnräder, Zahnradübersetzungen, Planetenräder

Abb. 5.5 Bestimmungsgrößen am Zahnrad

Stirnräder Mit Stirnrädern werden parallele Wellen gekoppelt. ω1 n1 z 2 Index 1 : Treibende Welle = = ω 2 n2 z1 Index 2 : Angetriebene Welle wobei: ω = Winkelgeschwindigkeit [rad/s] n = Drehzahl [min-1] z = Zähnezahl Auch gilt (bei Vernachlässigung von Reibungsverlusten): F2 ⋅ r2 M 2 = =i F1 ⋅ r1 M1 wobei: F = Kraft, die am Umfang der beiden Räder wirkt [N] r = Zahnradradius [m] M = Moment auf die Welle [N·m]

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Gerade Verzahnung: Zähne sind parallel zu der Welle, auf der die Räder montiert sind (im Gegensatz zur schrägen Verzahnung).

Abb. 5.6 Bestimmungsgrößen Paarung

Falls die Punkte A und E außerhalb des Linienteils T1 – T2 liegen, tritt Unterschneidung auf. In diesem Fall eine V-Paarung anwenden. Grundgesetz der Zahnkonstruktion: Die Senkrechte auf die Zahnprofile im Berührpunkt zweier Zähne muss stets durch den selben Punkt M auf der Verbindungslinie der Mittelpunkte O1 und O2 gehen. Nur dann gilt: ω1 MO2 = =i ω 2 MO1

GETRIEBELEHRE p = π⋅

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dw z

wobei: p = Teilung (oft angegeben in π–Vielfachen) dw = Durchmesser des Teilkreises [mm] z = Zähnezahl p d = π z Empfohlene Moduln (DIN 780): 1 – 1,25 – 1,5 – 2 – 2,5 – 3 – 4 – 5 8 – 10 – 12 – 16 – 20 – 25 – 32 – 40 – 50 mm.

Modul: m =

Berechnungen von Stirnrädern mit geraden Zähnen (Pressungswinkel 20°): 2π 9550 P P = M d ⋅ ω ⋅ 10 − 3 = M d ⋅ ⋅ n ⋅ 10 − 3 ; M d = n 60 M i + 1 b ⋅ d w2 ≥ 62500 ⋅ d ⋅ k i wobei: Md = zugeführtes Moment [N·m] ω = Winkelgeschwindigkeit [rad/s] P = zugeführte Leistung [kW] n = Eingangsdrehzahl [min-1] b = Zahnbreite [mm] dw = Teilkreis des treibenden Rades [mm] i = Übersetzung k = Faktor gemäß Tabelle 5.7 Tabelle 5.7 Faktor k für Lebensdauer 5000 Stunden

Die folgenden Berechnungen geben Werte zur Bestimmung von Null-Rädern und Null-Paarungen für sowohl gerade als auch schräge Zähne.

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Null-Räder (Erläuterungen im Text) Gerade Zähne

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GETRIEBELEHRE

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Für gerade und schräge Zähne

Kegelräder Bei Kegelrädern können sich die Achsen unter einem beliebigen Winkel schneiden. Die Räder bewegen sich also an ihrer Berührlinie wie zwei Kegel, deren halben Spitzenwinkel ϕ1 und ϕ2 sind. Es gilt:

wobei: i = Übersetzung z1, z2 = Zähnezahlen der Räder t = Zahnteilung Abb. 5.7 Bestimmungsgrößen Kegelrad

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Aus Abbildung 5.7 folgt:

1 i Außer Kegelrädern mit geraden Zähnen kommen auch Kegelräder mit schrägen und mit gebogenen Zähnen vor. Vorteil: Allmähliche Übertragung der Kraft von Zahn zu Zahn und ein geräuschloser Lauf. Auch ist bei einer bestimmten zu übertragenden Leistung die Baugröße kleiner. Diese Räder müssen sehr sorgfältig zueinander eingestellt werden, sodass die Zähne an der richtigen Stelle belastet werden. Bei Kegelzahnrädern muss zudem mit großen axialen Kräften in den Lagern gerechnet werden, welche die Anwendung von Kegellagern schnell notwendig machen. Für die Bestimmung der zu übertragenden Leistung durch einen Satz Kegelräder kann man die Angaben der Hersteller zu Rate ziehen.

Für ϕ = 90° gilt: tan ϕ2 = i und tan ϕ1 =

Planetenräder Planetenradgetriebe sind Konstruktionen mit Zahnrädern, mit denen in einem relativ kleinen Raum große Leistungen übertragen werden können (Abb. 5.8). Mit mehr Planetenrädern (zwei bis fünf) kann eine entsprechend größere Leistung übertragen werden. 1 Sonnenrad 2 Planetenrad 3 Satellitenrad 4 Planetenradträger Abb. 5.8 Planetenradgetriebe

Mit Planetenradkonstruktionen kann man mit derselben Konstruktion verschiedene Drehzahlen realisieren, indem bestimmte Teile festgehalten und andere angetrieben werden (Abb. 5.9).

GETRIEBELEHRE

Sonnenrad angetrieben, Satellitenrad fest

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Sonnenrad angetrieben, Planetenhalter fest

ω = Winkelgeschwindigkeit [rad/s] z = Zähnezahl Index 1: Sonnenrad 2: Planetenrad 3: Satellitenrad 4: Planetenträger NB z3 = z1 + 2z2 Planetenträger angetrieben, Sonnenrad fest Abb. 5.9 Planetenradkonstruktionen

Zahnräder mit Schraubverzahnung Hier werden zwei einander kreuzende Wellen gekoppelt. Schraubverzahnung (Schnecke und Schneckenräder) ist eine spezielle Art der Übertragung (siehe für nähere Ausführungen die Fachliteratur). Minimale Übersetzung für eine eingängige Schnecke ist ca. 1:5. Schmierung Meistens laufen die Zahnkörper durch das Öl, mit dem das Gehäuse teilweise gefüllt ist. Wenn die Umfangsgeschwindigkeit der Räder mehr als 12 m/s bis 15 m/s beträgt, ist es besser, mit einer Pumpe einen Ölstrahl gegen die Zähne an der Berührstelle zu spritzen. Wirkungsgrad Mit normal hergestellten Rädern erreicht man einen Wirkungsgrad von ca. 95% pro Stufe. Die Ölmenge und das Gehäuse müssen dann so dimensioniert sein, dass 5% der durchlaufenden Leistung als Wärme abgeführt werden kann. Die maximal zulässige Öltemperatur ist dabei ca. 90°C.

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5.5 Reibradgetriebe Wirkungsweise, Definition Reibradgetriebe oder auch Wälzgetriebe sind gleichförmig übersetzende Reibschlussgetriebe, bei denen im Gegensatz zu Zugmittelgetrieben keine großflächige Berührung auftritt, sondern näherungsweise punkt- oder linienförmige Kontakte vorliegen. Bei weichen, nichtmetallischen Werkstoffen findet die Theorie der Stribeckschen Wälzpressung Anwendung. Man bildet einen Nutzreibwert µN = Ft/Fn (Tabelle 5.9), der stets kleiner als der tatsächliche Reibwert µ ist. Bauarten, Beispiele Reibradgetriebe bestehen in der einfachsten Ausführung aus zwei Rotationskörpern, die unmittelbar auf An- und Abtriebswelle angeordnet sind. Zur Verringerung der hohen Anpresskräfte, die in diesem Fall vollständig von den Lagern aufgenommen werden müssen, bevorzugt man Paarungen mit größeren Reibwerten (Abb. 5.10). Wird die Anpresskraft durch drehmomentabhängige Anpressvorrichtungen beeinflusst, so ändert sich die Übersetzung mit schwankender Belastung nur geringfügig, das Getriebe ist „drehmomentensteif“.

Abb. 5.10 Reibräder mit Reibbelägen, wobei B > b. a harter organischer Reibbelag; b Reibring aus Gummi, aufvulkanisiert; c Reibring aus Gummi, aufgespannt

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Reibradgetriebe mit festem Übersetzungsverhältnis Bei allen Anwendungen, die keinen Synchronlauf erfordern, stehen Reibradgetriebe mit festem Übersetzungsverhältnis in direkter Konkurrenz zu formschlüssigen Getriebetypen wie z.B. Zahnradgetrieben. Wälzgetriebe mit stufenlos einstellbarer Übersetzung Der fehlende Formschluss bei Wälzgetrieben ermöglicht eine stufenlose Veränderung ihrer Übersetzung in den Grenzen imin und imax. Diese Eigenschaft wird durch das Stellverhältnis ϕ = imax /imin gekennzeichnet. Verstellgetriebe oder auch kurz Stellgetriebe werden oft als komplette Antriebseinheiten mit anmontierten Asynchronmotoren angeboten, womit man durch Polumschaltung den Verstellbereich zusätzlich vergrößern kann. Berechnungsgrundlagen Bohrbewegung Zur Berechnung der Relativbewegung im Kontaktbereich werden die beteiligten Reibräder durch Kegel ersetzt, welche die als eben angenommene Berührfläche tangieren. Im allgemeinen fallen die in der Berührebene liegenden Spitzen dieser Wälzkegel nicht in einem Punkt zusammen. Die Umfangsgeschwindigkeiten sind dann nur im Berührpunkt identisch, entlang der Mantellinien differieren sie linear. Das Bohr/Wälzverhältnis ωb/ωw kennzeichnet das Ausmaß der Bohrbewegung und der damit verbundenen Verluste. Übertragbare Leistung und Wirkungsgrad Tabelle 5.8 gibt die Leistungsdaten der in Abbildung 5.11 gezeigten Getriebebauarten nach Herstellerkatalogen für den jeweils größten und kleinsten Typ wieder. Die angegebene Leistung ist die zur Verfügung stehende mechanische Leistung P2 an der Abtriebswelle, der damit gebildete Gesamtwirkungsgrad berechnet sich unter Zugrundelegung der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel. Leistungsverluste treten vor allem in den Lagern und im Reibkontakt selbst auf.

Abb. 5.11 Schematische Darstellung einiger Wälzgetriebe (vgl. Tabelle 5.8) 1 Antrieb, 2 Abtrieb, 3 Zwischenglied, 4 Einrichtung zur drehmometenabhängigen Anpassung der Wälzkörper Bezeichnung der Getriebe in Tabelle 5.8.

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Tabelle 5.8 Kenndaten der Wälzgetriebe (Abbildung 5.11) nach Herstellerkatalog (Stand 1989). Werte für jeweils größten und kleinsten Typ mit angeflanschtem Antriebsmotor, n1 = 24 1/s, P2max = maximale Ausgangsleistung, M2max = maximales Ausgangsmoment, ϕ = Stellverhältnis, n2/n1 = Übersetzung, ηmax = Wirkungsgrad bei Maximalleistung

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Schlupf Die Größe und Form, d.h. die Halbachsen a und b der Hertzschen Berührellipse werden unter anderem durch die Hauptkrümmungsradien der Wälzkörper im Berührpunkt bestimmt. Bei vorhandener Bohrbewegung liegt der Punkt gleicher Umfangsgeschwindigkeiten im Leerlauf im Zentrum der Berührellipse. Bei Momentenübertragung verändert dieser Punkt seine Lage innerhalb der Berührellipse, daher ändert sich die Übersetzung. Die relative Übersetzungsänderung gegenüber dem Leerlauf bezeichnet man als Wälzschlupf. Bei konstanter Anpresskraft sowie unveränderlichem Reibwert vergrößert sich der Schlupf mit steigender Belastung. Große Raddurchmesser sowie kleine Kegelwinkel wirken sich günstig auf das Schlupfverhalten aus. Unabhängig vom Wälzschlupf tritt eine Übersetzungsänderung durch Änderung der Reibradien infolge lastabhängiger elastischer Verformungen auf. Die Schlupfwerte ausgeführter Stellgetriebe liegen bei Nennlast zwischen 1,5% und 5%, ausnahmsweise darüber. Gebräuchliche Werkstoffpaarungen Tabelle 5.9 zeigt eine Auswahl verwendeter Reibradwerkstoffe mit Richtwerten für die Berechnung. Hinweise für Anwendung und Betrieb Reibradgetriebe mit festem Übersetzungsverhältnis werden häufig in feinmechanischen Antrieben zur Übertragung geringer Leistungen eingesetzt. Verstellreibradgetriebe dienen zum Antrieb solcher Geräte und Maschinen, deren Antriebsgeschwindigkeit stufenlos einstellbar sein soll (Rührwerk, sanftanlaufende Förderbänder), aber auch zur Konstanthaltung einer Drehzahl durch manuelle Übersetzungseinstellung oder automatische Regelung. Wenn für Feinregelungen nur ein geringes Stellverhältnis erforderlich ist, sollte ein Planeten-Stellkoppelgetriebe verwendet werden, wodurch das Stellgetriebe nur einen Teil der Gesamtleistung übertragen muss und entsprechend klein gewählt werden kann.

Tabelle 5.9 Eigenschaften einiger Werkstoffpaarungen

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5.6 Getriebetechnik Getriebesystematik Grundlagen Getriebedefinition. Getriebe sind Systeme zum Wandeln oder Übertragen von Bewegungen und Kräften (Drehmomenten). Sie bestehen wenigstens aus drei Gliedern, eines davon muss als Gestell festgelegt sein. Hinsichtlich Vollständigkeit unterscheidet man zwischen der kinematischen Kette, dem Mechanismus und dem Getriebe. Getriebeaufbau. Strukturelle Untersuchungen hinsichtlich der Art, Anzahl und Anordnung der Glieder und der sie verbindenden Gelenke beginnen meist bei der kinematischen Kette. Es gibt offene und geschlossene sowie offene verzweigte und geschlossene verzweigte Ketten (Abb. 5.12).

Abb. 5.12 Kinematische Ketten. a offen; b geschlossen; c offen verzweigt; d geschlossen verzweigt

Punkte auf Gliedern ebener Getriebe bewegen sich auf Bahnen in zueinander parallelen Ebenen; Punkte auf Gliedern (allgemein) räumlicher Getriebe bewegen sich auf Raumkurven oder auf Bahnen in nicht zueinander parallelen Ebenen; sphärische Getriebe sind spezielle räumliche Getriebe mit Punktbahnen auf konzentrischen Kugeln (Abb. 5.13).

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Abb. 5.13 Getriebebeispiele. a eben; b allgemein räumlich (Wellenkupplung); c sphärisch. 1 Gestell, 2, 6, 7 Anlenkung an Gestell, 3, 4, 5 Glieder

Getriebe-Laufgrad (Getriebe-Freiheitsgrad). Der Laufgrad oder Freiheitsgrad F eines Getriebes ist von der Zahl n der Glieder (einschließlich Gestell), der Zahl g der Gelenke mit dem jeweiligen Gelenkfreiheitsgrad f (= Anzahl der Gelenkfreiheiten) und dem Bewegungsgrad b abhängig: F = b(n − 1) −

g

∑ (b − f ) . i

i =1

Arten ebener Getriebe Viergliedrige Drehgelenkgetriebe. Ein viergliedriges Drehgelenkgetriebe ist umlauffähig, wenn die Grashof-Bedingung erfüllt ist: Die Summe aus den Längen des kürzesten und längsten Glieds muss kleiner sein als die Summe aus den Längen der beiden anderen Glieder. Viergliedrige Schubgelenkgetriebe. Beim Ersatz von Drehgelenken durch Schubgelenke entstehen Schubgelenk-Ketten und –Getriebe. Mehrgliedrige Gelenkgetriebe. Für jede Gruppe kinematischer Ketten gleicher Gliederzahl und gleichen Laufgrads gibt es eine eindeutig bestimmbare Zahl unterschiedlicher Ketten und Getriebe.

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Kurvengetriebe. Die Standard-Kurvengetriebe sind dreigliedrige Kurvengetriebe, bestehend aus Kurvenglied, Eingriffsglied (Stößel bzw. Schieber oder Schwinge) und Steg. Getriebeanalyse Kinematische Analyse ebener Getriebe Zeichnungsfolge-Rechenmethode (Übertragungsfunktionen der viergliedrigen Getriebe) Lagenbeziehungen. Bei Gelenkgetrieben im allgemeinen und bei viergliedrigen Getrieben im besonderen besteht eine wichtige Aufgabe darin, bestimmte Relativlagen zweier Getriebeglieder zueinander festzulegen. Geschwindigkeitszustand als Übertragungsfunktion 1. Ordnung. Für die Schubkurbel (Abb. 5.14a) stellt die vorzeichenorientierte (gerichtete) „Drehschubstrecke“ m die auf die Winkelgeschwindigkeit ωa der Kurbel bezogene Geschwindigkeit des Gleitsteins dar m = ÜF1 = vb / ω a = ds B / dϕ . Beschleunigungszustand als Übertragungsfunktion 2. Ordnung. Die Übertragungsfunktion 2. Ordnung (ÜF2) kann mit Hilfe des Kollineationswinkels λ und der ÜF1 bestimmt werden. Schleifen-Iterationsmethode Die Struktur des zu untersuchenden Getriebes wird in die komplexe (Gaußsche) Zahlenebene gelegt. Modul-Methode Diese Methode erweist sich als besonders anwenderfreundlich für Gelenkgetriebe, die sich aus „Zweischlägen“ (zwei gelenkig verbundene binäre Glieder) mit Dreh- und Schubgelenken zusammensetzen. Modul „Antriebskurbel (ANK)“. Berechnung der Koordinaten x, y in m mit zeitlichen Ableitungen x& , y& in m/s und &x&, &y& in m/s² des Gelenkpunktes P bei Vorgabe der Koordinaten x0, y0 in m des Gestellpunktes P0, des Kurbelradius r in m, der Winkellage w in Grad oder rad, der Winkelgeschwindigkeit w& in rad/s und der Winkelbeschleu&& in rad/s², Abb. 5.15a. nigung w

Abb. 5.14 Geometrische Grundlagen zu den Übertragungsfunktionen. a der Schubkurbel, b der Kurbelschleife, c des viergliedrigen Drehgelenkgetriebes

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Abb. 5.15 Ebene Kinematikmodule. EK Konstante Eingabegrößen, EV Variable Eingabegrößen, A Ausgangsgröße K Lagekenngröße a Antriebskurbel (ANK), b Zweischlag mit drei Drehgelenken (DDD), c Zweischlag mit Abtriebsschieber (DDS), d Glied mit zwei Drehgelenken (HDD)

Modul „Zweischlag mit drei Drehgelenken (DDD)“. Berechnung der Koordinaten x, y in m mit zeitlichen Ableitungen x& , y& in m/s und &x&, &y& in m/s² des Gelenkpunktes P bei Vorgabe der Koordinaten x1, y1, x2, y2 in m mit zeitlichen Ableitungen x&1 , y&1 , x&2 , y& 2 in m/s und

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&x&1 , &y&1 , &x&2 , &y&2 in m/s², der Abstände l1, l2 in m der Gelenkpunkte P1, P2 und der Lagekenngröße K (K = +1, falls die Reihenfolge der Punkte P1P2P mathematisch positiv orientiert ist, sonst K = -1), Abb. 5.15b.

Modul „Zweischlag mit Abtriebsschieber (DDS)“. Berechnung der Koordinaten x, y in m mit zeitlichen Ableitungen x& , y& in m/s und &x&, &y& in m/s² des Gelenkpunktes P bei Vorgabe der Koordinaten x1, y1 in m mit zeitlichen Ableitungen x&1 , y&1 in m/s und &x&1 , &y&1 in m/s², der Schubgeraden mit Richtung durch die Koordinaten x3, y3 und x4, y4 in m zweier Punkte P3, P4, des Abstands l in m der Gelenkpunkte P1, P, der statischen Versetzung v (v > 0, falls die Reihenfolge der Punkte P3P4P mathematisch positiv orientiert ist, sonst v < 0) und der Lagekenngröße K (K = +1, falls die Reihenfolge der Punkte P1P2∞P mathematisch positiv orientiert ist, sonst K = -1), Abb. 5.15c. Hilfsmodul „Glied mit zwei Drehgelenken (DDS)“. Berechnung der Winkellage w in Grad oder rad, der Winkelgeschwindigkeit w& in && in rad/s² des Getriebeglieds rad/s und der Winkelbeschleunigung w bei Vorgabe der Koordinaten x1, y1, x2, y2 in m mit zeitlichen Ableitungen x&1 , ( y&1 ), x& 2 , ( y& 2 ) in m/s und &x&1 , ( &y&1 ), &x&2 , ( &y&2 ) in m/s² der Gelenkpunkte P1, P2 (Werte in () alternativ), Abb. 5.15d. Kinetostatische Analyse ebener Getriebe Bei der Berechnung der in den Gelenken übertragenen Kräfte zwischen den Getriebegliedern verzichtet man im ersten Ansatz auf die Berücksichtigung der Reibung, d.h. in einem Schubgelenk wirkt die Gelenkkraft senkrecht zur Schubrichtung; in einem Kurvengelenk in Richtung der Normalen im Berührpunkt. Kinematische Analyse räumlicher Getriebe Eine geschlossene analytische Darstellung der Kinematik räumlicher Getriebe ist nur in Einzelfällen möglich. Laufgüte der Getriebe Die Laufgüte der Getriebe hängt von den geometrischen und kinematischen Größen, von konstruktiven und materiellen Eigenschaften der

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MASCHINENBAU

Glieder und Gelenke sowie vom Kräftespiel bzw. Leistungsfluss im Getriebe ab. Der Übertragungswinkel gibt durch seine Abweichung vom Bestwert 90° die Güte der Bewegungsübertragung vom Antrieb zum Abtrieb an. Dynamisches Laufkriterium. Bei einem massebehafteten Getriebe kann der Leistungsfluss während einer Bewegungsperiode fortlaufend seine Richtung ändern; der Übertragungswinkel hat deswegen bei Gelenkgetrieben nur eine auf den Begriff „Gegen-Klemmwinkel“ beschränkte Bedeutung. Getriebesynthese Mit Hilfe der Getriebesynthese (Maßsynthese) werden Getriebelösungen für vorgegebene Übertragungs- und Führungsaufgaben von Punkten und Gliedlagen gesucht.

Abb. 5.16 Geometrische Grundlagen der Altschen Totlagenkonstruktion für Kurbelschwingen. Erläuterungen im Text

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Viergelenkgetriebe Übertragungs- und beschleunigungsgünstige Schwingbewegungen. Das viergliedrige Drehgelenkgetriebe (Abb. 5.16) wandelt als Kurbelschwinge eine Umlaufbewegung in eine Schwingbewegung um. Dem Schwingwinkel ψ0 ist der Kurbelwinkel ϕ0 zugeordnet. Für ϕ0 und ψ0 gibt es unendlich viele Kurbelschwingen. ψ0/2 in B0 und ϕ0/2 in A0 an d ( A0 B0 = d ) angetragen, ergeben den Schnittpunkt R. Die Mittelsenkrechte von A0 R in Ma schneidet B0R in Mb. Kreise mit M a R = ra und M b R = rb sind geometrische Orte für Kurbellagen Aa und Schwingenlagen Ba einer Kurbelschwinge in äußerer Totlage A0AaBaB0 bei beliebigem Winkel β. Wenn d angenommen wird, ergeben sich die Abmessungen von a, b und c. Mit β lassen sich die übertragungsgünstigsten Kurbelschwingen, die übertragungsgünstigste Verstellmöglichkeit bei veränderlichen ϕ0 und ψ0, die übertragungsgünstigsten sechsgliedrigen Reihengetriebe sowie die beschleunigungsgünstigste Kurbelschwinge mit der kleinsten Maximalbeschleunigung im Hin- oder Rückgang bestimmen.

Winkelzuordnungen. Mit Hilfe der Burmesterschen Kreispunktund Mittelpunktkurve lassen sich vier (homologe) Lagen einer Ebene und nach Schnitt zweier solcher Kurven fünf derartige Lagen beherrschen. Beispiel: Die drei Winkel ϕ12, ϕ13, ϕ14 sollen den Winkeln ψ12, ψ13, ψ14 zugeordnet werden (Abb. 5.17). - Man trägt z.B. die Winkel ϕ12/2 in A0 und ψ12/2 in B0 an A0B0 an, deren freie Schenkel einander in A1 schneiden. Mit der Kurbellänge A0 A1 werden die Kurbellagen A0A2, A0A3, A0A4 mit den zugehörigen ϕ-Winkeln festgelegt. Die Punkte A2, A3, A4 dreht man um B0 im entgegengesetzten Sinn der gegebenen ψ-Winkel, also um -ψ12, -ψ13, -ψ14 und findet die Punkte A2,1, A3,1, A4,1, von denen A2,1 als Punktlagenreduktion mit A1 zusammenfällt. Der Kreis durch die drei Punkte A1=A2,1, A3,1, A4,1 ergibt als Mittelpunkt die Gelenkpunktlage B1 und damit alle Abmessungen des gesuchten Getriebes in seiner Lage 1. Zu Beginn der Konstruktion können auch anstelle von A1 ein Gelenkpunkt B1, also eine Gliedlänge

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MASCHINENBAU

B0 B1 und außerdem andere zugeordnete Anfangs-Winkelpaare gewählt werden. Bei sechsgliedrigen Getrieben kann man sechs und unter gewissen Voraussetzungen sogar acht zugeordnete Winkelpaare mit entsprechend erweiterter Punktlagenreduktion definieren.

Abb. 5.17 Synthese des viergliedrigen Drehgelenkgetriebes für gegebene Winkellagen. Erläuterungen im Text

Erzeugung gegebener ebener Kurven. Theoretisch lässt sich eine gegebene ebene Kurve in neun Punkten genau durch die sogenannte Koppelkurve eines viergliedrigen Drehgelenkgetriebes erzeugen. Beispiel: Sind fünf Punkte E1 bis E5 auf einer Kurve gegeben (Abb. 5.18), so schneiden z.B. die Mittelsenkrechten der Strecken E1E4 und E2 E3 einander in B0, von dem ein beliebiger Strahl x0 ausgeht. An diesen trägt man die Strahlen x1, x2 so an, dass sie mit x0 die Winkel ψ14/2 und ψ23/2 einschließen, die von den Mittelsenkrechten und B0E1 sowie B0E2 gebildet werden. Mit beliebiger gleicher Länge werden E1 A1 = E2 A2 mit A1 auf x1 und A2 auf x2 abgetragen. Die Mittelsenkrechte von A1 A2 schneidet x0 in A0 und es lässt sich

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der Kreis um A0 durch A1 und A2 zeichnen, auf dem sich A3, A4, A5 als Schnittpunkte der Kreise um E3, E4, E5 mit E1 A1 als Halbmesser ergeben. Mit ∆E1A1B02 = ∆E2A2B0, ∆E1A1B05 = ∆E5A5B0 werden die Punkte B02 und B05 gefunden. Entsprechendes ergäbe sich mit den Punkten A3 und A4 zu B03 = B02 und B04 = B0 als Punktlagenreduktionen. Der Kreis durch die drei Punkte B0 = B04, B02 = B03 und B05 ergibt durch seinen Mittelpunkt die Punktlage B1 und damit das gesuchte Getriebe in seiner Lage 1. Zu Beginn kann man auch andere E-Punkte paaren und damit einen anderen Schnittpunkt B0 erhalten. Da der Strahl x0 und die Längen E1 A1 beliebig angenommen wurden, lässt sieh die Koppelkurve mit der gegebenen Kurve auch in sieben E-Punkten zur Deckung bringen.

Abb. 5.18 Synthese des viergliedrigen Drehgelenkgetriebes für gegebene Koppelpunktlagen. Erläuterungen im Text

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MASCHINENBAU

Kurvengetriebe Das dreigliedrige Kurvengetriebe mit dem Steg als Gestell wird meist zur Erzeugung von periodischen Bewegungen mit Rasten (Stillständen des Abtriebsglieds) und beschleunigungsgünstigen Übergängen verwendet. Sondergetriebe Für die Gruppe der Sondergetriebe zur Erfüllung spezieller Bewegungsaufgaben bei zum Teil außergewöhnlichen konstruktiven Randbedingungen sei auf die spezielle Literatur und die jeweiligen VDI-Richtlinien hingewiesen: Räumliche Gelenkgetriebe und Gelenkwellen, räumliche Kurvengetriebe, Schrittgetriebe (Schaltgetriebe), Räderkurbelgetriebe als Kombinationen aus Gelenkgetrieben und aus mindestens zwei Rädern für Umlaufrast- und Pilgerschrittbewegungen.

MASCHINENKUNDE

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Maschinenkunde

6.1 Elemente der Werkzeugmaschinen Grundlagen Funktionsgliederung Systemaufbau. Fertigungsanlagen werden in Anlehnung an DIN 8590 eingeteilt. Wirkpaar, Wirkbewegung. Durch Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück und verfahrensbedingte Energieübertragung (trennend, umformend) wird ein Werkstück mit bestimmter Grundform in eine vorgegebene Form umgewandelt. Mechanisches Verhalten Das statische, dynamische und thermo-elastische Verhalten einer Werkzeugmaschine, einer Baugruppe oder eines einzelnen Bauteils kann in hohem Maße die mit der Maschine erreichbaren Bearbeitungsleistungen und Fertigungsqualitäten beeinflussen. Kriterien bei statischer Belastung. Das statische Verhalten einer Werkzeugmaschine ist durch die elastischen Verformungen, die unter zeitlich konstanter Belastung (Prozesskräfte und Gewichtskräfte) auftreten, gekennzeichnet. Kriterien bei dynamischer Belastung. Das dynamische Verhalteneiner Werkzeugmaschine wird in erster Linie von der statischen Steifigkeit, der räumlichen Verteilung und Größe der Bauteilmassen sowie von der Systemdämpfung bestimmt. Kriterien bei thermischer Belastung. Das thermische Verhalten von Werkzeugmaschinen kann durch die thermoelastische Relativverlagerung an der Wirkstelle zwischen Werkstück und Werkzeug infolge von Wärmequelleneinwirkungen beschrieben werden. Antriebe Antriebe werden an Werkzeugmaschinen im wesentlichen für Schnitt- und Vorschubbewegungen benötigt.

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MASCHINENBAU

Motoren Elektrische Drehstrommotoren. Sie werden in Werkzeugmaschinen traditionell als Asynchronmotoren in Verbindung mit Stufenrädergetrieben eingesetzt. Asynchronmotor Käfigläufer. Sie sind die häufigste Bauform (Kurzschlussläufer), da wartungsarm und stabiles Verhalten im Nennlastbereich. Beispiel: Abb. 6.1 zeigt den Zusammenhang zwischen den Feldund Statorwicklungskoordinaten.

Abb. 6.1 Asynchronmotorregelung nach dem Prinzip der Feldorientierung. ω Drehzahl, i Strom, isd flussbildende Stromkomponente, isq momentbildende Stromkomponente, ϕ Feldkoordinatenwinkel, γ Rotorpositionswinkel, s Schlupf, Tr Rotorzeitkonstante, T Transformationsmatrix

MASCHINENKUNDE

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Schleifringläufer. Sie werden bei Werkzeugmaschinen mit größerer Antriebsleistung und solchen mit Schwungradantrieben eingebaut, da bei Abfall der Motordrehzahl die im Schwungrad gespeicherte Energie während des Arbeitshubs wirksam werden kann. Synchronmotoren. Üblicherweise werden permanenterregte Synchronmaschinen eingesetzt, bei denen im Vergleich zum permanenterregten Gleichstrommotor die Rollen von Stator und Rotor vertauscht sind. Beispiel: Abb. 6.2 zeigt das Prinzip eines sechspoligen permanenterregten Synchronmotors (die Speisefrequenz ist dreimal so hoch wie die Drehfrequenz des Motors).

Abb. 6.2 Funktionsprinzip des permanenterregten Synchronmotors (Bosch). ia,b,c Strangstrom, Ua,b,c Strangspannung, Uab,bc,ca Klemmenspannung, U, V, W, X, Y, Z Motorklemmen, mi inneres Drehmoment, E Zwischenkreisspannung

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MASCHINENBAU

Elektrische Gleichstrommotoren Gleichstrom-Nebenschlussmotoren. Sie zeichnen sich durch hohe Drehzahlkonstanz bei Belastung aus und werden wegen ihrer stufenlosen Drehzahl-Regelbarkeit bevorzugt für Haupt- und Vorschubantriebe eingesetzt, für Schwungradantriebe mit zusätzlichen Hauptschlusswicklungen. Permanenterregte Gleichstrommotoren. Sie werden mit Drehzahlregelung ausschließlich für Vorschubantriebe eingesetzt, jedoch immer mehr durch den Synchronmotor abgelöst. Stabläufer. Sie haben schlanken nutenlosen Rotor mit homogener Wicklung, hoher Wicklungsdichte, Drehzahlen bis 3.000 min-1, teilweise bis 14.000 min-1, nachgeschaltetes spielfreies Getriebe erforderlich (Schnellläufer). Scheibenläufer. Sie haben Rotor aus leichter glasfaserverstärkter eisenloser Kunstharzscheibe mit aufgeklebten Stromleitern, die zwischen Permanentmagneten läuft; Nenndrehzahlen von 2.100 bis 4.500 min-1, Maximaldrehzahlen bis 6.000 min-1. Hohlläufer. Sie haben glockenförmigen Wicklungskorb, der innen und außen vom Feld umschlossen ist. Langsamläufer. Sie (Torque-Motoren) weisen hohe Polzahlen auf; meist ringförmiger genuteter Rotor mit großem Durchmesser. Elektrische Schrittmotoren. Diese haben drei, fünf oder mehr Statoren und führen bei entsprechender Ansteuerung der Felder Winkelbzw. Wegschritte aus, sind daher zugleich Motor und Messmittel. Linearmotor Zur Erzeugung translatorischer Vorschubbewegungen werden heute zunehmend auch Linearmotoren eingesetzt. Digitale Antriebstechnik Seit 1990 wird bei Antriebssystemen mehr und mehr die Digitaltechnik eingesetzt. Hydromotoren Rotatorische Hydromotoren. Sie finden bei Werkzeugmaschinen hauptsächlich an Vorschubantrieben Verwendung, direkte Hauptantriebe nur an Sondermaschinen.

MASCHINENKUNDE

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Hydraulische Linearmotoren (Hydrozylinder). Sie kommen bei Werkzeugmaschinen für Hauptantriebe von Hobel-, Stoß- und Räummaschinen sowie Pressen zum Einsatz, für den Vorschubantrieb von Schleifmaschinen, Kurzdrehmaschinen und Bearbeitungseinheiten, schließlich für Hilfsantriebe, z.B. an automatischen Werkzeugwechslern bei Bearbeitungszentren oder an Werkstücktransporteinrichtungen in Transferstraßen. Elektrohydraulische Motoren. Der elektrohydraulische Servomotor besteht aus einem Hydromotor oder Hydrozylinder, der über ein angeflanschtes elektrohydraulisches Servoventil gesteuert wird. Beispiel: Abb. 6.3 zeigt die Kombination Rollflügelmotor mit zweistufigem Servoventil.

Abb. 6.3 Elektrohydraulischer Servomotor. a elektrohydraulisches Servoventil (Moog, USA) mit Ersatzschaltbild; b Rollflügelmotor (Hartmann, USA) in Längs- und Querschnitt. 1 Steuerspulen, 2 Flapper, 3 hydraulischer Verstärker, 4 Filter, 5 konstante Drossel, 6 Steuerkolben, 7 Verbraucheranschlüsse, 8 Rotor, 9 Drehschieber, 10 Steuerräder, 11 Drucköl, 12 Rücköl, 13 Lecköl, 14 Rollflügel. p0 ≈ 140 bar Druck des Versorgeaggregates, q0 verfügbare Ölmenge, pR ≈ 0 Rücköl

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Elektrohydraulische Schrittmotoren. Sie werden eingesetzt, wenn Drehmoment elektrischer Schrittmotoren für Vorschubantrieb nicht ausreicht. Getriebe Mechanische Getriebe In Werkzeugmaschinen dienen Getriebe hauptsächlich der Reduzierung der allgemeinen hohen Drehzahlen der Motoren auf die Arbeitsdrehzahlen und zur Erzeugung definierter Vorschubbewegungen der Werkzeugsupporte. Zahnradgetriebe. Die kleinste Funktionsgruppe des Zahnradgetriebes besteht aus einem einzigen Zahnradpaar, wobei Rad und Gegenrad auf verschiedenen Wellen sitzen. Bauformen. Es gibt verschiedene Mittel zur Schaltung von Getrieben, z.B. Umsteckräder, Wechselräder, Schieberäder, mechanisch und elektrisch wirkende Kupplungen. Auslegung. Zur Auslegung gestufter und ungestufter Getriebe hinsichtlich ihrer Drehzahlen gibt es zeichnerische Hilfsmittel, welche die Aufgabe wesentlich erleichtern, Abb. 6.4.

Abb. 6.4 Grundlagen für den Getriebeentwurf. a Aufbaunetz; b Drehzahlbild, B Drehzahlbereich; c Getriebeplan; d Kraftflussplan

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Beispiel: Abb. 6.5 zeigt das vierstufige Dreiwellengetriebe einer Drehmaschine und das dazugehörige Drehzahl-Leistungsdiagramm.

Abb. 6.5 a Getriebekasten einer Drehmaschine; b Leistungs-Drehzahl-Diagramm (nach Montforts)

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Zugmittel- und Reibgetriebe. Riementriebe eignen sich im Werkzeugmaschinenbau zur Übertragung von Drehbewegungen zwischen Motor und Getriebe oder unmittelbar zur Arbeitsspindel. Kettengetriebe. Mit Rollenketten im Werkzeugmaschinenbau meist nur für Hilfs- und Transportbewegungen, geräuscharme Zahnketten auch in Vorschub- und Spindelantrieben kleiner Automaten. Reibgetriebe. Sie sind stufenlos einstellbar. Kurbelgetriebe. Diese baut man in Werkzeugmaschinen für geradlinige hin- und hergehende Bewegungen ein, wenn ungleichförmige Geschwindigkeit erlaubt oder gewünscht wird. Geradschubkurbel weist gleiche Hin- und Rücklaufzeit auf, d.h. 50% Totzeit. Kurbelschwingen werden in Kurzhobel- und Stoßmaschinen eingesetzt. Kurbelschleifen wendet man bei Waagerecht-Stoßmaschinen als schwingende oder umlaufende Schleife an, um schnellere Rücklaufzeiten zu erreichen. Elektrische Getriebe Der zur Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren früher vielfach eingesetzte Leonardsatz hat an Bedeutung verloren und wird durch die Leistungselektronik (Thyristorantriebe) ersetzt. Hydraulische Getriebe Sie verwenden zur Leistungsübertragung eine unter Druck stehende Flüssigkeit, meist Öl. Hydraulische Getriebe mit drehendem An- und Abtrieb. Sie werden unter anderem in Räum-, Hobel- und Flächenschleifmaschinen verwendet. Im offenen Kreislauf entnimmt die Pumpe den gesamten Förderstrom dem Tank, während im geschlossenen Kreislauf das Rücköl vom Motor, vermindert um das Lecköl, wieder an die Pumpe zurückgeführt wird. Beim geschlossenen Kreislauf ist der Motor „hydraulisch eingespannt“, seine Verdrehsteifigkeit ist höher als beim offenen Kreislauf. Hydraulische Getriebe mit kreisendem An- und geradlinigem Abtrieb. Sie kommen für die Hauptbewegung in Hobel-, Stoß-, Räumund Flachschleifmaschinen sowie Pressen, für den Vorschubantrieb

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von Aufbaueinheiten und Automaten, schließlich für Hilfs- und Spannbewegungen in Vorrichtungen zum Einsatz. Drosselkreislauf (Abb. 6.6). Er ist mit konstant fördernder Pumpe ausgerüstet. Eilganggetriebe. Üblicherweise erzielt man bei Zylindern mit einseitiger Kolbenstange (Abb. 6.6) mit der größten Kolbenfläche mehr Kraft und langsamere Arbeitsgeschwindigkeit vA, mit der kleineren Ringfläche bei geringerer Kraft höhere Eilrücklaufgeschwindigkeit v E.

Abb. 6.6 Drosselkreislauf (Widerstandssteuerung mit aufgeprägtem Druck)

Pneumatische Getriebe Sie werden in Werkzeugmaschinen meist als Zylinder für automatische Spann-, Hilfs- und Transportbewegungen eingesetzt. Einfachwirkende Zylinder. Zum Spannen, Heben, Auswerfen usw. Doppelwirkende Zylinder. Auch mit durchgehender Kolbenstange. Mechanische Vorschub-Übertragungselemente Zu den mechanischen Vorschub-Übertragungselementen im System Werkzeugmaschine sind alle Bauteile und Maschinenelemente zu

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rechnen, die im Kraftfluss zwischen Motor und Werkzeug bzw. Werkstück liegen. Wesentliche Auslegungskriterien sind: • hohe geometrische und kinematische Genauigkeit, • hohe Steifigkeit und Spielfreiheit, • hohe erste Resonanzfrequenz, • geringe Massenträgheitsmomente und Massen der zu bewegenden Maschinenbauteile. Gewindespindel-Mutter-Trieb. Häufigstes Maschinenelement zur Umwandlung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung in Vorschubantrieben von Werkzeugmaschinen. Für einfache Ansprüche sind in Werkzeugmaschinen Trapezgewindespindeln mit Bronzemuttern, in modernen und hochgenauen numerisch gesteuerten Maschinen Kugelgewindetriebe gebräuchlich. Der Kugelgewindetrieb zeigt folgende positive Eigenschaften: • sehr guter mechanischer Wirkungsgrad (η = 0,95 bis 0,99) aufgrund der geringen Rollreibung (µ = 0,01 bis 0,02), • kein Stick-Slip-Effekt (Ruckgleiten), • geringer Verschleiß und dadurch bedingt eine hohe Lebensdauer, • geringe Erwärmung, • hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit infolge Spielfreiheit und ausreichender Federsteifigkeit, • hohe Verfahrgeschwindigkeit. Als weitere wichtige Komponente des Kugelgewindetriebes ist die Spindellagerung zu nennen. Allgemein sind bei der Auslegung von steifen Spindellagerungen folgende Konstruktionsregeln zu beachten: • Nadel- und Rollenlager sind wegen ihrer Linienberührung und somit höheren Steifigkeit Kugellagern vorzuziehen, • Axiallager sind immer vorzuspannen, • zwischen trennbaren Flächen sind steife Verbindungen anzustreben (steife Schraubenverbindungen), • Lager- und Zwischenringe sind nach Möglichkeit zu vermeiden, um eine geringe Anzahl von Kontaktflächen zu erzielen, welche die Steifigkeit verringern,

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•

Passungs- und Distanzflächen sind zu schleifen, um einen hohen Traganteil und damit eine hohe Steifigkeit zu gewährleisten. Ritzel-Zahnstange-Trieb. Bei großen Verfahrwegen, z.B. Langdrehmaschinen, Langtischfräsmaschinen und Plattenbohrwerken, würden sich die langen Vorschubspindeln durch die Axialbelastung und das Eigengewicht stark verformen. Schnecke-Zahnstange-Trieb. Um bei großen Verfahrwegen mehrstufige Getriebe zu vermeiden, wird statt des Ritzel-ZahnstangeSystems häufig ein Schnecke-Zahnstange-Trieb eingesetzt. Vorschubgetriebe. In Vorschubantrieben werden zwischen Motor und Kugelgewindespindel bzw. Ritzelwelle zusätzliche Vorschubgetriebe eingesetzt, um die hohen Motordrehzahlen an die geeigneten Spindel- und Ritzeldrehzahlen mit höherem Drehmoment anzupassen und die schlittenseitigen Massenträgheitsmomente bezogen auf die Motorwelle weiter zu reduzieren. Kupplungen. Zur Verbindung von zwei Wellenenden, insbesondere von Motorwelle und Kugelgewindespindel in Vorschubantrieben, werden spezielle biegeweiche Kupplungen eingesetzt, die jedoch in Umfangsrichtung eine hohe Steifigkeit aufweisen. Die Anordnung von Sicherheitskupplungen im Kraftfluss hängt einerseits von der Lage der zu schützenden Bauteile und andererseits von der Lage der Maschinenkomponenten ab, welche die hohen Kollisionskräfte verursachen. Gestelle Gestelle und Gestellbauteile sind die tragenden und stützenden Grundkörper der Werkzeugmaschinen. Werkstoffe für Gestellbauteile Als Werkstoff für Gestelle und Gestellbauteile wird sowohl Stahl als auch Grauguss verwendet, in jüngster Zeit auch zunehmend Reaktionsharzbeton. Vorteile des Stahlbaus: Bei etwa zweifachem Elastizitätsmodul gegenüber Grauguss Werkstoffersparnis, daher geringes Gewicht; keine Modellkosten, daher besonders für Einzelausführungen geeignet.

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Vorteile von Grauguss: Leichte, vielseitige Möglichkeiten für das Gestalten, hohe Dämpfungsfähigkeit, gute Gleiteigenschaften als Führungsbahnen, gute Bearbeitungsmöglichkeiten, hohe Formbeständigkeit. Vorteile des Reaktionsharzbetons: Noch höhere Dämpfung als z.B. Grauguss und damit höhere dynamische Stabilität. Gestaltung der Gestellbauteile Die Gestaltung der Gestellbauteile wird von der Forderung nach statischer und dynamischer Steifigkeit und möglichst geringem Werkstoffeinsatz bestimmt. Beispiel: Abbildung 6.7 zeigt einen Ständer mit Rechteckquerschnitt , dessen Wände zellenartig verrippt sind.

Abb. 6.7 1 Ständer einer Horizontal-Bohr- und Fräsmaschine mit Verrippung, 2 Bettschlitten, 3 Kopfplatte bzw. Haube, 4 Führungsbahnen für Spindelkasten

Beispiel: Abb. 6.8 zeigt die Gusskonstruktion des verfahrbaren Ständers einer Wälzfräsmaschine.

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Abb. 6.8 Maschinenständer mit Diagonalverrippung und Querschotten

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Berechnung und Optimierung Ein entscheidendes Hilfsmittel zur wirksamen Voraussage des Verhaltens einer Maschine im Konstruktions- und Entwicklungsstadium ist die Rechnertechnik. Die Durchführung einer Strukturanalyse mit der FEM (Finite Element Methode) besteht aus den Phasen Datenaufbereitung (Preprocessing), Berechnung und Ergebnisauswertung (Postprocessing). Beispiel: Abb. 6.9 zeigt den verfahrbaren Ständer einer Bohr- und Fräsmaschine.

Abb. 6.9 Verformungsminimierung an einem Werkzeugmaschinenständer durch Wandstärkenvariation bei gleichbleibendem Gesamtgewicht. Optimierungsziel: Minimale Verformung am Strukturpunkt P; Restriktionen: gleiches Gewicht, Verwendung der Blechdicken 8, 10, 12, 15, 20, 25, 30, 40 mm; a Prinzipskizze; b verformte Strukturen;

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Abb. 6.9 Fortsetzung; c Optimierungsparameter X1 bis X7; d Verformungen der Führungsbahnen im Raum

Beispiel: Abbildung 6.10 zeigt die Optimierung der Ausrundungsform einer C-Gestell-Presse zur Minimierung von Spannungsspitzen auf den Rand der Ausrundung.

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Abb. 6.10 Optimierung der Ausrundungsform einer C-Gestell-Presse; a Prinzipbild; b Finite-Elemente-Netz (Streckenlasten jeweils 800 kN); c Ausrundungskurven vor (1) und nach der Optimierung (2) innerhalb des zulässigen Variationsgebiets(3); d Spannungsverläufe auf dem Rand der Ausrundung vor (1) und nach der Optimierung (2), wobei die Berandung über den Winkel in abgewickelter Form (gegen den Uhrzeiger) aufgetragen ist

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Führungen Führungen an Werkzeugmaschinen haben die Aufgabe, den zur Ausführung der Schnitt- und Vorschubbewegung bestimmten Bauteilen wie Schlitten, Spindelkasten, Pressenstößel, Pinolen usw. eine exakte, lineare Bewegungsbahn zu geben. Zur Erfüllung dieser Anforderungen müssen die Führungen folgende Eigenschaften besitzen: • geringe Reibung und Stick-Slip-Freiheit als Voraussetzung für exaktes Positionieren mit geringen Vorschubkräften, • geringen Verschleiß und Sicherheit gegen Fressen, damit Genauigkeit über lange Zeit erhalten bleibt, • hohe Steifigkeit und geringes Führungsspiel bzw. Spielfreiheit, um die Lageveränderungen der geführten Bauteile gering zu halten, • gute Dämpfung in Trag- und Bewegungsrichtungen, um Überschwingungen der Vorschubantriebe und Ratterneigung der Werkzeugmaschine zu vermeiden. Linearführungen Flachführungen. Sie sind, unabhängig vom Führungsprinzip, die meist eingesetzte Bauform im Werkzeugmaschinenbau. Schwalbenschwanzführungen (Abb. 6.11b). Sie verhindern das Abheben des Schlittens durch Abschrägen der Seitenflächen um 55°. Prismenführungen (Abb. 6.11d) (Dach- und V-Form). Diese nehmen Kräfte in zwei Richtungen auf. Zylindrische Führungen. Sie werden als Richtführungen (z.B. Bohrspindelhülse) oder Gleitführungen mit spieleinstellbaren Well hülsen (Spiethhülsen) oder Wälzführungen eingebaut. Gleitführungen mit hydrodynamischer Schmierung. Sie sind im Bereich des Werkzeugmaschinenbaus häufig vertreten. Werkstoffpaarung. Bei Gleitführungen aber auch kombinierten Wälz-/Gleitführungen werden zu 30% Grauguss-Grauguss-Werkstoffpaarungen und zu 28% Grauguss-Kunststoff-Werkstoffpaarungen eingesetzt, während die übrigen Paarungen nur in geringem Maße verwendet werden. Herstellung. Die Herstellung von kunststoffbeschichteten Führungen erfolgt durch Aufkleben von Kunststofffolien oder mit Hilfe der Abformtechnik.

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Abb. 6.11 Führungsarten: a Flachführung mit Umgriffleiste und nachstellbarer Keilleiste; b Schwalbenschwanzführung mit Keilleiste; c Flachführung mit Schwalbenschwanz-Gegenführung; d Prismenführung (Dachform) mit nachstellbarer Umgriffleiste und flacher Gegenführung. Nachstellmöglichkeiten für Keilleisten: e außen; f innen über Innensechskant-Gewindemuffen

Tribologische Eigenschaften. Bei der tribologischen Betrachtung von Reibung und Verschleiß muss stets das Beanspruchungskollektiv berücksichtigt werden. Das Reibungsverhalten hängt von den unterschiedlichen Führungsprinzipien ab, bei Gleitführungen von den verschiedenen Werkstoffen und Oberflächenstrukturen. Die Schmierung von hydrodynamischen Gleitführungen ist im Hinblick auf deren Verschleiß ein wichtiger Aspekt. Gleitführungen mit hydrostatischer Schmierung. Bei diesem Führungsprinzip sind die Gleitflächen der geführten Maschinenelemente berührungsfrei durch einen Ölfilm voneinander getrennt, der unter Druck steht und von einem externen Ölversorgungssystem aufrechterhalten wird.

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Vorteile hydrostatischer Führungen. Sie arbeiten verschleißfrei, weisen keine Anlaufreibung und nur geringe Reibung ohne Ruckgleiten (Stick-Slip-Effekt) im Bereich der Vorschubgeschwindig-keiten auf. Gleitführungen mit aerostatischer Schmierung. Gasgeschmierte Lager arbeiten nach demselben Funktionsprinzip wie flüssigkeitsgeschmierte. Durch die Kompressibilität des Schmiermittels können selbsterregte pneumatische Instabilitäten entstehen, die unter dem Begriff „air-hammer“ bekannt sind. Wälzführungen. Außer Gleitführungen finden wälzgelagerte Geradführungen in der Praxis eine breite Anwendung. Sie bieten gegenüber Gleitführungen folgende Vorteile: leichter Lauf wegen Rollreibung, geringer Anfahrwiderstand, kein Stick-Slip, Wartungsfreiheit. Beispiel: Abb. 6.12 In der Schlittenführung übernehmen die vier aufliegenden Wälzführungselemente (Rollenumlaufschuh) die Hauptlast des horizontalen Schlittens.

Abb. 6.12 Schlittenführung einer Fräsmaschine. 1, 3 Rollenumlaufschuh, 2, 4 Führungsschiene, 5 Dämpfungsleiste (INA-Lineartechnik)

Drehführungen, Lagerungen Die Eignung verschiedener Lagerarten für im Werkzeugmaschinenbau gebräuchliche Anwendungskriterien zeigt Tabelle 6.1.

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Tabelle 6.1 Vergleich der Lagerarten

Hauptlagerungen. Sie dienen zur Führung und Kraftaufnahme der an der Erzeugung der Schnitt- und Umformbewegung beteiligten rotierenden Bauteile. Vorschubspindellagerungen. Sie stellen hohe Genauigkeits- und Belastungsanforderungen an die Axiallager bei sehr hohem Drehzahlbereich. Getriebelager. In diesen laufen Wellen, Radnaben usw. als Bauteile von Rädergetrieben. Gestaltung Gleitlagerungen mit hydrodynamischer Schmierung. Sie werden bei Werkzeugmaschinen als Hauptlagerungen eingesetzt, wenn hohe Genauigkeit und gute Dämpfungseigenschaften bei hohen, nahezu konstanten Drehzahlen gefordert sind, d.h. verschleißfreier Betrieb im Flüssigkeitsreibungsgebiet, oder wenn hohe Kräfte auf geringem Bauraum zum Teil im Mischreibungsgebiet zu übertragen sind. Beispiel: Abb. 6.13. Schleifspindellagerung. Diese wird von zwei Mehrflächenlagern mit feststehenden Gleitflächen durch Einspanneffekt von vier Druckbergen zentriert.

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Abb. 6.13 a Schleifspindellagerung mit hydrodynamischen Mehrflächenlagern. 1 Lagerbuchsen, 2 Axiallager, 3 Spindel, 4 Spindelkasten; b Querschnitt durch ein Mehrflächenlager (1 Spindel, 2 Gleitfläche, 3 Druckberg, 4 Lagerschale, 5 Schmiernut)

Gleitlagerungen mit hydrostatischer Schmierung. Sie werden als Hauptlagerungen von Schleif-, Feindreh-, Bohr- und Fräsmaschinen eingesetzt, wenn hohe Belastungen aufzunehmen und große Drehzahlbereiche zu verwirklichen sind. Beispiel: Abb. 6.14

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Abb. 6.14 Hydrostatisch gelagerte Spindel (FAG, Schweinfurt), 1 Ölzufuhr, 2 Ölabfuhr, 3 hydrostatische Tasche, 4 Spalt, 5 Druckberg, V& Ölmengen; a Querschnitt mit Druckbergen (resultierende Druckkräfte F); b Längsschnitt

Wälzlagerungen. Diese haben in Werkzeugmaschinen wegen ihrer Anpassungsfähigkeit an zum Teil extreme Anforderungen wie hohe Dauergenauigkeit, hohe Tragfähigkeit und Steifigkeit, großer Drehzahlbereich mit hohen Geschwindigkeiten bei geringer Erwärmung großes Einsatzgebiet.

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Zylinderrollenlager werden häufig zur Radiallagerung eingesetzt (Abb. 6.15).

Abb. 6.15 Frässpindel (SKF, Schweinfurt). 1 Zylinderrollenlager, 2 Axialschrägkugellager, 3 Ölzufuhr, 4 Labyrinthabdichtung, 5 Ölablauf

Kegelrollenlager ermöglichen Nachstellbarkeit durch axiales Zustellen eines Lagerrings (Abb. 6.16).

Abb. 6.16 Fräsmaschinenspindel (SKF, Schweinfurt). 1 Kegelrollenlager

Axial-Schrägkugellager erlauben bei geringerer Vorspannung Drehzahlkennwerte bis ndm = 5·105 (Abb. 6.15). Axial-Zylinderrollenlager sind bei großen Axialkräften und nicht zu hohen Drehzahlen (ndm ≤ 0,4·105) im Einsatz, z.B. für die Planscheibenlagerung großer Drehmaschinen oder Vorschubspindellagerungen. Axialrillenkugellager dienen zur Übertragung von Axialkräften. Schrägkugellager erlauben hohe Drehzahlen.

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6.2 Steuerungen Steuerungstechnische Grundlagen Zum Begriff Steuerung DIN 19226 definiert Steuerung als Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen auf Grund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen. Informationsdarstellung Nach der Informationsdarstellung unterscheidet man zwischen analog (z.B. Kurven-, Nocken-, Nachformsteuerungen) und digital (z.B. NCSteuerungen) arbeitenden Steuerungen. Letztere arbeiten mit digitalen (quantisierten) Signalen, die üblicherweise binär (zweiwertig) dargestellt werden. Programmsteuerung Werden Maschinenfunktionen (z.B. Bewegungen, Schaltfunktionen) von Hand aufgerufen, spricht man von einer Handsteuerung, werden sie dagegen über die einzelnen Schritte eines gespeicherten Programms aufgerufen, handelt es sich um eine Programmsteuerung. Programmsteuerungen verarbeiten Programmanweisungen zu einzelnen Funktionsaufrufen und koordinieren den Ablauf der Funktionen selbsttätig. Ist der Steuerungszustand zeitlich determiniert, wie z.B. bei der Führung eines Drehmeißels durch eine Kurvenscheibe – hier ist die Drehwinkellage eine Funktion der Zeit -, dann wird von einer zeitgeführten Steuerung gesprochen (z.B. Kurvensteuerung). Alle anderen Programmsteuerungen sind prozessgeführt, d.h. die Weiterschaltbedingungen zum nächsten Programmschritt sind vom Erreichen bestimmter Werte der Prozessgrößen wie Weg, Temperatur, Kraft abhängig. Für die Steuerung von Werkzeugmaschinen kommen häufig Wegplansteuerungen zur Anwendung, deren bekannteste Variante die numerische Steuerung ist.

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Signaleingabe und –ausgabe Ein Signal am Eingang eines Funktionsglieds bezeichnet man als Eingangs- oder Eingabesignal, analog dazu nennt man Signale am Ausgang Ausgangs- oder Ausgabesignale. Behandlungsfunktionen sind dabei für das • Eingabeglied: Entstören, Umformen, Umsetzen, Potential trennen, Anpassen, Wandeln (Analog/Digital, Digital/Analog); • Ausgabeglied: Verstärken, Wandeln, Sichern, Entkoppeln. Signalbildung Eingangs- und Ausgangssignale einer Steuerung sind Signale einer Signalbildungsquelle. Je nach Art der Signale unterscheidet man zwischen • Meldung: Signal über den Zustand des Prozesses zur Information des Menschen (optische und akustische Signalisierung nach DIN 19235) und • Rückmeldung: Signal, das als unmittelbare Auswirkung auf einen Befehl erfolgt. Signalverarbeitung Jede Steuerungsfunktion, unabhängig vom Umfang und der Steuerungsebene, lässt sich strukturell in Signaleingabe, Signalverarbeitung und Signalausgabe gliedern. Verknüpfungssteuerung. Werden Ausgangssignale im Sinne von Verknüpfungen bestimmten Eingangssignalen zugeordnet, spricht man von Verknüpfungssteuerungen. Beispiele für Grundfunktionsglieder sind: • Verknüpfungsglieder: UND, ODER, NICHT, • Zeitglieder zur Signalverkürzung, -verzögerung, -verlänge-rung, • Speicherglieder wie RS-, D-, JK-Speicherglieder (R = Reset, S = Set). Ablaufsteuerung. Steuerungen mit zwangsläufig schrittweisen Abläufen nennt man Ablaufsteuerungen.

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Wichtige Merkmale einer prozessgeführten Ablaufsteuerung sind: Nur ein Ablaufglied ist gesetzt. Weiterschaltbedingung ist nur von den dem aktuellen Schritt folgenden Bedingungen abhängig. • Sicherheitsverriegelungen erfolgen unabhängig von der Ablaufkette • Umfangreiche Steuerungsaufgaben verlangen häufig mehrere Ablaufketten, die sich aus der in Abb. 6.17 dargestellten Struktur ableiten lassen. • •

Abb. 6.17 Struktur einer prozessgeführten Steuerung

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Taktsynchrone Steuerung. Bei ihr erfolgt die Signalverarbeitung in den einzelnen Elementen der Steuerung nur zu bestimmten Zeitpunkten, die durch einen Takt synchronisiert werden. Asynchrone Steuerung. Eine asynchrone Signalverarbeitung ist bedarfs- und laufzeitorientiert und nicht an einen Takt geknüpft. Steuerungsprogramme Merkmale. Das Programm einer Steuerung umfasst die Gesamtheit aller Anweisungen und Vereinbarungen für die Signalverarbeitung, durch die eine zu steuernde Anlage (Prozess) aufgabengemäß beeinflusst wird. Gerätetechnische Realisierung von Programmen. Je nach Programmverwirklichung unterscheidet man nach DIN 19237 Verbindungsprogrammierte Steuerungen (VPS) und Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) (Abb. 6.18). Aufbauorganisation von Steuerungen Große Bedeutung kommt für industrielle Anwendungen dem hierarchisch organisierten prozessgeführten Steuerungssystem zu.

Abb. 6.18 Steuerungseinteilung nach DIN 19237 (funktional nach Programmverwirklichung)

Einzelsteuerung. Die Einwirkung einer Steuerungseinrichtung auf den Prozess erfolgt im allgemeinen durch Stelleingriffe von der Einzelsteuerung aus.

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Gruppensteuerung. Die zum Steuern eines Teilprozesses erforderliche Funktionseinheit wird Gruppensteuerung genannt. Leitsteuerung. Die Leitsteuerung ist die der Gruppensteuerungsebene übergeordnete Funktionseinheit zur Steuerung des Gesamtprozesses. Steuerungsebenen in Fertigungsanlagen Die Unterteilung der Steuerungsaufgaben in Ebenen führt zu einer Dezentralisierung der Datenverarbeitungsaufgaben und daraus folgend zu überschaubaren Teilsystemen mit eigener Datenhaltung und standardisierbaren Schnittstellen sowie modularer Software. Die Steuerungsaufgaben in einem verketteten Fertigungssystem können nicht immer festen Ebenen zugeordnet werden, jedoch gilt im allgemeinen eine dem folgenden Beispiel ähnliche Aufteilung: Leitsteuerungsebene: • Steuerdatengenerierung für Werkstück- und Werkzeugfluss (interne Disposition), • NC-Programmverwaltung, • Führen des Systemabbilds, • Aufbereiten von BDE/MDE-Daten (BDE = Betriebsdatenerfassung, M = Maschinen) für Anzeige, Dokumentation und Beeinflussung. Zellensteuerungsebene: • Verwaltung von Werkzeugdaten, • NC-Programmverteilung, • Erfassen und Auswerten von BDE/MDE-Daten, • Synchronisation zwischen Geräten der Maschinensteuerungsebene • Auswerten von Messdaten und gegebenenfalls Beeinflussung Maschinensteuerungsebene: • Handbedienung/Einrichtebetrieb, • Programmkorrektur, • Verarbeitung der Werkzeugkorrekturen, • Erzeugen der Achsenbewegung, • Verarbeitung von Schaltfunktionen, • Überwachungs- und Diagnosefunktionen, • Messabläufe, • Erfassen von BDE/MDE-Daten.

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CIM-System (Computer Integrated Manufacturing) Die Anforderung an die Produktion lautet: Marktwünsche flexibel und häufig bis hin zur Losgröße 1 erfüllen zu können. Folgende Basisfunktionen sind für eine CIM-Lösung Voraussetzung: • Kommunikation der EDV-Anlagen über Netzwerke mit standardisierten Netzprotokollen, • Einheitliche Datenformate und Zugriffe für den Informationsaustausch zwischen den Bereichen, • Koordination des Informationsflusses. Sicherheitsbestimmungen Von Automatisierungssystemen, die neben Steuerungs- und Regelaufgaben auch Sicherheitsfunktionen erfüllen müssen, darf im Fehlerfall keine Gefährdung für Leben und Gesundheit von Personen ausgehen. Für den Bereich der industriellen Steuerungstechnik sind die einschlägigen anerkannten regeln der Technik zu beachten, wie: • Gesetz über technische Arbeitsmittel (Gerätesicherheitsgesetz GSG, Bundesgesetzblatt Teil1, S.717), • Unfallverhütungsvorschriften entsprechend dem Verzeichnis der gewerblichen Berufsgenossenschaft (VBG-Vorschriften), • Sicherheitsregeln: Regeln und Grundsätze entsprechend dem ZH-1-Verzeichnis (Berufsgenossenschaftliche Schriften für Arbeitssicherheit) • Technische Regeln: DIN 31000/VDE 1000 Allgemeine Leitsätze für das sicherheitsgerechte Gestalten technischer Erzeugnisse; DIN 57113/VDE 0113 Bestimmungen für elektrische Ausrüstung von Bearbeitungs- und Verarbeitungs-maschinen mit Nennspannungen bis 1000 V; VDI/VDE 3541 Bl. 1-3 Steuerungseinrichtungen mit gesicherter Funktion. Steuerungsmittel Mechanische Speicher und Steuerungen Kurvensteuerung. Zur Erzielung von Weg- und Geschwindigkeitsverläufen werden häufig Kurvengetriebe eingesetzt, d.h. Kurven stellen Speicher für Weg- und Geschwindigkeitsverläufe dar.

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Nockensteuerung. Nocken bewegen beim Überfahren einen Stößel, der eine Schaltfunktion mechanischer, elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Art auslöst. Nachformsteuerung. Unter Nachformen (Kopieren) wird ein Arbeitsverfahren verstanden, bei dem die Werkzeugbewegung von einer Leitkurve oder –fläche (Modell, Schablone) derart gesteuert wird, dass das Profil des Musters auf das Werkstück übertragen wird. Fluidische Steuerungen Fluidische Steuerungen arbeiten mit Druckluft (Pneumatische Steuerungen) oder Hydrauliköl (Hydraulische Steuerungen).

Elektrische Steuerungen Elektrische Steuerungen werden als Kontaktsteuerungen oder elektronische Steuerungen ausgeführt. Kontaktsteuerungen. Über Kontakte lassen sich mit geringem Aufwand große Leistungen schalten. Elektronische Steuerungen. Geht die notwendige Informationsverarbeitung über einfache Verknüpfungen hinaus, so verwendet man üblicherweise elektronisch arbeitende Steuerungen. Speicherprogrammierbare Steuerungen Nach der VDI-Richtlinie 2880 wird der Begriff „Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)“ wie folgt definiert: Speicherprogrammierbares Automatisierungsgerät mit anwenderorientierter Programmiersprache, das im Schwerpunkt zum Steuern eingesetzt wird. Aufbau Einfache SPS-Steuerungen sind bis auf Ausnahmen nur für logische Operationen programmierbar. Programmierung Die Programmierung von SPS lehnt sich eng an die üblichen Beschreibungsarten von konventionellen Steuerungen an, die im

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wesentlichen genormt sind. Man unterscheidet die folgenden gebräuchlichen Programmierarten: 1. Kontaktplan (KOP) nach IEC 1131-3 (Stromlaufplan, graphisch) 2. Anweisungsliste (AWL) (mnemotechnische Darstellung) nach IEC 1131-3 3. Funktionsplan bzw. Funktionsbausteinsprache (FBS) nach IEC 1131-3 4. Funktionsplan nach DIN 40719-6 und IEC 848 5. Ablaufsprache nach IEC 1131-3 6. Strukturierter Text (ST) nach IEC 1131-3. Numerische Steuerungen Zum Begriff Zur Herstellung von Rotorblättern baute Parson 1949 mit Unterstützung des MIT (Massachusetts Institute of Technology) die erste numerisch gesteuerte Bohrmaschine. Programmierung Unter Werkstückprogrammierung wird die Erstellung von werkstückabhängigen Steuerdaten für numerische Steuerungen verstanden (Abb. 6.19).

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Abb. 6.19 Informationsfluss von der Zeichnung bis zur Bearbeitung (konventionell)

Datenschnittstellen Wie aus Abb. 6.20 ersichtlich, ist neben der NCProgrammschnittstelle nach DIN 66025 eine weitere Datenschnittstelle für numerische Steuerungen von Interesse: die CLDATA (Cutter Location Data) Schnittstelle für eine maschinenunabhängige Programmierung von Werkzeugmaschinen, z.B. mit der fertigungstechnischen Hochsprache EXAPT.

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Abb. 6.20 Datenschnittstellen in Steuerungstechnik

Steuerdatenverarbeitung Die programmierten und in einem Datenspeicher eingegebenen Steuerdaten werden in der numerischen Steuerung zu Lagesollwerten für die einzelnen Achsen verarbeitet oder als Schaltbefehle ausgegeben. Numerische Grundfunktionen Zerlegt man die Funktionen einer NC in funktionsorientierte Einheiten, so ergeben sich vier grundlegende Aufgabenstellungen gemäß Abb. 6.21, die den Mindestfunktionsumfang einer NC darstellen.

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Abb. 6.21 Beispiele für Funktionsblöcke in einer numerischen Steuerung

Bedien- und Steuerdatenein-/ausgabe (BSEA). Die MenschMaschine-Kommunikation steht bei numerischen Steuerungen immer mehr im Vordergrund. Zur Benutzeroberfläche einer NC-Steuerung zählen heute im wesentlichen folgende Funktionen: • Bedienung und Benutzerführung, • NC-Programmier- und Editierfunktionen (mit zugehörigen Verwaltungsarbeiten), • Simulation des Programmablaufs, • Diagnosefunktionen. NC-Datenverwaltung und –aufbereitung (NCVA). Wesentliche Aufgaben dieser Funktionseinheit sind unter anderem: • Bereitstellen von NC-Sätzen für die Decodierung und für die Anzeige, • Decodierung von NC-Sätzen (Umwandlung von ASCII-Zeichen in steuerungsinterne Darstellung), • Auflösung von Arbeitszyklen und Unterprogrammen, Parameterrechnung, • Durchführung von Korrekturrechnungen (Werkzeuglängenkorrektur, Werkzeugradiuskorrektur)

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Technologiedatenverarbeitung. Die technologische Informationsverarbeitung übernimmt die Ausführung von Schaltinformationen (d.h. technologische Anweisungen), die über die Einzelsteuerungsebene z.B. das Schalten von Hauptspindeldrehzahlen, Vorschubgeschwindigkeiten, Werkzeugwechseleinrichtungen, Kühlmittelzuflüssen etc. bewirken. Geometriedatenverarbeitung (GEO). Die Geometriedatenverarbeitung umfasst alle Grundfunktionen zur Bahnerzeugung. Lageeinstellung Lagesollwertbildung. Aus geometrischen Eingabeinformationen werden in der numerischen Steuerung Lagesollwerte für die einzelnen Achsen der gesteuerten Anlage gebildet. Interpolationsverfahren. Bei der einstufigen Interpolation werden die Stützpunkte direkt als Führungsgrößen für die Lageregelung berechnet. Interpolationsraster. Die Interpolation erfolgt in Form eines • konstanten Zeitrasters: Hierbei wird der zu verfahrende Weg pro Interpolationstakt vorgegeben (üblich bei Lageregelkreisen); • konstanten Wegrasters: Der Interpolator gibt einzelne Wegelemente in Form von kleinsten verfahrbaren Einheiten aus. Interpolationsberechnungsverfahren. Die folgenden Verfahren können unterschieden werden: Suchschrittverfahren, DDA-Verfahren (DDA = Digital Differential Analyzer), direkte Funktionsberechnung und rekursive Funktionsberechnung. Transformation von Raumkoordinaten in Achskoordinaten. Die Programmierung der Geometrie erfolgt im allgemeinen in den Koordinaten x, y, z des kartesischen Koordinatensystems. Lageregelung Die Relativbewegung zwischen Werkzeug oder Messzeug und Werkstück erfolgt bei bahngesteuerten NC-Maschinen durch die überlagerte Bewegung von mindestens zwei Achsen.

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Scheren und Schneiden

7.1 Systematik Nach DIN 8588 unterscheidet man bei den Verfahren des Zerteilens mechanisches Trennen von Werkstücken ohne Entstehen von formlosem Stoff - Scherschneiden, Messerschneiden, Beißschneiden, Spalten, Reißen und Brechen (Abb. 7.1). Speziell in der Blechbearbeitung kommt überwiegend das Scherschneiden (kurz Schneiden) zum Einsatz, das häufig als Vorbereitung oder als Nach- oder Zwischenbearbeitung zum Umformen durchgeführt wird. Eine gewisse Verwandtschaft zu den Umformverfahren ist dadurch gegeben, dass die Schneidvorgänge mit einer plastischen Verformung verbunden sind. Grundsätzlich werden beim Schneiden die Benennungen am Werkzeug von der Stammsilbe Schneid- (Schneide, Schneidfläche), jene am Werkstück von Schnitt- (Schnittkante, Schnittfläche) abgeleitet (Abb. 7.2). Die Scherschneidverfahren werden entsprechend der Art der Schnittlinie in Verfahren mit geschlossener und offener Schnittlinie unterteilt (Abb. 7.3). Während der geschlossene Schnitt unter Einsatz von Schneidstempeln und Schneidmatrizen auf Pressen erfolgt, arbeitet man bei der Erzeugung offener Schnittlinien außer mit den genannten Werkzeugen auch mit Lang- und Kreismessern auf Spezialmaschinen. Zu den Verfahren mit geschlossener Schnittlinie gehören das Ausschneiden und Lochen (Abb. 7.4a, b). Durch Ausschneiden wird die gesamte Außenform in einem Arbeitsgang erzeugt. Durch Lochen wird eine Innenform am Werkstück erzeugt. Zu den Verfahren mit offener Schnittlinie zählen neben dem Abschneiden auch das Ausklinken, das Einschneiden und das Beschneiden (Abb. 7.4 c-f). Abschneiden ist Abtrennen eines Teils vom Rohteil (Blech, Band, Streiten) oder vom Halbfertigteil. Ausklinken ist ein Herausschneiden von Flächenteilen an einer inneren und äußeren Umgrenzung. Einschneiden ist ein teilweises Trennen des Werkstücks ohne Entfernen von Werkstoff. Es dient im allgemeinen als Vorbereitung für einen Umformvorgang.

Abb. 7.1 Verfahren des Zerteilens (DIN 8588): 1 Werkzeug, 2 Werkstück, 3 Auflage

SCHEREN UND SCHNEIDEN D/215

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MASCHINENBAU

Abb. 7.2 Scherschneiden: Bezeichnungen am Werkstück und Werkzeug (DIN 8588). a Werkstück: 1 Schnittkanten, 2 Schnittfläche; b Werkzeug: 1 Werkzeug, 2 Schneidspalt, 3 Schneide, 4 Freifläche, 5 Druckfläche, 6 Schneidkeil

Abb. 7.3 a Offen Schneiden, b geschlossen Schneiden

Abb. 7.4 a Ausschneiden: 1 Abfall, 2 Ausschnitt; b Lochen: 1 Schnittteil, 2 Abfall; c Abschneiden: 1 Schnittteil, 2 Schnittlinie, 3 Blechstreifen; d Einschneiden; e Ausklinken: 1 Schnittteil, 2 Abfall, 3 Fertigteil; f Beschneiden: 1 Auswerfer, 2 Fertigteil, 3 Abfall, 4 Randtrenner; g Knabberschneiden oder Nibbeln: 1 Werkstück, 2 Schnittkanten, 3 Werkzeug

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Beschneiden dient zum Abtrennen von am Werkstück befindlichem Werkstoff, der am Fertigteil nicht mehr vorhanden sein soll. Eine Sonderstellung nimmt das Knabberschneiden oder Nibbeln ein (Abb. 7.4g). Beim Knabberschneiden wird mit Hilfe eines einfachen Stempels das Werkstück längs einer beliebig geformten Schnittlinie stückweise abgetrennt

7.2 Technologie Krafteinleitung. Die Scherkräfte wirken nicht linienförmig entlang den Schneidkanten, sondern flächig in einem schmalen Bereich, in dem ungleichmäßig verteilte Druckspannungen herrschen (Abb. 7.5). Die Druckspannungen werden zusammengefasst in den resultierenden Vertikalkräften FV und FV‘. Aufgrund des Abstands 1 der Angriffspunkte dieser Kräfte entsteht ein Moment, das ein Durchbiegen des Werkstücks und die Horizontalkräfte FH und FH‘ hervorruft. Die Kräfte FV und FV‘ führen zu radial gerichteten Reibungskräften (µ⋅FV bzw. µ⋅FV‘) in den Stirnseiten von Stempel und Matrize, die Kräfte FH und FH‘ zu axial gerichteten Reibungskräften (µ⋅FH bzw. µ⋅FH‘), die zusammen mit den Vertikalkräften FV bzw. FV‘ die Schneidkraft FS (Stempelkraft) bilden.

Abb. 7.5 Kraftwirkung beim Scherschneiden, Erläuterungen im Text

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MASCHINENBAU

Ablauf des Schneidvorgangs und Ausbildung der Schnittflächen. Diese sind abhängig von der Werkzeuggeometrie Schneidspalt u (Abb. 7.6), Schneidkantenabrundung bzw. abstumpfung sowie dem Werkstoff und den Rohteileigenschaften Blechdicke s, Festigkeitseigenschaften, chem. Zusammensetzung und Gefüge.

Abb. 7.6 Schneidvorgang beim Scherschneiden. 1 Schneidstempel, 2 Schneidplatte, 3 Ausschnitt (Ausschneiden) bzw. Abfall (Lochen), 4 Blechstreifen, u Schneidspalt, bE, hE Kanteneinzugsbreite, -höhe, hS Glattschnitthöhe, hG Schnittgrathöhe, s Blechdicke, FS Schneidkraft (Stempelkraft)

Der Ablauf des Schneidvorgangs ist durch folgende Phasen gekennzeichnet (Abb. 7.7): Aufgrund des Einflusses der Vertikalkraft erfolgt zuerst eine elastische Deformation, das Blech wölbt sich unter dem Stempel durch und hebt teilweise von der Stirnfläche der Schneidmatrize ab. Danach wird das Blech örtlich plastisch verformt, so dass sich eine bleibende Durchwölbung des Blechs ergibt. Es entsteht der Kanteneinzug an der

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Blechoberseite und am Ausschnitt. In der nächsten Schneidphase wird der Werkstoff abgeschert, wobei der glattgeschnittene Teil der Schnittfläche entsteht. Im Restquerschnitt steigen die Schubspannungen weiter an. Sobald sie die Schubbruchgrenze erreichen, bilden sich - zunächst an der Schneidkante der Matrize, später auch an der Schneidkante des Stempels - Anrisse im Blech, die bei geeigneter Wahl des Schneidspalts aufeinander zu laufen, und die vollständige Werkstofftrennung bewirken.

Abb. 7.7 a – j Vorgangsablauf beim Scherschneiden. 1 Stempel, 2 Blech, 3 Matrize

Beim Ausschneiden von Teilen aus Blech wird möglichst eine weitgehende Ausnutzung des Blechbandes angestrebt (Abb. 7.8). Anfangs- und Endstücke von Blechstreifen ergeben in der Regel zusätzlichen Abfall; man versucht daher direkt vom Coil (Blechrolle) auszuschneiden. Es sind eine Reihe von CAD-Systemen verfügbar, die eine rechnerunterstützte Optimierung des Platinenschnitts erlauben (Schachtelpläne).

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MASCHINENBAU

Abb. 7.8 Werkstoffausnutzung beim Schneiden. 1 Flächenschlüssige Formen

7.3 Kräfte und Arbeiten Zu den wichtigsten Kenngrößen für die Auslegung bzw. die Auswahl von Pressen gehört die maximal auftretende Schneidkraft. Die maximale Schneidkraft wird beeinflusst von der Blechdicke, der Stempelgeometrie, der Zugfestigkeit des Blechwerkstoffes, vom Werkzeugverschleiß und vom Schneidspalt u (Abb. 7.9). Dabei ist zu beachten, dass auch die Grathöhe hG vom Schneidspalt abhängt.

Abb. 7.9 Schneidkraft FS in Abhängigkeit vom Stempelweg bei Variation des Schneidspalts u (Werkstoff C10, Blechdicke s = 10 mm)

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Bestimmung der max. auftretenden Schneidkraft (Stempelkraft) nach empirischer Gleichung mit kS ≈ 0,8 Rm und AS = lSs: FS max = ASkS. Hierbei ist kS die spezifische Schneidkraft, lS die Schnittlinienlänge, s die Blechdicke und Rm die Zugfestigkeit des Werkstoffs. Angaben der Einflussfaktoren auf die maximale Schneidkraft können Tabelle 7.1 entnommen werden. Die maximal auftretende Schneidkraft kann reduziert werden, indem die wirkende Schnittlinie lS verringert wird. Auch kann der Eingriff der Schneidstempel zeitlich versetzt erfolgen (Abb. 7.10). Als Folge der horizontalen Kräfte zwischen Blech und Schneidstempel entstehen beim Zurückziehen des Stempels Rückzugskräfte, die von Schneidspalt, Stempelabmessung, Blechdicke und den Festigkeitseigenschaften des Blechs beeinflusst werden (Tabelle 7.2). Tabelle 7.1 Einflussgrößen auf die Schneidkraft

Die Schneidarbeit wird in weit größerem Maße als die maximale Schneidkraft von der Werkzeuggeometrie und den Werkstückeigenschaften beeinflusst. Sie nimmt mit zunehmendem Schneidspalt ab und steigt mit zunehmender Blechdicke.

7.4 Werkstückeigenschaften Die geschnittenen Teile können eine Reihe von Fehlern aufweisen (Abb. 7.11). Die Formfehler Kanteneinzug, Bruchzonenwinkel und Grat sowie - bei Teilen mit im Verhältnis zur Blechdicke kleinen Au-

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MASCHINENBAU

ßenabmessungen - Abweichungen von der Ebenheit. Das Ausmaß des Kanteneinzugs ist abhängig vom Schnittlinienverlauf. Besonders ungünstig sind ausspringende Ecken mit kleinen Radien. Der Bruchzonenwinkel ist abhängig vom Schneidspalt und vom Werkstoff. Die Gratbildung ist eine Folge des Verschleißes der Schneidkanten und der daraus resultierenden Veränderung des Rissverlaufs.

Abb. 7.10a Schneidkraft-Weg-Verlauf in Abhängigkeit von der Schneidkantenausbildung (b); c zeitlich versetzter Eingriff der Schneidstempel Tabelle 7.2 Verhältnisse der Kräfte beim Schneiden

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Abb. 7.11 Schnittflächenkenngrößen beim Scherschneiden (VDI 2906). bE, hE Kanteneinzugsbreite, -höhe; hS Glattschnitthöhe; α Glattschnittwinkel; hB Bruchzonenhöhe; β Bruchzonenwinkel; bG hG Schnittgratbreite, -höhe; bRZ beeinflusste Randzone (HV0 Grundhärte; HV1 Härte nach dem Schneidvorgang); s Blechdicke,

Maßfehler treten bei Maßungenauigkeiten der Werkzeuge und/oder bei Folgewerkzeugen als Folge von Vorschubfehlern auf. Die Lagefehler, meist Parallelversatz, werden verursacht durch eine fehlerhafte Lage der Werkzeugelemente zueinander. Diese können entstehen durch Fertigungsungenauigkeiten bei der Herstellung der Werkzeuge, Pressenstößelkippung und -schiebung oder durch Vorschubfehler bei Folgewerkzeugen. Die Winkelfehler der Schnittflächen (Glattschnittwinkel) sind eine Folge der Winkelauffederung, die besonders stark bei C-Gestell-Pressen auftritt. Aufgrund der plastischen Verformung zu Vorgangsbeginn tritt eine Verfestigung unmittelbar an den Schnittflächen auf (Abb. 7.11). Die Höhe der Verfestigung sowie der verfestigte Bereich hängen vom Werkstoff ab. Verschiedene Untersuchungen zeigen, dass sich bei Stahlblechen eine Härtesteigerung auf das 2,0- bis 2,2fache der Ausgangshärte in einem Abstand von 30 bis 50% der Blechdicke von der Schnittfläche ergeben kann.

7.5 Werkzeuge Bauarten. Schneidwerkzeuge werden nach der Art der Führung der schneidenden Elemente zueinander als Frei, Plattenführungs- und Säulenführungsschneidwerkzeuge bezeichnet (Abb. 7.12). Diese eignen sich in der genannten Reihenfolge für kleinere, mittlere und

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MASCHINENBAU

große Stückzahlen (Tabelle 7.3). Hierbei ist jedoch auch die Führungsgenauigkeit der Presse von wesentlichem Einfluss auf die Schnittgüte.

Abb. 7.12 Bauarten von Schneidwerkzeugen. a Freischnitt: 1 Stempel, 2 Schneidplatte, 3 Grundplatte; b Plattenführungsschnitt: 1 Stempelführungsplatte, 2 Führungsleiste; c Säulenführungsschnitt: 1 Oberteil, 2 Führungsbüchse, 3 Führungssäule, 4 Abstreifer

Je nach den Erfordernissen des Schnittteils wird es in einer oder mehreren Stationen aus einem Blechstreifen ausgeschnitten. Demzufolge unterscheidet man zwischen Einstufen- oder Gesamtschneidwerkzeugen und Mehrstufen- oder Folgeschneidwerkzeugen. Bei Kombinationen von Schneid- und Umformvorgängen spricht man von Folgeverbundwerkzeugen. In einem Gesamtschneidwerkzeug werden alle Schnittflächen in einem Arbeitsgang erzeugt. Dies ist in der Regel bei einfachen Schnittteilen möglich. Es entsteht somit bei jedem Pressenhub ein fertiges Schnittteil. Die Präzision des Schnittteils wird durch die Genauigkeit des Werkzeugs bestimmt. Bei schwierigen Teilen mit schmalen Stegen wird das Werkstück in der Regel im Folgeschneidwerkzeug in mehreren Stationen gefertigt. Das Teil bleibt beim Durchlauf durch die Stationen mit dem Blechstreifen verbunden und wird erst in der letzten Station ausgeschnitten. Die Präzision des Schnittteils wird beim Folgeschneidwerkzeug außer von der Genauigkeit des Werkzeugs noch durch die Exaktheit des Bandvorschubs bestimmt. Um diese zu gewährleisten, werden Seitenschneider oder Suchstifte eingesetzt.

Tabelle 7.3 Bauarten von Schneidwerkzeugen

SCHEREN UND SCHNEIDEN D/225

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MASCHINENBAU

Lage der Werkzeuge in der Presse. Die Positionierung der Werkzeuge sollte nach Möglichkeit so erfolgen, dass die Resultierende der Einzelkräfte durch die Pressenmitte verläuft. Damit werden durch exzentrische Belastung bedingte Momente und daraus folgende Ungenauigkeiten der Werkstücke sowie erhöhter Werkzeugverschleiß vermieden. Bei der Konstruktion geht man davon aus, dass die Resultierende im Linienschwerpunkt der Schnittlinien angreift. Der Schneidspalt, der die Ausbildung der Schnittflächen und den Schneidkraft-Wegverlauf beeinflusst, wird nach den an die Schnittfläche gestellten Anforderungen - Aussehen, Genauigkeit, Weiterbearbeitung, Funktion – festgelegt. Richtwerte: Tabelle 7.4. Tabelle 7.4 Richtwerte für das Verhältnis Schneidspalt / Blechdicke

Schneidende Werkzeugelemente. Die Stempel werden sowohl auf Druck als auch gegen Knicken (beim Lochen) berechnet. Stempelausführungen (Abb. 7.13). Durchbrüche (Abb. 7.14) an Schneidplatten sind unter 90° zur Auflagefläche auszuführen, wenn das ausgeschnittene Teil entgegen der Schneidrichtung ausgeworfen werden muss. Sonst sind Freiwinkel je nach Blechdicke von 15' ≤ α ≤ 5° (Durchbruchform nach Abb. 7.14b) bzw. 5' ≤ α ≤ 1° (Durchbruch-

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form nach Abb. 7.14c) gebräuchlich. Die Höhe des 90°-Durchbruchs (Abb. 7.14b) beträgt zwischen 2 und 15 mm. Bei der Konstruktion ist die Möglichkeit des Nachschleifens der schneidenden Werkzeugelemente vorzusehen. Werkstoffe für Schneidwerkzeuge: Tabelle 7.5.

Abb. 7.13 Ausführungen von Lochstempeln und Stempelführungen

Abb. 7. 14a-c Durchbruchformen an Schneidplatten. Erläuterungen im Text

7.6 Sonderschneidverfahren Werden ebene Teile mit glatten, rissfreien Schnittflächen und mit hoher Maßgenauigkeit gefordert, so müssen die ausgeschnittenen Teile entweder nachgearbeitet oder mit Hilfe von Sonderverfahren ausgeschnitten werden. Nachschneiden. Dieses Verfahren presst die nachzuschneidenden Werkstücke durch eine Schneidplatte, deren Durchbruchmaße um ca. die zweifache Dicke der abzuschälenden Werkstoffschicht kleiner als das Werkstück sind (Abb. 7.15).

Abb. 7.15 Nachschneiden geschnittener Teile. a Stempel kleiner als Schneidplatte; b Stempel größer als Schneidplatte

Tabelle 7.5 Gebräuchliche Werkzeugstoffe für Schneidwerkzeuge und Anwendungsbereich

D/228 MASCHINENBAU

SCHEREN UND SCHNEIDEN

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Feinschneiden (Genauschneiden). Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar vor dem Schneiden des Werkstücks je nach Blechdicke von einer Seite oder von beiden Seiten eine Ringzacke in geringem Abstand von der Schnittlinie in das Blech eingepresst wird. Während des Schneidens verhindert ein als Gegenhalter dienender Auswerfer das beim normalen Schneiden übliche Verwölben der Ausschnitte (Abb. 7.16).

Abb. 7.16 Vorgangsablauf beim Genauschneiden. a Ausgangsstellung; b Einpressen der Ringzacke; c Schneiden mit Gegenhalten durch den Gegenhalter; d Ende des Schneidvorgangs; e Blech abgestreift und Ausschnitt ausgeworfen. FN Ringzackenkraft, FG Gegenhalterkraft, FSt Schneidstempelkraft

Wesentlich ist die Wirkung der Ringzacken. Sie erzeugen im Scherbereich senkrecht zur Schnittrichtung Druckspannungen. Dadurch wird der Schnittflächenanteil der plastischen Scherverformung vergrößert und die Schnittteilgenauigkeit verbessert. Wegen der zusätzlich zur Schneidkraft aufzubringenden Ringzacken- und Gegenhalterkraft ist zum Feinschneiden eine dreifachwirkende Presse erforderlich. Allgemein sind Aluminium und -legierungen, Kupfer, Messing mit einem Cu-Gehalt ≥ 63%, unlegierte Stähle mit C ≤ 1 %, Einsatzstähle, niedriglegierte Vergütungsstähle sowie ferritische und austenitische nichtrostende Stähle feinschneidbar. Konterschneiden, Hier wird mit zwei oder drei gegenläufigen Schneidstufen gearbeitet (Abb. 1.17). In der ersten Stufe wird soweit angeschnitten, dass gerade noch kein Anriss auftritt. Durch den zwei-

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MASCHINENBAU

ten, gegenläufigen Teilvorgang, erzielt man auch auf der anderen Seite des Werkstücks einen Kanteneinzug. Gegebenenfalls wird auch in diesem zweiten Vorgang nur angeschnitten und erst in der dritten Stufe durchgeschnitten. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass sowohl am Außen- als auch am Innenteil gratfreie Schnittflächen entstehen und beide Teile Verwendung finden können. Allerdings ist hierzu grundsätzlich entweder ein Gesamt- oder ein Folgeschneidwerkzeug notwendig.

Abb. 7.17 Konterschneiden. a Zweistufig; b dreistufig; c Schnittfläche

Stauchschneiden. Mit dem Stauchschneiden ist es möglich, glatte und gratfreie Schnittflächen zu erzielen. Zunächst erfolgt gemäß Abb. 7.18 ein kombiniertes Stauchen und Scheren durch den Stauch- und den Schneidstempel. Die Restblechdicke wird anschließend durch den eigentlichen Schneidstempel getrennt und schließlich das geschnittene Werkstück mit dem Auswerfer ausgestoßen. Das Verfahren eignet sich auch zum Trennen von Schichtpressstoffen aus Phenol- oder Epoxidharz sowie für Kunststoffe, die mit Glasfasern verstärkt sind.

SCHEREN UND SCHNEIDEN

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Abb. 7.18 Stauchschneiden. a Aufsetzen der Stempel: 1 Blech, 2 Schneidstempel, 3 Stauchstempel, 4 Schneidplatte, 5 Auswerfer; b Stauchschneiden; c Ende des Stauchschneidens; d Ausschneiden: 1 Abfall, 2 Ausschnitt (Werkstück)

Strahlschneiden. Bei den Strahlschneidverfahren wird durch Einwirkung eines zu einem Strahl gebündelten Wirkmediums bzw. einer strahlförmig zur Verfügung gestellten Wirkenergie der Werkstoff entlang einer zu bearbeitenden Werkstückkontur abgetragen. Die Verfahren mit Wirkmedium arbeiten mit einem massebehafteten Strahl als „Werkzeug“ (Plasmastrahlschneiden und Wasserstrahlschneiden (Abb. 7.19), die Verfahren mit Wirkenergie dagegen mit einem quasi masselosen Strahl (Lasertrennen).

Abb 7.19 Hochdruck-Wasserstrahlschneiden. 1 Schneiddüse, p Pumpendruck, dDüse Düsendurchmesser, a Abstand Düse – Werkstück, s Werkstückdicke, w Schnittfugenbreite, v Vorschubgeschwindigkeit

PROZESSTECHNIK

E

E/1

Prozesstechnik

1

Einheitsbearbeitungen, Seite E/2

2

Stoffvereinigen, Seite E/2 2.1 Mischen und Rühren, Seite E/2 2.2 Suspendieren, Seite E/7 2.3 Dispergieren, Seite E/8 2.4 Zerstäuben, Seite E/9

3

Trennprozesse, Seite E/14 3.1 Übersicht über Trennprozesse, Seite E/15 3.2 Sedimentation, Seite E/20 3.3 Zentrifugieren, Seite E/23 3.4 Stoffzyklone, Seite E/25 3.5 Filtration, Seite E/26 3.6 Destillation, Seite E/27 3.7 Flüssigkeit-Flüssigkeit Extraktion, Seite E/37 3.8 Kristallisation, Seite E/39

4

Verweilzeitstreuung, Seite E/45 4.1 Verweilzeitverteilung, Seite E/45 4.2 Beispiele, Seite E/47

E/2

1

PROZESSTECHNIK

Einheitsbearbeitungen

Einheitsbearbeitungen können in eine Anzahl Hauptgruppen eingeteilt werden: • Zufuhr und Transport; • Verkleinern; • Formgeben; • Stoffvereinigen; • Trennen; • Wärmetauschen. Jede dieser Hauptgruppen enthält eine große Anzahl Einheitsbearbeitungen, die in verschiedenen Apparaturen ausgeführt werden können. Eine vollständige Übersicht ist in der Fachliteratur zu finden. Nachfolgend sollen einzelne Bearbeitungen aus den Gruppen Stoffvereinigen (Abschnitt 2) und Trennen (Abschnitt 3) näher behandelt werden.

2

Stoffvereinigen

2.1 Mischen und Rühren Ziel vom Mischen und Rühren kann sein, die teilnehmenden Phasen (L: Liquid, S: Solid, G: Gas) zu homogenisieren, suspendieren, dispergieren und/oder die Wärme-, dann auch die Stoffübertragung, zu fördern. Geräte für das Mischen und Rühren von L-L, L-S und von LG Systemen benutzen unter anderem Rührwerke. Einzelne Rührwerktypen sind Abb. 2.1 abgebildet. Tabelle 2.1 Anwendungsmöglichkeiten für die wichtigsten Hauptrührertypen1)

E/2

1

PROZESSTECHNIK

Einheitsbearbeitungen

Einheitsbearbeitungen können in eine Anzahl Hauptgruppen eingeteilt werden: • Zufuhr und Transport; • Verkleinern; • Formgeben; • Stoffvereinigen; • Trennen; • Wärmetauschen. Jede dieser Hauptgruppen enthält eine große Anzahl Einheitsbearbeitungen, die in verschiedenen Apparaturen ausgeführt werden können. Eine vollständige Übersicht ist in der Fachliteratur zu finden. Nachfolgend sollen einzelne Bearbeitungen aus den Gruppen Stoffvereinigen (Abschnitt 2) und Trennen (Abschnitt 3) näher behandelt werden.

2

Stoffvereinigen

2.1 Mischen und Rühren Ziel vom Mischen und Rühren kann sein, die teilnehmenden Phasen (L: Liquid, S: Solid, G: Gas) zu homogenisieren, suspendieren, dispergieren und/oder die Wärme-, dann auch die Stoffübertragung, zu fördern. Geräte für das Mischen und Rühren von L-L, L-S und von LG Systemen benutzen unter anderem Rührwerke. Einzelne Rührwerktypen sind Abb. 2.1 abgebildet. Tabelle 2.1 Anwendungsmöglichkeiten für die wichtigsten Hauptrührertypen1)

STOFFVEREINIGEN

Abb. 2.1 Rührwerktypen

E/3

E/4

PROZESSTECHNIK

Abb. 2.2 Strömungsmuster von Rührwerken

Abb. 2.3 Strömungsmuster von anderen Mischertypen

Leistungsverbrauch bei Rührwerken P = 2π n T wobei: P = dissipierte Leistung [W] n = Rührerdrehzahl [Umdrehungen/s] T = Rührmoment [Nm]

STOFFVEREINIGEN

E/5

Leistungskennzahl oder Kennzahl von Newton: P Ne = ρ n3d 5 wobei: ρ = Dichte des Mediums [kg/m³] d = Durchmesser des Rührers [m] Die Leistungskennzahl ist abhängig von: dem Rührwerktyp der Ausführungsform des Rührwerks der Ausführung des Rührgefäßes. Zum Beispiel die Anwendung von Schotten. • dem Turbulenzgrad in dem Rührgefäß • • •

Der Turbulenzgrad in dem Rührgefäß wird durch den Wert der Reynoldszahl wiedergegeben. Reynoldszahl bezogen auf den Rührer: ρ nd 2 Re = η wobei: η = dynamische Viskosität [Pa·s] Es gilt: Ne = f (Re) Für Re < 10 gilt: 1 Ne ~ , Re also P = konstant = Ne‘ η n2d 3 Für Re > 2·104 gilt: Ne =

P = konstant. ρ n3d 5

Pumpkapazität von Rührwerken Φp = c·nd³ (m³/s), wobei die Konstante c = f (Re) zusätzlich von der Ausführungsform des Rührers abhängt. Für Re > 104 gilt Tabelle 2.3.

E/6

PROZESSTECHNIK

Tabelle 2.2 Übliche Werte von Ne und Ne‘ für verschiedene Rührwerktypen

Tabelle 2.3 Werte für die Konstante c

Mischzeit in mischbaren Flüssigkeit-Flüssigkeit Systemen Die Mischzeit ist die für das Homogenisieren von zwei mischbaren Flüssigkeiten nötige Zeit. Für Rührer gilt die folgende gute Näherung für die Mischzeit: V tm = 4 ⋅ tc = 4 ⋅ [s] 2⋅Φp wobei: tc = Zirkulationszeit in dem Mischgefäß [s] V = Volumen des Mischgefäßes [m³] Φp = Pumpkapazität des Rührers [m³/s] Für Umpump-Systeme und axiale Strahlrohrmischer mit H = D (Abb. 2.2) gilt die Beziehung von Rácz: ⎛D⎞ t m ⋅ vn = 1,1 ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟ dn ⎝ dn ⎠

2, 75

wobei: vn = Ausströmgeschwindigkeit aus dem Strahlrohr [m/s] dn = Durchmesser der Strahlrohrausströmöffnung [m] D = Durchmesser des zylindrischen Mischgefäßes [m]

STOFFVEREINIGEN

E/7

2.2 Suspendieren Suspendieren ist das Verteilen fester Stoffteilchen in einer Flüssigkeit oder einem Gas. Beziehung von Zwietering: 0,13

0, 45

⎛ mp ⎞ ⎛ ρ − ρl ⎞ ⎟⎟ v 0,1 ⋅ d 0p, 2 ⋅ ⎜⎜ g ⋅ s ⋅ ⎜⎜ ⋅ 100 ⎟⎟ ρl ⎠ ⎝ ⎝ ml ⎠ nmin = C ⋅ 0,85 d nmin = minimal benötigte Rührerdrehzahl, um die festen Stoffteilchen nicht länger als 1 Sekunde auf dem Boden ruhen zu lassen, bevor sie aufgewirbelt werden [Umdrehungen/s] d = Rührerdurchmesser [m] dp = Durchmesser der Feststoffteilchen [m] g = Erdbeschleunigung ρs = Dichte der Feststoffteilchen [kg/m³] ρl = Dichte der Flüssigkeit [kg/m³] v = kinematische Viskosität der Flüssigkeit [m²/s] mp = Masse der Feststoffteilchen [kg] ml = Masse der Flüssigkeit [kg] C = Konstante, abhängig vom Rührertyp, von der Höhe des Rührers über dem Boden und von dem Verhältnis Gefäßdurchmesser/Rührerdurchmesser (Tabelle 2.4)

Tabelle 2.4 Werte für die Konstante C beim Suspendieren

Für das Suspendieren in Strahlrohrmischern gilt die Beziehung von Rácz: ⎛ d 3p ⋅ g (ρ s − ρl ) ρl vmin ⋅ ρl ⋅ d n = 0,4⎜ ⎜ η η2 ⎝ ⎛ dp ⋅ ⎜⎜ ⎝ D

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

−1, 46

⎛h⎞ ⋅⎜ ⎟ ⎝D⎠

− 0, 04

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

0, 4

⎛ ∆ρ ⎞ ⎟⎟ ⋅ ⎜⎜ ⎝ ρl ⎠

⎛d ⎞ ⋅⎜ n ⎟ ⎝D⎠

0, 06

−0,07

⎛ mp ⋅ ⎜⎜ ⎝ ml

⋅ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠

0,3

E/8

PROZESSTECHNIK

wobei: vmin = minimal benötigte Ausströmgeschwindigkeit aus dem Strahlrohr, um die festen Stoffteilchen höchstens 1 Sekunde auf dem Boden ruhen zu lassen, bevor sie aufgewirbelt werden [m/s] dn = Durchmesser der Strahlrohrausströmöffnung [m] D = Durchmesser des Mischgefäßes [m] h = Höhe des Strahlrohrs über dem Boden [m] (Die anderen Symbole sind bei der Beziehung von Zwietering angegeben.) Diese Beziehung gilt für einen runden Boden. Für andere Bodenformen wird vmin größer.

2.3 Dispergieren Um die Kontaktoberfläche zwischen zwei Phasen zu vergrößern, wird eine der Phasen in der anderen mit der Absicht verteilt, den Wärmeund/oder Stofftransport zwischen diesen Phasen zu vergrößern. Für die Stoffübertragung zwischen zwei Phasen gilt: qm = k ⋅ A ⋅ (ce − c ) wobei: qm = übertragene Stoffmenge [kg/s] k = Stoffübertragungskoeffizient [m/s] A = Kontaktoberfläche zwischen den Phasen [m²] ce = Gleichgewichtskonzentration der zu übertragenden Komponente [kg/m³] c = aktuelle Konzentration [kg/m³] Für die gebräuchlichen Flüssigkeits-Gas Kontaktapparate gilt: k ≈ 1,5·10-4 m/s. Der Wert von A hängt stark mit der dissipierten Leistung zusammen; für Flüssigkeit-Gas Systeme gilt: 0,8

A ⎛P⎞ ~⎜ ⎟ V ⎝V ⎠ A wobei: = Kontaktfläche pro Volumeneinheit [m-1] V P = Leistungszufuhr pro Volumeneinheit [W/m³] V

STOFFVEREINIGEN

E/9

Der Wert von (P/V) variiert in der Praxis (aerobe Säuberung von Abfallwasser, Fermentation) zwischen 10 und 8·10³ [W/m³] Der energetische Wirkungsgrad von Gas-Flüssigkeit Kontaktapparaten wird gewöhnlich in kg übertragener Stoff pro zugeführter Energieeinheit ausgedrückt. Für die Übertragung von Sauerstoff in Wasser-Luft Systemen beträgt der Wert ca. 1,5 kg bis 2 kg Sauerstoff pro kWh zugeführter Energie.

2.4 Zerstäuben Für das Zerteilen von Flüssigkeiten in kleine Tröpfchen werden Zerstäuber (Atomiseur) angewendet. Beispiele für Sprühprozesse sind das Aufbringen dünner Schichten (Farben und Lacke), das Sprühtrocknen (Milchpulver) und das Verdüsen (Metallkügelchen). Die Zerstäuber können nach der Energie eingeteilt werden, die beim Zerstäuben verwendet wird (Abb. 2.4): • Einphasen-Druckzerstäuber (arbeitet mit Flüssigkeitsdruck) • Zweiphasen-Druckzerstäuber (arbeitet mit Gasdruck) • Zentrifugal-Zerstäuber (arbeitet mit Zentrifugalkraft) Die für das Zerstäuben theoretisch benötigte Arbeit Wth ist sehr klein und gut proportional zu der Oberfläche der erzeugten Tröpfchen: Wth = σ ⋅ ζ [N·m] wobei: σ = Oberflächenspannung der Flüssigkeit [N/m] ζ = gesamte Tröpfchenoberfläche [m²] Die tatsächlich benötigte Zerstäubungsarbeit ist sicher um den Faktor 100 größer, als dieser theoretische Wert; dies wird durch die Beschleunigung der Flüssigkeit verursacht und durch die Reibungsverluste im Zerstäuber.

E/10

PROZESSTECHNIK

Abb. 2.4 Verschiedene Zerstäubertypen

Einphasen-Zerstäuber Kapazität des Einphasen-Zerstäubers 1 M = π ⋅ D 2 ⋅ f ⋅ 2ρ ⋅ ∆p [kg/s] 4 wobei: M = zerstäubte Flüssigkeitsmenge [kg/s] D = Durchmesser der Zerstäuberöffnung [m] von 0,6·10-3 bis 130·10-3 m f = Reibungsfaktor [-] von 0,6 bis 0,95 ρ = Flüssigkeitsdichte [kg/m³] ∆p = Druckdifferenz am Zerstäuber [N/m²] Benötigte Pumpleistung: M ⋅ ∆p [W] Np = ρ⋅η wobei: η = Pumpenwirkungsgrad [-]

STOFFVEREINIGEN

E/11

Abb. 2.5 Entwurfsdiagramm für einphasige Zerstäuber

Der Durchmesser der Zerstäuberöffnung kann mit Hilfe des Diagramms in Abb. 2.5 bestimmt werden. Aus dem gewünschten Tröpfchendurchmesser d [m], der gewählten Druckdifferenz ∆p [N/m²] und der gegebenen Oberflächenspannung σ [N/m] wird der dimensionslose Druck ∆p* berechnet. In Abb. 2.5 wird nun der Wert des dimensionslosen Durchmessers d* abgelesen, woraus der erforderliche Zerstäuberdurchmesser D [m] berechnet wird. Wenn von einem bestimmten Einphasen-Wasserzerstäubertyp bekannt ist, welche mittlere Tröpfchengröße dieser produziert, dann kann die Tröpfchengröße für eine andere Flüssigkeit wie folgt berechnet werden: 0,5

0, 2

0, 3

⎛µ ⎞ ⎛ρ ⎞ dL ⎛ σL ⎞ ⎟⎟ ⋅ ⎜⎜ L ⎟⎟ ⋅ ⎜⎜ W ⎟⎟ = ⎜⎜ dW ⎝ σW ⎠ ⎝ ρL ⎠ ⎝ µW ⎠ wobei: µ = dynamische Viskosität der Flüssigkeit [Pa·s] σ = Oberflächenspannung der Flüssigkeit [N/m] Index W = Wasser Index L = andere Flüssigkeit

E/12

PROZESSTECHNIK

Zweiphasen-Zerstäuber In Zweiphasen-Zerstäubern wird die für die Zerstäubung benötigte Energie durch die Gasphase geliefert. An Stelle eines Gases kann auch Dampf verwendet werden, der später in dem Prozess kondensiert werden kann. Die Größe der erzeugten Tröpfchen ist nicht einheitlich, sondern variiert zwischen weiten Grenzen (Abb. 2.6). ZweiphasenZerstäuber können gut für das Zerstäuben stark erodierender und viskoser Flüssigkeiten verwendet werden.

Abb. 2.6 Tröpfchendurchmesser als Funktion des Gas/Flüssigkeit-Massenverhältnisses Tabelle 2.5 Gas/Flüssigkeitsverhältnis als Funktion der Gasgeschwindigkeit

Zentrifugen-Zerstäuber Bei Zentrifugen-Zerstäubern liegt der Durchmesser der Zerstäuberscheibe zwischen 0,2·10-2 m und 50·10-2 m, die Umfangsgeschwindigkeit zwischen 30 und 180 m/s. Die Kapazität pro Apparat ist groß,

STOFFVEREINIGEN

E/13

maximal ca. 4000 Liter pro Stunde. Bei sehr niedriger Kapazität werden nahezu monodisperse Teilchen erzeugt: 0,52 σ [m] n D ⋅ρ wobei: n = Drehzahl der Zerstäuberscheibe [Umdrehungen/s] D = Zerstäuberscheibendurchmesser [m] σ = Oberflächenspannung der Flüssigkeit [N/m] ρ = Flüssigkeitsdichte [kg/m³] d=

Bei höheren Kapazitäten werden zunehmend größere Tröpfchen erzeugt (Abb. 2.7). Zentrifugal-Zerstäuber erzeugen größere Tröpfchen als Druckzerstäuber und können keinen genau gerichteten Tröpfchenschwarm erzeugen, es sei denn in einer Ebene rings um die Zerstäuberscheibe. Zentrifugal-Zerstäuber sind sehr geeignet für das Zerstäuben von viskosen Suspensionen, Verstopfung tritt nahezu nicht auf.

Abb. 2.7 Tröpfchendurchmesser als Funktion von Drehzahl und Durchsatz (Zerstäuberscheibendurchmesser: 12,7·10-2 m)

E/14

3

PROZESSTECHNIK

Trennprozesse

Als treibende Kraft von Trennprozessen werden Energie und/oder Konzentrationsunterschiede verwendet. Wesentliche Energiequellen sind hierbei: Mechanische, thermische und chemische Energie. Magnetische und elektrische Energie werden weniger oft verwendet. • • •

Trennprozesse sind zu unterteilen in Prozesse für: Komponententrennung; Phasentrennung; Teilchengrößentrennung.

Unter Komponententrennung wird verstanden, dass eine oder mehrere Komponenten aus einer Phase abgeschieden werden. Oft wird Komponententrennung dort angewendet, wo ein Gas oder eine Flüssigkeit gereinigt wird. Bekannte Prozesse, bei denen Komponententrennung angewandt werden, sind die Trinkwasserbereitung und Abgasreinigung. Beispiele für Komponententrennung sind: • Absorption; • Adsorption; • Ionentausch; • Membrantrennung. Trennprozesse können auch anhand der beteiligten Phasen (Liquid, Solid, Gas) eingeteilt werden. S-L Trennung Beispiele von S-L Trennung sind: • Filtrieren; • Absetzen; • Zentrifugieren. L1-L2 Trennung Beispiele von L1-L2 Trennung sind: • Dekantieren; • Destillieren;

TRENNPROZESSE •

E/15

Extrahieren.

L-G Trennung Beispiel von L-G Trennung ist Ausgasen. Schließlich werden in der festen Phase Teilchen aufgrund der Teilchengröße getrennt. Auf diesem Prinzip beruht das Sieben eines festen Stoffs.

3.1 Übersicht über Trennprozesse In der folgenden Tabelle 3.1 sind die meist vorkommenden Trennprozesse aufgeführt. Die doppelseitige Tabelle gibt auf der linken Seite die Bezeichnung von 26 Trennprozessen an, benennt die zugeführten Stoffarten und die Trennwirkung. Auf der rechten Seite sind die entsprechenden Produktströme aufgeführt, das Trennprinzip und Beispiele für die jeweiligen Prozesse.

E/16

PROZESSTECHNIK

Tabelle 3.1 Übersicht der meist vorkommenden Trennprozesse Verfahren Zulauf Trennmedium Absorption Gas Flüssigkeit

Adsorption

Gas oder Flüssigkeit

Feststoff

Destillation

Flüssigkeit Gas

Wärmeenergie

Verdampfung

Flüssigkeit

Wärmeenergie

Kristallisation

Flüssigkeit

Entzug oder Zufuhr von Wärmeenergie

Strippen

Flüssigkeit

Überkritisches Gas

Schaumtrennung

Flüssigkeit

Strom von aufsteigenden Gasblasen, evtl. oberflächenaktiver Stoff

Extraktion

Flüssigkeit

Flüssigkeit, nicht mischbar mit Zulauf

umgekehrte Osmose

Flüssigkeit

Druckgradient Membran

Ionentausch

Flüssigkeit

Festes Harz

Trocknen

Feuchter Feststoff

Wärmeenergie

TRENNPROZESSE

E/17

Produkte Flüssigkeit Gas

Trennprinzip Unterschiedliche Löslichkeit in der Flüssigkeit

Beispiel Auswaschen von CO2, H2S aus Erdgasen mit Ethanolaminen

Feststoff Flüssigkeit Gas

Unterschiedliche Neigung zur Anlagerung an Grenzflächen

Trocknen mit Zeolithen

Flüssigkeit Dampf

Unterschiede im Dampfdruck. Flüchtigkeiten vergleichbar groß

Ethanol - Wasser

Flüssigkeit, Dampf

Große Unterschiede im Dampfdruck

Eindicken von Fruchtsäften

Flüssigkeit Feststoff

Unterschiede im Gefrierpunkt

Zuckergewinnung aus Lösungen

Flüssigkeit Gas

Unterschied in den Flüchtigkeiten

Entfernen flüchtiger Bestandteile aus Ölen

Zwei Flüssigkeiten

Neigung von oberflächenaktiven Stoffen, sich an der Grenzfläche Gas – Flüssigkeit anzureichern

Flotation von Erzen, Abwasseraufbereitung

Zwei Flüssigkeiten

Unterschiedliche Löslichkeiten in den flüssigen Phasen

Extraktion von Xylol

Zwei Flüssigkeiten

Unterschiedliche Löslichkeiten und Diffusionsgeschwindigkeiten in den Membranen

Meerwasserentsalzung, Abwasseraufbereitung

Flüssigkeit Festes Harz

Chemische Reaktion zwischen Ionen

Enthärten von Wasser

Trockener Feststoff Wasserdampf

Sehr großer Unterschied in der Flüchtigkeit von Feststoff und Wasser. Verdampfen bzw. Verdunsten von Wasser

Entwässern von Lebensmitteln

E/18

PROZESSTECHNIK

Tabelle 3.1 Fortsetzung Verfahren Gefriertrocknen

Zulauf Eis und Feststoff

Trennmedium Wärmeenergie

Gasdiffusion

Gas

Druckgradient

Ultrafiltration

Flüssigkeit mit großen gelösten Molekülen oder Kolloiden

Druckgradient Membran

Elektrodialyse

Flüssigkeit

Elektrisches Feld, anionische und kationische Membranen

Molekulardestillation

Flüssigkeit

Wärmeenergie Vakuum

Desublimieren

Gas

Abfuhr von Wärmeenergie

Zonenschmelzen

Feststoff

Wärmeenergie

Feststoffextraktion

Feststoff

Lösungsmittel

Gasextraktion

Flüssigkeit Feststoff

Überkritisches Gas bei hohem Druck

Extraktive und azeotrope Destillation

Flüssigkeit Gas

Wärmeenergie Flüssigkei

TRENNPROZESSE

E/19

Produkte Trockener Feststoff und Wasserdampf

Trennprinzip Sehr großer Unterschied in der Flüchtigkeit von Feststoff und Wasser. Sublimation von Wasser

Beispiel Entwässern von Lebensmitteln (schonend)

Gase

Unterschied in der Knudsen-Diffusion durch eine poröse Trennfläche

Konzentration von 235UF6 aus natürlichem UF6

Zwei Flüssigkeiten

Unterschiedliche Durchläs- Abwasseraufbereitung, künstliche Niere sigkeit der Membran für verschieden große Moleküle

Flüssigkeiten

Neigung anionischer Membranen, nur Anionen durchzulassen

Flüssigkeit Gas

Unterschiede in der VerTrennung der Vitamin Adampfungsgeschwindigkeit Ester

Feststoff Gas

Entsalzung von Brackwasser

Herstellung von Phthalsäureanhydrid

Feststoff

Unterschiede im Schmelzpunkt

Reinigung von Metallen

Flüssigkeit Feststoff

Unterschiedliche Löslichkeit im Lösungsmittel

Gewinnung von Kupfersulfat aus Erzen

Gas, Flüssigkeit, Feststoff

Unterschied in den Flüchtigkeiten

Entkoffeinieren von Kaffee

Flüssigkeit Gas

Unterschied in der Flüchtigkeit

Gewinnung von Butadien

E/20

PROZESSTECHNIK

3.2 Sedimentation Auf ein kugelförmiges Teilchen mit dem Durchmesser dp, das sich in einem Gas oder einer Flüssigkeit mit der Geschwindigkeit v bewegt, wirkt eine Widerstandskraft Fp: 1 Fp = cw ⋅ A ⋅ ρv 2p 2 wobei: cw = Widerstandskoeffizient [-] A = Oberfläche des Teilchenquerschnitts senkrecht zur Bewegungsrichtung [m²] ρ = Dichte des Fluids [kg/m³] vp = Geschwindigkeitsunterschied zwischen Teilchen und Fluid [m/s] Im stationären Zustand ist diese Widerstandskraft gleich dem scheinbaren Gewicht des Teilchens: π 1 cw ⋅ A ⋅ ρv 2p = ⋅ d 3p ⋅ ∆ρ ⋅ g 2 6 Die Absinkgeschwindigkeit ist daher: 1/ 2

⎛ 4 g ⋅ ∆ρ ⋅ d p ⎞ ⎟ v p = ⎜⎜ ⎟ ⎝ 3ρ ⋅ cw ⎠ wobei: cw = f(Re), Abb. 3.1.

Für die gesamte Sinkgeschwindigkeit eines Teilchenschwarms einheitlicher Teilchengröße gilt die Beziehung von Richardson und Zaki: vz = (1 − Φ )n vp wobei: vz = Sinkgeschwindigkeit des Schwarms [m/s] vp = Sinkgeschwindigkeit des einzelnen Teilchens [m/s] Φ = Volumenanteil der Teilchen n = Exponent = 4,6 für Re < 0,2 und = 2,4 für Re > 500 Bei einem Volumenanteil der Teilchen von 0,01 gilt ein Rückgang von 5% von vz bezüglich vp.

Abb. 3.1 Widerstandskoeffizient cw als Funktion von Re für kugelförmige Körper

TRENNPROZESSE E/21

E/22

PROZESSTECHNIK

Eine wichtige Konstruktion ist der Rundbecken-Eindicker für das Abscheiden von Sedimenten aus Flüssigkeiten, in Gebrauch bei der Wasserreinigung und unter anderem bei der Bergwerkindustrie:

Abb. 3.2 Rundbecken-Eindicker

Die mittlere aufwärtsgerichtete Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Eindicker ist: (ω − ω E )Φ m vauf = F A⋅ρ wobei: ωF = Wassergehalt im Zulauf [kg Wasser / kg Trockenmasse] ωE = Wassergehalt der konzentrierten Suspension [kg Wasser / kg Trockenmasse] Φm = Massestrom des trockenen Stoffs im Zulauf [kg/s] A = Oberfläche der Absinkzone [m²] ρ = Dichte der Flüssigkeit [kg/m³] Um die Teilchen absinken lassen zu können, muss die aufwärtsgerichtete Flüssigkeitsgeschwindigkeit kleiner sein, als die Sinkgeschwindigkeit der Teilchen: (ω − ω E )Φ m vp ≥ F A⋅ρ oder (ω − ω E )Φ m A≥ F vp ⋅ ρ

TRENNPROZESSE

E/23

3.3 Zentrifugieren Für die Sinkgeschwindigkeit in einem Zentrifugalkraftfeld gilt: 1/ 2

⎛ 4rω 2 ⋅ ∆ρ ⋅ d p ⎞ ⎟ v p, c = ⎜ ⎜ ⎟ 3ρ ⋅ cw ⎝ ⎠ wobei: vp,c = Teilchensinkgeschwindigkeit [m/s] r = Zentrifugenradius [m] ω = 2πn = Winkelgeschwindigkeit der Zentrifuge [rad/s] n = Zentrifugendrehzahl [Umdrehungen/s] ∆ρ = Dichteunterschied zwischen zwei Phasen [kg/m³] dp = Durchmesser des sinkenden Teilchens [m] ρ = Dichte der Kontinuumphase (Flüssigkeit oder Gas) [kg/m³]

cw, der Widerstandskoeffizient, ist wieder eine Funktion von Re und kann aus Abb. 3.1 bestimmt werden. Die Zentrifugenkennzahl kc gibt das Verhältnis zwischen dem Zentrifugalkraftfeld und dem Schwerkraftfeld wieder: kc =

r ⋅ ω 2 r ⋅ 4π 2 n 2 = g g

Als Näherung gilt daher: kc = 4r n 2 Tabelle 3.2 Werte von kc für verschiedene Typen von Flüssigkeitszentrifugen Zentrifugentyp max. Durchmesser [m] Drehzahl [Umdrehungen/s] kc Mantelzentrifuge 1,6 10 500 Schalenzentrifuge 0,7 75 7.500 Rohrzentrifuge 0,045 750 50.000

Die mittlere Sedimentationszeit ts für laminare Strömung folgt aus: r2

ts =

dr

∫v

r1

p, c

=

18µ r ⋅ ln 2 r1 ω 2 d 2p ∆ρ

µ = dynamische Viskosität des Filtrats [Pa·s]

E/24

PROZESSTECHNIK

In diese Gleichung ist für cw der Wert

24 eingesetzt (Gesetz von Re

Stokes).

Abb. 3.3 Prinzip der Mantelzentrifuge

Der maximale gereinigte Durchsatz Φv ist dann: V Φ v = [m³/s] ts

(

)

wobei: V = π r22 − r12 ⋅ h = Flüssigkeitsvolumen der Zentrifuge [m³] ts = mittlere Sedimentationszeit

Abb. 3.4 Zwei Ausführungsformen der Schalenzentrifuge. a Selbstentlehrende Trommel; b Trenntrommel mit mittigen Steigkanälen

TRENNPROZESSE

E/25

3.4 Stoffzyklone Hier erfolgt die Trennung unter dem Einfluss einer Zentrifugalkraft, die auf Teilchen in einem rotierenden Fluid wirkt. Dies ist mit einem bestimmten Druckabfall gepaart. Für Luft gilt näherungsweise für diesen Druckabfall: 1 ∆p = K ⋅ ρ v 2 [Pa] 2 wobei: 10 < K < 25 v = Einlassgeschwindigkeit Luft [m/s] ρ = Luftdichte [kg/m³] Stoffteilchen, die größer als ca. 10-5 m sind, können mit einem Stoffzyklon gut abgefangen werden. Der Zyklonparameter gemäß Ebbenhorst-Tengbergen ist: Cy = Cy =

Zentrifugalkraft, die auf das Teilchen wirkt Widerstandskraft, die auf das Teilchen wirkt d 2p ⋅ v ⋅ ρ p

Dc ⋅ ρ ⋅ν wobei: dp = Teilchendurchmesser [m] v = Geschwindigkeit im Einlassstutzen des Zyklon [m/s] ρp = Teilchendichte [kg/m³] Dc = Durchmesser des zylindrischen Zyklonabschnitts [m] ρ = Fluiddichte [kg/m³] ν = kinematische Viskosität des Fluids [m/s]

Für einen Stoffabfang von 99% ist Cy ≈ 1. Die Geschwindigkeit v im Einlassstutzen des Zyklon wird meistens auf 20 m/s eingestellt. Für gegebene Mediumeigenschaften kann aus dem Zyklonparameter di bestimmt werden, wonach mit Hilfe der festgelegten geometrischen Verhältnisse die anderen Abmessungen des Zyklon berechnet werden können (Abb. 3.5).

E/26

PROZESSTECHNIK

Abb. 3.5 Geometrische Verhältnisse eines Stoffzyklon

3.5 Filtration Um einen festen Stoff von einer Flüssigkeit oder einem Gas zu trennen, wird Filtration angewendet. Es sind zwei Arten zu unterscheiden: • Kuchenfiltration, wobei die zu filternden Teilchen über den Poren des Filterstoffs Brücken bilden; • Verstopfungsfiltration, wobei Teilchen die Poren verstopfen.

TRENNPROZESSE • • • • •

E/27

Bei Kuchenfiltration werden folgende Schritte unterschieden: Bilden des Filterkuchens; Entfernen der Flüssigkeit aus dem Filterkuchen; Auswaschen des Filterkuchens; Trocknen des Filterkuchens; Entfernen des Filterkuchens, wonach der Filtrationszyklus aufs neue beginnt. Gesetz von Darcy für die Strömung durch ein poröses Medium: 1 dV ∆p v= ⋅ =K⋅ A dt η⋅l wobei: v = lineare Flüssigkeitsgeschwindigkeit, bezogen auf die gesamte Oberfläche A des Filters [m/s] dV = Flüssigkeitsmenge, die in der Zeit dt durch den Filter strömt [m³] K = Proportionalitätskonstante, genannt Permeabilität [m²] ∆p = Druckunterschied über den Filter [Pa] η = dynamische Viskosität der Flüssigkeit [Pa·s] l = Dicke des Filterkuchens, gemessen in der Strömungsrichtung [m]

Für einen Filterkuchen, bestehend aus kugelförmigen Teilchen, gilt die Beziehung von Közény: v=

ε3 ∆p 1 dV 1 = ⋅ ⋅ d p2 ⋅ 2 A dt 180 (1 − ε ) η⋅l

wobei: ε = Porosität des Filterkuchens (ca. 0,45) dp = Durchmesser der festen Teilchen im Filterkuchen [m]

3.6 Destillation Dampf-Flüssigkeitsgleichgewicht Gesetz von Raoult: Partieller Druck P1 der Komponente 1 in der Dampfphase P1 = x1P1s , P2 = x2 P2s , wobei P1s = gesättigte Dampf-

E/28

PROZESSTECHNIK

spannung und x1 = Molanteil der Komponente 1 in der Flüssigkeitsphase. Bei idealer Dampfphase gilt das Gesetz von Dalton: P1 = y1P, P2 = y2P, wobei P = Gesamtdruck von Dampf/Flüssigkeit. Die Selektivität, womit das Maß der Trennung definiert wird, ist beispielsweise die von Komponente 1 bezüglich Komponente 2 in einem binären Gemisch:

(

)(

)

y1 / y 2 P s x / P / P2s x2 / P = 1 1 = P1s / P2s x1 / x2 x1 / x2 wenn Gas und Flüssigkeiten ideal sind. α12 =

Abweichung vom idealen Verhalten wird durch Einführung des Aktivitätskoeffizienten γv berücksichtigt, im Gesetz von Raoult: P1 = γ1v x1P1s P2 = γ v2 x2 P2s wobei: γ1v x1 = Aktivität von Komponente 1 in der Flüssigkeitsphase Ist die Gasphase ideal, dann gilt mit dem Gesetz von Dalton: y1 P = γ1v x1 P1s und y 2 P = γ v2 x2 P2s . Der Verteilungskoeffizient K1 der Komponente 1 ist das Verhältnis von Dampfphasenkonzentration und Flüssigkeitskonzentration: y1 γ1v P1s = x1 P Dann gilt für die Selektivität oder relative Flüchtigkeit: K1 =

γ1v ⋅ P1s γ v2 ⋅ P2s Aktivitätskoeffizienten können gemäß der Gleichung von Van Laar berechnet werden: α12 =

TRENNPROZESSE ln γ1v

⎞ ⎛ A12 x2 ⎟⎟ = A12 ⎜⎜ ⎝ A12 x1 + A21 x2 ⎠

E/29

2

und 2

⎞ ⎛ A12 x1 ⎟⎟ ln γ v2 = A21 ⎜⎜ ⎝ A12 x1 + A21 x2 ⎠ Die Werte der Konstanten A12 und A21 sind in der Literatur zu finden. Für Mischungen von einzelnen Alkoholen und Wasser sind die Konstanten in Tabelle 3.3 aufgeführt. Tabelle 3.3 Van Laar Konstanten bei p = 760 mm Hg

Die Anzahl theoretischer Stufen, die für eine bestimmte Trennung nötig ist, kann durch folgende verschiedenen Methoden berechnet werden. Methode von McCabe-Thiele Die Massenbilanz über die Einrichtung in Abb. 3.6 lautet: F=D+W und für die Komponente mit der höchsten Flüchtigkeit: z F ⋅ F = x D ⋅ D + xW ⋅ W wobei: F = Zulauf kmol/s mit Molanteil zF D = Destillat kmol/s Spitzenprodukt mit Molanteil xD W = Bodenprodukt kmol/s mit Molanteil xW Die Bilanz über den Oberbereich lautet insgesamt: Vn −1 = Ln + D wobei: Ln = Flüssigkeit, die von der Ebene n kommt Vn-1 = Dampf, der von der Ebene n-1 kommt

E/30

PROZESSTECHNIK

Abb. 3.6 Schematische Vorstellung einer Rektifiziersäule

Für die flüchtigste Komponente folgt: yn −1 ⋅ Vn −1 = xn ⋅ Ln + xD ⋅ D wobei: yn-1 = zusammengesetzter Dampf, der von n-1 kommt xn = zusammengesetzte Flüssigkeit, die von n kommt Dann folgt: y n −1 = xn ⋅

Ln D + xD ⋅ Vn −1 Vn −1

Ebenso gilt für den Bodenbereich, dass insgesamt: Lm = Vm −1 + W und für die flüchtigste Komponente:

TRENNPROZESSE

E/31

xm ⋅ Lm = y m −1 ⋅ Vm −1 + xW ⋅ W oder auch: L W y m −1 = xm ⋅ m − xW ⋅ Vm −1 Vm −1 Unter der Annahme, dass sowohl Flüssigkeits- als auch Dampfstrom innerhalb eines Abschnitts konstant sind, folgt für die Arbeitslinie in dem Oberbereich (Index t): yn −1 = xn ⋅ Lt / Vt + xD ⋅ D / Vt und für den Bodenbereich (Index b) gilt die Arbeitslinie: ym −1 = xm ⋅ Lb / Vb − xW ⋅ W / Vb Dies sind Linien in einem sogenannten (x – y) Diagramm. Die Arbeitslinie des Oberbereichs geht durch den Punkt (xD, yD)mit der Steigung: V −D Lt / Vt = t <1 Vt Die Arbeitslinie des Bodenbereichs ist eine Gerade durch den Punkt (xW, yW) mit der Steigung: V +W Lb / Vb = b >1 Vb

E/32

PROZESSTECHNIK

Abb. 3.7 McCabe-Thiele Diagramm für kontinuierliche Refraktion

Der Zusammensetzung xW folgt y0 auf der Gleichgewichtskurve. Mit Hilfe der Arbeitsliniengleichung folgt x1, oder grafisch durch Schneiden mit der Arbeitslinie. Die Anzahl der Treppen zwischen der Arbeitslinie und der Gleichgewichtslinie wird die Anzahl der theoretischen Stufen genannt. Die thermische Bedingung des Zulaufs bestimmt die Verbindung zwischen der Strömungsverteilung von Oberbereich und Bodenbereich. Es ist ein q-Faktor eingeführt gemäß Lb = Lt + q ⋅ F . Weiterhin gilt: F = Zulauf kmol/s mit Molanteil zF D = Destillat kmol/s Spitzenprodukt mit Molanteil xD W = Bodenprodukt kmol/s mit Molanteil xW Zulauf von gerade siedender Flüssigkeit bezeichnet q = 1.

TRENNPROZESSE

E/33

Zulauf von Dampf am Taupunkt bezeichnet q = 0, daher: q=

nötige Wärme, um 1 Mol Zulauf in gesättigten Dampf umzusetzen Verdampfungswärme pro Mol

Für die Dampfströme gilt das Gleichgewicht: Vt = Vb + (1 − q) F Der q-Faktor wird für die Bestimmung des Arbeitslinienschnittpunkts (xi, yi) gebraucht. Die Ermittlung der q-Linie folgt aus: yiVt = xi Lt + x D ⋅ D ⎫ ⎬ yi ( F − qF ) = − xi ⋅ qF + z F ⋅ F . yiVv = xi Lb − xW ⋅ W ⎭ oder yi = xi

q z − F ist dann der geometrische Ort der q −1 q −1

Schnittpunkte. Rücklaufverhältnis Das interne Rücklaufverhältnis im Oberbereich = Lt/Vt und ist im Bodenbereich = Lb/Vb. Das externe Rücklaufverhältnis R = Lt/D. Der gesamte Rücklauf ist derjenige, wenn aller obenkondensierte Dampf als Rücklauf zurückgeführt wird, also wenn Lt/Vt = 1 oder Lt/D = ∞; so folgt die minimale Anzahl von Stufen bei Arbeitslinien, die mit der Diagonalen zusammenfallen. Fällt der Schnittpunkt der Arbeitslinien auf die Gleichgewichtslinie, dann ist die Trennung zwischen gewünschtem xD und xW für die gegebenen Werte von zF und q theoretisch gerade noch möglich, aber ergibt eine unendliche Anzahl von Stufen.

E/34

PROZESSTECHNIK

Abb. 3.8 Einzelne Situationen für verschiedene q-Linien

Gemittelt gilt, dass der optimale Rücklauf 1,3 mal dem minimalen externen Fluss beträgt. Für eine gepackte Säule gilt: • die Anzahl der theoretischen Gleichgewichtsstufen nennt man N; • H.E.T.P. (Height Equivalent to one Theoretical Plate) ist die Länge einer theoretischen Gleichgewichtsstufe in einer gepackten Säule; • die theoretische Säulenlänge Lc = (H.E.T.P.)·N. Methode von Fenske-Underwood Bei dieser Methode gibt es die folgenden Berechnungsstufen: • Berechnen der minimalen Anzahl theoretischer Stufen Nmin bei unendlich großem externen Rücklaufverhältnis R. • Berechnen des minimalen externen Rücklaufverhältnisses Rmin bei unendlicher Anzahl theoretischer Stufen.

TRENNPROZESSE • •

E/35

Bestimmen des optimalen Rücklaufverhältnisses R0. Berechnen der Anzahl theoretischer Stufen Nth, die für die vorgesehene Trennung nötig sind. Für Nmin gilt die Beziehung von Fenske: ⎡⎛ x ⎞ ⎛ x ⎞ ⎤ log ⎢⎜⎜ L ⎟⎟ ⋅ ⎜⎜ H ⎟⎟ ⎥ ⎣⎢⎝ xH ⎠ D ⎝ xL ⎠ B ⎦⎥ N min + 1 = log α wobei:

⎛ xL ⎜⎜ ⎝ xH

⎞ ⎟⎟ = ⎠D

⎛ xH ⎜⎜ ⎝ xL α

⎞ ⎟⎟ = ⎠B =

das Molanteilverhältnis der leichten zur schweren Schlüsselkomponente im Destillat

das Molanteilverhältnis der schweren zur leichten Schlüsselkomponente im Bodenprodukt (αB⋅αD)1/2 = die mittlere relative Flüchtigkeit zwischen leichter und schwerer Schlüsselkomponente bei Boden- und Spitzentemperatur (für ideale Dampfmischungen ist dies das Verhältnis der reinen Dampfspannungen) Multikomponenten-Systeme muss man auf ein pseudo-binäres System reduzieren, indem man zwei „Schlüsselkomponenten“ wählt. Für das minimale externe Rücklaufverhältnis Rmin gilt die Beziehung von Underwood: α A ⋅ xFA α B ⋅ xFB α C ⋅ x FC + + + ... = 1 − q αA − ϑ αB − ϑ αC − ϑ Aus dieser Gleichung wird die Hilfsgröße ϑ berechnet und in die folgende Beziehung eingeführt: α A ⋅ x DA α B ⋅ x DB α C ⋅ x DC + + + ... = Rmin + 1 αA − ϑ αB − ϑ αC − ϑ woraus Rmin zu berechnen ist. xFA, xFB, xFC,... sind die Molanteile der Komponenten A, B, C im Zulauf F.

E/36

PROZESSTECHNIK

xDA, xDB, xDC,... sind die Molanteile der Komponenten A, B, C im Destillat αA, αB, αC,... sind die Flüchtigkeiten der Komponenten A, B, C bezüglich der schweren Schlüsselkomponente q wurde bereits bei der Methode McCabe-Thiele definiert. Das optimale Rücklaufverhältnis ist eine Funktion der Energiekosten und Investitionskosten. Der Wert des optimalen Rücklaufverhältnisses R0 ist mit Hilfe von Abb. 3.9 zu bestimmen.

Abb. 3.9 Kosten als Funktion des Rücklaufverhältnisses

Der Energiepreis bestimmt daher in erheblichem Maße den Wert von R0. Gebräuchlich ist 1,1 Rmin < R0 <2 Rmin. Schließlich wird die Anzahl der theoretischen Stufen aus der grafischen Beziehung von Gilliland berechnet: ⎛ N th − N min ⎞ ⎛ R − Rmin ⎞ 0,0027 ⎜⎜ ⎟⎟ = 0,5448 − 0,5914⎜⎜ 0 ⎟⎟ + ⎝ N th + 2 ⎠ ⎝ R0 + 1 ⎠ ⎛⎜ R0 − Rmin ⎞⎟ ⎜ R +1 ⎟ 0 ⎝ ⎠ Die Anzahl der Stufen, die in der Säule installiert werden müssen, hängt noch von dem Stufenwirkungsgrad ε ab: N N installiert = th ε

TRENNPROZESSE

E/37

ε ist auf eine verwickelte Art abhängig von den Strömungsumständen auf den Stufen und von den physikalischen Eigenschaften der Dampf-Flüssigkeit Mischung. Für viele Destillations-Prozesse in der Erdöl-Industrie gilt als Näherung ε ≈ 0,7.

3.7

Flüssigkeit-Flüssigkeit Extraktion

Dies ist eine physikalische Arbeitsweise, wobei aus einer Flüssigkeit eine Komponente oder eine Gruppe von Komponenten entfernt wird. Dies geschieht dadurch, dass sich diese Komponenten in einer zweiten Flüssigkeit (Extraktionsmittel) auflösen lassen, die nicht mit der ersten Flüssigkeit mischbar ist und anschließend werden die zwei Flüssigkeiten getrennt. Für ideale Flüssigkeit-Flüssigkeit (L-L) Systeme gilt für den Verteilungskoeffizienten k: C k = EI C RI wobei: CEI = Konzentration der Komponente i in der Extraktphase im Gleichgewichtszustand CRI = Konzentration der Komponente i in der Raffinatphase im Gleichgewichtszustand

Abb. 3.10 Flüssig-Flüssig Extraktionskolonnen. a) Kolonne mit rotierenden Rührelementen (Scheiben, Scheibenturborührer); b) Pulsationskolonne mit schwingender Flüssigkeitssäule. E = Einbauten (Böden, Packungen); K = Pulsationskolben; l.Ph. = leichte Phase; s.Ph. = schwere Phase

E/38

PROZESSTECHNIK

Je größer k für ein gegebenes System ist, desto besser verläuft die Extraktion Die Anzahl benötigter Extraktionsstufen oder theoretischer Stufen ist mit der Beziehung von Kremser zu bestimmen: E N +1 − E E N +1 − 1 wobei: Φ = nicht extrahierter Anteil der Komponente i Φ=

E =k⋅

S = F

Extraktionsfaktor, wird für alle Stufen als konstant unterstellt S = Massenstrom des Extraktionsmittels [kg/s] F = Massenstrom des Zulaufs [kg/s] N = Anzahl der theoretischen Extraktionsstufen Die Anzahl der theoretischen Extraktionsstufen für eine bestimmte Trennung ist wie folgt zu berechnen: • einen bestimmten Anspruch an den nicht extrahierten Anteil der Komponente stellen, die extrahiert werden soll (Φ). • E für einen angenommenen Wert von N berechnen. • Phasenverhältnis berechnen aus E/k = S/F. • Für einen gegebenen Zulaufstrom F die benötigte Menge des Extraktionsmittel S berechnen. • Die Berechnung soweit nötig mit einem anderen Wert von N wiederholen. Bei Apparaturen für Flüssigkeit-Flüssigkeit Extraktion wird meistens das Gegenstrom-Prinzip angewendet. Extraktions-Apparaturen können auf Grundlage des Kraftfelds, das bei der Extraktion einbezogen ist, eingeteilt werden: Schwerkraftfeld • Ohne mechanisches Rühren: • Sprühsäule (1 < N < 2); • Gepackte Säule (Höhe einer theoretischen Stufe ca. 0,3 bis 3 m); • Stufensäule. • Mit mechanischem Rühren:

TRENNPROZESSE

E/39

• Säulen mit rotierenden Rührern, z.B. Rotating Disc Contactor; • Pulsations-Säule: Hin- und hergehende Bewegung der Flüssigkeit oder der Stufen. Zentrifugalfeld • Zentrifugal-Extraktoren (2 < N < 8)

3.8

Kristallisation

Bei Kristallisation wird ein fester Stoff in kristalliner Form als Endprodukt erhalten. Kristallisation kann aus der Gasphase (Reif) ausgeführt werden, aus einer Schmelze (Schmelzkristallisation) und aus einer Lösung (Abb. 3.11 und 3.12).

Abb. 3.11 Temperatur/Konzentrationsdiagramm

E/40

PROZESSTECHNIK

Abb. 3.12 Lösbarkeit einzelner fester Stoffe in Wasser als Funktion der Temperatur

Für das Entstehen von Kristallen ist stets eine bestimmte Übersättigung nötig. Wenn aber bereits Kristallisationskerne anwesend sind, ist die benötigte Übersättigung kleiner als bei Abwesenheit von Kristallisationskernen, da erst Kernbildung aus der Lösung auftreten müssen. Die Flüssigkeit, die nach der Kristallisation übrigbleibt, wird Mutterlauge genannt. Die Wachstumsgeschwindigkeit der Kristalle hängt ab von: • dem Maß der Übersättigung (treibende Kraft); • der Größe der Kontaktoberfläche zwischen Kristall und Mutterlauge; • der spezifischen Stofftransportgeschwindigkeit aus der Mutterlauge zu dem Teilchen; • der Abfuhr der Kristallisationswärme von dem Teilchen zu der Mutterlauge.

TRENNPROZESSE

E/41

Mit Hilfe von Kristallisation aus einer Lösung können die folgenden Stoffe in sauberer Form gewonnen werden: • NaCl • Na2CO3 x 10 H2O • Na2SO4 x 5 H2O • Na2HPO4 x 12 H2O • Na3PO4 • KCl • KHCO3 • Zucker • MgSO4 x 7 H2O • CuSO4 x 5 H2O • BaSO4 • PbSO4 Klassifikation von Kristallisatoren Kristallisatoren können nach der Art unterschieden werden, wie eine Übersättigung der Lösung erreicht wird: • Verdampfer-Kristallisator: Übersättigung durch Verdampfen des Lösungsmittels bei konstanter Temperatur. • Kühl-Kristallisator: Übersättigung durch indirekte Kühlung über eine Wand mit Hilfe eines Kühlmittels. • Vakuum-Kristallisator: Übersättigung durch direkte Kühlung über Verdampfen unter Vakuum. • Präzipitation-Kristallisator: Übersättigung durch Zufügen anderer Stoffe. Verdampfer-Kristallisator Die Konzentration der Lösung wird durch Verdampfen des Lösungsmittels erhöht, wobei Kernbildung und Kristallwachstum auftreten. Die Kristalle werden abgeschieden (Absetzen, Filtern, Zyklonieren) und gewaschen. Diese Methode wird vor allem für große Mengen angewendet (hunderte Tonnen pro Tag) und für Stoffe, der Lösbarkeit keine starke Abhängigkeit von der Temperatur aufweist (z.B. NaCl). Bei den Apparaten wird unterschieden zwischen Apparaten mit erzwungener Zirkulation (Abb. 3.13) und mit natürlicher Zirkulation.

E/42

PROZESSTECHNIK

Abb. 3.13 Verdampfer-Kristallisator mit erzwungener Zirkulation

Kühl-Kristallisator Die Übersättigung wird hier über die Kühlung der Lösung erreicht (z.B. KNO3). Bei den Apparaten unterscheidet man: • Apparate ohne Ankrustungen an der Wand: Hier darf der Temperaturunterschied zwischen Lösung und Kühlmittel nicht mehr als 2,5°C betragen. Das bedeutet, dass sehr große Kühloberflächen nötig sind (Abb. 3.14). • Apparate mit Kristallniederschlag auf den Wänden: Hier darf der Temperaturunterschied zwischen Lösung und Kühlmittel 10°C bis 15°C betragen. Diese Apparate müssen aber immer mit einer Schabeeinrichtung ausgerüstet sein, um die geformten Kristalle von der Kühlwand zu beseitigen. Die Produktkapazität ist hier erheblich niedrig; der maximale Wärmestrom pro Apparat ist ca. 50 kW (Abb.3.15).

TRENNPROZESSE

E/43

Abb. 3.14 Kühl-Kristallisator mit rotierenden Kühlelementen

Abb. 3.15 Kühl-Kristallisator mit rotierenden Schabern längs der Kühlwand

Vakuum-Kristallisator Die Übersättigung wird hier über zwei Mechanismen erreicht: Über Verdampfung des Lösungsmittels und die damit in Verbindung stehende Temperaturabsenkung. Es kann auch alleine Abkühlung durch das Verdampfen einer niedrig-siedenden Komponente erreicht werden, die der Lösung zugemischt wurde. Die Produktionskapazität dieser Apparate kann sehr niedrig bis sehr hoch sein. Sie sind aufwendiger und brauchen höhere Investitionen, als der indirekte KühlKristallisator (Abb. 3.16).

E/44

PROZESSTECHNIK

Abb. 3.16 Vakuum-Kristallisator mit intern und extern erzwungener Zirkulation

Präzipitation-Kristallisator In bestimmten Fällen kann Übersättigung der Lösung durch Zufügen von anderen Stoffen erreicht werden. Hierdurch wird die Lösbarkeit des auszukristallisierenden Stoffes erniedrigt (z.B. bei der Produktion von PbSO4 und BaSO4). Diesen Vorgang nennt man PräzipitationKristallisation.

Abb. 3.17 Präzipitation-Kristallisator

VERWEILZEITSTREUUNG

E/45

4 Verweilzeitstreuung Das gute Funktionieren eines Apparats wird durch Verweilzeitstreuung nachteilig beeinflusst indem: • Teilchen sich einer Behandlung entziehen können (Fall eines schnelleren Durchlaufs); oder • unnötig lange (Fall von Verzögerung) behandelt werden. Wird τ, die gemittelte Verweilzeit, definiert als Apparatevolumen V und t ist die Durchlaufzeit eines Teilτ= = Volumendurchsatz qv chens, dann ist ϑ = t/τ die dimensionslose Zeit.

4.1 Verweilzeitverteilung Die I-Funktion (Internal-age-distribution) Diese Funktion gibt die Verteilung in dem Apparat, wobei die Funktion I(ϑ) in Abb. 4.1 gegeben ist.

Abb. 4.1 Beispiel einer I-Funktion

Von ϑ = 0 bis ϑ = dϑ strömt daher ein Volumen ein gleich Vdϑ qv ⋅ dt = ⋅ qv . qv Der Volumenanteil zwischen ϑ = 0 und ϑ = dϑ ist dann ⎛ Vdϑ ⎞ ⎟ qv ⎜⎜ qv ⎟⎠ ⎝ = dϑ , daher I(ϑ) =1. I (ϑ)dϑ = V

E/46

PROZESSTECHNIK

Die E-Funktion (Exit-age-distribution) Diese Funktion gibt die Verweilzeitverteilung am Ausgang an, wobei E(ϑ)dϑ derjenige Volumenanteil des seit ϑ = 0 eingelaufenen Fluids ist, der eine Verweilzeit zwischen ϑ und ϑ + dϑ im Apparat erlebt hat.

Abb. 4.2 Beispiel einer E-Funktion

Die F-Funktion Hierbei ist F(ϑ1) der Volumenanteil des abgehenden Stromes, der ϑ1

kürzer als ϑ1 im Apparat verblieb und daher gleich ist

∫ E (ϑ)dϑ . 0

Nun ist außerdem F(ϑ) = 1 - I(ϑ), daher ϑ

∫

F = 1 − I = E (ϑ)dϑ und E = 0

dF −dI = dϑ dϑ

Abb. 4.3 Beispiel einer F-Funktion und grafische Kontrolle davon: O1 = O2

VERWEILZEITSTREUUNG

E/47

4.2 Beispiele Perfekte Mischung Hierfür gilt die Massenbilanz: c dc V ⋅ 0 = qv (ci − c0 ) daher F = 1 − 0 = 1 − e − t / τ = 1 − e − ϑ ci dt wobei: V = Mischervolumen c0 = Anfangskonzentration im Mischer ci = Konzentration des einströmenden Mediums qv = Volumenstrom

Abb. 4.4 I-, F- und E-Funktion bei perfekter Mischung

Homogene Strömung Hierbei ist die Verweilzeit gleich der mittleren Verweilzeit, sodass: F=0 0 ≤ ϑ <1 F=1 ϑ≥1

Abb. 4.5 I-, F- und E-Funktion bei homogener Strömung

Reihe von N perfekten Mischern F (ϑ) = 1 − e − ϑ

N −1

ϑk

∑ k! k =0

E/48

PROZESSTECHNIK

Durch Differenzieren erhält man: ⎛ ϑ N −1 ⎞ ⎟ und σ 2 = 1 E (ϑ) = N N e − Nϑ ⎜⎜ ⎟ ( ) N 1 ! − N ⎠ ⎝ wobei: σ = Standardabweichung

Abb. 4.6 Reihe von perfekten Mischern. N = Anzahl der kontinuierlichen Idealkessel

Homogene Strömung mit axialer Mischung Ein Maß für die Mischung im Rohr ist die Zahl von Péclet: V ⋅ CA V ⋅L konvektive Transportkomponente , Pé = ≅ x = x dispersive Transportkomponente DE ⎛C ⎞ DE ⎜ A ⎟ ⎝ L ⎠ wobei: DE = Dispersionskoeffizient in Strömungsrichtung, folgt aus der Massenbilanz in x-Richtung: ∂C A ∂C A ∂ 2C A + Vx = DE ∂t ∂x ∂x 2 〈Vx〉 = mittlere Geschwindigkeit über dem Rohrquerschnitt [m/s] CA = Konzentration der Komponente A L = Rohrlänge

Die Beziehung zwischen der Standardabweichung σ und der gemittelten Verweilzeit τ lautet: 2

2 ⎛σ⎞ {Pé − 1 + exp(− Pé )} ⎜ ⎟ = 2 τ Pé ⎝ ⎠

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

F

F/1

Elektrotechnik und Elektronik

1

Elektrizitätslehre, Seite F/2 1.1 Elektrostatik, Seite F/2 1.2 Elektrodynamik, Stromleitung, Seite F/5 1.3 Wechselstrom, Seite F/7 1.4 Magnetostatik (äußere Ströme = 0), Seite F/15 1.5 Elektromagnetisches Feld, Seite F/17 1.6 Gleichungen von Maxwell, Seite F/21

2

Elektro-Installationstechnik, Seite F/23 2.1 Elektrische Maschinen, Seite F/23 2.2 Elektrische Leiter, Seite F/48 2.3 Installationstechnik, Seite F/98 2.4 Beleuchtungstechnik, Seite F/119 2.5 Elektrotechnisches Zeichnen, Seite F/124 2.6 Elektromechanische Bauteile – Relais, Seite F/130

3

Elektronik, Seite F/137 3.1 Passive Komponenten, Seite F/138 3.2 Halbleiterkomponenten, Seite F/166 3.3 Netzwerktheorie, Seite F/192 3.4 Vierpol- und Zweitorschaltungen, Seite F/197 3.5 Filter, Seite F/202 3.6 Verstärker, Seite F/214 3.7 Radiotechnik, Seite F/227 3.8 Elektronische Versorgungsapparaturen, Seite F/236 3.9 Rauschen, Seite F/238 3.10 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Seite F/239 3.11 Produkt-Sicherheit, Seite F/245 3.12 Laser, Seite F/259

F/2

1

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Elektrizitätslehre

1.1 Elektrostatik Ladung Für die Kraft F [N] zwischen zwei Punktladungen Q1 und Q2 [C] mit dem Abstand r [m] gilt: 1 Q1Q2 (Gesetz von Coulomb) F= 4πε r 2 wobei: ε = ε0εr = dielektrische Konstante (Permittivität) εr = relative Permittivität; dessen Wert wird durch das Medium bestimmt. In Vakuum: εr =1. Kraft auf eine Ladung Q in einem homogenen elektrischen Feld E: F = E ⋅ Q [N] Feldstärke Rund um eine Punktladung Q ist die Feldstärke im Abstand r: 1 Q [V/m] E= ⋅ 4πε r 2 Erster Hauptsatz: Längs einer geschlossenen Kurve gilt:

∫ E ⋅ ds = 0 Potenzial: Zwischen den Punkten A und B herrscht im Feld E ein Potenzialunterschied (oder Spannung): V A − VB =

∫

B

A

E ⋅ ds = U AB [V]

Potenzial im Abstand r von der Ladung Q: V =

1 Q ⋅ 4πε r

ELEKTRIZITÄTSLEHRE

F/3

Zweiter Hauptsatz: Das Oberflächenintegral der Normalkomponente Dn der dielektrischen Verschiebung ist gleich der gesamten eingeschlossenen Ladung:

∫∫ D dA = ∑ Q = Ψ n

(Satz von Gauss)

Ψ = elektrischer Fluss [C] D = Ψ/A = εE = dielektrische Verschiebung = Flussdichte [C/m²] D = ε0E + P wobei: P = Polarisation = ε0(εr - 1)E = ε0χE χ = ε r – 1 = elektrische Suszeptibilität (= Polarisierbarkeit) Kapazität: C =

Q idt = U U

∫

Ebener Kondensator

: C=

εA Plattenfläche: A [m²] d Plattenabstand: d [m]

Ebener Kondensator A d1 / ε1 + d 2 / ε 2 Kugel-Kondensator : C = 2πεD DD Konzentrische Kugeln : C = 2πε 1 2 D2 − D1

mit zwei Medien

: C=

Koaxiale Zylinder

: C=

Parallele zylindrische Leiter: πεl C= ln ⎡⎢d / D + (d / D )2 − 1 ⎤⎥ ⎣ ⎦ πεl ≈ (für d >> D) ln(d / D )

2πεl ln D2 / D1 Abb. 1.1 Koaxialer Zylinder

Abb. 1.2 Parallele zylindrische Leiter

F/4

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Energieinhalt eines Kondensators: 1 1 W = CU 2 = QU [J] 2 2 Energiedicht in homogenem elektrischen Feld: 1 1 w = E ⋅ D = εE 2 [J/m³] 2 2 Kraft zwischen den Platten eines ebenen Kondensators: 1 1 F = E ⋅ D ⋅ A = Q ⋅ E [N] 2 2 Parallelschaltung von Kondensatoren: Cp = C1 + C2 + ... Serienschaltung von Kondensatoren: 1/Cs = 1/C1 + 1/C2 + ... Elektrischer Dipol: Zwei gegensätzliche Ladungen +Q und –Q im gegenseitigen Abstand l. Elektrisches Dipolmoment: p = |Q|⋅l [C⋅m]

ELEKTRIZITÄTSLEHRE

1.2 Elektrodynamik, Stromleitung Strom: I =

dQ [A] dt

Stromdichte: J =

I [A/m²] A

Gesetz von Ohm: spezifisch: J = γ ⋅ E -

in U, I und R: U = I ⋅ R, I = in U, I und G: I = G ⋅ U wobei:

U U , R= I R

l [Ω] A ρ = spezifischer Widerstand [Ω⋅m] G = Leitfähigkeit = 1/R [S] γ = spezifische Leitung = 1/ρ [S/m] γ = n− ⋅ µ − ⋅ q− + n+ ⋅ µ + ⋅ q+

R = Widerstand des Leiters = ρ

n = Anzahl der Teilchen pro m³ q = Teilchenladung [C] µ = Beweglichkeit der Teilchen [m²/(V⋅s)] Index -: negativ geladene Teilchen Index +: positiv geladene Teilchen In Metallen gibt es nur Elektronen mit der Ladung –e. Temperaturkoeffizient α des spezifischen Widerstands: 1 dρ α= ρ dt Temperaturabhängigkeit des Widerstands: R2 = R1 (1 + α∆T ) Serienschaltung von n Widerständen: Rs =

n

∑R

i

i =1

F/5

F/6

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Parallelschaltung von n Widerständen: G p =

n

∑G

i

i =1

1 = Rp

n

1

∑R i =1

i

Wärmeentwicklung im Leiter mit dem Widerstand R:

∫

∫

Energie

W = U ⋅ I ⋅ dt = P ⋅ dt

Leistung

P = U ⋅ I = I 2R =

U2 R

oder

ELEKTRIZITÄTSLEHRE

1.3 Wechselstrom Tabelle 1.1 gibt eine Übersicht der Begriffe. Effektiver Wert einer periodischen Größe a(t)

(

)

1 T

Definition: A = Aeff =

∫

T

0

a(t ) 2 dt =

1 2π

∫

2π

0

a(t ) 2 d (ωt )

Gemittelter Wert einer periodischen Größe a(t) 1 T 1 2π a(t ) 2 dt = a(t ) 2 d (ωt ) Definition: Agem = 2π 0 T 0

∫

∫

Formfaktor effektiverWert gemitteltenWert Für sinusförmige Spannung oder Strom: π F= ≈ 1,11 2 2

Definition: F =

Leistung Wirksame Leistung Scheinleistung Blindleistung

P = U⋅I⋅cos ϕ (cos ϕ = Arbeitsfaktor) S = U⋅I Q = U⋅I⋅sin ϕ

Drehstrom Sternschaltung

U1 = U f 3

Dreieckschaltung U1 = U f Leistung

I1 = I f I1 = I f 3

P = 3U f ⋅ I f ⋅ cos ϕ = 3U1 ⋅ I1 ⋅ cos ϕ

Wobei: U1 = Leitungsspannung I1 = Leitungsstrom

Uf = Phasenspannung If = Phasenstrom

F/7

F/8

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 1.1 Komplexe Rechnung mit Effektivwerten im Wechselstromkreis

ELEKTRIZITÄTSLEHRE

F/9

Tabelle 1.2 Bauelemente ohmscher Widerstand R, Induktivität L und Kapazität C im Wechselstromkreis

F/10

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 1.3 Reihenschaltung der Bauelemente

Tabelle 1.4 Parallelschaltung der Bauelemente

ELEKTRIZITÄTSLEHRE F/11

F/12

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 1.5 Kenngrößen elektrischer Signale

ELEKTRIZITÄTSLEHRE Tabelle 1.6 Forurier-Reihen Kurvenform

Fourier-Reihe

F/13

F/14

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 1.6 (Fortsetzung) Kurvenform

Fourier-Reihe

ELEKTRIZITÄTSLEHRE

F/15

1.4 Magnetostatik (äußere Ströme = 0) 1. Hauptsatz: Für die magnetische Feldstärke, integriert längs einer geschlossenen Kurve s gilt:

∫H

s

⋅ ds = 0

2. Hauptsatz: Für die magnetische Induktion, integriert über eine geschlossene Oberfläche A gilt:

∫∫ B

n

⋅ dA = 0

Magnetischer Fluss durch die Oberfläche A:

∫

Φ A = Bn ⋅ dA [Wb] A

Für ein homogenes Feld: Φ = B ⋅ A wenn B⊥A Magnetische Induktion B = µH [T] µ = µ0µr = Permeabilität µr = relative Permeabilität Auch: B = µ0Hu + J wobei: Hu = äußerlich angelegte Feldstärke [A/m] J = Bi = magnetische Polarisation J = B − µ 0 H = µ 0 κH u = µ 0 M M = κH u = Magnetisation κ = µ r − 1 = magnetische Suszeptibilität (auch χm) Magnetisches Moment (elektromagnetisches Strommoment) Ein Magnet hat ein magnetisches Moment m wenn die Wirkung auf den Magneten in einem Feld mit der Induktion B ebenso groß ist, wie die Wirkung, die eine Leiterschleife mit dem Strom I und der Oberfläche A in diesem Feld erfährt: m = A ⋅ I [A⋅m²] (Regel von Weber)

F/16

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Magnetisches Dipolmoment: j = µ 0 ⋅ m [N⋅m²/A] Kraft zwischen zwei Magnetpolen: ΦΦ (Gesetz von Coulomb für Magnetpole) F = 1 22 [N] 4πµr wobei: Φ1, Φ2 = Flüsse, durch die Pole 1 und 2 austretend r = Abstand zwischen den punktförmigen Polen µ = Permeabilität des dazwischenliegenden Mediums Magnetostatische Energie: 1 Wm = H ⋅ BdV [J] 2

∫

V

wobei: V = Volumen. In dem ein homogenes magnetisches Feld herrscht.

ELEKTRIZITÄTSLEHRE

1.5 Elektromagnetisches Feld Tabelle 1.7 Analogie des elektrischen und des magnetischen Feldes

1. Hauptsatz wird nun:

∫ H ds = ∫ J ⋅ dA = ∑ I s

(Gesetz von Ampère)

A

Magnetisches Feld infolge eines Stroms durch einen Leiter: Ids sin α dH = 4πr 2 (Formel von Laplace)

Abb. 1.3 Stromleiter

F/17

F/18

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

dH ⊥ Fläche durch ds und P, der Korkenzieherregel folgend, drehend in Richtung von I nach r (positiv von ds nach P). In Vektorform: Ids × r dH = 4πr 3 Für unendlich lange gerade Leiter gilt: I [A/m] (Gesetz von Biot und Savart) H= 2πr Feldstärke im Mittelpunkt eines kreisförmigen Leiters (Radius R): I H (M ) = 2R Feldstärke auf der Kreisachse außerhalb eines kreisförmigen Leiters (Abb. 1.4): I Abb. 1.4 Kreisförmiger sin 3 β H ( P) = Leiter 2R Feldstärke in einer kurzen Spule mit N Windungen und der Länge l (Abb. 1.5): NI (cos β1 + cos β2 ) H ( P) = 2l Abb. 1.5 Kurze Spule Kraft auf einen Stromleiter in einem magnetischen Feld mit der Induktion B (Abb. 1.6): dF = (Ids ) ⋅ B ⋅ sin α oder dF = Ids × B dF⊥Ids und B (rechtsdrehendes System) Für einen geraden Stromfaden mit der Abb. 1.6 Kraft auf Stromleiter Länge l ⊥ magnetischen Feld B gilt: F = I ⋅ l ⋅ B oder F = ( I × B ) ⋅ l . Kraft zwischen zwei parallelen Stromleitern, Länge l, Abstand r: I ⋅I F = µ 1 2 ⋅ l [N] 2πr Lorentzkraft = Kraft auf eine sich mit der Geschwindigkeit v bewegenden Ladung q in einem homogenen Feld B: F = B ⋅ v ⋅ q ⋅ sin α oder F = qv × B .

ELEKTRIZITÄTSLEHRE

F/19

Induktionsgesetz von Faraday Wenn in N Windungen derselbe Fluss Φ enthalten ist: dΦ [V] Ei = − N dt (Minuszeichen gemäß dem Gesetz von Lenz) Selbstinduktion L Die Selbstinduktion einer Spule ist der gekuppelte Fluss pro Stromeinheit: ( NΦ ) 1 L= =− Edt [H] i I dI EL = − L dt Für ein sehr langes dünnes Solenoid und ein dünnes Toroid (Ringkern) ist:

∑

∫

N2A l Ringkern mit Luftspalt (Eisen-Weglänge l, Luftspalt d): L=µ

L = µ0

N2A N 2A ≈ µ0 l / µr + d d

N2 l wobei: Rm = µA Rm Gesetz von Hopkinson: U Rm = m = magnetischer Widerstand (= Reluktanz) [H-1] Φ U m = NI = magnetische Spannung [A] Energie in einer Spule mit Selbstinduktion L: 1 1 Allgemein: Wm = Φ(N ⋅ I ) = Φ ⋅ U m [J] 2 2 1 wm = B ⋅ H [J/m³] 2

Allgemein gilt: L =

∑

F/20

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 L ⋅ I 2 [J] 2 1 wm = µH 2 [J/m³] 2

Konstantes µ: Wm =

Gegeninduktion M Infolge einer Stromänderung in einer gekoppelten Spule wird eine Spannung erzeugt: dI Φ E2 = M 1 = 21 dt dt M = Φ 21 / I = gekoppelter Fluss pro Stromeinheit M = k L1L2 wobei k = Koppelfaktor

ELEKTRIZITÄTSLEHRE

F/21

1.6 Maxwellsche Gleichungen Tabelle 1.8 Maxwellsche Gleichungen für das elektrische und magnetische Feld

wobei:

H = Komponente der magnetischen Feldstärke H längs der Kurve s j = Stromdichte dA= Flächenelement, durch die der elektrische oder magnetische Fluss strömt D = Verschiebungsdichte (D= ε E) ε = Dielektrizitätskonstante, Permittivität ε = ε 0 ε r ( ε 0 = elektrische Feldkonstante = 8,854 10-12) [(As)/(Vm)]

F/22

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

ε r = Permittivitätszahl (relative Dielektrizitätszahl) Q = elektrische Ladung E = elektrische Feldstärke P = elektrische Polarisation (P= ε 0 χ e )

χ e = elektrische Suszeptibilität ( χ r = ( ε r -1)) κ = elektrische Leitfähigkeit ( κ = 1 / ρ ) B = magnetische Induktion, Flussdichte µ = µ 0 µ r = Permeabilität

µ 0 = magnetische Feldkonstante ( µ 0 = 4π 10-7)[(Vs)/(Am)] µ r = Permeabilitätszahl J = magnetische Polarisation (J = ( µ r -1)B0) χ m = magnetische Suszeptibilität ( χ m = ( µ r -1)) Q = elektrische Ladung innerhalb A v = Geschwindigkeit der Elektronen Der Poyntingvektor (S) wird wie folgt definiert: dW = S n ⋅ dA P= dt S ist das Vektorprodukt von E und H: S = E × H

∫∫

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

2

F/23

Elektro- und Installationstechnik

Abb. 2.1 Übersicht über elektrische Maschinen, Generatoren und Motoren

2.1 Elektrische Maschinen

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 2.1 (Fortsetzung)

F/24

F/25

Abb. 2.1 (Fortsetzung)

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 2.1 (Fortsetzung)

F/26

F/27

Abb. 2.1 (Fortsetzung)

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

F/28

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

(Norm DIN EN 60034 „Drehende elektrische Maschinen“). Generatoren und Motoren, allgemein Für Generatoren und Motoren werden die zulässigen Abweichungen von Spannung und Frequenz und die Kombination von beiden in Abb. 2.2 grafisch wiedergegeben.

Abb. 2.2 Grenzwerte von Spannung und Frequenz für Generatoren (a) und Motoren (b)

In Zone A muss die Maschine kontinuierlich ihre hauptsächliche Funktion erfüllen. Es werden hierbei keine Forderungen an die vollständigen Eigenschaften sowie durch die Kennwerte gestellt. In Zone B muss die Maschine ihre hauptsächliche Funktion erfüllen. Langdauernder Verbleib an der Außengrenze von Zone B wird nicht empfohlen. Pa Wirkungsgrad von Generatoren: η = ⋅ 100% Pa + V P −V Wirkungsgrad von Motoren: η = 0 ⋅ 100% P0 wobei: Pa = abgegebene Leistung P0 = aufgenommene Leistung V = Verlust

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

F/29

Tabelle 2.1 Zulässige Temperaturerhöhung und Temperaturgrenzen (Umgebungstemperatur ≤ 40°C auf einer Höhe ≤ 1.000 m über dem Meeresspiegel)

Die Kennwerte werden bei einer sicheren Betriebsart bestimmt, unterteilt in: S1 (kontinuierlicher Betrieb), S2 (kurzzeitiger Betrieb), S3 bis S8 (periodischer Betrieb) und S9 (nicht-periodischer Betrieb). Ohne Angabe gilt die Betriebsart S1. Gemäß Abb. 2.3 unterscheidet man vier Betriebsarten, je nach Richtung des Stromes I bzw. des erzeugten Drehmomentes M oder der Polarität der Spannung bzw. der Richtung der Drehzahl n.

Abb. 2.3 Vierquadrantenbetrieb des Motors bzw. des Generators

F/30

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Gleichstrommaschinen 2πn ⎞ p⋅z ⎛ E = c ⋅ Φ ⋅ ω⎜ = c ⋅ Φ ⋅ c= ⎟ 60 2 πa ⎝ ⎠ E = elektromotorische Kraft (EMK) [V] Φ = Fluss des magnetischen Feldes [Wb] oder [V⋅s] ω = Ankerdrehgeschwindigkeit [rad/s] p = Anzahl der Polpaare des Feldes z = Anzahl der effektiven Anker 2a = Anzahl der effektiven Ankerzweige Generator Klemmenspannung: Ua = E - Ia⋅Ra Motor Motorspannung: Ua = E + Ia⋅Ra Innerliches Moment: T = c⋅Φ ⋅Ia Theoretisch abgegebene Leistung: P = Ia⋅E Ankerverluste: Pva = Ia²⋅Ra Weiter sind da noch: • Eisenverluste, Bestände aus Hysterese- und Wirbelstromverlusten; • Reibungsverluste; • Ventilationsverluste. Hystereseverluste: Ph = σ h ⋅ f ⋅ B1,6 [W/kg] Wechselstromverluste: Pw = σ w ⋅ (∆ ⋅ f ⋅ B )2 [W/kg] wobei: ∆ = Plattendicke [mm] σh ≈ 0,01 σw = 0,001 bis 0,003

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

Abb. 2.4 Nebenschluss- und Reihenschlussmaschine (Klemmenbezeichnung Tabelle 2.2) Tabelle 2.2 Klemmenbezeichnungen bei Gleichstrommaschinen (Abb. 2.4)

F/31

F/32

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Wechsel- und Drehstrommaschinen Synchronmaschinen p⋅n Frequenz: f = [Hz] 60 60 ⋅ f [Umdrehungen/min] Synchrondrehzahl: ns = p wobei: p = Anzahl der Polpaare n = Drehzahl [Umdrehungen/min] E = 4,44 ⋅ f ⋅ f w ⋅ N ⋅ Φ m [V] wobei: E = effektiver Wert der induzierten Spannung [V] N = Anzahl der Wicklungen pro Phase Φm = maximaler Wert der Induktion fw = Wickelfaktor = fk⋅fz 1 fk = Sehnenfaktor = sin Ws 2 Ws = Spulenweite in elektrischen Radien fk = 1 für Durchmesserwicklung Ws = π, fk < 1 für Sehnenwicklung Ws = < π, sin (π / 2m ) fz = Zonenfaktor = π / 2m m = Phasenanzahl (m = 1: fz = 0,64; m = 3: fz = 0,95)

Asynchronmotoren (Indizes: r = Rotor; s = Stator) = (1 − s )ns [Umdrehungen/min] Rotordrehzahl: nr Relativer Schlupf: s = Schlupf in %/100 0 < s ≤ 1 Frequenz der Rotorspannung: fr = s⋅fs [Hz] Drehgeschwindigkeit = s⋅ωs [rad/s] des Rotordrehfelds: ωr Rotorphasenspannung: Er

= s⋅Es = I r ⋅ Rr2 + X r2 [V]

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK Rotorphasenstrom:

Ir

= Er / Rr2 + X r2 [A]

Rotorreaktanz (bei Stillstand): Rotorreaktanz:

Xra Xr

= 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ Lr [Ω] = s⋅ Xra [Ω]

F/33

Kippmoment oder maximales Moment Tk Schlupf bei Kippmoment oder Kippschlupf sk

=

3 p E s2 ⋅ [N ⋅ m] ω s 2 X ra

=

Rr X ra

Elektromagnetisches Moment

Te

=

Momentendrehzahlkurve

2Tk 3 p 2 Rr ⋅ Ir ⋅ = [ N ⋅ m] s sk / s + s / s k ωs

T

= f (n)

(Abb. 2.5)

Abb. 2.5 Moment und Stromstärke als Funktion der Drehzahl

F/34

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Motorleistung, Moment und Anlaufzeit von Kurzschlussankermotoren P P Tn = 0,974 w ≈ w nn n s J ⋅ nn2 91,2 ⋅ Pw wobei: Tn = nominales Moment [N⋅m] Pw = Leistung [W] nn = Drehzahl bei Volllast [Umdrehungen/min] ns = Drehfelddrehzahl (synchrone Drehzahl) [Umdrehungen/min] J = Massenträgheitsmoment von Motor und angetriebenem Werkzeug, umgerechnet auf die Motorachse [kg⋅m²] ta = Motoranlaufzeit bei einem beschleunigenden Moment gleich dem nominalen Moment [s] ta =

Das beschleunigende Moment ist gleich dem Motormoment T (Abb. 2.5), vermindert um das Gegenmoment Tw, verursacht durch das angetriebene Werkzeug. Zur Umrechnung eines Massenträgheitsmoments J2 auf einer Achse mit einer Drehfrequenz n2 zu einem Massenträgheitsmoment J1 auf einer Achse mit einer Drehfrequenz n1 gilt: 2

⎛n ⎞ J1 = ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⋅ J 2 ⎝ n1 ⎠ Tabelle 2.3a Anlaufstrom und Anlaufmoment von Drehstrommotoren

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

F/35

Stromstärke bei Motoren und Generatoren Pw Wechselstrommotoren: I= U1 ⋅ cos ϕ ⋅ η Pw Drehstrommotoren: I= 3 ⋅ U1 ⋅ cos ϕ ⋅ η Pva Drehstromgeneratoren: I= 3 ⋅ U1 0,636 ⋅ Pw Schleifringmotoren: Ir ≈ Ur I = Stromstärke [A] Ir = Rotorstromstärke [A] Pw = Leistung [W] Pva = Leistung [VA] U1 = Spannung zwischen zwei Phasen; Leiterspannung [V] Ur = Rotorspannung [V] η = Wirkungsgrad In einem symmetrischen Dreiphasensystem folgen die Spannungen und Ströme der einzelnen Phasen jeweils in einer Zeit von ⅓ Periode aufeinander, d.h. mit einem Phasenwinkel von 120°.

F/36

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 2.6 Schaltarten mit Spannungen und Strömen, Zeigerdiagrammen und Definitionen

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

F/37

Tabelle 2.3b Leistungsdaten und Einsatzgebiete von Standard-Asynchronmaschinen

Tabelle 2.3c Übersicht über leistungselektronische Umrichter/Wechselrichter

F/38

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.3d Definition der Spannungen und Ströme eines Drehstrom-Verbrauchers

Tabelle 2.4 Vergleich der Schaltarten a Stern und Dreieck; Prinzip

b Stern-Dreieck-Anlauf im europäischen DS-Netz

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

F/39

Tabelle 2.4 (Fortsetzung) c Beispiel für einen Nennbetrieb für beide Schaltarten

Kondensatormotoren Der Stator dieser Motoren besteht aus einer Haupt- und einer Hilfswicklung (Abb. 2.7). In Serie mit der Hilfswicklung wird ein Kondensator geschaltet, wodurch ein Drehfeld geformt wird. Kapazität des Betriebskondensators: P ⋅ 10 6 C= 2π ⋅ f ⋅ 2 ⋅ U 2 ⋅ η ⋅ n wobei: C = Kapazität [µF] P = abgegebene Leistung [W] f = Frequenz [Hz] U = Spannung [V] η = Wirkungsgrad Windungszahl der Hauptwicklung n= Windungszahl der Hilfswicklung Ein Betriebskondensator bleibt kontinuierlich eingeschaltet. Ein Anlaufkondensator wird nach dem Anlaufen des Motors mit einem Zentrifugalschalter ausgeschaltet. Die Kombination eines Betriebsund Anlaufkondensators kommt vor.

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 2.7 Kondensatormotor

Abb. 2.8 Drehstrommotor auf Einphasennetz

Es ist auch möglich, einen Drehstrommotor mit Hilfe eines Kondensators auf ein Einphasennetz zu schalten. Diese SteinmetzSchaltung (siehe Abbildung 2.8) wird durch Parallelschaltung des Betriebs- und/oder Anlaufkondensators mit einer Phasenwicklung erreicht. Kapazität des Betriebskondensators: P ⋅ 106 C= 2π ⋅ f ⋅ 0,87 ⋅ U 2 ⋅ η Die gebräuchliche Dreieckschaltung bei Motoren ergibt einen Anlaufstrom beim Umschalten von Stern und Dreieck, der durch die Anwendung der sogenannten verbesserten Dreieckschaltung ansehnlich verkleinert werden kann (Abb. 2.9).

Abb. 2.9 Gebräuchliche Dreieckschaltung (a) und verbesserte Dreieckschaltung (b)

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.5a Genormte Anschluss-Kennzeichnungen am Klemmenbrett von Asynchronmaschinen

Tabelle 2.5b Anschlussmöglichkeiten der Drehstrom-Asynchronmaschine

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Umschaltbare Motoren Dies sind Drehstrommotoren, die für zwei oder mehr Drehzahlen geeignet sind. Dabei werden die Statorstränge mit marktgängigen Stern-Dreieck-Umschaltern umgeschaltet. Der Motor wird aus dem Stillstand zum Anlassen in die Sternschaltung geschaltet. Nach der ersten Hochlaufphase wird auf die Dreieck-Schaltung umgeschaltet, die im allgemeinen die Nennbetriebsschaltung der Maschine ist.

Abb. 2.10 Stern-Dreieck-Umschalter

Vergleich statischer und dynamischer Betrieb Im statischen Betrieb herrscht ein Gleichgewichtszustand, d. h., Antriebsmoment und Lastmoment sind gleich groß und konstant. Die Winkelbeschleunigung bzw. die Linearbeschleunigung der Massen ist Null. Im Gegensatz dazu sind im dynamischen Betrieb die Antriebs- und Lastmomente ungleich. Das Differenzenmoment beschleunigt oder verzögert die Massen so lange, bis beide Momente gleich groß sind und der statische Betrieb läuft.

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.5c Vergleich des statischen und des dynamischen Betriebes

Um Integrationsmöglichkeiten international zu ermöglichen, sind bestimmte Bauformen standardisiert.

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.5d International standardisierte Maschinen-Bauformen nach DIN IEC 23-7

Um Mensch und Maschine vor Schaden zu bewahren, müssen Schutzarten nach DIN VDE 0530 berücksichtigt werden.

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK Tabelle 2.5e Schutzarten

Transformatoren E = 4,44 ⋅ f ⋅ N ⋅ Φ m wobei: E = induzierte Spannung [V] f = Frequenz [Hz] N = Anzahl der Wicklungen Φm = maximaler Wert der Induktion [Wb] oder [V·s] u

= Transformationsverhältnis =

E1 N1 = E2 N 2

E1 ⋅ I1 = E2 ⋅ I 2

Uk = Kurzschlussspannung = I1 ⋅ Z k U Ik = Kurzschlussstrom = 1 Zk Ps = Kurzschlussleistung = U k ⋅ I k (nominale Kupferverluste)

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Voraussetzungen für die Parallelschaltung von Drehstromtransformatoren • Gleiches Transformationsverhältnis bei Nullast. Als Toleranz wird maximal zugelassen der kleinste Wert von: • 1/200 des Transformationsverhältnisses; • 1/10 der Kurzschlussspannung in %. • Zu derselben Schaltgruppe gehörend. Die Wicklungen können in Stern, Dreieck oder Zickzack geschaltet werden. Die Bezeichnungen hierfür sind entsprechend: • Hochspannungswicklung: Y, D, Z • Niederspannungswicklung: y, d, z Wenn der Sternpunkt als Anschlussklemme ausgeführt ist, wird der Index „n“ hinzugefügt. Die Bezeichnung wird weiterhin noch mit der Uhrzahl oder Kennzahl ergänzt. Die Uhr- oder Kennzahl ist gleich der Stunde, die der kleine Zeiger einer Uhr angibt; der große Zeiger steht dabei auf 12. Der große Zeiger steht für den Spannungsvektor zwischen dem wirklichen oder fiktiven Sternpunkt und der Phasenklemme der Hochspannungswicklung. Der kleine Zeiger deutet den Spannungsvektor der entsprechenden Niederspannungswicklung an (Abb. 2.11). Die Schaltungen können in vier Gruppen unterteilt werden. Transformatoren, die zu derselben Schaltgruppe gehören, können ohne weitere Maßnahmen parallel geschaltet werden (Siehe Tabelle 2.13). • Gleiche Kurzschlussspannung. Die Kurzschlussspannungen dürfen nicht mehr als plus und minus 10% von der gemittelten Kurzschlussspannung der parallelgeschalteten Transformatoren abweichen.

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Abb. 2.11 Uhrzahl oder Kennzahl Tabelle 2.6a Schaltgruppen und Uhrzahlen

Energietransformatoren (ölgefüllt) Leistungen [kVA]: 50 – 100 – 160 – (200) –250 – (315) – 400 – 630 – 1.000 – (1.250) – 1.600. Spannung [V]: • Hochspannung 11.000 – 10.750 – 10.500 – 10.250 – 10.000 (durch Verteilerschalter). • Niederspannung 420 (bei Hochspannung 10.500 und Nulllast). Schaltung: Dyn 5 (Dyn 7 bis Dyn 11) Kurzschlussspannung: ≤ 630 kVA = 4%; > 630 kVA = 6%.

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.6b Leistung, Verlust, Masse, Schallpegel von Normtransformatoren

Gleichrichter Tabelle 2.7 Werte von Ug /U für verschiedene Gleichrichterschaltungen

2.2 Elektrische Leiter Berechnungen Leitungsberechnungen Der zulässige Spannungsverlust zwischen dem Beginn einer Installation (z.B. Stelle der Messeinrichtung bei Anschluss an das öffentliche Netz) und den Anschlusspunkten darf bei normalem Betrieb nicht mehr als 5% der nominalen Spannung betragen.

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK Tabelle 2.8 Erforderliche Leitungsquerschnitte A [mm²]

Stern/Dreieck-Transformation R Widerstand. G Leitwert

Dreieck/Stern-Transformation

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Widerstand von Leitern Widerstand von Leitern bei bestimmten Temperaturen ⎡ ⎤ 1 ⋅ (t − 20 )⎥ Rt = R20 ⋅ ⎢1 + β + 20 ⎣ ⎦ wobei: Rt = Widerstand bei einer Temperatur von t °C [Ω] R20 = Widerstand bei 20 °C [Ω] β = Reziprokwert des Temperaturkoeffizienten des Leitermaterials bei 0 °C [°C] βKupfer = 234,5 °C, βAluminium = 228 °C, βStahl = 202 °C t = Temperatur [°C] Kapazität von Leitern Drehstromluftleitungen: Dreiadrige Drehstromkabel: C=

0,0242 a log r

0,0482

C = εr log

2

( (

3a ⋅ D 2 − a 2 d 2 ⋅ D6 − a6

) )

3

wobei: C = Kapazität [µF/km/Phase] εr = relative dielektrische Konstante a = Durchmesser des Kreises der Mittellinien der Adern [mm] D = Innendurchmesser des Bleimantels [mm] d = Aderdurchmesser [mm] r = 0,5 d = Radius der Ader [mm] Selbstinduktion von Drehstromluftleitungen 1⎛ a⎞ L = ⎜ 0,1 + 0,92 log ⎟ 2⎝ r⎠ wobei: L = Selbstinduktion [mH/km] a = Abstand Mittellinie zu Mittellinie [mm] r = Radius der Adern [mm] Wellenwiderstand: Z = L / C Fortpflanzungsgeschwindigkeit der laufenden Welle: v = 1 / L ⋅ C

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Durchhang von Drähten (Spannleitungen) G ⋅ a2 0,8 p wobei: D = Durchhang [m] G = Masse des Drahtes für 1 m und 1mm² [kg] a = Spannweite [m] p = zulässige Zugspannung des Leiters [N/mm²] D=

Zulässiger Strom in Leitungen Bei der Zusammenstellung dieses Paragrafen wurde von den Normen Gebrauch gemacht. Die zwei Normenreihen für unterschiedliche Arten von Isolationsmaterialien sind: • Reihe DIN VDE 0281 für Polyvinylchlorid-isolierte Leitungen • Reihe DIN VDE 0282 für Gummi-isolierte Leitungen jeweils im Nenn-Spannungsbereich bis 450/750 V. Der zulässige Strom kann sowohl durch Berechnung bestimmt werden, als auch mit Hilfe der Tabellen 2.9 bis 2. 21. Die folgenden Stufen müssen durchlaufen werden, um den höchstzulässigen Strom von Leitungen zu bestimmen: • Bestimme in Tabelle 2.9 , Spalte 1, die Nummer der ins Auge gefassten Installationsmethode. • Überprüfe in Tabelle 2.10, ob die geplante Installationsmethode in Bezug auf die Umstände zugelassen ist. • Um den höchstzulässigen Strom zu erhalten: • Bestimme anhand von Tabelle 2.9, Spalten 3 bis 7, welche anderen Tabellen zu Rate gezogen werden müssen, um den zulässigen Strom zu bestimmen. • Bestimme ebenfalls anhand von Tabelle 2.9, Spalten 8 und 9, welche anderen Tabellen für die Reduktionsfaktoren zu Rate gezogen werden müssen. Folgende Kodierungen werden verwendet, um die Bestimmungen und Erläuterungen nach ihrer Quelle zu unterscheiden: CLC übereinstimmend mit dem CENELEC Harmonisierungsdokument. IEC

übereinstimmend mit der IEC Norm

Tabelle 2.9 Übersicht über Installationsmethoden, um zugehörige Ströme bestimmen zu können

Für Anmerkungen in Tabelle 2.9 siehe Seite F/63 und F/64

F/52 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.9 (Fortsetzung)

F/54

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.9 (Fortsetzung)

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.9 (Fortsetzung)

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.9 (Fortsetzung)

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.9 (Fortsetzung)

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.9 (Fortsetzung)

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.10 Installation von Leitungssystemen

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK F/65

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.11a Zulässiger Strom [A], Kabel mit PVC-Isolationsmaterial und zwei belasteten Adern

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.11b Zulässiger Strom [A], Kabel mit XLPE- oder EPR-Isolationsmaterial und zwei belasteten Adern

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.11c Zulässiger Strom [A], Kabel mit PVC-Isolationsmaterial und drei belasteten Adern

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

F/69

Tabelle 2.11d Zulässiger Strom [A], Kabel mit XLPE- oder EPR-Isolationsmaterial und drei belasteten Adern

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.11e Zulässiger Strom [A], berührbare Kabel mit mineralischem Isolationsmaterial und Kupferkern

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.11f Zulässiger Strom [A], nicht berührbare Kabel mit mineralischem Isolationsmaterial und Kupferkern

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.11g Zulässiger Strom [A], berührbare Kabel mit mineralischem Isolationsmaterial in freier Luft

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.11h Zulässiger Strom [A], nicht berührbare Kabel mit mineralischem Isolationsmaterial in freier Luft

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.11i Zulässiger Strom [A] für Kupferkabel mit PVC-Isolationsmaterial in freier Luft

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.11j Zulässiger Strom [A] für Aluminiumkabel mit PVC-Isolationsmaterial in freier Luft

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.11k Zulässiger Strom [A] für Kupferkabel mit XLPE- oder EPRIsolationsmaterial in freier Luft

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.11l Zulässiger Strom [A] für Aluminiumkabel mit XLPE- oder EPRIsolationsmaterial in freier Luft

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.12a Reduktionsfaktoren für Luft (T ≠ 30 °C) und Grund (T ≠ 20 °C)

Tabelle 2.12b Reduktionsfaktoren für Grund mit einem Wärmewiderstandskoeffizienten ≠ 2m·K/W

Tabelle 2.13a Reduktionsfaktoren für Ansammlungen, die aus mehr als einem Stromkreis bestehen oder aus mehr als einem mehradrigen Kabel

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK F/79

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.13b Reduktionsfaktoren für mehr als einen Stromkreis mit direkt in den Grund gelegten Kabeln

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

F/81

Tabelle 2.13c Reduktionsfaktoren für mehr als einen Stromkreis mit einem Kabel pro in den Grund gelegten Schacht (ein mehradriges Kabel pro Schacht)

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.13d Reduktionsfaktoren für mehr als einen Stromkreis mit einem Kabel pro in den Grund gelegten Schacht (ein einadriges Kabel pro Schacht)

Tabelle 2.13 e Reduktionsfaktoren für Ansammlungen, die aus mehr, als einem mehradrigen Kabel in freier Luft bestehen

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK F/83

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.13 e (Fortsetzung) 1)

2)

Die Reduktionsfaktoren gelten nur, wenn der vertikale Abstand zwischen den Kabelbahnen mindestens 300 mm beträgt und der horizontale Abstand zwischen Kabelbahnen und Wand mindestens 20 mm ist. Für kleinere Abstände müssen kleinere Reduktionsfaktoren gewählt werden. Die Reduktionsfaktoren gelten für Kabelbahnen, die Rücken an Rücken mit einem gegenseitigen Abstand von mindestens 225 mm angebracht sind. Wenn dieser Abstand kleiner ist, müssen die Reduktionsfaktoren vermindert werden.

Die angegebenen Reduktionsfaktoren sind gemittelte Werte, die sich auf alle Kernquerschnitte und Kabeltypen beziehen, wie sie in den Tabellen 2.11g bis 2.11l angegeben sind. Die Genauigkeit der Reduktionsfaktoren beträgt ± 5%. Die Reduktionsfaktoren gelten nur für Ansammlungen von Kabeln, die in einer Lage angebracht sind. Sie sind nicht auf Kabel anzuwenden, die in mehr als einer Lage angebracht sind, wobei die Lagen einander berühren. Tabelle 2.13.f Reduktionsfaktoren für mehr als einen Stromkreis, bestehend aus einer Ansammlung einadriger Kabel1)6)

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

F/85

Tabelle 2.13f (Fortsetzung)

1) 2)

3)

4) 5) 6) 7)

Die angegebenen Reduktionsfaktoren gelten nicht für Kabel in mehr als einer Lage, wenn die Lagen einander berühren. Die Reduktionsfaktoren gelten nur, wenn der vertikale Abstand zwischen den Kabelbahnen mindestens 300 mm beträgt und der horizontale Abstand zwischen Kabelbahnen und Wand mindestens 20 mm ist. Für kleinere Abstände müssen kleinere Reduktionsfaktoren gewählt werden. Die Reduktionsfaktoren gelten für Kabelbahnen, die Rücken an Rücken mit einem gegenseitigen Abstand von mindestens 225 mm angebracht sind. Wenn dieser Abstand kleiner ist, müssen die Reduktionsfaktoren vermindert werden. Installationsmethode Tabelle 2.9, Nr. 15 Installationsmethode Tabelle 2.9, Nr. 16, 17, 18 Die Berechnung basiert auf dem zulässigen Strom für einen Stromkreis, der aus einer Ansammlung einadriger Kabel in freier Luft besteht. Wenn in einem Stromkreis n Kabel pro Phase parallel genutzt werden, muss der Stromkreis als eine Ansammlung von n Kreisen angesehen werden, die jeweils aus drei einadrigen Kabeln bestehen.

Die angegebenen Reduktionsfaktoren sind gemittelte Werte, die sich auf alle Kernquerschnitte und Kabeltypen beziehen, wie sie in den Tabellen 2.11g bis 2.11l angegeben sind. Die Genauigkeit der Reduktionsfaktoren beträgt ± 5%. Tabelle 2.14 Reduktionsfaktoren für höhere Harmonische in vier- oder fünfadrigen Kabeln

Tabelle 2.15a Maximale Länge [m] von gegen Kurzschluss gesicherten mehradrigen Leitungen

F/86 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.15a (Fortsetzung)

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.15b Maximale Länge [m] von gegen Kurzschluss gesicherten mehradrigen Leitungen

F/88 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.15b (Fortsetzung)

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

F/89

Tabelle 2.15c Maximale Länge [m] von gegen Erdschluss gesicherten mehradrigen Leitungen

F/90 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.15c (Fortsetzung)

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

F/91

F/92

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.16 Minimale Kernquerschnitte von Leitungen

Tabelle 2.17 Verbindung zwischen dem nominalen Kernquerschnitt A von Phasen- oder Polleitungen und APEmin der zugehörigen Abschirmleitungen

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.18a Zulässiger Strom [A] für biegsame Leitungen1)

Tabelle 2.18b Zulässiger Strom [A] für schwere biegsame Leitungen mit Gummiisolationsmaterial

Tabelle 2.18c Zulässiger Strom [A] für Hilfsstromleitungen für Grundinstallationsmethoden B1, B2, C, D und E

F/94 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.18d Zulässiger Strom [A] für biegsame Hilfsstromleitungen1)

Tabelle 2.19 Reduktionsfaktoren für biegsame Leitungen für andere Lufttemperaturen als 30 °C.

F/96

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.20 Minimalwerte für den nominalen Kernquerschnitt AN [mm²] des Nullleiters.

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.21 Verbindung zwischen IB [A], Iz [A] und In [A]1)

1)

IB ist der Entwurfsstrom eines Stromkreises, Iz ist der zulässige Strom der Leitung und In ist der nominale Strom der Schmelzsicherung.

F/98

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

2.3 Installationstechnik Vorschriften Die Anforderungen, die elektrische Starkstrominstallationen erfüllen müssen, sind in verschiedenen Veröffentlichungen festgelegt, die nach folgender Struktur entstehen: Die gesamte Normung auf dem Gebiet der Elektro- und Kommunikationstechnik wird von der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE wahrgenommen. Sie betreut über 6.500 DIN-Normen (davon rund 1.800 elektrotechnische Sicherheitsnormen, die – zusätzlich als VDE-Bestimmungen gekennzeichnet – das VDE-Vorschriftenwerk bilden). Insgesamt ist dies ein Normenwerk, das zu über 85% mit den europäischen Normen von CENELEC und ETSI sowie den internationalen Normen der IEC harmonisiert ist Die DKE ist als Normenausschuss ein Organ des DIN. Gleichzeitig ist die DKE der im VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik und Informationstechnik e.V. zuständige Geschäftsbereich für die Erarbeitung des VDE-Vorschriftenwerkes. Sie wird vom VDE getragen. Die Arbeitsergebnisse der DKE werden als DIN-Normen veröffentlicht; diese werden zusätzlich als VDE-Bestimmungen gekennzeichnet, wenn sie Festlegungen zur Abwendung von Gefahren für Menschen, Tiere und Sachen enthalten, die sich aus der Anwendung des elektrischen Stromes ergeben. DIN-Normen, die zugleich VDEBestimmungen oder VDE-Leitlinien sind, werden als DIN-VDENormen herausgegeben. Leitungsarten Die Normen für Kabel und Leitungen bestehen aus zwei Normenreihen, die für unterschiedliche Arten der Isolationsmaterialien von kabeln und Leitungen Gelten: Reihe DIN VDE 0281 für Polyvinylchlorid-isolierte Leitungen Reihe DIN VDE 0282 für Gummi-isolierte Starkstromleitungen jeweils im Nennspannungsbereich bis 450/750 V. Das System für die Typkurzzeichen von isolierten Leitungen ist in DIN VDE 0292 festgelegt, mit der das CENELEC-Harmonisierungsdokument HD 361S3 übernommen wurde.

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Die Kennzeichnung von Kabeln und Leitungen ist in den Normen der Reihen DIN VDE 0281 und DIN VDE 0282 übereinstimmend festgelegt: Ursprungskennzeichnung Leitungen müssen eine Ursprungskennzeichnung haben, die entweder aus dem Herstellerkennfaden oder einer fortlaufenden Kennzeichnung mit Firmennamen oder Firmenzeichen oder (sofern warenrechtlich geschützt) einer Identifizierungsnummer besteht. Die Kennzeichnung kann nach folgenden drei Möglichkeiten erfolgen: a) bedrucktes Band in der Leitung; b) Bedruckung, erhabene Prägung oder Tiefprägung der Isolierhülle auf wenigstens einer Ader (wenn vorhanden, auf der hellblauen Ader); c) Bedruckung, erhabene Prägung oder Tiefprägung des Mantels, wenn vorhanden. Kennzeichnung von Wendelleitungen Wendelleitungen müssen ein zusätzliches Ursprungskennzeichen haben, aus dem der Wendler hervorgeht. Dieses muss einer der folgenden Möglichkeiten entsprechen: 1) Als zusätzliches klar erkennbares, erhaben geprägtes Zeichen auf dem ausziehbaren Teil, ungeachtet irgendwelcher Weiterverarbeitung, wie z.B. das Anspritzen eines Steckers. 2) Als zusätzlich aufgespritztes Zeichen an gleicher Stelle wie in Ziffer 1). 3) Durch das Aufbringen einer Markierungstülle mit einer klaren und dauerhaften Kennzeichnung, die bei bestimmungsgemäßer Anwendung erkennbar bleiben muss und bei der Weiterbearbeitung nicht entfernt werden darf. 4) Zusätzliches Bedrucken der Leitungsenden, unter der Voraussetzung, dass die Kennzeichnung durch nachfolgende Bearbeitung nicht ausgelöscht werden darf und bei bestimmungsgemäßer Anwendung erkennbar bleibt.

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Kennzeichenfolge Jedes festgelegte Kennzeichen gilt als fortlaufend, wenn der Abstand zwischen dem Ende eines Kennzeichens und dem Anfang des nächsten identischen Kennzeichens die folgenden Werte nicht überschreitet: 1) 550 mm, wenn sich die Kennzeichnung auf der Manteloberfläche befindet. 2) 275 mm, wenn sich die Kennzeichnung befindet: a) auf der Isolierhülle einer Leitung ohne Mantel; b) auf der Isolierhülle einer Leitung mit Mantel; c) auf einem Band in einer Leitung mit Mantel. Diese Anforderung gilt nicht für die oben beschriebene zusätzliche Kennzeichnung von Wendelleitungen. Die Normen der Reihe DIN VDE 0281 gelten für Leitungen für feste Verlegung und flexible Leitungen mit Isolierhülle und, sofern vorhanden, Mantel aus Kunststoff auf der Basis von Polyvinylchlorid und mit Nennspannungen U0/U bis 450/750 V für Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen bis 450/750 V. In gleicher Weise gelten die Normen der Reihe DIN VDE 0282 für Kabel mit einem Mantel, sofern vorhanden, aus vulkanisiertem Gummi. Halogenfreie Kabel Polyvinylchlorid (PVC) als Aderisolation und auch als Ummantelung von Kabeln enthält halogenhaltige Materialien, die bei Brand verzögernd wirken. Hierbei kommen aber schädliche Gase frei. Für Sonderfälle, z.B. Off-Shore und Marine-Anwendungen, sind daher Mantelkabel aus halogenfreiem Acrylgummi entwickelt, die in hohem Maße selbstdämmend sind und bei Verbrennung sehr wenig schädliche Gase freigeben. Um im Brandfall wenig korrosive Gase und wenig Rauch zu entwickeln, sind als Isolier- und Mantelwerkstoffe auch vernetzte und thermoplastische Polyolefin-Mischungen im Einsatz. Um die verwirrende Situation länderspezifischer Kodierungen zu beenden, hat CENELEC ein universales Kodierungssystem für Leitungen ausgearbeitet.

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Draht- und Aderfarben von Starkstromleitungen Es sind die im Folgenden aufgeführten Farben vorgeschrieben. Für isolierte Drähte und Adern: - Grün-Gelb : für PE-, PU-, PEN- und Erdeleitungen. - Hellblau : für Null. - Braun : für Phasendrähte und –adern. - Schwarz : für Schaltdrähte und –adern, sowie für Phaseadern. Bei Hilfsstromleitungen können die Farben auch wie folgt sein (gilt nicht für Zwillingsdrähte und Banddrähte): • - Grün-Gelb : für PE- und PU-Leitungen • •

Schwarz mit durchlaufender Nummerierung eine einzelne Farbe, vorausgesetzt nicht Gelb, Grün oder Hellblau

⎫ ⎪ ⎬ für übrige Adern ⎪ ⎭

Mehradrige Leitung wird nur in bestimmten Farbkombinationen zusammengestellt (Tabelle 2.22)

b Kennzeichnung der Adern in mehr- und vieladrigen Kabeln und Leitungen für feste Verlegung 1)4)

a Kennzeichnung der Adern in mehr- und vieladrigen Leitungen 1)

Tabelle 2.22 Aderkennzeichnung von Starkstromkabeln und isolierten Starkstromleitungen mit Nennspannungen bis 1.000 V (DIN VDE 0293)

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK F/103

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Anzahl Drähte pro Rohr, Anschlüsse und Versorgungen Tabelle 2.23 Maximale Anzahl von Drähten, die in einem PVC-Installationsrohr eingebracht werden dürfen; für flexibles Rohr gelten die Zahlen in Klammern1)

Für 16 mm Rohr sind unter anderem folgende Kombinationen zugelassen, mit den Zahlen für flexibles Rohr in Klammern: 3 (3) x 2,5 mm² + 2 (1) x 1,5 mm² 2 (2) x 2,5 mm² + 3 (2) x 1,5 mm²

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.24 Minimale Anzahl Wandsteckdosen für allgemeinen Gebrauch und Lichtanschlusspunkte für Wohnungen, Wohnwagen und Wohnschiffe1)

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.25 Versorgung von elektrischen Geräten

Schutzgrade (IP-Bezeichnungen) Tabelle 2.26 gibt die Einteilung von Schutzgraden für Umhüllungen von elektrischem Material. Die Bezeichnung besteht aus den Buchstaben IP (International Protection) gefolgt von zwei Ziffern.

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK Tabelle 2.26 Schutzgrade gegen äußere Einflüsse von Objekten und Wasser

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.27 Schutzklassen

Schutzklassen Für elektrisches Material gibt es eine Einteilung in Schutzklassen, wie in Tabelle 2.27 angegeben. Kurzschlussströme Bei einem Kurzschließen soll der in diesem Augenblick fließende Betriebsstrom (In) über einen Ausgleichsstrom in einen symmetrischen Kurzschlussstrom ( I k′′ ) übergehen. Die Werte von I k′′ und dem Ausgleichsstrom sind abhängig von dem Augenblick, in dem der Kurzschluss stattfindet und von der Impedanz (Z) des kurzgeschlossenen Kreises. Kurzschließen während des Nulldurchgangs von In hat einen symmetrischen Kurzschlussstrom zur Folge (Abb. 2.12). Bei kurzschließen zwischen Nulldurchgang und maximalem Wert von In soll der symmetrische Kurzschlussstrom erst über einen asymmetrischen Kurzschlussstrom erreicht werden (Abb. 2.13). Der Faktor A gibt die Gleichstromkomponente wieder. Das Verhältnis zwischen dem maximalen Wert des Kurzschlussstroms, dem Stoßkurzschlussstrom Is, und I k′′ wird der Stoßfaktor (x) genannt.

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

F/109

Abb. 2.12 Kurzschließen bei Nulldurchgang

Abb. 2.13 Kurzschließen zwischen Nulldurchgang und maximalem Wert

I s = x ⋅ 2 ⋅ I k′′ ⎛R⎞ x = f ⎜ ⎟ wobei 1 ≤ x ≤ 2 (Abb. 2.14). ⎝X⎠

Abb. 2.14 Stoßfaktor x

Der Stoßfaktor kann gleichzeitig angenähert werden durch die Formel x ≈ 1,02 + 0,98 ⋅ e −3⋅ R / X

F/110

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Für die Berechnung von I k′′ in einem Drehstromnetz gilt: U I k′′ = Z= R2 + X2 3⋅Z wobei: U = nominale Leiterspannung bezüglich Kurzschluss [V] Z = Netzimpedanz des kurzgeschlossenen Kreises [mΩ/Phase] I k′′ = symmetrischer Kurzschlussstrom [kA]

∑

∑

Bei gegebenen Kurzschlussleistung (Psk) und Arbeitsfaktor des Kurzschlusskreises gilt an der Stelle der stromliefernden Energiequelle: 1,1U 2 R = Z ⋅ cos ϕ X = Z ⋅ sin ϕ Psk Die Impedanz von Leitungen, Kabeln, Schienen und dergleichen können aus den Angaben der Hersteller bestimmt werden. Die gefundenen Werte für R und X müssen zu der nominalen Leiterspannung im Kurzschlussfall wie folgt zurückgeführt werden: Z≈

2

2

⎛U ⎞ ⎛U ⎞ R2 = R1 ⎜⎜ 2 ⎟⎟ X 2 = X 1 ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝ U1 ⎠ ⎝ U1 ⎠ Für einen Transformator gilt pro Phase: U ⋅U 2 U ⋅U 2 U ⋅U 2 Z= k R= r X = x 100 ⋅ Ps 100 ⋅ Ps 100 ⋅ Ps Pcu ⋅ 100 U x = U k2 − U r2 Ps wobei: Z = Impedanz des Transformators pro Phase [mΩ] U = nominale Leiterspannung auf der Sekundärseite des Transformators [V] Uk = Kurzschlussspannung des Transformators in % von U Ur = Widerstandsspannung des Transformators in % von U Ux = Reaktanzspannung des Transformators in % von U Ps = scheinbare Transformatorleistung [kVA] Pcu = Kupferverluste des Transformators bei Volllast [kW] Ur =

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

F/111

Sicherung durch Schmelzsysteme Abb. 2.15 zeigt das Oszillogramm eines Schmelzsystems bei einer Stromstärke von 5 x In (Überlastung).

Abb. 2.15 Oszillogramm eines überbelasteten Schmelzsystems

Abb. 2.16 gibt das Verhalten dieses Schmelzsystems bei einem Stoßkurzschlussstrom (IS) ISeff von 100 kA (Kurzschluss) wieder.

Abb. 2.16 Oszillogramm beim Kurzschluss eines Schmelzsystems

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Die Konstruktion des Schmelzelementes ist derartig, dass die Stromstärke auf den Wert Iˆd begrenzt wird, auch Kappstrom genannt. Hier gilt: ts = Durchschmelzzeit (0,42 ms) t1 = Bogenzeit (2,23 ms) tt = Abschaltzeit (4,65 ms) Die Abschaltung des Kurzschlussstroms findet daher innerhalb einer halben Periode statt. Charakteristiken Durchschmelzcharakteristik: Durchschmelzzeit als Funktion des Durchschmelzstroms (Abb. 2.17).

Abb. 2.17 Durchschmelzcharakteristiken von Schmelzsicherungen DII-DIII-träge (Fabrikat Weber)

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Strombegrenzungscharakteristik: Aus dieser Grafik ist abzulesen, wie hoch der theoretische maximale Kappstrom eines Schmelzsystems bei einem zu erwartenden Kurzschlussstrom ist (Abb. 2.18). Darin ist wiedergegeben: • Der asymmetrische Kurzschlussstrom, wobei ein Stoßfaktor x mit einem maximalen Wert von 1,8 benutz wird (Praxiswert), was resultiert in: I s = x 2 I k′′ ≈ 2,5I k′′ . •

•

Der symmetrische Kurzschlussstrom, der bei einer vollkommen ohmschen Impedanz, einem Kurzschluss bei Nulldurchgang oder nach dem Verlauf des Ausgleichstroms auftritt: I s = x 2 I k′′ ≈ 1 2 I k′′ .

Abb. 2.18 Strombegrenzungscharakteristiken von Schmelzsicherungen DII-DIII-träge (Fabrikat Weber)

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Selektivität Eine Installation muss selektiv gesichert sein. Dies bezeichnet, dass allein die Sicherung ansprechen darf, die sich am dichtesten an der Fehlstelle befindet, von der Speisungsquelle her gesehen. Alle vorgeschalteten Sicherungen müssen intakt bleiben. Bei D-Schmelzsicherungen gilt als Faustregel, dass ein Faktor 1,6 zwischen zwei in Reihe geschalteten Schmelzsystemen die Selektivität gewährleistet. In Abb. 2.17 und 2.18 sind die Charakteristiken von trägen Systemen gezeichnet; das sind Schmelzsysteme, die träge auf Überlastungen und schnell im Kurzschlussgebiet reagieren. Da es für Schmelzsysteme verschiedenen Normen gibt oder sie mit thermischen oder magnetischen Sicherungsrelais in Reihe geschaltet sind, müssen die Durchschmelz- bzw. Abschaltcharakteristiken verglichen werden.. Mit einer Toleranz von plus und minus 6 % rechnend sollen die Abschaltkurven nirgends einander nahe kommen oder kreuzen. Bezeichnung von Schmelzsicherungen (D-System) mit Eigenschaften und Anwendung: aM Teilsystem: Sichert nur gegen Kurzschluss. Anwendung bei Motoren (M) in Kombination mit einer thermischen Sicherung. gI Sicherung für allgemeinen Gebrauch (g: general purpose). Die I steht für träges System, welches im allgemeinen auf dem europäischen Festland verwendet wird. gII Sicherung für allgemeinen Gebrauch (g: general purpose). Die II steht für schnelles System, welches namentlich in England verwendet wird. gG Sicherung für allgemeinen Gebrauch mit gesamter Sicherung. Zu gegebener Zeit soll diese Sicherung die gI und gII ersetzen. Die Charakteristik der gG Sicherung liegt zwischen der gI und gII. • • •

Das NH System (Messersystem) ist in drei Arten erhältlich mit: schneller Charakteristik; träger Charakteristik; träge/schnelle Charakteristik (für Überlastung bzw. Kurzschluss).

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.28 Farben des Anzeigers gemäß DIN VDE 0636-301 D-Schmelzsicherungen (Werte in Klammern entsprechen nicht der Norm)

Für Prozess-Steuerungen und Kommunikationsanlagen sind thermische, magnetische oder thermisch/magnetische Sicherungsmechanismen im Einsatz. Tabelle 2.29 Vor- und Nachteile unterschiedlicher Auslöseverfahren bei Sicherungsautomaten

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Installations-Automaten Alte Benennung/Charakteristik H-Charakteristik, zur Sicherung von Leitungen in Hausinstallationen. Elektromagnetische Ausschaltung bei 2½ bis 3-fachem nominalem Strom. L-Charakteristik, zur Sicherung von Licht- und Steuerstromkreisen in industriellen Installationen. Elektromagnetische Ausschaltung bei 3½ bis 5-fachem nominalem Strom. G-Charakteristik, zur Sicherung von Motoren und Geräten, die für kleine Überlastströme empfindlich sind. Elektromagnetische Ausschaltung bei größerem Strom, wie bei der H- und L-Charakteristik. Thermische Sicherung schneller, als bei den H- und L-Charakteristiken. Tabelle 2.30 Thermische Funktion von Installations-Automaten

Tabelle 2.31 Elektromagnetische Funktion von Installations-Automaten

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Neue Benennung/Charakteristik Thermisch Funktion: Ein Bimetall entriegelt den Ausschaltmechanismus bei Überlastung. Als Referenztemperatur bei der Kalibrierung gilt 30 °C. Für Installations-Automaten für industrielle Anwendung gelten nur die ersten zwei festgelegten Punkte von Tabelle 2.30 und eine Referenztemperatur bei Kalibrierung von 40 °C. Verbesserung des cos ϕ Zur Verbesserung des cos ϕ einer elektrischen Installation können parallel an das Netz Kondensatoren geschaltet werden. Mit nachstehender Formel wird für den bestehenden und den gewünschten cos ϕ die Blindleistung berechnet. Der Unterschied zwischen den zwei Ergebnissen bestimmt die kapazitive oder Blindleistung des Kondensators, der angewendet werden muss. Pq =

P2 − P2 cos 2 ϕ

wobei: P = Leistung [kW] Pq = Blindleistung [kVAr] Der berechnete Kondensator wird in drei gleiche Teile geteilt, und kann sowohl in Stern als auch in Dreieck auf das Netz geschaltet werden. Die Kapazität des einzelnen Teiles wird bestimmt durch: P C = 2c Uc ⋅ ω wobei: C = Kapazität des Kondensators [µF] Pc = ⅓Pq = Blindleistung des Kondensators [kVAr] Uc = Kondensatorspannung [V] ω = 2πf = Drehgeschwindigkeit des Drehfelds [rad/s]

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 2.19 Bestimmung der Kondensatorleistung für Kompensation von cos ϕ1 nach cos ϕ2

Die Dreieck-Schaltung verdient den Vorzug, da durch die höhere Spannung die Kondensatorkapazität 1/3 Teil der Stern-Schaltung beträgt. Die Dimensionierung der Kondensatorbatterie kann grafisch bestimmt werden (Abb. 2.19). Hierzu muss die Leistung mit dem zugehörigen cos ϕ in die Abbildung eingezeichnet werden, ebenfalls mit dem gewünschten cos ϕ (mit gleicher Wirkleistung [kW]). Die benötigte Kondensatorleistung wird durch den vektoriellen Unterschied bestimmt.

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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2.4 Beleuchtungstechnik Für das Arbeitsfeld ist eine Beleuchtung erforderlich, deren Stärke von der Art der auszuführenden Arbeit abhängt. Ausführliche Angaben finden sich in DIN 5034 und DIN 5035. Beleuchtete Arbeitsfläche Beleuchtungsstärke [lx] auf eine Fläche im Punkt P (Abb. 2.20) ist: I cos α E= r2 wobei: I = Lichtstärke in Richtung des Punktes P [cd] α = Winkel zwischen der Senkrechten auf die Fläche in P und der Verbindungslinie zwischen der Lichtquelle und P [sr] r = Abstand zwischen Lichtquelle und P [m]

Abb. 2.20 Beleuchtungsstärke in Punkt P durch eine Lichtquelle

Mit der Höhe h [m] der Lichtquelle über der Fläche wird: E=

I cos3 α h2

Standardbeleuchtungsstärke Es: Beleuchtungsstärke, die während der Ausführung einer visuellen Aufgabe mindestens auf dem für die Ausführung dieser Aufgabe relevanten Teil der Arbeitsfläche vorhanden sein muss (Tabelle 2.32).

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Neuwert der gemittelten Beleuchtungsstärke Ei : gemittelte Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsfläche bei Abnahme der Beleuchtungsinstallation nach 100 Betriebsstunden. Es gilt (siehe auch nachfolgend): E ⋅n Ei = s i g Neuwertindex ni: Verhältnis der gemittelten Beleuchtungsstärke auf eine Arbeitsfläche, die durch die neue saubere Installation geliefert wird und der gemittelten Beleuchtungsstärke auf diese Arbeitsfläche am Ende einer bestimmten Wartungsperiode. Der Index ist abhängig von der Alterung der Lampen und der Verschmutzung von Lampen, Einrichtungen und Raum. Wenn keine näheren Angaben bekannt sind, muss hierfür der Wert 1,4 festgelegt werden. Gleichmäßigkeitsindex g: Verhältnis zwischen der niedrigsten und der gemittelten Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsfläche. Dieser Index ist unter anderem abhängig von der Lichtstärkeverteilung von den Einrichtungen und der Lage der Einrichtungen bezüglich der Arbeitsfläche. g soll nicht kleiner sein als 0,75. Farbtemperatur Tk einer Lichtquelle: Absolute Temperatur [K] eines schwarzen Strahlers, wobei dieser das Licht mit demselben Farbeindruck aussendet, wie die betrachtete Lichtquelle (Abb. 2.33, 2.35 und 2.36). Farbwiedergabeindex Ra: Zahl von 0 bis 100, die angibt, in welchem Maße die Farbeindrücke einer Reihe von Prüffarben, beleuchtet mit der betrachteten Lichtart, übereinstimmen mit den Farbeindrücken der Prüffarben, wenn diese mit einem Temperaturstrahler mit derselben Farbtemperatur, wie die betrachtete Lichtart, beleuchtet werden (Abb. 2.34 bis 2.36). Luminationskontrast C: Verhältnis der Luminanzen eines wahrzunehmenden Details und seines Hintergrunds in der visuellen Aufgabe. Der Luminationskontrast in der visuellen Aufgabe soll mindestens 3 und höchstens 10 sein.

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Abschirmwinkel α einer Einrichtung: Der Winkel zwischen der Waagrechten und der Blickrichtung, unter der die Lampe(n) gerade nicht mehr wahrgenommen werden (können). Lichtstärke I einer Lichtquelle in eine bestimmte Richtung: Quotient von dem durch eine Lichtquelle in ein Raumwinkelelement, das die Richtung erfasst, ausgestrahlten Lichtstrom und der Größe dieses Raumwinkelelements [1cd = 1 lm/sr]. Lichtstrom Φ: Die gesamte Lichtmenge, die eine Lichtquelle pro Zeiteinheit aussendet oder die eine Fläche empfängt [lm]. Luminanz L einer Lichtquelle: Der Quotient der Lichtstärke dieser Quelle und ihrer scheinbaren Oberfläche in einer bestimmten Richtung [cd/m²]. Luminanzverhältnis: Verhältnis zwischen zwei Luminanzen innerhalb des Gesichtsfeldes (Tabelle 2.37). Dieses verhältnis soll nicht größer sein als 10. Das Verhältnis der Luminanz der visuellen Aufgabe und derjenigen der direkten Umgebung sollte mindestens 3 sein.

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabellen Tabelle 2.32 Standardbeleuchtungsstärke für verschiedenen Anwendungen

Tabelle 2.33 Einteilung der Lichtquellen nach Farbtemperatur

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Tabelle 2.34 Einteilung der Lichtquellen nach Farbwiedergabeindex

An die Farbwiedergabe gestellte Anforderungen: genaue Farbbeurteilung und Farbvergleich müssen möglich sein: Ra ≥ 90. • eine natürliche Farbwiedergabe ist gefordert: Ra ≥ 80. • Die Farbwiedergabe ist von geringer Bedeutung: Ra ≥ 50. •

Tabelle 2.35 Farbtemperatur, Farbwiedergabe und spezifischer Lichtstrom von einzelnen wichtigen Lichtquellen (für Innenbeleuchtung).

Tabelle 2.39 Klasseeinteilung der subjektiven Wertung der Luminanzverhältnisse

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

2.5 Elektrotechnisches Zeichnen Wichtige Normen Für den Bereich der Elektrotechnik (Elektrizitätslehre und Magnetismus) gelten spezielle Normen. Tabelle 2.40 Normen in der Elektrotechnik

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Elektrotechnische Symbole Nachstehende Tabellen und Abbildungen bieten eine Übersicht über die genormten Symbole in der Elektrotechnik. Tabelle 2.41 Geräte-Eigenschaften nach VDE 0410

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.42. Einteilung der Messgeräte

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK Tabelle 2.43 Symbole und Bildzeichen nach DIN 40 100

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.44 Kontakte für Spulenantriebe für Schütze

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK Tabelle 2.45 Kontaktbezeichnung nach DIN EN 50042

Tabelle 2.46 Prüfstellen in verschiedenen Ländern

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

2.6 Elektromechanische Bauteile - Relais Elektromechanische Bauteile sind ein wichtiges Bindeglied zwischen den Aktionen des Bedieners und der Maschine sowie zwischen der Maschine und der elektronischen Steuerung. Dazu zählen Bedienelemente, Anzeigeelemente und elektromechanische Schalter.

Abb. 2.21 Elektromechanische Bauteile an Maschinen

Um Teile an den Maschinen öffnen, schließen oder wechseln zu können, werden Relais angewandt.

Abb. 2.21 Übersicht über die wichtigsten Relais-Ausführungen

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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Maßgeblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Funktionen Öffnen, Schließen und Wechseln haben die eingesetzten Kontaktmaterialien. Tabelle 2.47 Übersicht über die wichtigsten Kontaktmaterialien und deren Eigenschaften

Halbleiter-Relais (engl.: Solid-State-Relais: SSR) haben keine mechanisch beweglichen Teile. Der Kontakt ist ein Halbleiter.

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 2.22 Übersicht über wichtige Halbleiter-Relais

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 2.48 Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Relais-Bauarten

Abb. 2.23 Halbleiter-Relais für einen Drehstrommotor zur Steuerung EIN-AUS und RECHTS-LINKS über Logikpegel

Bei Zeitrelais verstreicht zwischen der Funktionsbeanspruchung und der Funktionsauslösung eine gewisse Zeit. Immer häufiger wer-

ELEKTRO- UND INSTALLATIONSTECHNIK

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den mikroprozessorgesteuerte Zeitrelais als Multifunktionstimer eingesetzt.

Abb. 2.24 Ausführungen von Zeitrelais

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 2.25 Schaltverhalten der wichtigsten Zeitrelais

ELEKTRONIK

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3 Elektronik Elektronische Bauelemente sind nach DIN 40150 die kleinste, nicht weiter zerlegbare Einheit in der Elektronik. Passive Bauelemente erhalten nur eine Signalgröße, wobei meistens mit einer Spannung ein Strom erzeugt wird oder umgekehrt. Aktive Bauelemente erhalten dagegen zusätzlich zur Signalgröße noch eine Hilfsenergie (Stromversorgung). Die Signalgröße am Eingang steuert den Anteil der Hilfsenergie, der zum Ausgang fließt. Deshalb können aktive Bauelemente verstärken und schwingen.

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

3.1 Passive Komponenten

Abb. 3.1 Einteilung der Bauelemente

Widerstände

ELEKTRONIK

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Tabelle 3.1 Spezifischer elektrischer Widerstand, elektrische Leitfähigkeit und Temperaturkoeffizient ausgewählter Leiterwerkstoffe (bei 00 C)

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.2 Einteilung der Widerstände

ELEKTRONIK

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Der spezifische elektrische Widerstand und die elektrische Leitfähigkeit sind ein Maß für die Hemmung des Ladungstransportes. Feste Widerstände Widerstand und Leitung eines Körpers: A 1 l G = γ = [S ] R = ρ [Ω] l R A wobei: l = Länge in Stromrichtung [m] A = Querschnitt senkrecht zur Stromrichtung [m²] ρ = spezifischer Widerstand [Ω·m] γ = spezifische Leitung [S/m] Vierkantwiderstand (Schichtwiderstand) ρ [Ω] d l R = R□ [Ω] b

R□ =

wobei: d = Schichtdicke l = Schichtlänge b = Schichtbreite

⎫ ⎬ ⎭

gleiche Einheit

Temperaturkoeffizient: 1 ⎛ dρ ⎞ [K −1 ] α= ⎜ ⎟ ρ(T0 ) ⎝ dT ⎠T =T0 Widerstandsveränderung bezüglich ∆T: 1 + α (T2 − T0 ) R2 = R1 (1 + α∆T ) oder : RT 2 = RT1 1 + α(T1 − T0 ) wenn α gegeben ist bei T = T0 Materialien mit großen Werten von α: Manganverbindungen α = 0,02 x 10-3 K-1; Nickelchrom α = 0,13 x 10-3 K-1; Konstantan α = 0,02 x 10-3 K-1.

ELEKTRONIK Widerstandswerte sind festgelegt in E-Reihen: • • • • •

E-12 Reihe für 10% Toleranz E-24 Reihe für 5% Toleranz E-48 Reihe für 2% Toleranz E-96 Reihe für 1% Toleranz E-192 Reihe für 0,5% Toleranz

⎫ ⎬ Kohlewiderstände ⎭ ⎫ ⎪ ⎬Metallfilmwiderstände ⎪ ⎭

Werte der E-24 Reihe (kursive Werte : E-12 Reihe):

Tabelle 3.1a Farbcode für feste Widerstände mit Ringen

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Werte- und Toleranzangaben mittels Ziffern/Buchstabencode (siehe nachfolgend) oder Farbcode (Tabelle 3.1a) Ziffern/Buchstabencode für Werte: R oder E : Einheit, z.B. 1,8 Ω: 1R8 oder 1E8; 22 Ω: 22R k : 1.000 x 47.000 Ω:47k 6 M : 10 x 6.800.000 Ω: 6M8 Für Toleranz:

Thermistoren Spezifischer Widerstand: ρ(T ) = a ⋅ e b / T . a und b sind Materialkonstanten. Der 25 °C-Wert ist abhängig vom Thermistortyp und kann zwischen 1 Ω und 50 kΩ liegen. Die Konstante b variiert zwischen 2.600 und 5.500 [K]. b Temperaturkoeffizient: α = − 2 [K −1 ] T

Farbcode: Gibt 25 °C-Widerstandswerte.

Spannungsabhängige Widerstände (VDR, Varistoren) wobei: C = Formfaktor (konstruktionsabhängig) : 40 < C < 1600 [Ω] β = Materialkonstante : 0,1 < β < 0,4 C C1 / β Widerstand: R = (1−β ) = (1 / β −1) I U

ELEKTRONIK

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Leistung: P = CI β +1 = C −1 / β ⋅ U (1+1 / β ) Farbcode

Tabelle 3.2 Farbcode für spannungsabhängige Widerstände

Lichtempfindliche Widerstände (LDR) a und α sind abhängig vom Material und den Verwendungsumständen (0,7 > α >0,9). Für maximale Empfindlichkeit: kleines a Dunkelwiderstand (E = 0) : R > 1 MΩ Lichtwiderstand (E = 1.000 lux) : R < 100 Ω Kondensatoren Kondensatoren speichern elektrische Ladung bzw. elektrische Energie.

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.2 Einteilung der Kondensatoren

ELEKTRONIK

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Alle Größen in SI-Einheiten. ε0, εr gilt für das Medium um oder zwischen den Leitern. Drehkondensator n Platten, Abstand zwischen Rotor- und Statorplatten d, Winkelverdrehung α [rad] Ersatzschema und Impedanz Rp Zc = + Rs + jωLs 1 + jω R p C r Für ωRpCr >> 1 wird ⎛ 1 Z c = Rs + j ⎜⎜ ωLs − ω Cr ⎝

⎞ ⎟⎟ Abb. 3.3 Ersatzschema Kondensator ⎠ wobei: Rp = Isolationswiderstand (hoch) Rs = Reihenwiderstand (niedrig) Ls = Selbstinduktion infolge Rollen und Anschlussdrähte Wenn Ls ≠ 0 (bei gerollten Papierkondensatoren und Elektrolyten): 1 für niedrige Frequenzen Z c ≈ Rs + jω C r Z c ≈ Rs + jωLs für hohe Frequenzen

Verluste Äquivalenter Reihenwiderstand (ESR) = Rs Re(Z c ) Verlustwinkel: δ = arctan Im(Z c ) Bei niederer Frequenz (1kHz): δ = arctan ωRs Cr ≈ ωRs Cr ≈ ωRs C Verlustfaktor = Dissipationsfaktor = tan δ = δ für kleine δ (<2°) Leistungsdissipation: Pc = U ⋅ I ⋅ sin δ ≈ U 2 ⋅ ωC ⋅ δ

ELEKTRONIK

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Wärmeentwicklung: p = 55 f ⋅ ε r ⋅ E 2 ⋅ δ ⋅ 10 −12 [W/m³] wobei: f = Frequenz [Hz] εr = relative Permittivität E = Feldstärke über dem Dielektrikum [V/m] Qualität: Q = 1/δ. Tabelle 3.3 Kapazitäten verschiedener Leitergeometrien

Spulen Spulen speichern, wie Kondensatoren, elektrische Ladung bzw. elektrische Energie. Maßgebend für die Induktivität L ist das mit der Leiterschleife verkettete Magnetfeld sowie Einflüsse des Materials. Induktivitäten werden meist durch Aufwickeln eines Drahtes auf einen Spulenkörper erzeugt.

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.4 Bauarten von Induktivitäten

Abb. 3.5 Verschiedene Ausführungen von Indusktivitäten

ELEKTRONIK

Abb. 3.6 Schaltsymbole nach DIN 40 900 Form 1 und Form 2

Abb. 3.7 Verschiedene Ferritkerne und ihre Anwendungen

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 3.4 Eigenschaften von Ferriten

Tabelle 3.5 Induktivitäten verschiedener Leitergeometrien

ELEKTRONIK Tabelle 3.5 (Fortsetzung)

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Kupferverluste Entstehen in dem Wicklungswiderstand R. l Bei niederen Frequenzen: R = Rdc = ρ A N ⋅ lw [µΩ] Für Kupfer (25 °C): Rdc = 21,6 D2 wobei: N = Anzahl Windungen lw = mittlere Länge einer Windung [mm] D = Drahtdurchmesser [mm] Bei hohen Frequenzen spielt der Skin-Effekt eine Rolle: Der Widerstand wird bei zunehmender Frequenz höher. Eindringtiefe: ∆ = (πγµf )−1 / 2 [m] wobei: γ = spezifische Materialleitung [S/m] µ = µ0·µr = Materialpermeabilität [H/m] f = Frequenz [Hz] Wechselstromwiderstand: (nur für „freie“ Leiter)

Rac =

1 = π∆γD

Für Kupfer ist: ∆ = 0,067·f -1/2 [m] Rac = 82,4 ⋅ 10

−6

f µρ ⋅ π D

[Ω/m]

(f in Hz; D in mm)

f / D [Ω/m]

Für die meisten Metalle ist µ = 0,4π⋅10-6; dann ist: Rac f (ρ in Ωm, D in mm) = 5 ⋅ 10 − 9 ⋅ D ⋅ Rdc ρ Kernverluste Man kann sich vorstellen, sie entstünden im reellen Teil einer komplexen Induktanz. Z L = jωl = Rs + jωLs tan δ =

Rs ωLs

Abb. 3.8 Ersatzschema einer Induktanz

ELEKTRONIK

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Im Falle einer Luftspule vermindern sich die Kernverluste gemäß: µ tan δ e = e tan δ µi wobei: µi = relative Permeabilität ohne Luftspalt µe = relative Permeabilität mit Luftspalt Qualität der Spule: Qs =

ωLs 1 = tan δ Rs

Tabelle 3.6 Farbcode für L-Werte fester Selbstinduktivitäten (Widerstandsform)

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Kristalle

Abb. 3.9 Vereinfachtes Ersatzschema, Impedanz |Z| und Symbol eines Kristalls

⎛ ω ωs ⎞ ⎟⎟ − 1 + jQ⎜⎜ 1 ω s R1Q ⎝ ωs ω ⎠ ⋅ ⋅ Z= jω r ⎛ 1 ⎞ ⎛ ω ωp − 1 + jQ ⎜1 + ⎟ ⋅ ⎜ ω ⎝ r ⎠ ⎜⎝ ω p

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

wobei: Reihenresonanz-Frequenz: ω s = Parallelresonanz-Frequenz: ω p =

1 L1C1

1 ⎛ 1⎞ ⎜1 + ⎟ L1C1 ⎝ r ⎠

Elektromechanischer Koppelfaktor: r = Qualität: Q =

1 R1

L1 C1

ω2s −1 2 j Für R1 = 0 wird: Z = − ⋅ ω2 ω C0 ω p −1 ω2

C0 C1

ELEKTRONIK Temperaturkoeffizient von ωs: α ω s =

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1 dω s ⋅ ω s dT

Quarzkristall: fs = 3 bis 60 MHz, Q sehr groß, bis 106, α ≈ 10 −6 /K Bleizirkonat-Titanat : Q bis 500 Bariumtitanat : Q bis 400 Übertragungsstrecken (lange Leitungen) Abb. 3.10 gibt das allgemeine Ersatzschema pro LängenEinheit dx.

Abb. 3.10 Element einer Übertragungsstrecke

Telegrafen-Gleichungen ∂ 2u ∂ 2u ∂u = LC 2 + (RC + GL ) + RG ⋅ u 2 ∂t ∂x ∂t 2 2 ∂ i ∂ i ∂i = LC 2 + (RC + GL ) + RG ⋅ i 2 ∂t ∂x ∂t Charakteristische Impedanz: Z 0 =

R + jω L u ( x ) u ( x ) = = G + jω C i ( x ) i ( x )

wobei: u ( x) und i ( x) = Spannung und Strom der hingehenden Welle u ( x) und i ( x) = Spannung und Strom der reflektierten Welle

Ausbreitungskonstante: γ = α + jβ =

(R + jωL )(G + jωC )

wobei: 1 R 1 α≈ + G Z 0 = Dämpfungskonstante [Np/m] 2 Z0 2

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

2 ⎡ 1⎛ R G ⎞ ⎤ β ≈ ω LC ⎢1 + ⎜ − ⎟ ⎥ = Phasenkonstante [rad/m] ⎢⎣ 2 ⎝ 2ωL 2ωC ⎠ ⎥⎦ Diese Formeln gelten für kleine Werte von α.

Fortpflanzungsgeschwindigkeit = Phasengeschwindigkeit: ω [m/s] v = f ⋅λ = β Impedanz Z(x) im Abstand x vom Leitungsende (Abb.3.11):

Abb. 3.11 Übertragungsstrecke mit Quelle und Belastung

Z ( x) = Z 0

Z L cosh jx + Z 0 sinh jx Z 0 cosh jx + Z L sinh jx

Reflexionskoeffizient an der Stelle x (wobei die Belastung an der Stelle x = 0 erfolgt): r ( x) =

u ( x) u ( x)

=

u (0) u (0)

e − 2 yx

An der Belastungsstelle ist: r (0) = An der Stelle x ist:

Z L − Z0 Z L + Z0

u ( x ) = (1 + r ( x) ) u ( x ) i ( x) = (1 − r ( x) ) i ( x)

Stehende Wellen-Verhältnis (voltage standing wave ratio, VSWR): 1+ r u i S −1 S = max = max = ; dann r = u min imin 1 − r S +1

ELEKTRONIK Für verlustfreie Leitung ist R = G = 0, daher: 2π 1 v= ; α = 0; β = ω LC = λ LC Z0 =

L = R0 ; C

Z ( x) = R0

Z L + jR0 tan βx R0 + jZ L + tan βx

Kurzgeschlossene Strecke : Z ( x) = jR0 tan βx Offene Strecke : Z ( x) = − jR0 cot βx Angepasste Strecke : Z ( x) = R0 Leistung bei Belastung u2 für r = 0: PLm = 0 RL -

(

)

für r ≠ 0: PL = PLm 1 − r (0) 2 =

(S + 1)2

4S Einzelnes Koaxkabel ⎛ D ⎞ 60 ⎛ Du ⎞ 138 ⎟ [Ω] Z0 = log⎜⎜ u ⎟⎟ = ln⎜ εr ε r ⎜⎝ Di ⎟⎠ ⎝ Di ⎠ Verlustwiderstand: (Di, Du in mm; f in Hz; ρ in Ωm) Allgemein: ⎛ 1 1 ⎞ 4 ρ ⎟⎟ + + ⋅ 106 [Ω/m] r ≈ 0,63 ⋅ 10− 6 ρf ⎜⎜ 2 ⎝ Di Du ⎠ π Di

Für Kupfer: ⎛ 1 1 + r ≈ 83,3 ⋅ 10 − 6 f ⎜⎜ ⎝ Di Du ⎛D ⎞ L ≈ 0,46 log⎜⎜ u ⎟⎟ [µH/m] ⎝ Di ⎠ 24,1ε r [pF/m] C≈ ⎛ Du ⎞ ⎟⎟ log⎜⎜ ⎝ Di ⎠

⎞ 1 ⎟⎟ + 22,3 ⋅ 10 − 3 2 [Ω/m] Di ⎠

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ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Dämpfung: im Leiter im Dielektrikum

α g ≈ 4,34

r Z0

[dB/m]

α d ≈ 91 ⋅ 10 −9 f ⋅ ε r tan δ

[dB/m]

Tabelle 3.7 Viel verwendete Koaxkabel

Offene Zweidrahtleiter 120 ⎛ a ⎞ 120 ⎛ 2a ⎞ Z0 = arccosh⎜ ⎟ ≈ ln⎜ ⎟ [Ω] εr εr ⎝ D ⎠ ⎝D⎠ (a und D in derselben Einheit) Abgeschirmte Zweidrahtleiter ⎡ ⎤ 120 ⎢ a Du2 + Di2 − a 2 a 2 ⎧⎪ Du2 + Di2 − a 2 ⎫⎪ ⎥ Z0 = ln 1 + − ⎨ ⎬ Di2 ⎪⎩ Du2 + Di2 + a 2 ⎪⎭ ⎥ ε r ⎢ Di Du2 + Di2 + a 2 ⎣ ⎦ 2 2 120 ⎡ 2a Du − a ⎤ ≈ ln ⎢ ⋅ ⎥ [Ω ] ε r ⎢⎣ Di Du2 + a 2 ⎥⎦ (a, Di und Du in derselben Einheit) Parallelstreifen 377 h ⋅ [Ω] Z0 ≈ εr a (h und a in derselben Einheit) Mikrostreifen Formeln sind innerhalb 1% genau für:

Abb. 3.12 Mikrostreifen

ELEKTRONIK

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d w < 0,005; 2 < ε r < 10; 0,1 < < 5 h h 60 ⎛ h 1 w⎞ ln⎜ 8 + Für w < h: Z 0 ≈ ⎟ [Ω] ε eff ⎝ w 4 h ⎠

w > h: Z 0 ≈

120π

1 [Ω] ε eff w + 1,4 + 2 ln⎛ w + 1,44 ⎞ ⎜ ⎟ 3 ⎝h h ⎠

h⎞ εr + 1 εr − 1 ⎛ + ⎜1 + 12 ⎟ 2 2 ⎝ w⎠ 377 h w Für → ∞ : Z0 = ⋅ [Ω] h εr w

−1 / 2

ε eff =

(d, h und w in derselben Einheit) w ⎛ ⎞ Dämpfung ⎜ für → ∞ ⎟ : h ⎝ ⎠

-

Im Leiter: α g ≈ 8,68 ⋅ 103

Rs [dB/m] (w in mm) Z0w

wobei: Rs = 1,12 ⋅ 10 −3 ρ ⋅ f f = Frequenz [Hz] ρ = spezifischer Widerstand des Streifenmaterials [Ωm] f [dB/m] Z0w

-

Für Kupferleiter: α g ≈ 1,26 ⋅ 10− 3

-

Im Dielektrikum: α d ≈ 91 ⋅ 10 −9 f ⋅ ε r ⋅ tan δ [dB/m]

Streifenübertragungsstrecke Formeln sind innerhalb 1% genau für: d w < 0,25 und > 0,05 b b−d Abb. 3.13 Streifenübertragungsstrecke

F/162

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

⎛ d⎞ 30π⎜1 − ⎟ 1 ⎝ b ⎠ [Ω] Z0 ≈ ε r we + c b π (b, d und w in derselben Einheit) ⎧ ⎫ ⎞ ⎛ ⎪ ⎟ d ⎪ ⎜ 1 1 ⎪ ⎪ c = 2 ln⎜ + 1⎟ − ln ⎨ ⎬ ⎟ b ⎪ ⎛ d ⎞2 ⎪ ⎜1− d ⎟ ⎜ − 1 b ⎪ ⎜⎝ b ⎟⎠ ⎪ ⎠ ⎝ ⎩ ⎭

w⎞ ⎛ ⎜ 0,35 − ⎟ we w ⎝ b⎠ = − d b b 1 + 12 b

2

Dämpfung: •

In Leitern: α g ≈ wobei:

0,023Rs ε r 30π(b − d )

Z 0 ⋅ A [dB/m]

Rs = 1,12 ⋅ 10 −3 ρ ⋅ f [Ω]

w 1 2b + ln b π d (ρ in Ωm; f in Hz; b, d, w in m) A ≈1+ 2

•

In Dielektrikum: α d ≈ 91 ⋅ 10 −9 f ⋅ ε r ⋅ tan δ [dB/m]

Wellenleiter Wellenleiter (Wellenrohre) werden am meisten mit rechteckigem Querschnitt verwendet. Für die Wellenfortpflanzung im Grundmode gilt: 0,5 λ < a < λ b < 0,5 λ c Wellenlänge im freien Raum (Luft): λ = 0 f

ELEKTRONIK

F/163

Wellenlänge in Längsrichtung des Rohrs: λ λg = 2 ⎛ λ ⎞ 1− ⎜ ⎟ ⎝ 2a ⎠ Abschneidwellenlänge im Grundmode: λ c = 2a Für a > λ sind zur gleichen Zeit mehrere Feldverteilungen (Moden) möglich. Für Energietransport wird nahezu ausschließlich der Grundmode verwendet. Die Leistung, die transportiert werden kann, z.B. für λ = 30 mm Rohr (I-Band), ist: Ungefähr 5 kW gemittelt und ungefähr 1 MW Spitze. Tabelle 3.8 Viel verwendete Wellenrohre in Aluminiumausführung

Antennen Antennendiagramm (Strahlungsmuster): Ausgesendete Leistung als Funktion des Winkels ϕ (in der horizontalen Ebene). Man unterscheidet eine Hauptkeule und Seitenbündel. Strahlungsmuster sind abhängig vom Elevationswinkel ϑ und von Abb. 3.14 Strahlungsmuster einer Antenne der Anwendung. Beispiele: • Radio/TV: Strahlung gleichmäßig in der horizontalen Ebene. • Richtfunk: Schmale Hauptkeule. • Radar: Sehr schmale Hauptkeule (1 bis 2 Grad), schwache Seitenbündel (-30dB bezüglich der Spitze der Hauptkeule). Bandbreite (B): Winkel zwischen den Punkten, wo das Strahlungsmuster 3 dB bezüglich des Maximums aufweist. Für große Antennen (Abmessung d >> Wellenlänge λ):

F/164

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

λ [Grad]. d Antennengewinn (gain): B = 70

G=

Leistungsdichte in bestimmter Richtung Leistungsdichte in diese Richtung bei gleichmäßiger Ausstrahlung

(Zähler und Nenner für dieselbe Sendeleistung) Meistens wird mit gain der maximale Wert hiervon bezeichnet. 20.000 bis 30.000 [-] G≈ B1 ⋅ B2 wobei: B1 und B2 die Keulenbreiten (in Grad) in zwei zueinander senkrechten Richtungen sind. Leistungsdichte: G ⋅ Pz [W/m²] ϕ≈ 4πr 2 wobei: Pz = Sendeleistung der Antenne [W] G = gain in betrachtete Richtung [-] R = Abstand zwischen Messpunkt und Sendeantenne [m] Effektive Antennenoberfläche (sehr abhängig von den physischen Antennenabmessungen): Gλ2 [m²] 4π Empfangene Leistung (bei Empfangsantenne): Po = Ae ⋅ ϕ [W] wobei: ϕ = Leistungsdichte (Strahlungsfluss) am Ort der Antenne [W/m²] Strahlungsfeld einer sehr kurzen Sendeantenne Magnetische Feldstärke: I eff ⋅ ∆l Hs = sin α [A/m] 2λr Elektrische Feldstärke: Ae =

Es =

µ ⋅ H s [V/m] (µ und ε für das umgebende Medium) ε

ELEKTRONIK Wellenwiderstand der EM-Strahlung: E µ [Ω] R= s = Hs ε In Vakuum (und Luft): R =

µ0 = 120π ≈ 377 Ω ε0

Strahlungsflussdichte (Leistungsdichte): E2 ϕ s = E s ⋅ H s = 120πH s2 = s [W/m²] 120π Strahlungsenergiedichte (in Luft): ϕ 1 ws = s J/m 3 ; c0 = ≈ 300 ⋅ 106 m/s c0 µ 0ε 0

[ ]

Strahlungswiderstand der Antenne: P Rs = 2s [Ω] I eff wobei: Ps = ausgestrahlte Leistung [W] Ieff = effektiver Strom durch die (Dipol-) Antenne [A] Eigenschaften einiger Antennentypen (l und λ stets in derselben Einheit ausdrücken) Elementarer Dipol (l < 0,1 λ): 2

⎛l⎞ Rs = 80π 2 ⎜ ⎟ [Ω]; G = 1,5 ⎝λ⎠ Kurze Dipolantenne in der Mitte gespeist (l << ½λ): 2

1 ⎛l⎞ Rs = 200⎜ ⎟ [Ω]; heff = l ; G = 1,5 2 λ ⎝ ⎠ Vertikale Dipolantenne auf der Erde (l << ¼λ): 2

1 ⎛l⎞ Rs = 400⎜ ⎟ [Ω]; heff = l ; G = 3 2 λ ⎝ ⎠

F/165

F/166

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

½λ-Dipol (2 x ¼): Rs = 73 Ω (für λ / 2d → ∞); in Praxis : Rs = 60 Ω heff = 2l / π;

Aeff = 1,64l 2 / π; G = 1,64

Vertikale ¼λ Antenne auf der Erde: Rs ≈ 30 Ω; heff = 2l / π; G = 3,28 Gefaltete Dipolantenne: l ≈ 0,45λ; Rs ≈ 280 Ω Yagi-Uda Antenne (für 100 MHz bis 1 GHz): Aeff ≈ λ2 / 4π [m²]; G ≈ 6 bis 7 dB

Abb. 3.15 Gefalteter Dipol

für l1 = l2 = d 2 = λ / 4 l3 = 0,9λ / 4; d 3 = 0,8λ / 4 Parabolantenne 4πA Aeff = 0,55 A; G = η 2 (0,4 < η < 0,6) λ A = wirkliche Oberfläche [m²] λ = Wellenlänge [m] Maximaler Abstand zwischen Sender und Empfänger für UKW:

(

)

d ≈ 4,1 hz + h0 [km]

wobei: hz = Höhe der Sendeantenne über der Erde [m] h0 = Höhe der Empfangsantenne über der Erde [m]

3.2 Halbleiterkomponenten Typenschlüssel für Halbleiter Die Typenschlüssel für Halbleiter enthalten folgende Informationen:
Grundmaterial des Bauelementes
Bezeichnung (Diode, Transistor, Sonstige)
Anwendungsgebiet. Für das Grundmaterial (erster Buchstabe) bedeuten:
A: Germanium
B. Silicium

ELEKTRONIK

F/167


C: Galliumarsenid Für die Bezeichnungen (zweiter Buchstabe) bedeuten:
A: Signaldiode
B: Kapazitätsdiode
C: Transistor für kleine Leistungen (Rth < 15 K/W) für niedere und mittlere Frequenzen
D. Leistungstransistor (Rth ≥ 15 K/W) für niedere und mittlere Frequenzen
E: Tunneldiode
F: Transistor zur Anwendung im Hochfrequenzbereich (Rth ≥ 15 K/W)
L: Leistungstransistor für Hochfrequenz (Rth < 15K/W)
N: Optokoppler
P: Fotohalbleiter (Fotodiode, Fototransistor, Fotothyristor)
Q: Leuchtdiode
R: Thyristor-Tetrode
S: Schalttransistor
T: Thyristor
U: Leistungs-Schalttransistor
X: Elemente mit Guneffekt
Y: Leistungsdiode (Gleichrichter)
Z: Z-Diode.

F/168

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Dioden

Abb. 3.16 Übersicht über Dioden und Gleichrichter

ELEKTRONIK

Abb. 3.16 (Fortsetzung)

F/169

Abb. 3.17 Anwendungsbeispiele der wichtigsten Diodentypen

F/170 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

ELEKTRONIK

F/171

Gewöhnliche und Schaltdioden PN-Diode Diodenstrom: ⎛ ⎞ U U − R0 I D I D = I s ⎜⎜ exp D − 1⎟⎟ + D pU T ⎝ ⎠ RL Sättigungsstrom: ⎛ U g0 I s = BT m exp⎜⎜ − ⎝ pU T

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

Temperaturspannung: kT ≈ 86,174 ⋅ 10 −6 ⋅ T [V] UT = e k = Konstante von Boltzmann ≈ 13,8 ⋅ 10 −24 J/K e = elementare Ladung ≈ 0,16 ⋅ 10 −18 C Für T = 300 K ist UT ≈ 25,8 mV B = Konstante, abhängig von der Temperatur, abhängig vom Material, Verbindungsoberfläche und Dotierung Ug0 = Gapspannung bei T = 0 K m und p: Materialkonstanten (siehe Tabelle) R0 vergegenwärtigt das Material: R0 = 0,01 Ω bis 10 Ω RL vergegenwärtigt den Leckstrom längs der Oberfläche RL ≈ 1 MΩ Durchschlag infolge des Lawineneffekts: 1 M = = auf Is wirkender Vervielfältigungsfaktor n ⎛ −UD ⎞ ⎟⎟ 1 − ⎜⎜ ⎝ UA ⎠ n ≈ 2 für P-Material n ≈ 4 für N-Material

F/172

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

UA = Durchschlagspannung [V]

pU t [Ω] ID Praxisformel für Temperaturabhängigkeit vom Diodensperrstrom: I sperr (T0 + ∆T ) ≈ I sperr (T0 ) ⋅ 2 ∆T / 10 : Verdopplung pro ∆T ≈ 10°C

Differenzialwiderstand im Durchschlaggebiet: rd = R0 +

Temperaturabhängigkeit der Vorwärtsspannung: dU D ≈ −2,5 mV/K für ID = konstant dT Diffusionskapazität: Cd ≈ τ / rD (τ = mittlere Lebensdauer des Ladungsträgers in s) Raumladungskapazität: Cr ~ (− U D )− q ; 0,3 < q < 0,5 Schaltende PN-Diode

Schnelle Schaltdiode (fast-recovery rectifier): kleine trr. Soft-recovery diode: relativ große tf. Snap-Diode = step-recovery diode: sehr kleine tf (einige ps). Anwendung: Pulserzeugung, Pulsformung, Erzeugung sehr hoher Frequenzen.

ELEKTRONIK Zenerdiode U Z = U Z 0 + rZ I Z Differenzialwiderstand: rZ =

dU z dI z

rZ = 2 bis 20 Ω T = konst.

Temperaturkoeffizient: αZ =

1 dU Z ⋅ U Z dI Z

I Z = konst.

α > 0 für UZ >5 bis 6 V α < 0 für UZ <5 bis 6 V Spezielle Konstruktion: Transient suppressor (Transorb) kann große Leistung in sehr kurzer Zeit verarbeiten. Schottky-Diode (als Gleichrichter) Niedrige Schwellenspannung: U d ≈ 0,2 ± 0,05 V (niedrige Stromversion) relativ großer Sperrstrom: 10 bis 100 µA bei 20°C. Niedrige Durchschlagspannung: 20 bis 40 V. Nahezu keine Ladungserhöhung. Kapazitätsdiode Auch: Varicap, Varaktor. C0 CD ≈ n 0,7 + U R C0 = maximal nutzbare Kapazität UR = Sperrspannung n = fabrikatabhängige Konstante Ge: n ≈ 2; Si: n ≈ 3 Für Hypercap-Dioden (doppelte Diffusion) ist n <2.

F/173

F/174

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Hochfrequenz-Dioden PIN-Diode Wirkt als variabler HF-Widerstand, regelbar durch Gleichstrom/Sperrspannung. Vorwärtszustand: Ri ≈ K ⋅ I −0,87 ; 20 < K < 50 Sperrzustand: Ri ≈ 10kΩ Anwendung: Mikrowellenschalter, Duplexer in Radarinstallation, Modulator. IHF kann viel größer sein, als IDC. Schottky-Diode (Barrier-Diode, hot-carrier diode) Nahezu kein Ladungserhöhung, Mehrheitsladungsträger besorgen Leitung. Anwendung: HF-Schaltdiode. Tunneldiode − aU

(

bU

)

j I = AU j e + B e j −1 14243 14243

Tunnel − strom

normaler Diodenstrom

U j = U − rs I = Kontaktspannung

Material: Ge oder GaAs.

ELEKTRONIK

F/175

Resistive Abschneidfrequenz = Frequenz, bei welcher der Kleinsignalwiderstand = 0: fr0 = 1 bis 5 GHz. Anwendung: HF-Schalter, Verstärkerelement in HF-Oszillatoren. Backdiode (Rückwärtsdiode): „Beinahe Tunneldiode“. Angewendet im 3. Quadranten als HF-Mischer. Auch als Niederspannungs-ReferenzDiode.

Avalanche-Dioden Auch: avalanche-transit diode, read-diodes. Hohe Feldstärke in der Verarmungsschicht zwischen P und N ergibt stoßförmigen Lawineneffekt. Laufzeit der Lawine von P nach N ergibt Resonanzfrequenzen zwischen 3 und 300 GHz, abhängig von der Sperrspannung und der Dotierung. Anwendung in pulsierenden Mikrowellensendern mit hoher Leistung. Zwei Typen: IMPATT-Diode (Impact ionisation avalanche transit time) UR ≤ 100 V. Anwendung in Mikrowellenoszillatoren. TRAPATT-Diode (Trapped plasma avalanche triggered time) UR so hoch, dass Plasma entsteht. Gunn-Diode Auch: bulk-effect diode, transferred electron diode. Nur ein Stück P oder N, Material GaAs, InP. Gunn-Effekt: Ungleiche Verteilung der Feldstärke für eine Sperrspannung oberhalb eines bestimmten Grenzwertes. Die Verschiebung von Ladungsträgergruppen geschieht mit einer bestimmten Wiederholfrequenz. Anwendung in Mikrowellenoszillatoren und –verstärkern. Fotoelektrische Dioden Lichtempfindliche Diode (Fotodiode) Strom: I f = I k − I D ⎛I ⎞ Offene Spannung: U 0 = U T ⋅ ln⎜⎜ k + 1⎟⎟ ⎝ Is ⎠

F/176

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Fotostrom-Mode: I f = I k + I s ⎡ Ip − If ⎤ Fotospannungs-Mode: U f = U T ⋅ ln ⎢1 + ⎥ Is ⎦ ⎣ LED’s (Light Emitting Diodes) Diese Halbleiter strahlen durch Fotoluminiszenz Licht aus, dessen Frequenz unter anderem von dem Bandabstand der betroffenen Halbleitermaterialien abhängig ist. In der Praxis werden LED’s aus mehreren Materialien zusammengestellt, wobei vor allem Galliumarsenid (GaAS) in verschiedenen Konzentrationsverhältnissen – oft in Kombination mit Phosphor – angewendet wird. Eine LED leuchtet auf, wenn sie ein Strom in Durchlassrichtung durchfließt. Die Lebensdauer einer LED wird erheblich verkürzt, wenn sie in Sperrrichtung verwendet wird und die Sperrspannung zu hoch wird (als Faustregel: höher, als die normale Durchlassspannung). In Situationen, wo dies nicht vorkommen soll: stets eine Diode oder andere LED antiparallel schalten.

Sichtbares Licht Die meistgebrauchten LED’s sind von alters her von roter, gelb/oranger oder grüner Farbe; blaue LED’s sind erhältlich, aber werden viel weniger angewendet. Auch werden oft mehrere LED’s von verschiedenen Farben in einem Gehäuse untergebracht, wodurch Mischfarben möglich sind. Weiter gibt es einen enormen Unterschied in dem Bereich von Stromverbrauch, Strahlungswinkel und Lichtin-

ELEKTRONIK

F/177

tensität. Überdies werden LED’s in den weitest auseinandergehenden Formen und Abmessungen hergestellt, auch in SMD-Ausführung. Eine normale LED leuchtet bei einem Vorwärtsstrom von 10...20 mA auf. Die sogenannten „low current“ Versionen haben nur 2 bis 3 mA nötig. Bei LED’s mit hoher Lichtintensität kann der benötigte Strom bis auf 50 mA auflaufen. Der Spannungsabfall über einer LED beträgt ca. 1,5...2 V. Anwendung: Anzeigen, Displays, Beleuchtung. Infrarotlicht (IR) Diese LED’s finden vor allem in Abstandsbedienungen und – steuerungen für kürzere Abstände Anwendung, so für Audio/VideoApparate und Datenübertragung zwischen Messinstrumenten, Computerapparaturen usw. Weiterhin werden sie in Taglichtunempfindlichen Lichtschleusen und Reflexionssensoren verwendet. Der Stromverbrauch von IR-LED’s liegt im Mittel einen Faktor 10 höher als der von den zuvor behandelten LED’s für das sichtbare Spektrum. Anwendung: Abstandsbedienung, drahtlose Datenkommunikation Tabelle 3.9 Kennwerte verschiedener Lumineszenzdioden

F/178

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.18 Übersicht über Leistungshalbleiter

Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik

Abb. 3.19. Übersicht über verschiedene Transistortypen

ELEKTRONIK F/179

Transistoren

F/180

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Bipolare Transistoren (BJT: Bipolar Junction Transistor)

Abb. 3.20. Aufbau, Schaltzeichen und Schaltung eines bipolaren Transistors mit Kollektorwiderstand RC.

Frequenzverhalten von BJT Abschneidfrequenz für Stromsteuerung: f αb 1 f αb = f αe = = (1 − α bo ) f αb 2πreb'Ce α eo + 1 Abschneidfrequenz für Spannungssteuerung: 1 wobei rp = rbb ' / (α eo + 1)reb' f sb = f se = 2πrp Ce

ELEKTRONIK

F/181

Übergangsfrequenz: f T = f ( α = 1) ≈ f αb Stromverstärkungsfaktoren für Wechselströme (Index 0: f = 0): α bo α eo αb αb ≈ αe ≈ = 1 + jf / f αb 1 + jf / f αe 1 − α b Maximal erreichbare Frequenz: f max =

fT (maximal erreichbare Verstärkung = 1) 8πrbb'Ce

BJT als Schalter (in GES) An-Zustand (Englisch: on): Beide Verbindungen in Leitung. • Sättigungsspannung |UCEsat| < |UEBan| • Kollektorstrom ICsat < hFEEIB h I • Übersteuerungsfaktor n = FE B I Csat Aus-Zustand (Englisch: off): Beide Verbindungen gesperrt. • Kollektorstrom IC ≈ ICBO Maximale Spannungen bezüglich Durchschlag

Sekundärer Durchschlag begrenzt die maximale Gleichstromdissipation bei hohen Werten von UCE (< BUCEO).

F/182

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.21 Grundschaltungen von Transistoren und ihre wichtigen Eigenschaften (Zahlen für einen Kleinsignaltransistor: Eingangs-Verstärkung βe =100; Ausgangsleitwert h22=50 µS; Transistorfrequenz FT= 300 MHz; IE=5 mA; UT=40 mV; Eingangswiderstand rbe = 800 Ω).

ELEKTRONIK F/183

F/184

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.22 Einsatzmöglichkeiten bipolarer Transistoren

ELEKTRONIK

F/185

Feldeffekt-Transistoren (JFET: Junction Feld-EffektTransistoren)

Abb. 3.23 Aufbau und Arbeitsweise des Sperrschicht-Feldeffekttransistors (FET)

F/186

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.24 Vergleich der Beschaltung eines bipolaren Transistors in Emitterschaltung mit einem Feldeffekt-Transistor in Source-Schaltung

Abb. 3.25 Grundschaltungen der Feldeffekt-Transistoren

ELEKTRONIK

F/187

Gleichstromformeln JFET UDS(P) = UGS – UP = Spannung, wobei für bestimmte UGS das Abschnüren (pinch-off) auftritt. UP = Abschnürspannung (pinch-off voltage) Widerstandsgebiet: |UDS| < |UDS(P)| n

⎛ U ⎞ I D = I DSS ⎜⎜1 − GS ⎟⎟ für UDS = konstant; n ≈ 2 UP ⎠ ⎝ Das pinch-off-Gebiet ist das Gebiet, wo die Charakteristiken flach verlaufen, siehe Abbildung in der Übersicht.

IGFET, MOSFET (für pinch-off Gebiet) Normal an FET (depletion): ID =

(

1 β U GS − U GSoff 2

⎡

)2 = I DSS ⎢1 − UU GS ⎣⎢

Normal aus FET (enhancement): I D =

GSoff

⎤ ⎥ ⎦⎥

2

1 β(U GS − U T )2 2

N-Kanal: U GS > U T > 0; β > 0 P-Kanal : U GS < U T < 0; β < 0 β = Konstante, bestimmt durch Abmessungen. UT = Schwellenspannung (threshold voltage). Wechselstromformeln (für pinch-off Gebiet) Steilheit: ⎛ i ⎞ dI D S= =⎜ d ⎟ dU GS U = konst. ⎜⎝ u gs ⎟⎠ u ds = 0 DS Spannungs-Verstärkungsfaktor: ⎛u ⎞ dU DS µ= = ⎜ ds ⎟ dU GS I = konst. ⎜⎝ u gs ⎟⎠ id = 0 D

F/188

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.26 Anwendungsmöglichkeiten der Feldeffekt-Transistoren

ELEKTRONIK F/189

F/190

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Senkenwiderstand (oder innerer Widerstand): ⎛u ⎞ dU DS = ⎜⎜ ds ⎟⎟ rds = dI D U = konst. ⎝ id ⎠u = 0 GS

JFET

gs

:s =−

⎛ U GS ⎜⎜1 − UP ⎝ − U GSoff

2 I DSS UP

(

IGFET : s = β U GS

)

⎞ ⎟⎟ ⎠

Barkhausen: µ = srds ⎛ u ⎞ u Stromformel: id = s⎜⎜ u gs + ds ⎟⎟ = su gs + ds µ rds ⎝ ⎠ 1 1 Grenzfrequenz: f s = für JFET rs ≈ 2πrs C gs 3s 1 für IGFET 5s FET als spannungsabhängiger Widerstand (VVR oder VDR): rs ≈

rds =

U P2 1 ⋅ 2 I DSS U GS − U P − U DS

Komplementärer MOS (CMOS) N-Kanal und P-Kanal angereicherte Typen auf einem Chip. Angewendet als invertierendes Schaltelement. Konstruktionsnamen von verschiedenen Herstellern für das Erzielen von bestimmten Eigenschaften, vor allem schnelle Leistungsschalter: VMOS, VFET, HEXFET, DMOS, UMOS, ZMOS, SIPMOS.

ELEKTRONIK

F/191

Abb. 3.27 Kennlinien und Arbeitsbereiche des n-Kanal-Sperrschicht-FeldeffektTransistors

Magnetische Sensoren Hall-Element

Abb. 3.28 Hall-Effekt (negative Ladungsträger)

Die Kraft F auf eine mit der Geschwindigkeit v im Feld B bewegte Ladung q ist: F = q(v × B ) Dies resultiert in einer elektrischen Feldstärke: 1 E H = − (J × B ) = −rH (J × B ) nq

F/192

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Die Hall-Spannung über einer Platte mit der Dicke d ist: I ⋅B [V] U H = rH d 1 rH = = Hall-Koeffizient [m³/C] nq n = Konzentration der Ladungsträger in der Platte [m-3] q = + e (Löcher) oder – e (Elektronen) e = Einheitsladung (0,16 x 10-18 C) P-Material: UH und rH positiv N-Material: UH und rH negativ rH ≈ -116 x 10-6 m³/C für InSb rH ≈ -112 x 10-6 m³/C für InAs rH ≈ -1,4 x 10-3 m³/C für InP Magneto-resistiver Sensor (MRS oder MDR) B⊥I ; ρ = ρ0 1 + k m B 2 ρ0 = spezifischer Widerstand für B =0 Für InSb: km =38 bei B = 1T Andere Materialien: InSb-NiSb und Permalloy (Ni-Fe Legierung)

(

)

3.3 Netzwerktheorie Symbole

ELEKTRONIK Gesetze und Theoreme Erstes Gesetz von Kirchhoff (Stromgesetz, Knotenregel):

F/193

∑ i(t ) = 0

(i(t) ist positiv zum Knotenpunkt) Zweites Gesetz von Kirchhoff (Spannungsgesetz, Maschenregel): u (t ) = 0

∑

(Rundgang längs der Masche vom Netzwerk; u(t) ist sowohl aktiv als passiv. Superpositionstheorem

Netzwerkkomponenten

F/194

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Ein- und Ausschaltphänomene

Abb. 3.29 Ein- und Ausschalten eines Kondensators

ELEKTRONIK

Abb. 3.30 Ein- und Ausschalten einer Spule

F/195

F/196

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Anpassungsnetzwerke

ELEKTRONIK

F/197

3.4 Vierpol- und Zweitorschaltungen Allgemeines Ein Zweitor ist ein Vierpol, dessen Klemmenströme paarweise gleich, aber entgegengesetzt sind. Allgemein wird für beide Netzwerke der Name Vierpol gebraucht.

Vierpolkoeffizienten Ein Vierpol kann durch zwei Vierpolgleichungen mit vier Vierpolkoeffizienten oder Parametern beschrieben werden. Zu jedem Paar Gleichungen gehört ein Ersatzschema. Es wird von linearen Vierpolen für sogenannte kleine Signale ausgegangen.

F/198

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Berechnungen zwischen Vierpolmatrizen

Transistorparameter (BJT)

ELEKTRONIK Wichtigste Beziehungen zwischen Transistorparametern:

Transformatoren

Für sinusförmige Ströme und Spannungen:

Perfekter Transformator (k =1) M = L p Ls

F/199

F/200

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Transformationsverhältnis n =

Ns = Np

Ls Lp

Idealer Transformator

Perfekter Transformator mit Magnetisierungsstrom

Normaler Transformator = perfekter Transformator + Streuinduktanzen

Alle Parameter an der primären Seite:

ELEKTRONIK

F/201

Brückenschaltungen Brücke von Wheatstone Ud = 0 für: Z1 Z 4 = Z 2 Z 3 ϕ1 + ϕ 4 = ϕ 2 + ϕ3 ( Z = Z e jϕ )

Brücke von Wheatstone für Widerstandsmessung: Z1 = R1; Z 2 = R2 ; Z 3 = R3 ; Z 4 = Rx (zu messender Widerstand) R R Rx = 2 3 R1 Für Messung von kleinen Kapazitäten: 1 Z1 = (Cn variabel); Z 2 = R2 ; Z 4 = R4 jω C n R 1 C x = 2 Cn jω C x R4 Für Messung von Kapazitäten mit Verlusten: R C x = 2 Cn R4 Z3 =

R4 Rn R2 Brücke von Maxwell für Messung von Selbstinduktionen: Lx = R1R4C2 Rx =

R1R4 R2 R1 und R1 variabel C2 in Stufen Rx =

F/202

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Brücke von Wien für Frequenzmessung: R4 = 2 R2 ; R1 + R2 = R C1 = C2 = C ; ω =

1 RC

Abb. 3.31 Übersicht über Brückenschaltungen

3.5 Filter Polynome und Realisation Impedanzfunktion Allgemeine Impedanzfunktion eines Zweipols (Eintor):

Besteht Z ausschließlich aus Induktanzen und Kapazitäten, dann kann Z wie folgt geschrieben werden:

ELEKTRONIK

F/203

Synthese anhand eines Polynoms Methode von Foster (Bruchabspaltung):

Methode von Cauer (Kettenbruchentwicklung):

Die Ordnung n des Polynoms in Z(s) oder Y(s) gibt die Anzahl der Komponenten im Netzwerk.

F/204

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Netzwerkrealisation

Vierpolfilter Vierpolfilter sind Filter auf der Basis von Spiegelbildimpedanz.

ELEKTRONIK

F/205

F/206

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Näherungsmethoden für ideale Filtercharakteristik Basisfilter ist der Tiefpassfilter; andere Filter werden hiervon mittels Normierung abgeleitet. Leistungsübertragung eines Zweitorfilters S 21

2

1 2 U 2 / R2 P2 = = 2 1 2 PA U1 / R1 8

Abb. 3.32 Zweitorfilter

PA = aus der Quelle verfügbare Leistung PA 2 2 = G ( s) = 1 + K (s) P2 wobei: G(s) = Dämpfungsfunktion K(s) = charakteristische Funktion Für stationäre harmonische Signale: s = jω Dämpfungsfaktor : A(ω) = 20 log G ( jω) [dB] Phasenwinkel : B(ω) = arg G ( jω) [rad] dB [s] Gruppenlaufzeit : tan(ω) = dω Butterworth-Näherung - maximal flacher Verlauf in Durchlassband - monoton zunehmende Dämpfung im Sperrband Die normierte Dämpfungsfunktion (ωc =1) der n-ten Ordnung folgt aus: 2

G ( s ) = G ( s ) ⋅ G (− s ) = = 1 + s (− s ) n

n

Abb. 3.33 Dämpfung Butterworth-Filter

Hiermit wird die Spannungsübertragungsfunktion des Filters: 1 H ( jω) = 1 + ω2n Hier ist G(s) das Butterworth-Polynom. In Tabelle 3.10 sind die ersten vier Polynome angegeben. Abb. 3.34 gibt ω . A(ω) = f (Ω, n) Ω = ωc

ELEKTRONIK

F/207

Tabelle 3.10 Butterworth-Polynome

Abb. 3.34 Dämpfung für Butterworth-Näherung

Tsjebysjev-Näherung (Englisch: Chebyshev) • gleiche Wellung im Durchlassband; • monoton zunehmende Dämpfung im Sperrband. Für ωc = 1 ist: 2

G ( s) = 1 + ε 2Tn2 (ω)

ε = reelle Konstante = Maß für die Wellung ε<1

Abb. 3.35 Dämpfung Tsjebysjev-Filter

F/208

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

(

Amax = 10 log 1 + ε 2

)

ε = 100,1 Amax − 1 Die Anzahl Maxima + Minima der Wellung = Ordnung n des Filters Tn(ω) = Tsjebysjev-Polynom der n-ten Ordnung: Tn (ω) = cos(n arccos ω) (Tabelle 3.9) Allgemein ist: Tabelle 3.11 Tsjebysjev-Polynome Tn +1 = 2ωTn − Tn −1 Abb. 3.14 gibt ω A(ω) = f (Ω, n) Ω = ωc

für ε = 1. (Amax = 3 dB)

Abb. 3.36 Dämpfung für Tsjebysjev-Näherung

ELEKTRONIK Cauer-Näherung (Tsjebysjev-vollständige oder elliptische Näherung) • konstante Wellung im Passband und im Sperrband; • steiler Verlauf zwischen Passund Sperrband. Für ωc = 1 ist: 2

G ( s) = 1 + ε 2Cn2 (ω)

F/209

Abb. 3.37 Dämpfung Cauer-Filter

Cn ist nun so gewählt, dass im Passband und im Sperrband konstante Wellung auftritt. Bessel-Näherung • maximal flacher Verlauf von der Gruppenlaufzeit als Funktion der Frequenz; • geringe Überschwingerscheinungen bei schnellen Eingangsänderungen; • schlechte Dämpfungscharakteristik bei ω = ωc. G ( jω) = ae jωT0 A(ω) = 10 log e (ωT0 ) / (2 n −1) wobei: T0 = konstante Gruppenlaufzeit 2

Anwendung: In TV- und Audiofiltern. Filtersynthese Auf Basis der Näherungsmethoden können passive Filter mit L und C entworfen werden. Dazu muss der Filter an beiden Seiten mit einem reinen Widerstand abgeschlossen werden. Das Entwerfen geschieht anhand von Grafiken und Tabellen. Frequenz- und Impedanznormierung Impedanznormierung C R → mR L → mL C→ m

F/210

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Frequenznormierung LD = Tiefpass HD = Hochpass BD = Bandpass

BS = Bandsperre B = Bandbreite A = Normierungsfaktor

ELEKTRONIK

F/211

T-Netzwerke Doppel T-Netzwerk R R Für = 4 1 ist: C C1 u0 = 0 bei der Frequenz ui ω0 =

2 R C ⋅ C1

Abb. 3.38 Doppel T-Netzwerk

R jβ und C1 = 2C gibt : H (ω) = 2 4 + jβ ω ω0 mit β = relative Verstimmung = , wobei ω0 = 1/RC. − ω0 ω R1 =

Überbrückte T-Netzwerke Die Netzwerke von Abb. 3.17 sind keine Nullnetzwerke, d.h. u0 / ui kann für eine Frequenz nicht = 0 werden.

Abb. 3.39 Überbrückte T-Netzwerke

Für das linke Netzwerk ist die Übertragungsfunktion:

F/212

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.40 Nullnetzwerke

1 Q0 ω0 L, Q0 = Qualitätsfaktor von L bei ω = ω0 ; 4 u0 1 = 0 für ω = ω0 = ui LC

Bedingung: R =

Aktive Filter

ELEKTRONIK

F/213

Aktive Filter (Fortsetzung)

Bandpass- und Bandsperrfilter können durch geeignetes Zusammenfügen von LD- und HD-Filterteilen erhalten werden. Anwendung von aktiven Filtern bis ungefähr 1 MHz.

F/214

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

3.6 Verstärker Ideale und nicht ideale Verstärker Ein idealer Verstärker verstärkt das Eingangssignal (unabhängig von seiner Größe) um einen konstanten Faktor (lineare Kennlinie). Ein realer Verstärker weicht, je nach Güte, von dieser linearen Kennlinie ab. Die Kennlinie Ua = f(Ue) lässt sich durch eine ganz rationale Funktion höherer Ordnung annähern: Ua = a Ue + b Ue2 + c Ue3 + … Beim realen Verstärker sind alle Koeffizienten außer a gleich Null.

Abb. 3.41 Übertragungskennlinien eines Verstärkers

Messverfahren zur Beurteilung von Verstärkern Breitbandige Verstärker werden häufig mit einem Dreieck- oder Rechtecksignal geprüft. Das Ein- und Ausgangssignal untersucht man auf Verzerrungen, indem man beide Signale miteinander vergleicht.

ELEKTRONIK

F/215

Abb. 3.42 Mess-Schaltungen für lineare Verstärker

Es gibt Verstärker, die absichtlich nicht linear sind, um eine bestimmte Signalverarbeitung zu erreichen. Dazu gehören FET-Verstärker, deren quadratische Übertragungskennlinie sich gut zum Mischen zweier Frequenzen eignet. Die Signale werden auf der Kennlinie verarbeitet (additive Mischung).

F/216

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.43 Mischen zweier Frequenzen an einer quadratischen Kennlinie

Mehrstufige Verstärker Mehrstufige Verstärker haben eine große Verstärkung v. Abb. 3.44 zeigt drei hintereinander geschaltete Verstärkerstufen. Die Versorgungsspannung jeder einzelnen Stufe muss mit einem eigenen Abblock-Kondensator C1 bis C3 entkoppelt werden. Diese Kondensatoren verringern Störungen, die von der Versorgungsspannung auf die Vorstufen zurückwirken. Die Widerstände R1 bis R3 verbessern die Entkopplung, da über sie nur noch Gleichstrom fließt.

Abb. 3.44 Signal- und Stromführung in einem mehrstufigen Verstärker

ELEKTRONIK

F/217

Hochfrequenz-Verstärker Je höher die Arbeitsfrequenz ist, desto sorgfältiger sind die Gleichstrom- und Signalpfade zu entkoppeln. Das Signal wird nicht galvanisch, sondern induktiv an die nächste Stufe gekoppelt. Über die gemeinsame Masse fließt nur noch der Versorgungsgleichstrom. Der Strompfad für den Versorgungsstrom und den Abblockkondensator C2 hat mit dem Eingangskreis F2 und dem Ausgangskreis F3 keinen gemeinsamen Strompfad.

Abb. 3.45 Signal- und Stromführung in einem Hochfrequenzverstärker

Gegengekoppelter Verstärker Ein Verstärker kann schwingen, wenn seine Gegenkopplung nicht richtig dimensioniert ist. Die Gegenkopplung soll das Ausgangssignal gegenphasig an den Eingang zurückführen, wo es die Eingangsspannung Ue zum größten Teil kompensiert. Wir die Eingangsspannung nicht mehr kompensiert, dann wird aus der Gegenkopplung eine Mitkopplung und die Schaltung schwingt. Schaltungen zur Schwingungserzeugung (Oszillatoren) werden bewusst mit einer Mitkopplung realisiert.

F/218

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.46 Übergang von der Gegenkopplung zur Mitkopplung

Leistungsverstärker (diskontinuierlich arbeitend) Klasse-C Verstärker Einfacher Klasse-B Verstärker. Transistor leitet kürzer als eine halbe Periode. 78,5 < η < 100%.

ELEKTRONIK

F/219

Klasse-D Verstärker Transistoren arbeiten als Schalter, die Belastung ist über einen abgestimmten Kreis gekoppelt. ZKreis ist sehr klein für die Schaltfrequenz. Eingangssignal = pulsbreitenmoduliertes Signal. fSchalter ≥ 10 x höchste Frequenz des zu verstärkenden Signals. Für transformatorgekoppelte Verstärker mit zwei Schalttransistoren ist die maximale Ausgangsleistung in die Last RL: 8 U2 PR L (max) = 2 2CC π n RL Theoretisch ist η = 100%; praktisch: 95 < η < 99%. Spezielle Verstärker (Klasse E, F, S und Kombinationen) Enthalten vielfach schaltende Transistoren und abgestimmte Kreise, haben sehr hohen Wirkungsgrad (95 < η < 99%). Operationsverstärker Diese Verstärker lassen sich mit einfachen Netzwerken aus Widerständen und Kondensatoren (meist auf einem Halbleiter untergebracht) beschalten und verknüpfen die Eingangsspannungen und – ströme nach den vorgegebenen mathematischen Zusammenhängen zu dem definierten Ausgangssignal. Tabelle 3.12 Vergleich des idealen mit dem realen Operationsverstärker

F/220

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 3.13 Begriffe beim Operationsverstärker

ELEKTRONIK Tabelle 3.13 (Fortsetzung)

F/221

F/222

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.47 Ersatzschaltbild eines realen Operationsverstärkers

Abb. 3.48 Schaltzeichen des Operationsverstärkers

ELEKTRONIK

Abb. 3.49 Prinzipschaltung eines einfachen Operationsverstärkers

F/223

F/224

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.50 Übersicht über statisch beschaltete Operationsverstärker

ELEKTRONIK

Abb. 3.50 (Fortsetzung)

F/225

F/226

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.51 Übersicht über dynamisch beschaltete Operationsverstärker

ELEKTRONIK

3.7

Radiotechnik

Schwingkreise

Abb. 3.52 Vergleich mechanischer und elektrischer gedämpfter Schwingungen

F/227

F/228

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.53 Schwingkreise

Abb. 3.54 Erzwungene elektrische Schwingungen

ELEKTRONIK

Abb. 3.54 (Fortsetzung)

F/229

F/230

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.54 (Fortsetzung)

Gekoppelte Kreise (Bandfilter) Kapazitive Kopplung Fußkopplung:

ELEKTRONIK

F/231

Definitionen Bandbreite: Unterschied zwischen zwei Frequenzen, wobei die Spannung über einen Kreis gleich ist 1 / 2 (= −3 dB) des Wertes bei Resonanz. Fußbreite: Unterschied zwischen zwei Frequenzen, wobei die Spannung über einen Kreis gleich ist 0,1 (= -20 dB) des Wertes bei Resonanz. Spitzenbreite: Frequenzunterschied zwischen den Spitzen der Resonanzkurve.

F/232

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Spitze/Tal-Verhältnis: Verhältnis

u max über einen Kreis bei konuTal

stanter Eingangsspannung. Selektivitätsfaktor: S10 = f 0 / ½B10. Oszillatoren und andere Signalgeneratoren Allgemeine Oszillierbedingungen für Oszillatoren mit sinusförmiger Ausgangsspannung: Kreisverstärkung A·β = 1. Phasenbedingung: Im (A·β) = 0. D.h., Phasendrehung von P nach Q: 360°. RC-Generatoren Brücke von Wien-Oszillator

LC-Oszillatoren Anzusehen als Dreipunktschaltung:

V ist idealer Verstärker: Zi = ∞, Z0 = 0, Steilheit s. Oszillierbedingungen: − sZ1Z 3 = Z1 + Z 2 + Z 3 Dieses ist erfüllt, wenn X 1 + X 2 + X 3 = 0; R1 = R2 = R3 = 0.

ELEKTRONIK

F/233

Demodulation (Detektion) Detektion von AM-Signalen Auch: Umhüllende Detektion oder Spitzendetektion. Nachfolgendes gilt für doppelseitbandmodulierte Signale, wobei die Trägerwelle nicht unterdrückt ist. Detektordämpfung Rd: die Belastung, die der Detektorkreis für die (Antenne) Quelle darstellt: 1 • bei Reihendetektion: Rd = R; 2 1 • bei Paralleldetektion: Rd = R. 3 Wahl der Zeitkonstanten: 1 RC < m ⋅ ωm m = Modulationstiefe (0 < m < 1) ωm = Modulationsfrequenz Detektion von FM-Signalen Flankendetektion (verstimmter Abstimmkreis)

Phase locked loop (PLL) Der Phase Locked Loop (PLL) ist ein Regelkreis, der Phasen- und Frequenzunterschiede zweier Signale erfassen und ausgleichen kann. Wichtigster Bestandteil des PLL ist der Phasenvergleicher (PD: Phase Detector). Ihm folgt ein Tiefpassfilter (TP), der den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO: Voltage Controlled Oscillator) in seiner Fre-

F/234

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

quenz beeinflusst. Diese drei Bestandteile liegen im Vorwärtspfad. Im Rückwärtspfad befindet sich ein fester bzw. ein programmierbarer Teiler, der die Ausgangsfrequenz des VCO´s durch den Wert N teilt. Der PLL ist damit in der Lage, in Abhängigkeit von N die Ausgangsfrequenz des VCO´s auf das N-fache der Referenzfrequenz einzustellen.

Abb. 3.55 Grundschaltung eines PLL

Eigenschaften • •

•

•

Haltegebiet (lock range): 2∆ω H = 2 K Fanggebiet (capture range): Gebiet innerhalb dessen PLL letztendlich synchronisiert (ω0 = ωi): ω ⎞ ⎛ 2∆ωV ≈ 4 ω n K ⎜ ζ − n ⎟ K⎠ 2 ⎝ Lock-in Gebiet = Gebiet innerhalb dessen PLL innerhalb einer Periode des Eingangssignals synchronisiert: τ 2∆ω L ≈ 2 K 2 τ1

Pull-out Gebiet = maximales ∆ωi = ωi − ωc auf den Eingang gegeben, wobei PLL synchronisiert bleibt, ohne Perioden zu überspringen: ω po = 1,8ω n (1 + ζ )

ELEKTRONIK •

Akquisitionszeit = notwendige Zeit für das Einfangen (pull-in time): Tp ≈

•

F/235

(ωi − ωc )02 2ζω3n

(ωi − ωc )0 = anfängliche Verstimmung

Stabilitätsgrenzen:

Anwendung: Als FM-Diskriminator, wobei u0(t) die Frequenzdemodulation von ui(t) darstellt. Die Ordnungszahl des PLL ist gleich der Ordnungszahl des Filters + 1 (z. B. Tiefpassfilter 1. Ordnung = PLL 2. Ordnung). Tabelle 3.14 Filter 1. Ordnung

F/236

3.8

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Elektronische Versorgungsapparaturen

Gleichrichterschaltungen

Abb. 3.56 Gleichrichter-Schaltungen

ELEKTRONIK Integrierte Spannungsregler Tabelle 3.15 Integrierte Spannungsregler

Tabelle 3.16 Eigenschaften von integrierten Spannungsreglern

Spannungsstabilisatoren Allgemein

F/237

F/238

3.9

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Rauschen

Symbole k = Boltzmann-Konstante = 1,3806503 x 10-23 J/K T = absolute Temperatur [K] B = Rauschbandbreite [Hz] e = Elementarladung = 1,602176462 x 10-19 C R = Widerstand [Ω] G = Leitung = 1/R [S] Thermisches Rauschen im Widerstand R Als Spannungsquelle in Reihe mit R: En = en2 = 4kTBR (Nyquist)

Als Stromquelle parallel an den Leiter G: I n = in2 = 4kTBG Maximal abgegebene Leistung der Rauschquelle: Pn = kTB =

en2 R

Hagelrauschen Dieses Rauschen entsteht als Strom in einem Leiter, durch den ein Gleichstrom I läuft: in2 = 2eIB. Signalrausch-Verhältnis (SNR: Signal to Noise Ratio) Signalleistung (an bestimmter Stelle im Verstärker) SNR = Rauschleistung Häufig in dB ausgedrückt. Rauschzahl des Verstärkers: F =

SNR Eingang SNR Ausgang

Rauschfaktor: NF = 10 logF [dB] In Kaskadenschaltung: F − 1 F3 − 1 F −1 F = F1 + 2 + + 4 + ... G1 G1G2 G1G2G3 wobei: Gj = Leistungsverstärkung der Stufe j

ELEKTRONIK

F/239

Rauschzahl eines Vierpols mit R0 am Eingang: R R Substitution von R0 = Rv ⋅ Ri F = 1+ v + 0 ; R0 Ri Fopt = 1 + 2

• •

Rv (Extremwert) Ri

Hierbei ist in dem Vierpol die Anwesenheit angenommen von: einer Spannungsrauschquelle Rv; einer Stromrauschquelle Ri.

3.10

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Ab 1. Januar 1992 muss alle elektronische Apparatur die EMVRichtlinie 89/336/EEC erfüllen und das CE-Kennzeichen vorsehen. Die EMV ist die Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung, in ihrer elektromagnetischen Umgebung zufrieden stellend zu funktionieren, ohne diese Umgebung, zu der auch andere Einrichtungen gehören können, unzulässig zu beeinflussen. Folgende elektromagnetische Störgrößen werden gemessen:




Störspannung (V) (leitungsgebunden), Störstrom (A) (leitungsbunden), Störfeldstärke (A/m oder V/m) (gestrahlt.

Je nach Art der Störquelle erzeugt diese unterschiedliche Signalarten:




Schmalbandstörer (sinusförmig oder diskret), Breitbandstörer (mehrere diskrete Frequenzen liegen im Durchlassbereich des Empfängers), Impulsförmige Störungen (transiente Störungen).

Störer und Gestörter Einen Störer betrachtet man als Störquelle (Sender), den Gestörten als Störsenke (Empfänger) und deren Ausbreitungsweg als Koppelpfad.

F/240

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.57 Innere und äußere EMV, Schnittstellen und Beeinflussungsmodell

Abb. 3.58 Hierarchie der Europäischen EMV-Normen

ELEKTRONIK Tabelle 3.17 Physikalische Größen der EMV

Tabelle 3.18 Bauelemente zur Begrenzung von Überspannungen

Tabelle 3.19 EMV-Matrix für einen Aufstellungsort

F/241

F/242

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 3.20 Verringerung von Kopplungen

ELEKTRONIK Tabelle 3.21 Optimierung von Schirmmaßnahmen

F/243

F/244

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 3.22 Störfestigkeit (genormte Beeinflussungsprüfungen)

ELEKTRONIK

F/245

Tabelle 3.23 Störaussendung; maximale Pegel nach EN 55 011

3.11

Produkt-Sicherheit

Jeder Benutzer einer Maschine erwartet, dass seine Maschine sicher ist, d. h. dass er während des Betriebes nicht von der Maschine geschädigt wird. Die Europäische Kommission hat für die Produktsicherheit die Maschinenrichtlinie und die Niederspannungsrichtlinie erlassen.

F/246

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb. 3.59 Arten der Gefahren

ELEKTRONIK Tabelle 3.24 Mechanische Gefahren

F/247

F/248

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 3.25 Schutzmaßnahmen gegen mechanische Gefahren und anwendbare Normen

ELEKTRONIK

Abb. 3.60 Stillsetzen einer Maschine Tabelle 3.26 STOP-Kategorien

F/249

F/250

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Abb 3.61 Methoden für die Stillsetzfunktion Tabelle 3.27 Gefährdungsbereiche durch den elektrischen Strom

ELEKTRONIK Tabelle 3.28 Schutz gegen elektrische Gefahren

F/251

F/252

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 3.28 (Fortsetzung)

Tabelle 3.29 Schutzklassen

ELEKTRONIK Tabelle 3.30 Zuordnung zu den Stromkreiskategorien

Abb. 3.62 Elektrische Trennstellen in einer Maschine

F/253

F/254

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 3.31 Matrix der vorkommenden Trennstellen

Abb. 3.63 Schaltsymbole für Sicherungselemente (Beispiele nach DIN 40 900)

ELEKTRONIK

Abb. 3.64 Beispiele für Überstromabsicherung

Abb. 3.65 Beispiele für Überspannungsabsicherung

F/255

F/256

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 3.32 Dimensionierungswerte elektrischer Isolationen

Tabelle 3.33 Mindestquerschnitt des externen Schutzleiters

Tabelle 3.34 Maximale Temperaturen

ELEKTRONIK Tabelle 3.35 Beispiele strahlender Gefahrquellen

Tabelle 3.36 Schutzmaßnahmen gegen Gefahren durch Laser

F/257

F/258

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

Tabelle 3.37 Beispiel für die Festlegung von Laser-Klassen

Tabelle 3.38 Methoden zur Minderung der Schallemission

ELEKTRONIK

3.12

Laser

Feststofflaser

F/259

F/260

ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

ELEKTRONIK

F/261

INHALT

G

1

G/1

Kommunikation und Informatik

Kommunikation, Seite G/2 1.1 Kommunikationsmodell, Seite G/2 1.2 OSI-Referenzmodell für offene Kommunikationssysteme, Seite G/13 1.3 Öffentliche Netze, Seite G/20 1.4 Lokale Netze (LAN: Local Area Network), Seite G/25 1.5 Integriertes digitales Nachrichtennetz (ISDN: Integrated Services Digital Network), Seite G/37

2

Informatik, Seite G/48 2.1 Digitale Schaltungen, Seite G/48 2.2 Kodierungen, Seite G/66 2.3 Schnittstellen (Interfaces), Seite G/85 2.4 Mikrorechner, Seite G/101

G/2

1

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Kommunikation

1.1 Kommunikationsmodell Wenn der Teilnehmer 1 mit dem Teilnehmer 2 kommunizieren will, schickt er eine Nachricht. Die Nachricht des Teilnehmers 1 wird von einem Wandler in elektrische oder optische Signale umgewandelt, die in einem Übertragungskanal übertragen werden. An dessen Ende werden die Signale wieder gewandelt und als Nachricht dem Teilnehmer 2 übermittelt (Abb. 1.1 a).

Abb. 1.1 Modell der Kommunikation

Das untere Teilbild (Abb. 1.1 b) zeigt die technische Realisierung des Kommunikationsmodells. Folgende Begriffe werden verwendet (Tabelle 1.1)

KOMMUNIKATION

G/3

Tabelle 1.1 Begriffe des Kommunikationsmodells Begriff Erklärung Anwendung Nachrichtenübermittlung über große Entfernungen zwischen zwei oder mehreren Teilnehmern (Menschen oder Maschinen) vom einen bis zum anderen Ende. Beispiele: Telefonieren, Faxen, Fernschreiben, Daten austauschen oder elektronische Post. Nachrichtenübermittlung Übertragung und vermitteln der Nachrichten über (ISDN: Teledienst) Endeinrichtungen (Telefon, Telefax, Modem, ISDNAnschluss), durch welche die Wandlung der Signale in Nachrichten erfolgt. An der Benutzerschnittstelle werden dem Benutzer diese Nachrichten zur Verfügung gestellt. Die Signalübertragung und -vermittlung und erfolgt Signalübermittlung im Nachrichtennetz. Vom Netzzugangspunkt ist (ISDN: Übermittlungsdas Signal über eine Netzschnittstelle mit der dienst) Endeinrichtung verbunden. Zwischen diesen Netzschnittstellen werden vom Netz optische und elektrische Signale übertragen (z. B. beim analogen Fernsprechnetz elektrische Signale zwischen 300 Hz und 3.400 Hz).

Grundprinzip der Signalübermittlung Die Nachrichtentechnik ermöglicht die Übertragung von Informationen zwischen räumlich getrennten Orten. Dabei ist der Übertragungsweg bei größeren Entfernungen der aufwändigste und störempfindlichste Teil des Systems. Die Signale entstammen dem Sender (Quelle), ihr Ziel ist der Empfänger (Senke). Moderne nachrichtentechnische Systeme bedienen sich der Verfahren der Kodierung, um Übertragungswege besser zu nutzen und eine störfestere Auswertung zu ermöglichen. Quellenseitig wird dazu vor den Übertragungsweg eine „Aufbereitung“ genannte Einrichtung eingefügt, in der die Signale so umgeformt werden, dass ihre senkenseitige Rückwandlung in der „Verarbeitung“ genannten Einrichtung diese übertragungstechnischen Vorteile zu nutzen erlaubt. Eigenschaften von Sendern und Empfängern Werden die Quellen und Senken einer Nachrichtenübertragung durch das menschliche Kommunikationsvermögen bestimmt, so ist auf jeder Seite eine Signalumwandlung erforderlich, da der Mensch für elektrische Signale kein angemessenes Unterscheidungsvermögen besitzt.

G/4

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Dies gilt in ähnlicher Weise auch für andere nichtelektrische Vorgänge, deren Informationen übertragen oder verarbeitet werden sollen. Die erforderlichen Wandler sind Teile der Aufbereitung und Verarbeitung und erfordern eine Umsetzung der Energieform. Bei Nachrichtensignalwandlern finden je nach der Art der zu wandelnden Signale und deren Frequenzbereich sehr unterschiedliche physikalische Prinzipien Anwendung. Neuere Wandlerkonstruktionen führen außer der eigentlichen Energieumwandlung zunehmend auch Kodierungs- und Decodierungsaufgaben durch. Grundschema der Kommunikation Gelegentlich ist nur eine Übertragung zum Empfänger vorgesehen. Die Rückmeldung erfolgt auf anderem Wege. Häufig wird aber eine Antwort auf eine übermittelte Nachricht gewünscht und dies erfordert, dass auch eine Verbindung in Gegenrichtung besteht. Dies kann zwar durch zwei gleiche Anordnungen, für jede Richtung eine, erreicht werden, würde aber den doppelten technischen Aufwand erfordern. Durch das Einfügen von Richtungsweichen bzw. Richtungsgabeln in die Aufbereitung und Verarbeitung entsprechend Abb. 1.2 kann eine Kommunikationsverbindung über einen einzigen Übertragungsweg hergestellt werden. Diese Betriebsart erlaubt gleichzeitig oder auch in zeitlich wechselnder Folge die Nachrichtenübertragung zwischen Quelle A und Senke B und zurück.

Abb. 1.2 Prinzip der Einwegkommunikation

Betriebsweise der Vielfachnutzung Durch Erweiterung in der Aufbereitung und in der Verarbeitung kann ein einziger Nachrichtenübertragungsweg auch von einer Vielzahl einzelner Quellen-Senken-Verbindungen gleichzeitig oder in zeitlicher Folge genutzt werden. Diese Betriebsweise wird als Vielfach oder Multiplex bezeichnet. Das in Abb. 1.3 gezeigte Schema eines Multiplexsystems erfordert eine „Multiplexer“ genannte Einrichtung zur Zusammenführung der einzelnen Kanäle vor dem Übertragungsweg

KOMMUNIKATION

G/5

und seine funktionsmäßige Umkehr, den Demultiplexer, der die Kanaltrennung auf der Verarbeitungsseite bewirkt.

Abb. 1.3 Vielfachnutzung eines Nachrichtenübertragungsweges

Die störungsarme Zusammenführung und Wiederauflösung der Signale auf dem als „Bündel“ bezeichneten gemeinsamen Übertragungsweg stellt hohe Anforderungen an die Eigenschaften der Systemteile. Dem Übertragungsweg zugeordnete Einrichtungen zur Verbesserung seiner Eigenschaften kommen aber allen Multiplexkanälen gleichermaßen zugute, sodass sich der Aufwand je Kanal mit deren steigender Zahl vermindert. Ein weitverbreitetes System dieser Art stellt bei analoger Aufbereitung und Verarbeitung 2.700 Telefonkanäle auf einem einzigen Übertragungsweg zur Verfügung. Dienste Dienst ist die Fähigkeit eines Netzes, Informationen einer bestimmten Art zu übertragen. Ein Dienst ist stets mit einer Aufgabe verbunden. Wie Tabelle G.2 an einigen Beispielen zeigt, steht für jeden Dienst ein spezielles, optimales Netz zur Verfügung. Die Vielzahl der Netze, der damit verbundenen Netzschnittstellen und Endgeräte wird durch das ISDN (Integrated Services Digital Network) abgelöst, das alle Dienste gleich behandelt. Durch besondere Dienstmerkmale kann der Anwender die Dienste möglichst optimal nutzen. Zu diesen Dienstmerkmalen gehören beispielsweise:
Festverbindungen,
Gebührenanzeige,
automatischer Rückruf bei "Besetzt",
Rufweiterschaltung und
geschlossene Benutzergruppe.

G/6

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Tabelle 1.2 Beispiele für Dienste

Nachrichtenverbindung Werden zwei Endeinrichtungen zum Informationsaustausch miteinander gekoppelt, dann entsteht eine Nachrichtenverbindung. Abhängig vom Dienst oder Netz haben die beiden Endeinrichtungen meist eine unterschiedliche Leistungsfähigkeit (z. B. beim analogen Fernsprechnetz ein Austausch von analogen, elektrischen Signalen von 300 Hz bis 3.400 Hz). Einfache Datennetze gestatten einen Austausch von binären Informationen zwischen den Endgeräten. Beim Austausch von elektronischen Briefen im Teleboxdienst der Telekom sind die Endeinrichtungen nicht direkt miteinander verbunden. Der Informationsaustausch erfolgt durch sogenannte Boxen (Briefkästen), in die Nachrichten abgelegt (senden) oder entnommen (empfangen) werden können. Es gibt folgende zwei Arten der Nachrichtenverbindung: Beim direkten Kanal (Standleitung) sind beide Kommunikationspartner dauernd miteinander verbunden. Bei der Wählverbindung wird der Übertragungsweg nur bei Bedarf bereitgestellt (Abb. 1.4), wobei die gerade freien Leitungsstücke zu einer aktuellen Verbindung zusammengefügt werden. Nach der Kommunikation werden die Leitungsstücke für andere Kommunikationspartner freigegeben.

KOMMUNIKATION

G/7

Abb. 1.4 Schema einer virtuellen Nachrichtenverbindung

Nachrichtenübermittlung Die Nachrichtenübermittlung kann prinzipiell verbindungsorientiert oder verbindungslos erfolgen. Der Nachrichtenaustausch zwischen den Gesprächsteilnehmern oder zwischen einzelnen Netzknoten benötigt Ziel-Informationen, die man Signalisierung nennt. Bei der verbindungsorientierten Nachrichtenübermittlung geschieht der Vermittlungsablauf in folgenden drei Schritten (Abb. 1.5):

G/8

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Abb. 1.5 Ablauf einer Nachrichtenübermittlung

1. Schritt: Verbindungsaufbau Der Teilnehmer zeigt dem Netz den Verbindungswunsch an (Belegung). Das Netz quittiert diese Belegung mit dem Wählton (Freizeichen). Daraufhin wählt der Anrufer die Nummer seines Partners. Diese Wahlinformation ist eine Adresse, die vom Netz als Adresse der Endeinrichtung des Gesprächspartners interpretiert wird. Das Netz prüft dann die Bereitschaft der Endeinrichtung des Gesprächpartners, das Gespräch zu empfangen. Ist dies gegeben, dann erfolgt die Rufanzeige. Der Gesprächspartner hört den Ruf und hebt gegebenenfalls den Hörer ab. 2. Schritt: Nachrichtenübermittlung In dieser Phase erfolgt der Nachrichtenaustausch der beiden Gesprächspartner.

KOMMUNIKATION

G/9

3. Schritt: Verbindungsabbau Der Übertragungskanal und die entsprechenden Endeinrichtungen werden wieder freigegeben. Dies geschieht nach Abb. 1.5 in folgender Weise: Ein Gesprächspartner zeigt (signalisiert) den Wunsch zum Beenden des Gespräches (Auslösen, z. B. durch Auflegen des Hörers). Das Netz löst dann die Verbindung auf (Auslöseanzeige durch einen Ton) und stellt das Netz und die Leitungen für andere Kommunikationsmöglichkeiten wieder zur freien Verfügung. Manche Netze gestatten eine verbindungslose Nachrichtenübermittlung. Beispielsweise werden in einem lokalen Netz (LAN: Local Area Network) Datenpakete (Daten begrenzter Länge mit Ursprungs- und Zieladressen) übertragen. Diese Übertragungsart stellt aber nicht sicher, ob der Empfänger tatsächlich in der Lage ist, diese Pakete zu empfangen. In der Regel wird dies jedoch von dem angewandten Protokoll sichergestellt. Nachrichtenvermittlungsnetz Ein Nachrichtennetz besteht aus den Endeinrichtungen und den Netzknoten sowie den Verbindungslinien zwischen diesen. Die Endeinrichtungen sind an den Netzknoten angeschlossen. Alle mit demselben Netzknoten verbundenen Endeinrichtungen können miteinander vermittelt werden. Werden die Netzknoten vernetzt, dann können auch Teilnehmer an unterschiedlichen Netzknoten miteinander kommunizieren. Üblicherweise wird zur Vernetzung das Nachrichtenvermittlungsnetz in verschiedene Ebenen aufgeteilt (Abb. 1.6). Vom Anrufer zum Angerufenen muss ein möglichst kurzer Weg durch das Netz gefunden werden (Verkehrslenkung). Dadurch werden möglichst wenig Netzknoten am Weg beteiligt, so dass möglichst viele Netzknoten für andere Verbindungen frei bleiben. Dies gestattet eine optimale Ausnutzung des Netzes. Die einzelnen Netzknoten werden über die Leitungen (Verbindungsleitungen: Verbindung zwischen einzelnen Netzknoten bzw. Anschlussleitungen, Verbindung zwischen Netzknoten und Datenendeinrichtung) miteinander verbunden (Abb. 1.6). Gleichwertige Leitungen mit dem gleichen Ziel nennt man Bündel.

G/10

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Abb. 1.6 Aufbau eines Nachrichtennetzes

Die wichtigsten Netzformen (Netztopologien) sind in Abb. 1.7 zusammengestellt.

Abb. 1.7 Topologien der Netze

KOMMUNIKATION

G/11


Maschennetze Sie werden in höheren Netzebenen hierarchischer eingesetzt (Abb. 1.6). Vorteilhaft ist die Schaltung einer Ersatzverbindung, wenn eine andere defekt ist.
Sternnetze Sie brauchen am wenigsten Leitungen zwischen den Knoten des Netzes. Deshalb werden sie für die Anschlüsse der Datenendeinrichtungen an die Netze verwendet (Abb. 1.6), weil hier die Leitungen teuer sind.
Ringnetze Die Informationen werden auf fest vorgegebenen Stationen ringförmig weitergegeben.
Baumnetze Dies sind mehrere, zusammenhängende hierarchische Netzanordnungen (z. B. Vielzahl von Client-Server-Rechner). Die Nachrichtenverbindung wird durch das Netz geschaltet, wenn der Weg durch das Netz über die Steuerung der Netzknoten festgelegt wurde. Die Wege zwischen den Koppelnetzen werden Verbindungsleitungen, die Wege von einem Netzknoten zu einer Datenendeinrichtung werden Anschlussleitungen genannt. Vermittlungsprinzipien In der Nachrichtentechnik werden folgende zwei Vermittlungsprinzipien eingesetzt:


Durchschalte- oder Leitungsvermittlung (circuit switching) nach Abb. 1.8.

Der Teilnehmer 1 fordert einen Teilnehmer 2 an. Dann wird die Nachrichtenverbindung in den Netzknoten (Vermittlungsstellen) durchgeschaltet, indem beispielsweise Schalter in den Vermittlungsstellen geschlossen werden. Diese geschaltete Verbindung stellt die Nachrichtenverbindung dar und steht den beiden Teilnehmern während des Gesprächs ausschließlich zur Verfügung. Es gibt zwei Prinzipien des Durchschaltens:

G/12

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Abb. 1.8 Prinzip der Durchschaltevermittlung

1. Raummultiplexverfahren Dort geschieht die Koppelung der Verbindungskanäle durch elektromechanische Schalter (Relais oder Wähler) bzw. durch elektronische Koppelfelder. 2. Zeitmultiplexverfahren Ein bestimmter ankommender Kanal wird in die Koppeleinrichtung eingespeichert und zu einem gewählten Zeitpunkt auf eine bestimmte Leitung ausgespeichert


Speicher- oder Paketvermittlung (store and forward switching oder packet switching).

Abb. 1.9 zeigt das Prinzip der Speichervermittlung. Die zu übertragende Nachricht wird dabei in Pakete aufgeteilt. Das sind Blöcke einer bestimmten Länge. Jedes Paket besteht aus einem Kopf mit der Steuerinformation, welche die zusammengehörigen Pakete durch eine logische Kanalnummer kennzeichnet, und der Nutzinformation (Abb. 1.10). Über eine Leitung kann man verschiedene Pakete schicken. Deshalb lässt sich die gleiche Leitung mehrfach nutzen. Die logische Kanalnummer stellt sicher, dass zusammengehörende Pakete entspre-

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chend gekennzeichnet werden. Es handelt sich hierbei um eine virtuelle Verbindung. Die Verbindung zwischen zwei Teilnehmern ist tatsächlich nur während der Laufzeit der Pakete vorhanden, während es den Teilnehmern so vorkommt, als ob eine dauernde Verbindung zwischen ihnen aufgebaut sei.

Abb. 1.9 Prinzip der Speichervermittlung

Abb. 1.10 Aufteilen einer Nachricht in Pakete

1.2 OSI-Referenzmodell für offene Kommunikationssysteme Systeme (z. B. Rechner oder ein Rechnerverbund), die mit anderen Systemen kommunizieren oder kooperieren (verschiedene Systeme

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erfüllen eine gemeinsame Aufgabe) können, sind offene Kommunikationssysteme (kurz: offenes System). Damit eine herstellerunabhängige, freie Kommunikation möglich wird, müssen genormte Regeln (Protokolle) für den Informationsaustausch festgeschrieben und eingehalten werden. Das OSI-Referenzmodell (Open Systems Interconnection) ist ein genormtes Architekturmodell für offene Kommunikationssysteme. Es legt folgendes fest:




Hierarchische Gliederung der notwendigen Kommunikationsaufgaben in sieben Schichten, Festlegen der Aufgaben der einzelnen Schichten und Festlegen der Protokolle zur Kommunikation zwischen Schichten gleicher Ebene.

Sieben Schichten des OSI-Referenzmodells (Abb. 1.11)

Abb. 1.11 Schichten im OSI-Referenzmodell

Die unteren vier Schichten (Schicht 1 bis Schicht 4) beschreiben die Transportfunktionen und die oberen drei Schichten (Schicht 5 bis Schicht 7) die Anwendungsprotokolle. Die einzelnen Schichten haben folgende Aufgaben:

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Schicht 1: Bitübertragungsschicht (physical layer) In der Bitübertragungsschicht werden die binären Signale ungesichert übertragen. Dabei müssen die elektrischen Funktionen, die Übertragungsverfahren und das Übertragungsmedium festgelegt werden. Im wesentlichen sind folgende Funktionen zu erfüllen:
Ein- und Ausschalten der Übertragungsstrecke,
Zusammenschalten einzelner Übertragungsabschnitte,
Anpassung an die physikalischen Eigenschaften des Übertragungsmediums,
Wandlung von paralleler in serielle Übertragung (und umgekehrt),
Überwachung des Zustands und
Synchronisation. • Schicht 2: Sicherungsschicht (link layer) Diese Schicht hat die Aufgabe, die ungesicherten Informationen der Schicht 1 in eine gesicherte Übertragung zu überführen. Dazu gehört sowohl der geordnete Zugriff auf das übertragende Medium als auch die Strukturierung der Daten. Die ISO-Norm 8802 teilt deshalb die Sicherungsschicht in folgende zwei Teilebenen ein: in die LLCTeilebene (Logic Link Control Sublayer), welche die Daten strukturiert und in die MAC (Medium Access)-Teilebene, die den Zugriff auf das Übertragungsmedium vornimmt. Die Datenstruktur in der Sicherungsschicht besteht aus einem Datenblock mit Nutzdaten sowie Kontrollinformationen wie Blocklänge, Prüfsumme, Sender- und Empfängerkennung. Mängel und Fehler einer Übertragungsstrecke werden den höheren Schichten berichtet (Protokoll). Das bekannteste Protokoll dieser Schicht ist das XON/XOFF-Protokoll für fest geschaltete Punkt-zu-PunktVerbindungen über V.24-Schnittstellen (X steht hierbei für transmitt ON oder OFF). In diesem Protokoll sind nur zwei Zeichen zum Beginn und Beenden einer Übertragung definiert. Bei den Protokollen gibt es folgende zwei Typen:
Zeichenorientierte Protokolle Dabei verwendet man Steuerzeichen zur Signalisierung. Diese Steuerzeichen sind in einer Kodetabelle vereinbart (z. B. ISO-7-

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Bit-Kode, CCITT Nr. 5, DIN 6603). Dabei fasst man die zu übermittelnden Nachrichten als Block zusammen. Ist ein solcher Block komplett übertragen worden, dann schickt die Empfangsseite eine Bestätigung (ACK: Acknowledge) bzw. eine Nichtbestätigung (NAK: Not Acknowledge) des Empfangs zurück. Wichtig beim Einsatz von zeichenorientierten Protokollen ist, dass die beteiligten Systeme den gleichen Zeichensatz verwenden.
Bitorientierte Protokolle Sie benutzen strukturierte Dateneinheiten mit örtlich festgelegten Feldern (Blöcke) für die Aufnahme von Steuer- und Nutzinformationen zur Übertragung. Die Übertragung ist dabei unabhängig von einem bestimmten Zeichensatz und sind deshalb wesentlich komfortabler als die zeichenorientierten Protokolle. Aufgaben dieser Schicht sind daher:
Auf- und Abbau der Schicht 2-Verbindung,
Steuerung der Übertragung,
Überwachung der Übertragungsfehler,
Aufteilung der Daten der Schicht 3 in Blöcke und Blocknummerierung und
Erzeugen und Auswerten von Prüfbytes. Schicht 3: Vermittlungsschicht (network layer) Sie legt fest, wie eine Netzverbindung zwischen den Endsystemen aufgebaut und überwacht wird. Dazu gehören folgende Aufgaben:
Koppelung der Endsysteme,
Aufbau der Netzverbindungen,
Verbindungslenkung (Wegefindung, Routing) und
netzabhängige Fehlerüberwachung. Schicht 4: Transportschicht (transport layer) Diese Schicht transportiert die Nachrichten von einem Endsystem zum anderen. Dazu werden die notwendigen Transportverbindungen errichtet, gesteuert und beendet. Folgende Aufgaben müssen erfüllt werden:
Datensegmentierung,
Adressübersetzung (z. B. Name zu Rufnummer),

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Anpassung an unterschiedliche Netzeigenschaften und Fehlerprotokolle für die Verbindung zwischen den Endeinrichtungen.

Bei der Transportschicht gibt es fünf verschiedene Dienstklassen: Klasse 0: Klasse 1: Klasse 2: Klasse 3: Klasse 4:

einfachste Klasse ohne Fehlererkennung Grundklasse mit Fehlererkennungs- und Behebungsmechanismen bei netzseitig gemeldeten Fehlern Multiplexverbindungen Multiplexverbindungen mit Fehlerbehandlung nach Klasse 1 Wie Klasse 3, aber mit einer zusätzlichen Behandlung von selbsterkannten Fehlern

Schicht 5: Kommunikationssteuerungsschicht (session layer) Diese Schicht stellt die Mittel zur Verfügung, eine Kommunikationsbeziehung (Sitzung oder session) zu eröffnen, deren geordnete Durchführung zu regeln und zu beenden. Im einzelnen sind das folgende Aufgaben:
Multiplexen Liegen in einem System mehrere Aufträge zur Datenübertragung vor, dann muss man diese nach Prioritäten zeitlich versetzt der Datenübertragungseinrichtung zuführen.
Verwalten der Pufferspeicher Die Nachrichten gelangen bei der Übertragung in Pufferspeicher, von denen man sie dann abholen bzw. abschicken kann. Die Speicherverwaltung (buffer management) verwaltet die Pufferspeicher, verteilt sie auf die einzelnen Teilnehmer und lagert zeitweise auf Hintergrundspeicher aus (swapping).
Prioritätenverwaltung Die Prioritätenverwaltung (priority management) prüft bei jedem Auftrag, ob nicht ein Auftrag mit höherer Priorität vorliegt. Bei einer dynamischen Prioritätenverwaltung werden trotz vieler Aufträge mit hoher Priorität auch Aufträge nied-

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK riger Priorität berücksichtigt. Dabei wird die Priorität eines Auftrags nach jeder Nichtbearbeitung erhöht und nach jeder Bearbeitung gesenkt.
Austausch von Kennungen Bei vielen Kommunikationsformen ist ein Austausch von Kennungen über die gerufene und die rufende Station vorgesehen. Diese Kennungen kann der Anwender auf Wunsch ausgeben.
Parameterübergabe Da die Nachrichten meist in Paketen zusammengefasst sind, kann hier eine Parameterübergabe stattfinden (z. B. Parameter für bevorzugte Behandlung als Eilpaket).. Man kann auch Angaben über die Formatierung von Daten oder die Konvertierung von Daten in der empfangenden Anlage übergeben.

Schicht 6: Darstellungsschicht (presentation layer) In dieser Schicht wird durch ein Protokoll festgelegt, wie die Informationen darzustellen und auszutauschen sind. Folgende Aufgaben sind zu erledigen:
Datenkompression Werden Daten komprimiert, so können über die vorhandenen Übertragungskapazitäten mehr Informationen übertragen werden. Damit wird das Verkehrsaufkommen verringert.
Datenvorverarbeitung Mit der Datenvorverarbeitung lässt sich die Datenmenge ebenfalls verringern, so dass nicht alle eingegebenen Datenmengen auch übertragen werden müssen.
Kode- und Alphabetwandlung Eine Umkodierung und eine Übersetzung in ein anderes Alphabet wird notwendig, wenn zwei Systeme miteinander kommunizieren, die unterschiedliche Zeichenkodes bzw. Alphabete verwenden.

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Formatanpassung Die unterschiedlichen Datenformate müssen angepasst bzw. entsprechend umgewandelt werden. Schicht 7: Anwendungsschicht (application layer) In der Anwenderschicht findet die eigentliche Nachrichtenübertragung statt. Es werden System- und Anwendungssteuerungen durchgeführt, so dass die übertragenen Nachrichten dem Endsystem unmittelbar zur Verfügung stehen. Einzelne Aufgaben sind:
Berechtigungsprüfung für die Kommunikation,
Identifikation der Kommunikationspartner,
Zugang zur Kommunikation und
Wahl der Übermittlungsparameter und Festlegen der Übermittlungsgüte. Kommunikation zwischen den Schichten Jede Schicht im OSI-Referenzmodell stellt eine Instanz (entity) dar. Diese Instanz liefert die für die Schicht typischen Funktionen. Eine Kommunikation findet nur zwischen den benachbarten Schichten (obere und untere Schicht) statt (Abb. 1.12), und zwar über Dienstelemente (primitives, d. h. unteilbare Elementarnachrichten). Diese Kommunikation ist meist nicht standardisiert. Die Instanzen erbringen für die obere Schicht Dienste und fordern die Dienste der unteren Schicht an. Beispielsweise liefert die Sicherungsschicht (Schicht 2) der Vermittlungsschicht (Schicht 3) den Dienst einer sicheren Informationsübertragung und fordert von der Bitübertragungsschicht (Schicht 1) die entsprechenden Binärsignale an. Über einen Dienstzugangspunkt (SAP: Service Access Point) gelangt man zu den Funktionen der unteren Schicht.

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Abb. 1.12 Schema der Kommunikation zwischen den Schichten

Die Aufgaben einer bestimmten Schicht werden erfüllt, indem mit der entsprechenden Schicht des Partnersystems (Partnerinstanz, peer entity) Nachrichten ausgetauscht werden, d. h. eine Kommunikation stattfindet. Die Art des Nachrichtenaustausches ist normiert und wird Protokoll genannt. Jede Schicht hat solch ein Schichtenprotokoll. Die höheren Schichten erfahren nichts von diesem Protokoll, ihnen werden nur die Dienste der entsprechenden Schichten zur Verfügung gestellt. Die Dienste einer unteren Schicht werden nicht nur von der darrüberliegenden Schicht genutzt, sondern stehen allen Schichten darüber zur Verfügung. Das bedeutet: Eine Schicht nutzt die Dienste aller darrunterliegenden Schichten.

1.3 Öffentliche Netze Tabelle 1.3 Eigenschaften öffentlicher Netze

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Fernsprechnetz Das Fernsprechnetz bietet Übertragungswege für Analogsignale von 300 Hz bis 3.400 Hz. Den Aufbau des Fernsprechnetzes zeigt Bild F12. Ein Ferngespräch wird im Ortsnetz über die Ortvermittlungsstelle (OVSt) an das Fernnetz übergeben. Dort stehen Knotenvermittlungsstellen (KVSt), Hauptvermittlungsstellen (HVSt) und Zentralvermittlungsstellen (ZVSt) zur weiteren Verbindung zur Verfügung. Von dort aus wird es in die Ortsnetzebene des angerufenen Teilnehmers 2 weiterverbunden.

Abb. 1.13 Struktur des Fernsprechnetzes in Deutschland

Datenübertragung über Modem Mit einem Modem (eigenes Gerät oder Modemkarte im Rechner) kann man über das Fernsprechnetz Daten übertragen. Das Modem wandelt beim Sender die digitalen Datensignale in die analogen Signale des Fernsprechnetzes (300 Hz bis 3.400 Hz) zur Übertragung um. Auf der Empfängerseite werden die analogen Signale des Fernsprechnetzes wieder durch ein Modem in digitale Signale für den Rechner gewandelt. Wichtig dabei ist, dass beide Modems mit derselben Über-

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tragungsgeschwindigkeit arbeiten. Für ein Modem bestehen Verbindungen zu den DATEX-L bzw. DATEX-P-Netzen. Telefax Beim Sender tastet ein Faxgerät die Vorlage zeilenweise optisch ab. Diese Informationen werden kodiert, als Längenangaben von schwarzen und weißen Feldern einer Zeile übertragen. Im empfangenden Faxgerät werden sie rückübertragen. DATEX-L Das DATEX-L-Netz ist in der Bundesrepublik Deutschland zweistufig und besteht aus 23 Vermittlungsstellen, die über 40.000 Kanäle miteinander vernetzt sind. Die Nachrichtenübertragung ist leitungsgebunden (-L), sie übermittelt alphanumerische Zeichen und Steuerzeichen. Die Übertragungsgeschwindigkeiten sind nach CITT X.20 und X.21 wählbar. DATEX-P Prinzip der Paketvermittlung Die Nachrichtenübertragung im DATEX-P-Netz erfolgt über die Paketvermittlung, bei der die Nutzdaten in Form von Datenpaketen übertragen werden. Ein Datenpaket ist eine Anzahl von 8-Bit-Gruppen (Oktett), mit einer nach ITU-T X.25 festgelegten Struktur. Sie besteht, wie Abb. F.8 zeigt, aus einem Kopf mit den Steuerinformationen und aus einem Rumpf mit den Nutzinformationen. Die Telekom hat die Länge eines Paketes auf maximal 128 Oktetts festgelegt, die nacheinander übertragen werden. Die Nachrichtenquelle erzeugt die Datenpakete und schickt diese zur Datenpaket-Vermittlungsstelle (DVST-P). Dort werden die Informationen des Paketkopfes ausgewertet und die Pakete zwischengespeichert. Nach den Informationen des Kopfes werden die Datenpakete in Richtung des Empfängers zu einer nächsten DVST-P weitergeschoben und dort zwischengespeichert. Die Übertragung erfolgt also abschnittsweise und unter Zwischenspeicherung. Dadurch ist die Paketvermittlung unabhängig von der Übertragungsgeschwindigkeit der Datenendgeräte, d. h., es können Geräte unterschiedlicher Geschwindigkeiten angeschlossen werden.

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Prinzip der virtuellen Verbindung Eine virtuelle Verbindung besteht zwischen zwei Teilnehmern, wenn diese die Datenpakete in der richtigen Reihenfolge erhalten, obwohl keine dauernde und durchgehende Verbindung besteht. Verwirklicht wird dies dadurch, dass die zusammengehörigen Pakete im Paketkopf dieselbe logische Kanalnummer tragen. In den DVST-P werden die Datenpakete entsprechend den Kanalnummern vom ankommenden zum abgehenden logischen Kanal umgespeichert und weiterbefördert (Abb. 1.14). Die Laufzeit eines Paketes ist vom Verkehrsaufkommen abhängig, da es nur weitergeleitet werden kann, wenn es freie Übertragungskapazitäten auf der ausgehenden Leitung gibt.

Abb. 1.14 Schalten einer virtuellen Verbindung

Anpassungseinrichtungen Das ITU-T-Protokoll X.25 regelt im DATEX-P-Netz den Datenverkehr mit den Endeinrichtungen. Für andere Protokolle oder nicht paketfähige Geräte (z. B. Modem) gibt es Anpassungseinrichtungen. In der ITU-T-Empfehlung X.3 wird eine Anpassungseinrichtung beschrieben, die man Paketierungs-Depaketierungseinrichtung (PAD: Packet Assembly/Disassembly Facility) nennt. Sie erfüllt folgende Aufgaben:

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK Sammeln der von der Dateneinrichtung (DEE) gesendeten Zeichenfolgen und deren Zusammenstellung zu Paketen sowie Empfang der Pakete, Zerlegung in Zeichenfolgen und Weiterleiten an die DEE.

Die ITU-T-Empfehlung X.28 regelt den Zeichenaustausch zwischen PAD und DEE. X.25-Schnittstelle Die X.25-Schnittstelle betrifft die ersten drei Schichten des OSIModells. Die Schnittstelle regelt folgendes: Schicht 1 (Bitübertragungsschicht) Sie liefert eine synchrone Übertragung binärer Signale für die Schicht 2. Die BIT-Übertragung erfolgt nach der Empfehlung X.21 oder X.21bis. Eine parallele X.21-Schnittstelle wird an eine Zweidrahtleitung durch ein Datexnetzabschlussgerät angepasst. Schicht 2 (Sicherungsschicht) Die Schicht 2 sichert die Daten der Schicht 1. Sie arbeitet nach dem Verfahren HDLC (High Level Data Link Control). Schicht 3 (Vermittlungsschicht) Die Schicht 3 erfüllt folgende Aufgaben:
Festlegen der logischen Kanalnummern für den Nutzdatenaustausch,
Auf- und Abbau virtueller Verbindungen zwischen Endeinrichtungen,
Austausch der Nutzdaten als Pakete. Festlegen und Sicherstellen der Reihenfolge der Pakete,
Fehlererkennung und -behebung durch Numerieren der Pakete,
Suchen der Verbindungswege (routing),
Vermittlung des Empfänger-Kanals (switching),
Kontrolle des Datenflusses.

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Dabei stehen die in X.25 beschriebenen Pakettypen zur Verfügung, nämlich Pakete für den Verbindungsaufbau und -abbau, die Datenübertragung, die Flussregelung und das Rücksetzen,Restart und Diagnose. Datendirektverbindungen Bei Datendirektverbindungen findet keine Vermittlung statt. Die Daten werden über Standleitungen direkt übertragen. Je nach Datenverarbeitungsanlage wird mit unterschiedlicher Software und Protokollen gearbeitet, die oft nur mit Geräten eines bestimmten Hardwareherstellers korrespondieren können.

1.4 Lokale Netze (LAN: Local Area Network)

Abb. 1.15 LAN: Topologien, Zugriffsverfahren, Übertragungsverfahren und Übertragungsmedien

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Abb. 1.16 Normen für LAN

Zugriffsverfahren Tabelle 1.4 Zugriffsverfahren

Die Zugriffsverfahren befinden sich auf der zweiten Ebene des OSIModells. Man unterscheidet dabei zwischen kollisionsbehafteten Zugriffsverfahren und kollisionsfreien (mit Sendeberechtigungsmarke, token). Kollisionen treten dann auf, wenn zwei Teilnehmerstationen gleichzeitig anfangen zu senden. Bei einem kollisionsfreien Netz darf nur mit einer Sendeberechtigungsmarke gesendet werden.

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Kollisionsbehaftete Verfahren


CSMA/CD-Verfahren

Beim CSMA/CD-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) handelt es sich um ein kollisionsbehaftetes Verfahren mit stochastischem Zugang, d. h. ohne festgelegte Reihenfolge. Auf diese Weise will man möglichst vielen Teilnehmern mit möglichst wenigen Einschränkungen jederzeit den Zugang zum Netz ermöglichen. Bei diesem Verfahren prüft jede Station durch ständiges Mithören (carrier sensing) den Bus, ob gerade Daten übertragen werden. Ist die Leitung frei, so kann man mit der Übertragung beginnen. Dabei ist es auch möglich, dass zwei oder mehrere Stationen gleichzeitig zu senden beginnen, was dann zu einer Kollision führt. Bei einer solchen Kollision wird die Übertragung sofort abgebrochen und ein Störsignal gesendet, woraufhin alle anderen sendenden Stationen ebenfalls sofort den Sendevorgang abbrechen. Nach einer zufällig gewählten Zeitspanne kann dann jede sendewillige Station erneut eine Datenübertragung beginnen. Bei diesem Verfahren entfällt die Notwendigkeit einer Netzverwaltung, d. h., es existiert keine zentrale Instanz, die Steuerungs- und Verwaltungsfunktionen im Netz ausübt. Bei diesem Zugriffsverfahren stehen verschiedene Übertragungstechniken und -medien zur Vefügung, die Übertragungsgeschwindigkeiten von 1 MBit/s bis 20 MBit/s erlauben.


CSMA/CA-Verfahren

Das CSMA/CA-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) arbeitet bei den Teilnehmern mit paarweise unterschiedlichen Verzögerungszeiten. Dadurch tritt nach einer erfolgten Kollision keine weitere Kollision mehr auf. Eine Prioritätenregelung erteilt dabei dem nächsten sendewilligen Teilnehmer die Sendeerlaubnis. Wird diese Priorität nicht genutzt, so hat wieder jeder Teilnehmer freien Zugriff auf das Übertragungsmedium. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es höhere Datendurchsatzraten und geringe Kollisionen pro Zeiteinheit erlaubt. Allerdings werden Teilnehmer mit niedrigen Prioritäten benachteiligt. Da dieses Verfahren jedoch sehr wenig Fle-

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xibilität gegenüber Veränderungen der Teilnehmerzahl bietet, hat es keine starke Verbreitung gefunden. Kollisionsfreie Verfahren Das Token-Passing-Zugriffsverfahren ist ein kollisionsfreies Zugriffsverfahren, d. h., es kommt nicht mehr zu Konfliktsituationen, wenn zwei oder mehrere Teilnehmer auf dasselbe Übertragungsmedium zugreifen wollen. Dies wird dadurch erreicht, dass man ein charakteristisches Bitmuster, nämlich die Sendeberechtigungsmarke (Token) von Station zu Station weitergibt. Diese Sendeberechtigungsmarke signalisiert allen Stationen, die sie passiert, dass sie in Sendebereitschaft gehen dürfen. Bei der Token-passing-Zugriffsverfahren ist es notwendig, dass jede Station die Adresse ihrer Vorgänger- und Nachfolgestation kennen muss. Somit entsteht bei diesem Zugriffsverfahren immer ein logischer Ring, auch wenn die Stationen einen Bus als Übertragungsmedium benutzen. Token-passing-Systeme eignen sich auch hervorragend zum Einsatz in der Fertigungssteuerung, da man dort maximale Wartezeiten bis zum Zugriff vorgeben kann. Die Buszugriffskontrolle (MAC: Medium Access Control) umfasst dabei folgende Teilfunktionen:









Time-out-Überwachung für den Token-Empfang, verteilte Initialisierung, Time-out-Überwachung für Tokenbesitz, Datenpufferung, Adressdekodierung, Nachrichtensynchronisierung, Fehlererkennung und Einfügen neuer Teilnehmer in die Tokenkette.

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Abb. 1.17 Zugriffsverfahren (Token passing)

Token-Bus-Zugriffsverfahren Wie Abb. 1.17a zeigt, sind die Stationen parallel an den Bus angeschlossen; die Daten werden moduliert übertragen (Breitbandübertragung). Die Kommunikation findet dabei auf zwei Trägerfrequenzen statt, die eine Aufgliederung in einen Sende- und Empfangskanal ermöglichen und somit eine Übertragung in zwei Richtungen gestatten. Werden neue Stationen an das Netz angekoppelt, so muss eine Initialisierungsphase ablaufen, um die Adressen zu reorganisieren. Dieses Verfahren ist im ISO-Standard 8802/4 festgelegt. Token-Ring-Verfahren Hierbei handelt es sich ebenfalls um ein Token-passing-Verfahren, bei dem die Teilnehmer nicht nur logisch, sondern auch physikalisch im Ring verbunden sind (Abb. 1.17b). Das Token-Ring-Verfahren überträgt im Gegensatz zum Token-Bus-Verfahren nur in einer Richtung bitseriell. Erhält dabei eine Station die im Ring kreisende Sendeberechtigungsmarke, so kann sie, falls sie keine Nachricht übertragen will, das Frei-Token in ein Belegt-Token umwandeln, ihre Nachricht mitsamt Zusatzinformationen anhängen und an die nächste Station

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übergeben. Dieses Datenpaket wird solange weitergereicht, bis es den Empfänger erreicht hat. Der Empfänger kopiert dann die Nachricht und schickt das Datenpaket wieder zum Absender und dieser kann nun die Nachricht überprüfen. Ist kein Übertragungsfehler aufgetreten, wird die Nachricht vom Ring entfernt und eine neue Sendeberechtigungsmarke erzeugt, die dann wieder im Netz herumgereicht wird. Ein Problem ergibt sich bei steigender Zahl von Teilnehmern wegen der immer größer werdenden Umlaufzeit. Das Token-RingZugriffsverfahren ist im ISO-Standard 8802/5 festgelegt. Der Anschluss der Station an den Ring erfolgt über eine Schnittstellenleitung (MIC: Medium Interface Cable). Die definierte Übertragungsgeschwindigkeit sind dabei 1 MBit/s, 4 MBit/s und 16 MBit/s, wobei das Übertragungsmedium eine verdrillte Doppeladerleitung (Telefonleitung) ist. Die Übertragung erfolgt als Basisbandübertragung. Die Stationsverwaltung überwacht und steuert dabei die Arbeit der Zugriffssteuerung und der Bitübertragungsschicht. Eine Weiterentwicklung des Token-Ring-Zugriffsverfahrens ist durch den Einsatz von Lichtwellenleitern gegeben, da die physikalische Ringstruktur dies problemlos gestattet. Slotted Ring

Abb. 1.18 Zugriffsverfahren (Slotted Ring)

Beim Slotted-Ring teilt man den Ring in Schlitze (slots) fester zeitlicher Länge, welche Nachrichten übermitteln können (Abb. 1.18). Durch Verwendung von Schieberegistern wird die Bitumlaufzeit im

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Ring künstlich erhöht. So lassen sich mehr Bits auf dem Übertragungsmedium darstellen. Wie Abb. 1.18 zeigt, erzeugt man durch die Schlitze umlaufende Nachrichtencontainer. Jede der am Ring beteiligten Stationen darf einen an ihr vorbeikommenden leeren Container mit Nachrichten füllen. Hat ein solcher Container den Ring umrundet, so wird er wieder geleert. Würde man die Anzahl der Container auf einen verringern, so erhielte man das Token-Ring-Zugriffsverfahren. Somit wird deutlich, dass beim Slotted-Ring die Zugangszeit auf das Übertragungsmedium wesentlich kürzer ist als beim token-ring, weil die Zeit kürzer ist, bis ein leerer Container vorbeikommt. Nachteilig wirkt sich nur die begrenzte Aufnahmemöglichkeit der Container und eine hohe Redundanz aus, da in jedem Container die Adressen- und Steuerdaten mitgeschickt werden müssen. So muss eine Nachricht oft in viele Einzelteile zerlegt werden, damit diese in die Container passt. Der Slotted-Ring ist im ISO Standard 8802/6 festgelegt. FDDI (Fiber Distributed Data Interface) Das FDDI nach ANSI X3T9 ist eine Sonderform des Token-RingNetzwerkes, das ein doppeltes Glasfaserkabel zur Übertragung benutzt (Abb. 1.19). Dabei können die einzelnen Segmente des Netzes bis zu zwei Kilometer lang sein, während das ganze Netz sich über Hunderte von Kilometern erstrecken kann. Der FDDI-Standard umfasst die beiden untersten Schichten des OSI-Modells (Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht) und bietet deshalb der darüber liegenden Schicht der Netzwerkebene (Vermittlungsschicht) eine transparente Verbindung. Dabei kann man andere Sicherungs- und Leitungsprotokolle der Sicherungs- und Bitübertragungsschicht entweder im OSIModell umsetzen oder in FDDI-Datenpakete verpacken (Encapsulation-Mode).

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Abb. 1.19 FDDI-Netz

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Die physikalische Ebene des FDDI-Standards wird in zwei Teilebenen zerlegt, den PHY-Sublayer (PHYsical) nach ISO IS 9314-1 und den PMD-Sublayer (Physical Media Dependent nach ISO IS 9314-3). Die PHY-Teilebene ist dabei zuständig für die Kodierung der Daten und die Taktversorgung des Interfaces. Bei der Taktversorgung gibt es beim FDDI-Standard eine Besonderheit gegenüber einem einfachen Token-Ring-Netz. Im Gegensatz zum Token-Ring-Netz mit einer zentralen Taktversorgung wird beim FDDI, aufgrund der hohen Übertragungsgeschwindigkeit, der Takt in jedem Interface selbst erzeugt. Die Synchronisierung erfolgt dann mit dem hereinkommenden Bitstrom über einen Clock Synchronizer. Die physikalische Ankopplung an das Medium erfolgt in der PMDSchicht (Physical Medium Dependent) über Zweifaseranschlüsse mit optischen Verstärkern (Transceiver) und optischen By-Pass-Schaltern. Die Transceiver arbeiten mit Leuchtdioden bei einer Wellenlänge von 1.300 nm. Liegt keine Versorgungsspannung an, so baut der By-PassSchalter einen optischen By-Pass auf. Die zweite Schicht im OSIModell, die Sicherungsschicht wird ebenfalls in zwei Teilebenen aufgespalten, in die Zugriffskontrollebene (Media Access Control Sublayer, FDDI-MAC) nach ISO IS 9314-2 und in die Strukturierungsebene (Logic Link Control Sublayer, FDDI-LLC Type 1) nach ISO IS 8802-1. ATMR (Asynchronous Transfer Mode Ring) ATMR basiert auf einem Verfahren, das dem SLOTTED-Ring ähnelt. Das System besteht aus einem Doppelring, und es werden zur Übertragung der Nachrichten, wie bei ISDN und DQDB, 53 Byte große Zellen benutzt. Dadurch ist ein Übergang zu diesen Verfahren sehr einfach herzustellen. Bei ATMR werden die Zellen in zwei Prioritätsklassen eingeteilt, eine asynchrone und eine synchrone Klasse. Dadurch ermöglicht ATMR gleichzeitig die Übertragung von Daten (asynchron, nicht zeitkritisch) und Sprache, bzw. Video (synchron, zeitkritisch).

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QPSX/DQDB-Konzept Das QPSX/DQDB-Konzept (Queued Packet and Synchronous Switch/Distributed Queue Dual Bus nach ISO 8802/6 stellt ein Mehrdienste-LAN mit synchronen und asynchronen Diensten dar. Das Konzept basiert (im Gegensatz zu FDDI) auf einer DoppelbusTopologie und arbeitet mit einer Bandbreite von 150 MBit/s. Zu öffentlichen Netzen stellt man Schnittstellen nach CCITT G-702 und SONET (Synchronous Optical NETwork nach CCITT G-707/8/9) bereit. Auch SDH (Synchronous Digital Hierarchy) stehen zur Verfügung, um öffentliche Übertragungssysteme zu nutzen. QPSX/DQDB benutzt eine Pulsrahmen-Technik. Der Pulsrahmen (MAC Cycle Frame), der wiederum in Slots fester Länge eingeteilt ist, wird vom Rahmengenerator erzeugt und synchron auf beiden Bussen gesendet. Dabei entstehen zwei verschiedene Arten von Slots: einmal der Queuedarbitrated-Slot (QA-Slot), der für asynchrone Übertragungen geeignet ist und zum anderen der Non-arbitrated-Slot, der für die synchrone Übertragung zuständig ist. Die Stationen entscheiden dabei selbständig, ob sie einen vorbeikommenden QA-Slot füllen. Bedingt durch die Busstruktur entsteht eine Selbstheilungsfunktion beim Ausfall eines Teilsystems. Kopplungsverfahren Werden lokale Netze zusammengeschaltet (gekoppelt), so sind - je nach Verschiedenheit der Netze - unterschiedliche Maßnahmen zu treffen, um eine sichere Kommunikation zu gewährleisten. Dies geschieht mit verschiedenen Kopplungsbauteilen (Abb. 1.20).

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Abb. 1.20 Koppelbausteine für LAN

Gleiche Netze verbindet man mit Repeatern (z. B. Ethernet mit Ethernet), die auf der ersten Schicht des OSI-Modells (Bitübertragungsschicht) arbeiten. Sie dienen als Verstärker und werden deshalb auch Regeneratoren genannt. Bei einem Repeater kann auch ein Wechsel des Mediums (z. B. Koaxialkabel auf twisted pair) erfolgen. Netze mit kompatiblen Leitungsprotokollen werden mit Bridges verbunden.

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Hierbei sind die Netze auf der dritten Schicht (Vermittlungsschicht) des OSI-Modells gleich. Die Schichten 1 (Bitübertragungsschicht) und 2 (Sicherungsschicht) können unterschiedlich sein (z. B. Ethernet mit twisted pair, CSMA/CD mit Token Ring). Dadurch können die Netze physikalisch getrennt sein. Es bleibt jedoch ein logisches Netz bestehen (d. h. es existiert nur eine Netzadresse). Netze mit unterschiedlichen Leitungsprotokollen und Topologien verbindet man mit Routern, die auf der dritten Schicht (Vermittlungsschicht) des OSI-Modells arbeiten. Die zwei zu verbindenden Netze müssen dabei auf gleichen Transportebenen basieren (z. B. TCP/IP, XNS, DECNet oder ISO 8073). Im Gegensatz zu Bridges sind über Router zwei verschiedene Netzwerke mit unterschiedlichen Netzwerkadressen verbunden. Dadurch kann man diese Netze unabhängig voneinander entwickeln und betreiben. Auch Fehler mit großen Auswirkungen (z. B. Broadcaststürme durch fehlerhafte Netzwerkadapter) wirken sich nur auf den jeweiligen Teil des Netzwerkes aus. Die Verbindung unterschiedlicher, herstellerspezifischer Netze geschieht mit Gateways, die auf der 7. Schicht (Anwendungsschicht) des OSI-Modells arbeiten. Hauptaufgabe des Gateways ist es, Protokollumwandlungen vorzunehmen, wobei zusätzlich überwacht wird, ob das richtige Protokoll Verwendung findet. Generelles Ziel von LANGateways ist es, offene Kommunikationsmöglichkeiten zwischen den Stationen der Schichten 5 bis 7 (Kommunikationssteuerungsschicht, Darstellungsschicht und Anwendungsschicht) zu schaffen. Ein Gateway kann man dabei auf drei verschiedene Arten verwirklichen: durch eine Datenendeinrichtung (DEE), als Voll-Gateway in beide Netze integriert oder als zwei Halb-Gateways, die je in ein Netz integriert sind. Je nach Umfang der Umsetzung für die unterschiedlichen Schichten lassen sich verschiedene Klassen von Gateways einteilen: Die Netzumsetzung (Schicht 1 bis 3 ist unterschiedlich; Umsetzung von TCP/IP auf das Protokoll X.25 oder ISO 8473), die Transportumsetzung (Schicht 1 bis 4 ist unterschiedlich; sie muss zusätzlich das Pro-

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tokoll TCP (von TCP/IP) auf ein Protokoll ISO 8073 bzw. XNS umsetzen) und die Anwendungsumsetzung (Schicht 1 bis 7 ist unterschiedlich; sie würde zusätzlich z. B. das FTP/TELNET (das meist mit TCP/IP implementiert ist) auf FTAM umsetzen).

1.5 Integriertes digitales Nachrichtennetz (ISDN: Integrated Services Digital Network) Die Basis aller Spezifikationen sind folgende Vorgaben: 1.

2.

3.

4. 5. 6.

Grundlage für Nachrichten jeder Art (Sprache, Text, Daten und Bild) sind 64-kBit/s-Transportkanäle. Diese Kanäle werden durchgehend digital, d. h., "end-to-end" vermittelt. Pro Teilnehmeranschluss sind zwei 64-kBit/sTransportkanäle und ein 16-kBit/s-Signalisierungskanal vorgesehen. Dies gilt für den einfachen Basisanschluss, für Telekommunikationsanlagen (TKAnl) und für zukünftige Anschlüsse über Glasfaser sind auch mehr als zwei Kanäle (z.B. 30) bzw. größere Übertragungsraten vorgesehen. Es ist eine einheitliche Schnittstelle festgelegt für den Teilnehmeranschluss, der hinter einer Netzabschlusseinrichtung liegt. An dieser Schnittstelle (S0-Schnittstelle) können über Steckdosen beliebig Sprach-, Text- und Datenterminals angeschlossen werden. Jeder Anschluss hat nur eine Rufnummer, unabhängig von der Anzahl und der Art der angeschlossenen Endgeräte. Signalisierung und Prozeduren arbeiten nach standardisierten Protokollen. Als Substitution für das Fernsprechnetz ist das ISDN ein weltweites, offenes Netz. Die Struktur des ISDN ist daher identisch mit der Struktur des Fernsprechnetzes (Abb. 1.21).

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Abb. 1.21 Struktur des ISDN

Dienste im ISDN Die Dienste im ISDN teilt man in Übermittlungsdienste (Bearer Services) und Teledienste (Tele Services) ein. Die Übermittlungsdienste sind nur in den Schichten 1 bis 3 des OSI-Referenzmodells standardisiert, die Teledienste in allen sieben Schichten. Beide werden vom Netz unterstützt, d.h., Endgeräte am Netz können einen bestimmten

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Übermittlungsdienst oder einen bestimmten Teledienst anfordern. Diese Anforderungen an das Netz zur Unterstützung bestimmter Dienste sind als Elemente im Protokoll berücksichtigt. Zusätzliche Dienste oder Leistungen können durch Server, die am Netz angeschlossen sind, erbracht werden. Diese Dienste werden Mehrwertdienste (Value Added Services) genannt. Übermittlungsdienste Die Übermittlungsdienste stellen dem Benutzer einen Informationstransport zur Verfügung. Dies entspricht Festlegungen in den Schichten 1 bis 3 im OSI-Referenzmodell. Die Schichten 4 bis 7 können vom Benutzer frei ausgefüllt werden. Die Benutzer (oder die Endgeräte) müssen dabei sicherstellen, dass auf beiden Seiten die gleichen Festlegungen der Schichten 4 bis 7 verwendet werden. Grob können die Übermittlungsdienste in einen leitungsvermittelten Teil und einen paketvermittelten Teil unterschieden werden. Leitungsvermittelte Übermittlungsdienste
64 kBit/s uneingeschränkt (für Datenübertragungen direkt über S0 oder über TA X.21/X.21bis),
3,1 kHz Audio (für Telefondienst und a/b-Dienste), o Telefondienst aus dem analogen Netz, o Datenübermittlung über TA a/b und Modem, o Telefax (Gruppe 2 und 3) über TA a/b und o Btx über TA a/b sowie
Sprache. Paketvermittelte Übermittlungsdienste Leitungsvermittelter Zugang zum Paketnetz (Übergang zum DATEXP) im B-Kanal nach ITU-T X.31 und paketvermittelter Zugang mit einem Packet Handler im ISDN über den B- oder den D-Kanal.

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Teledienste Im ISDN wird eine begrenzte Anzahl an Telediensten unterstützt: 1. ISDN-Fernsprechen mit 3,1 kHz Bandbreite, 2. ISDN-Fernsprechen mit 7 kHz Bandbreite, 3. ISDN-Teletex mit 64 kBit/s Übertragungsgeschwindigkeit, 4. ISDN-Telefax: Fernkopierer der Gruppe 4, 5. ISDN-Mixed Mode: Datenübertragung mit Text und Bildern, 6. ISDN-Btx mit 64 kBit/s Übertragungsgeschwindigkeit, 7. Videotelefonie, 8. Computerized Communication Service: Datenkommunikation mit standardisierten Protokollen (z.B. Filetransfer). Dienstmerkmale im ISDN Man unterscheidet zwischen Anschlussdienstmerkmalen, Verbindungsmerkmalen und Informationsdienstmerkmalen. Anschlussdienstmerkmale
Festverbindungen,
Mehrdienstebetrieb,
Dienstwechsel,
Endgeräteauswahl am Bus,
geschlossene Benutzergruppe und
Paketvermittlung. Verbindungsmerkmale
Anklopfen mit Anzeige,
Rufweiterschaltung,
Automatischer Rückruf bei "Besetzt",
Gebührenübernahme durch den angerufenen Teilnehmer,
automatischer Weckdienst,
Konferenzverbindung,
Kurzwahl,
Ruhe vor dem Telefon,
Aufzeichnung von Daten ankommender Gespräche und
Anrufbeantwortung durch Sprachspeicherung.

KOMMUNIKATION

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Informationsdienstmerkmale:
Gebührenanzeige,
Fernsprechansage,
Anzeige des rufenden Teilnehmers beim gerufenen Teilnehmer und umgekehrt sowie
Ansage/Anzeige der geänderten Rufnummer. ISDN-Netzzugang Der normale Teilnehmeranschluss im ISDN wird Basisanschluss genannt (Bild F-31). Dieser Anschluss stellt in beiden Richtungen zwei Nutzkanäle (B-Kanäle) mit jeweils 64 kBit/s für eine transparente digitale Übertragung von Nutzinformationen (Sprache, Text, Daten oder Bilder) zur Verfügung. Die Signalisierungsinformationen werden in einem zusätzlichen 16-kBit/s-Kanal (D-Kanal) übertragen. Die Auslastung des D-Kanals für die Signalisierung ist relativ gering. Ein ISDN-Telefon lastet den D-Kanal beispielsweise nur zu 5% aus. Im EURO-ISDN ist deshalb die Übertragung von paketvermittelten Daten zusätzlich zur Signalisierung im D-Kanal vorgesehen. Teilnehmereinrichtungen mit größeren Anforderungen an die Übertragungskapazität, wie Telekommunikationsanlagen (TKAnl) oder Datenverarbeitungsanlagen, können über einen besonderen Netzzugang, den Primärmultiplexanschluss PA (Primary Rate Access), an die Vermittlungsstelle angeschlossen werden. Der Primarmultiplexanschluss stellt 30 Nutzkanäle mit jeweils 64 kBit/s, einen 64-kBit/sSignalisierungskanal (D-Kanal) und einen Synchronisationskanal (ebenfalls mit 64 kBit/s) zur Verfügung. Die Verbindung zwischen der Teilnehmerendeinrichtung und der Teilnehmervermittlungsstelle erfolgt vierdrahtig, d.h., für den PA werden zwei Kupferdoppeladern benötigt.

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

S0-Schnittstelle Die S0-Schnittstelle ist die ISDN-Endgeräteschnittstelle, die hinter der Netzabschlusseinrichtung zur Verfügung steht. Die S0-Schnittstelle ist als vierdrahtiger Bus ausgelegt, an dem bis zu acht Endgeräte angeschlossen werden können. Diese können beliebig vom Teilnehmer nach dessen Wünschen eingerichtet werden. Jede Kombination aus unterschiedlichen oder auch gleichen Endgeräten ist am S0-Bus möglich. Endgeräte mit herkömmlichen Schnittstellen (z. B. a/b-Adern, V.24 oder X.21) werden über einen Terminaladapter (TA) an den S0Bus angeschlossen. Der Terminaladapter passt die Endgeräteschnittstelle an die S0-Schnittstelle an und übersetzt die jeweilige Signalisierung. Der S0-Bus besteht aus zwei Kupferdoppeladern, die als Teilnehmerinstallation mit mehreren Kommunikationssteckdosen (TAE Telekommunikationsanschlusseinheit) ausgestattet sind und so den Anschluss der ISDN-Endgeräte bzw. Terminaladaptoren ermöglichen. Jede Übertragungsrichtung wird über eine Kupferdoppelader des S0Busses getrennt übertragen. Übertragungskode Die Übertragung an der S0-Schnittstelle erfolgt mit einer Geschwindigkeit von 192 kBit/s. Als Übertragungskode wird in beiden Richtungen der AMI-Kode (AMI: Alternate Mark Inversion) verwendet, ein pseudoternärer Kode mit 100 % Impulsbreite (Abb. 1.22). Bei diesem Kode wird die binäre 1 durch den Signalwert "stromlos" (potentialfrei), die binäre 0 durch wechselnde positive und negative Impulse dargestellt. In den Endgeräten werden die zu sendenden Daten auf den empfangenen Takt synchronisiert.

Abb. 1.22 AMI-Kode

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Rahmenstruktur Der Rahmen beginnt, wie in Abb. 1.23 dargestellt, mit dem Rahmensignal. Es besteht immer aus einem positiven Impuls, gefolgt von einem negativen Impuls. Die erste binäre 0, die dem Rahmensignal folgt, ist immer negativ. Die elektrischen Eigenschaften der Schnittstellensender sind so ausgelegt, daß ein gesendeter Pegel (binär 0) gegenüber kein Pegel (potentialfrei bei der Übertragung von binärer 1) dominiert.

Abb. 1.23 Rahmenstruktur an der S0-Schnittstelle

Kanal-Protokoll DSS1 Die Signalisierung im D-Kanal ist für die unteren drei Schichten des OSI-Referenzmodells festgelegt (Abb. 1.24). Der Signalisierungsablauf (das Protokoll) basiert auf ITU-T-Empfehlungen. In den folgenden Abschnitten wird das D-Kanal-Protokoll DSS1 (Digital Subscriber Signaling System no. one) beschrieben, das in den ITU-TEmpfehlungen von 1988 (Blaubuch) festgelegt ist. Das EUROProtokoll E-DSS1 basiert auf diesen Empfehlungen. Die Aufgaben der unteren drei Schichten sind:

Abb. 1.24 OSI-Referenzmodell für die Signalisierung im D-Kanal

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Vermittlungsarten Entsprechend den Übermittlungsdiensten kann man drei Vermittlungsarten unterscheiden:
leitungsvermittelte Verbindungen (B-Kanal),
paketvermittelte Verbindungen (B-Kanal) und
paketvermittelte Verbindungen (D-Kanal). Breitband-ISDN Zunehmend steigt der Bedarf, private Netze (LAN) über Hochgeschwindigkeitsnetze intern oder an verschiedenen Standorten eines Betriebes miteinander zu koppeln. Erst eine durchgängige Hochgeschwindigkeits-Infrastruktur ermöglicht beispielsweise verteilte Gruppenarbeit an unterschiedlichen Standorten, die Nutzung freier Kapazitäten anderer Rechner oder umgekehrt die Vermietung von Rechenleistung an interessierte Nutzer. Im lokalen Bereich hat sich für diese Anwendungen FDDI durchgesetzt. Im öffentlichen Bereich wurde durch die Einführung des MAN (MAN: Metropolitan Area Network, d. h. Kommunikationsnetz für eine Stadt oder eine Region) (DATEX-M) eine Möglichkeit geschaffen, LAN über Entfernungen hinweg miteinander zu koppeln. Eine erweiterte Art der Kopplung und Nutzung von Übermittlungskapazitäten ist die ATMÜbermittlungstechnik (ATM: Asynchrone Transfer Mode). Als Basis für die Realisierung des Breitband-ISDN wurde von der ITU-T der Asynchrone Transfer-Modus (ATM) gewählt. ATM ist ein spezielles Übermittlungsverfahren, das auf einem vereinfachten, verbindungsorientierten Paketvermittlungsverfahren basiert. ATM schließt als ein Übermittlungsverfahren die Übertragung und die Vermittlung von Nutzinformationen ein. Die Nutzdaten werden in Form von Paketen mit einer festen, begrenzten Länge übertragen und vermittelt. Um eine begriffliche Unterscheidung zu klassischen Paketvermittlungsverfahren zu erreichen, werden die ATM-Pakete als Zellen bezeichnet. Jede ATM-Zelle besteht aus einem Kopffeld und einem Informationsfeld (Abb. 1.25). Im Informationsfeld werden die Nutz- oder auch die Signalisierungsdaten übertragen.

KOMMUNIKATION

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Abb. 1.25 Aufbau einer ATM-Zelle

Der Zellenkopf dient zur Kennzeichnung aller Zellen, die zu einer Verbindung gehören (gleiche Kennzeichnung). Verschiedene, gleichzeitige Verbindungen an einem ATM-Anschluss werden durch unterschiedliche Kennzeichnungen im Kopffeld auseinander gehalten. Dabei wird zwischen virtueller Kanal- und virtueller PathKennzeichnung unterschieden. Unter einem virtuellen Path wird eine Zusammenfassung mehrerer virtueller Kanäle verstanden. Bestimmte Netzelemente im B-ISDN nutzen diese Unterscheidung aus, beispielsweise zur schnellen Lenkung der Zellen im Netz. Nach einem Verbindungsaufbau erfolgt der Zellentransport anhand der im Kopffeld enthaltenen Kennzeichnungen. Am ATM-Anschluss werden die Zellen verschiedener Quellen im Multiplexverfahren übertragen (Abb. 1.26), die ankommenden Zellen werden, entsprechend den Kennzeichnungen im Kopffeld, an die entsprechenden Senken weitergeleitet. Ein ATM-Anschluss hat eine Anschlussdatenrate von 155 MBit/s bzw. 622 MBit/s. Die Gesamtdatenrate wird dabei nicht in mehrere Kanäle mit jeweils einer kleineren, begrenzten Datenrate aufgeteilt. Es wird auch keine feste Anzahl von Zellen je Zeiteinheit einer bestimmten Verbindung zugeordnet. Die Zuordnung einer Nutzdatenrate erfolgt dynamisch, d. h., die Häufigkeit der produzierten Zellen einer Verbindung entspricht dem tatsächlichen, momentanen Bedarf der Verbindung. Der Bedarf kann dabei von Verbindung zu Verbindung sehr unterschiedlich sein, sogar innerhalb einer Verbindung im Verlauf der Kommunikation sich ändern. Die nicht benötigte Kapazität an einem ATM-Anschluss wird durch Leerzellen aufgefüllt, so dass auf der Anschlussleitung ein kontinuierlicher Zellenstrom entsteht. Die Vermittlung in den B-ISDN-Netzelementen erfolgt auf Basis der Zellenvermittlung. Die Zellenreihenfolge wird vom Netz garantiert, es sind also keine Zellenüberholungen möglich.

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Abb. G.24 Zellenmultiplex an einem ATM-Anschluss

Durch die flexible Art der Datenratenzuordnung ist das ATMVerfahren hervorragend geeignet für nicht kontinuierliche Datendienste wie die interaktive Datenkommunikation oder auch die asymmetrische Kommunikation. Ein extremes Beispiel für asymmetrische Datenübertragung ist die Unterstützung von Verteildiensten wie Radio und Fernsehen. Vor der Übermittlung von Nutzinformationen müssen diese in die Informationsfelder der ATM-Zellen abgebildet werden. Nachrichten, die länger sind als die Informationsfeldlänge, sind aufzuteilen, Nachrichten, die kürzer sind, sind durch Stopfinformationen zu der Informationsfeldlänge zu ergänzen. Diese Aufgabe muss in den Endeinrichtungen von entsprechenden Wandlern geleistet werden. Bei Netzübergängen muss diese Aufgabe von einer Interworking Unit (IWU) wahrgenommen werden. Für die Rekonstruktion der Nutzdaten beim Empfänger müssen zusätzlich Informationen in dem Informationsfeld übertragen werden, um die Nutzdaten wieder in ihre ursprüngliche Form (z. B. bezüglich Aufbau der Nachrichten oder Taktanforderungen) zu bringen. Weiterhin kann eine Sicherung der Nutzdaten in den Anpassungseinrichtungen erfolgen, um so mögliche Fehler bei Zellenverlust oder bei Verfälschung der Nutzdaten klein zu halten. Je nach Anforderung der Dienste und Datenart können verschiedene Dienstklassen für die Nutzdatenübertragung gewählt werden. Nach dem Verbindungsaufbau steht (bei symmetrischer Kommunikation) in beiden Kommunikationsrichtungen jeweils ein virtueller Kanal für

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den Austausch von Nutzinformationen in Form von ATM-Zellen zur Verfügung. Die Übertragung der Zellen erfolgt mit der maximalen Anschlussdatenrate, gegebenenfalls aber in Konkurrenz mit anderen Verbindungen des gleichen Anschlusses. Aufgrund der hohen Übermittlungsgeschwindigkeit im B-ISDN und den Anpassungsleistungen der Wandler ist die Übermittlung der Nutzdaten in Zellenform für die Quellen und Senken der Kommunikation nicht merklich.

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Informatik

2.1 Digitale Schaltungen Darstellungsweisen Tabelle 2.1. Übersicht der Darstellungsweisen

INFORMATIK

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Bei digitalen Schaltungen kennen wir zwei Begriffe: den logischen internen Zustand, üblicherweise mit den Werten 1 und 0 bezeichnet, mitunter auch mit entsprechend True (Wahr) und False (Unwahr); • die externen physischen Größen, gewöhnlich mit H (High) und L (Low) bezeichnet, wobei H immer den meist positiven Wert angibt. •

Die Verbindung zwischen diesen beiden Begriffen unterscheidet sich je nachdem, ob positive Logik oder negative Logik angewendet wird. Bei positiver Logik kommt der logische 1-Zustand überein mit dem H-Wert der physischen Größe (Spannung, Stromstärke, Flüssigkeitsstand, Druck usw.) und die logische 0 mit einem physischen LWert. Bei negativer Logik kommen die logische 1 und 0 entsprechend mit L und H überein. Es ist üblich, für die Beschreibung von Arbeitsprinzipien stets von positiver Logik auszugehen (bei weitem die gebräuchlichste Form von logischen ICs), sodass nur 0 und 1-Bezeichnungen ausreichen. Für das Herstellen von Anschlüssen oder das Ausführen von Messungen muss man darauf achten, dass anfänglich noch negative Logik vorkommt. Außer der allgemeinen Funktionsbezeichnung des Symbols kann die Funktion von individuellen Eingängen und Ausgängen angegeben werden. Dies wird durch Bezeichnungen aus Tabelle 2.2 getan, die beim Ein- oder Ausgang innerhalb des Rechtecks des Symbols platziert werden. Die heutige Norm ist in DIN EN 60617-12 Grafische Symbole für Schaltpläne – Teil 12: Binäre Elemente beschrieben. In älteren Zeichnungen sind noch Symbole nach alter Norm zu finden (Tabelle 2.3). Die heutige Funktionsbezeichnung innerhalb der Symbole lässt viel mehr Varianten zu, als es mit der alten möglich war. Die eventuell am Ausgang dargestellte Inversion außer Acht gelassen, gibt die Funktionsbezeichnung durch die Formel an, wie der Ausgang 1 wird (Tabelle 2.4). Daneben gibt man mittels Abhängigkeiten die Beziehung zwischen Ein- und Ausgang an. Beim beeinflussenden Eingang steht der Abhängigkeitstyp, gefolgt von einer einzelnen Nummer. Die beeinflussenden Ein- und Ausgänge werden mit derselben einzelnen Nummer

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bezeichnet. Tabelle 2.5 zeigt die wichtigsten Abhängigkeiten mit ihrer Abkürzung. Tabelle 2.2 Funktionsbezeichnung bei Ein- und Ausgängen

Tabelle 2.3. Symbole für die gebräuchlichsten Schaltzeichen

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INFORMATIK

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Tabelle 2.4. Einzelne Funktionsbezeichnungen innerhalb der Symbole

Tabelle 2.5 Wichtigste Abhängigkeiten und ihre Abkürzungen

Für die Steuerung von Signalen werden oft die folgenden zwei Basisschaltungen angewendet: Die An/Aus Schalterfunktion und die Weiterleiter/Invertor Funktion. Mit einem AND-Tor wird eine logische (spannungsgesteuerte) An/Aus Schalterfunktion hergestellt: • Steuersignal 0: Schalter „offen“, oder der Ausgang ist 0. • Steuersignal 1: Schalter „geschlossen , oder der Ausgang folgt dem Eingangssignal.

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Eine zweite viel verwendete Basisschaltung ist dieselbe Schaltung, wobei das AND-Tor durch ein Exklusiv OR-Tor ersetzt ist. So entsteht ein besteuerter Weiterleiter/Invertor. Ist das Steuersignal 0, dann folgt das Ausgangssignal dem Eingang, ist das Steuersignal 1, dann ist auf dem Ausgang das invertierte Eingangssignal verfügbar.

Binäre Verknüpfungen Formalismus, um logische Aussagen und Funktionen zweier Zustände zu beschreiben (0: nicht wahr, z. B. keine Spannung und 1: wahr, z. B. Spannung). Binäre Basisfunktionen NICHT-Funktion ( A = E ) Die Ausgangsfunktion A hat den anderen Wert wie die Eingangsfunktion E. Wahrheitstabelle: E 1 0

A 0 1

UND-Funktion (&) (AND) (•) (sowohl als auch) (Konjunktion) Sie verknüpft mehrere Variablen. Es müssen alle Eingangsvariablen den Zustand „logisch 1“ annehmen, wenn der Ausgang ebenfalls 1 (wahr) sein soll. Eine Konjunktion ist eine UND-Verknüpfung von Eingangsvariablen. ODER-Funktion (+) (OR) (Disjunktion) Der Ausgang wird dann wahr, wenn mindestens eine Eingangsvariable den Wert 1 hat.

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Antivalenz (⊕) (EXOR) (entweder oder) (exklusives ODER) Der Ausgang ist nur wahr, wenn sich die Eingänge unterscheiden.

Abb. 2.1 Binäre Verknüpfungen

Schaltlogik Gesetze von Boole Kommutativgesetz Die Reihenfolge der Variablen kann vertauscht werden. A+B=B+A A • B = B • A. Assoziativgesetz Vertauschung der Reihenfolge von gleichrangigen Operatoren. A + B + C = (A + B) + C = A + (B + C) A • B • C = (A • B) • C = A • (B • C) Distributivgesetz Ausmultiplizieren von Klammerausdrücken, wobei die Rangfolge der Operatoren beachtet werden muss. A • (B + C) = A • B + A • C (A + B) • (A + C) = A + B • C.

INFORMATIK

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Absorptionsgesetze Dienen zur Vereinfachung von Gleichungen. Die Absorptionsgesetze legen fest, unter welchen Bedingungen Variable zu Konstanten werden, sich auslöschen oder sich selbst wiedergeben: A+0=A A+1=1 A•0=0 A•1=A A•A=A

A+A=A A+ =1 A• A =0 A + (A•B) = A A • (A + B) = A A + A • B = A + B.

Doppelte Negierung Wird eine Variable zweifach negiert, so heben sich die Negierungen auf: Das gilt auch, wenn die Variable mehrfach negiert ist. So verringert sich eine dreifache Negierung auf eine einfache Negierung. Gesetze von De Morgan Bei einem Schaltungsentwurf müssen konkrete logische Bausteine verwendet werden. Häufig stehen dem Entwickler neben NICHT (NOT), UND (AND) und ODER (OR) vor allem die negierten logischen Bausteine NAND (Nicht AND) und NOR (Nicht OR) zur Verfügung. Grund dafür ist, dass mit negierten Bausteinen mehr Eingänge für einen Ausgang verwendet werden können. Die Gesetze von de Morgan beschreiben die mathematischen Zusammenhänge bei negierten Funktionen und erlauben einen optimalen Einsatz der vorhandenen Bauelemente. Erstes Gesetz von de Morgan Negiert man eine ODER-Verknüpfung, so entspricht dies einer UNDVerknüpfung, bei der die einzelnen Elemente negiert sind.

A + B + C + ... = A • B • C • ...

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Zweites Gesetz von de Morgan Negiert man eine UND-Verknüpfung, so entspricht dies einer ODERVerknüpfung.

A • B • C • ... = A + B + C + ... Allgemein ist zu sagen, dass auf folgendes zu achten ist: Beim Einfügen von Negationen muss man stets beide Gleichungsseiten in derselben Weise behandeln. So gilt beispielsweise (Y: Ausgang): Y=A⋅B Y = A•B Y=A+B

Konjunktion Konjunktion, auf beiden Seiten negiert Disjunktion nach dem zweiten de Morgan´schen Gesetz.

Minterm-Form und Maxterm-Form Vor allem bei ausgedehnteren logischen Entwürfen führt das Theorem von De Morgan nicht immer zu dem einfachsten Aufbau. Dann ist es oft nötig, den logischen Entwurf zuerst in einfache Teilaufgaben zu entwickeln (die Minterme und die Maxterme), die untereinander sauber gekoppelt sind: entweder durch eine Summe (die Minterm-Form) oder durch eine Produktfunktion (die Maxterm-Form). Minterm-Form Die Schaltfunktion wird als die Summe einer Anzahl von Produkttermen (die „Minterme“) geschrieben: F = a0 ⋅ m0 + a1 ⋅ m1 + a2 ⋅ m2 + ... + an ⋅ mn

m0, m1, m2, ..., mn sind die Produktterme a0, a1, a2, ..., an geben an, ob der entsprechende Produktterm anwesend (ai = 1) oder abwesend (ai = 0) ist. Bei der obenstehenden Schaltformel für F gilt daher die folgende Abgrenzung: n = 2 v − 1; für i = 0, ..., n gilt: ai = 0 → Minterm mi ist abwesend ai = 1 → Minterm mi ist anwesend

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Maxterm-Form Die Schaltfunktion wird als das Produkt einer Anzahl von Summentermen (die „Maxterme“) geschrieben: F = ( A0 + M 0 ) ⋅ ( A1 + M 1 ) ⋅ ( A2 + M 2 ) ⋅ ... ⋅ ( An + M n ) .

M0, M1, M2, ..., Mn sind die Summenterme A0, A1, A2, ..., An geben an, ob der entsprechende Summenterm anwesend (Ai = 0) oder abwesend (Ai = 1) ist. Bei der obenstehenden Schaltformel für F gilt daher die folgende Abgrenzung: n = 2 v − 1; für i = 0, ..., n gilt: Ai = 0 → Maxterm Mi ist anwesend Ai = 1 → Maxterm Mi ist abwesend Kombinatorische Schaltungen

Minimierung nach Karnaugh-Veitch (KV) Karnaugh und Veitch haben eine Möglichkeit gefunden, die Minimierung von Gleichungen grafisch darzustellen. Voraussetzung ist die Verwendung der ODER-Form. Ein Karnaugh-Veitch-Diagramm besteht aus ihrem positiven Wert und dem inversen. Eine Minimierung kann hier nicht vorgenommen werden. Bei zwei Variablen sind vier Vollkonjunktionen möglich, so dass das Programm auch vier Plätze zur Verfügung stellen muss. Nennt man die Eingangsvariablen A und B, so ergeben sich die möglichen Konjunktionen nach Tabelle 2.6. Das KV-Diagramm ist in diesem Fall ein Quadrat mit vier Feldern (Abb. 2.2).

Tabelle 2.6 Mögliche Vollkonjunktionen von 2, 3 und 4 Eingangsvariablen

G/60 KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

INFORMATIK

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Abb. 2.2 KV-Diagramm für zwei Variable

Flip-Flops und Zähler Die verschiedenen Schaltungen auf einem Chip werden durch ein Schaltsymbol zusammengefasst. Schaltsymbole sind sowohl einfache Gatterschaltungen (UND, ODER, OR, EXOR) als auch komplexe Funktionen (Zähler, Addierer, Mikroprozessoren).

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Tabelle 2.7 Schaltsymbole für Flip-Flops und Zähler

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Tabelle 2.8 Schaltzeichen für Speicherbauelemente

G/64 KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

2.2 Kodierungen Zahlensysteme Alle Zahlensysteme gehorchen folgender Systematik: Z=

∑X Y . i

i

i

⎛ i∈N ⎞ ⎜0 ≤ X < Y ⎟ ⎠ ⎝

Dabei ist X das Argument und Y die Basis des Zahlensystems. Dabei ist das Argument stets kleiner als die Basis (Y(0≤ X < Y). Dezimalsystem Im Dezimalsystem ist die Basis Y = 10. Das Argument X kann demnach die Werte 0 bis 9 annehmen. Dualsystem Im binären oder dualen Zahlensystem gibt es nur zwei Zustände (Basis Y = 2). Deshalb gibt es auch nur zwei Zustände 0 und 1. Auf diesem Zahlensystem basierend, sind noch das Oktalsystem (Basis Y = 23 = 8) und das Hexadezimalsystem (Basis Y = 24 = 16) gebräuchlich. Große Dualzahlen werden oft in Felder von 4, 8, 16 oder 32 Bit zusammengefasst. 1 Nibble (Halbbyte) 1 Byte 1 Word 1 Double Word

4 Bit 8 Bit 16 Bit (2 Byte) 32 Bit (4 Byte)

Hexadezimalsystem Hexadezimalzahlen können 4 Stellen des Dualsystems mit einer Stelle beschreiben (24 = 16 Zeichen: 0 bis 9 und A bis F). Damit können lange Dualzahlreihen sehr kurz notiert werden und lassen sich auch besser behalten.

Tabelle 2.9 Systematik der verschiedenen Zahlensysteme

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Tabelle 2.10 Wertebereich und Argumente einer Hexadezimalzahl

G/68 KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

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Binär Codiertes Dezimalsystem (BCD) Weil das Hexadezimalsystem sehr ungewohnt ist, wurde ein Zahlensystem entwickelt, das auf dem binären Zahlensystem beruht, aber dem Dezimalsystem sehr nahe kommt. Dies ist das BCD-System. Wie beim Hexadezimalsystem werden vier Bit (d. h. ein Nibble oder Halbbyte) zu einer Stelle zusammengefasst. Der Übertrag erfolgt, wie beim Dezimalsystem, bei 9. Aus diesem Grunde werden nicht alle Kombinationen genutzt (Übertrag im Hexadezimalsystem bei 15D). Der Vorteil liegt in der gleichen Darstellung wie beim Dezimalsystem. Fasst man die 4 Bit (ein Nibble oder Halbbyte) wie in Tabelle F. zusammen, dann besitzt jede Stelle dieselbe Wertigkeit wie beim Dezimalsystem. Deshalb kann man auch die Rechenoperationen wie gewohnt durchführen. Tabelle 2.11 BCD-System

Negative Zahlen Die einfachste Art, eine negative Zahl darzustellen, ist die Vorzeichen-Betrags-Darstellung (VBD). Durch ein zusätzliches Bit wird das Vorzeichen bestimmt (0: positive Zahl; 1: negative Zahl). Allerdings kann die entstandene Dualzahl zu Verwechslungen führen. In Rech-

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

nern, die Signale verarbeiten oder bei Prozess-Steuerungen, wird die Zahl als Zweierkomplement (ZK) dargestellt. Das ZK einer Hexadezimalzahl ist die Ergänzung auf die Basis 16. Die Bedeutung des Vorzeichenbits bleibt erhalten. Tabelle 2.12 Negative Dualzahlen in der Darstellung als Zweierkomplement

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Festkomma- und Gleitkommazahlen Bei Gleitkommazahlen wird ein Exponent hinzugefügt. XXXX XXXX XXXX E YYYYY

(E: Exponent).

Der Exponent E ist dabei die Hochzahl, die angibt, wie oft die Basis mit sich selbst multipliziert werden muss. Die Mantisse entspricht dem Argument der Zahlensysteme. In Abb. 2.3 sind die Wertebereiche einer 10 Bit breiten Mantisse in Abhängigkeit des Exponenten dargestellt.

Abb. 2.3 Gleitkommazahlen mit einer Mantissenbreite von 10 Bit (einschließlich Vorzeichenbit)

Mit den Gleitkommazahlen lassen sich alle reellen Zahlen (auch ganz kleine) darstellen. Abb. 2.3 zeigt, dass die Menge der Zahlen kleiner als 1 genauso groß ist wie die Menge der Zahlen größer als 1. Dies rührt daher, dass der Exponent ebenso viele positive wir negative Werte annehmen kann. Kodes Die Kodierung weist ein Element eines Zeichenvorrates 1 einem Element des Zeichenvorrates 2 zu, Das ist eine eindeutige oder reflektierende Kodierung, weil aus dem entstandenen Kodewort das Ausgangselement wieder bestimmt werden kann. Die Kodierungsregeln legen fest, wie der Übergang von Zeichenvorrat 1 zu Zeichenvorrat 2 geschieht.

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Abb. 2.4 Prinzip der Kodierung

Man unterscheidet zwischen redundanten und nicht redundanten Kodes. Sind die Kodes nicht redundant, dann werden alle Zeichen des Zahlenraumes ausgenutzt. Bei nicht redundanten Kodierungen gibt es auch unbenutzte Kodewörter. Mit ihrer Hilfe kann man Fehler bei der Kodierung oder Übertragung erkennen und auch beheben. Tabelle 2.13 Übersicht über die wichtigsten Kodes

Gray-Kode Beim Gray-Kode, der die dezimalen Zahlen von 0 bis 9 darstellt, ändert sich von einer Zahl zur nächsten immer nur 1 Bit (einschrittiger Kode). Dadurch werden mögliche Fehler beim Übergang vermieden. Der Gray-Kode wird hauptsächlich bei Steuerungen von Maschinen

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eingesetzt, wobei bei Winkelkodierungen eine kreisförmige Scheibe eingesetzt wird. Tabelle 2.14 Übersicht über verschiedene Gray-Kodes

Abb. 2.5 Gray-Kode eines Winkelgebers (Werkfoto TWK)

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Fernschreibe-Kode Der Fernschreibe-Kode (Telegrapgen-Kode: CCITT-Kode Nr. 2) ist ein fünfstelliger Kode, der durch die Doppelbelegung von einzelnen Kodewörtern statt 32 Kodeworte etwa 60 Kodeworte übertragen kann. Dazu werden mit zwei Umschaltzeichen zwei gleich kodierte Spalten umgeschaltet. Dadurch wird entschieden, ob das nachfolgende Kodewort der Buchstabenspalte (26 Buchstaben; groß oder klein) oder der Ziffernspalte zugeordnet wird. ASCII-Kode Der ASCII-Kode (ASCI: American Standard Code for Information Interchange) dient zur Datenübertragung und zur Koppelung digitaler Geräte. Der Kode besteht aus einem 8-Bit-Wort (Byte), bei dem das MSB (Most Significant Bit) das Paritätsbit (Prüfungsbit) ist, und die anderen sieben Bits ein Zeichen darstellen. So sind neben den Zahlen von 0 bis 9 auch alle Buchstaben (groß und klein) sowie eine Reihe von Sonderzeichen darstellbar. Der ASCII-Code wird daher vor allem in der Textverarbeitung zur Erzeugung der Arbeitsdateien verwendet. Beim Standard-ASCII-Zeichensatz wird das Paritätsbit zur Prüfung verwendet. Mit den sieben verbleibenden Bits können 27 = 128 Zeichen dargestellt werden. Der erweiterte ASCII-Zeichensatz verwendet das höchstwertige Bit (MSB), um vom Standard-Zeichensatz auf den erweiterten umzuschalten (MSB=1: erweiterter Zeichensatz; MSB=0: Standard-Zeichensatz). Beim erweiterten Zeichensatz werden vor allem länderspezifische Sonderzeichen festgelegt. Er ist nicht genormt, so dass er völlig unterschiedlich sein kann. Mit der Einführung des PC entstand Bedarf an mehr Zeichen, als den Basiszeichen aus den ASCII- und EBCDIC-Codes. Für die Zeichen, die auf dem PC-Schirm erscheinen sollen, wird der OEM-Code verwendet und vor allem für PC-Drucker der ANSI-Code.

INFORMATIK Tabelle 2.15 Fünfstelliger Fernschreibe-Kode

Abkürzungen: KL Klingel; WD WR Wagenrücklauf SZ ZL Zeilenvorschub ZWR ----* unbenutzt, Nullwort

Wer da? Sonderzeichen Zwischenraum

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Tabelle 2.16 Standard-ASCII-Kode nach CCITT-Kode Nr. 5

Abkürzungen: ACK BEL BS CAN CR DC DEL DLE EM ENQ EOT ESC ETB ETX

Acknowledge Bell Backspace Cancel Carriage Return Device Control Delete Data Link Escape End of Medium Enquiry End of Transmission Escape End of Transmission Block End of Text

Rückmeldung Klingel Rückschritt Ungültig Wagenrücklauf Steuerzeichen für Gerät Löschen Datenübertragungsumschaltung Ende der Aufzeichnung Stationsaufforderung Ende der Datenübertragung Umschaltung Ende des Datenübertragungsblocks Textende

INFORMATIK FE FF FS GS HT IS LF NAK NUL RS SI SO SOH SP STX SUB SYN TC US VT

Format Effector Format Feed File Separator Group Separator Horizontal Tabulation Information Separator Line Feed Negative Acknowledge Null Record Separator Shift In Shift Out Start of Heading Space Start of Text Substitute Character Synchronous Idle Transmission Control Unit Separator Vertical Tabulation

Formatsteuerung Papiervorschub Hauptgruppentrennung Gruppentrennung Horizontal-Tabulatur Informationstrennung Zeilenvorschub Negative Rückmeldung Füllzeichen Untergruppentrennung Rückschaltung Dauerumschaltung Kopfanfang Leerzeichen Textanfang Substitution Synchronisierung Übertragungs-Steuerung Teilgruppen-Trennung Vertikal-Tabulator

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Tabelle 2.17. Erweiterte ASCII-Tabelle

G/78 KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Tabelle 2.18. EBCDIC-Code

INFORMATIK G/79

PC Bildschirmcodes

Tabelle 2.19 IBM (compatible) PC: OEM character set

G/80 KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Tabelle 2.20 IBM (compatible) PC: ANSI charakter set

INFORMATIK G/81

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Kodes für instrumentelle Anwendungen Tabelle 2.21 Normal und gespiegelt binär1)

Gespiegelt binär: Nur 1 Bit Unterschied zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ständen. Neben dem Gewicht bei dem gespiegelten Code ist auch das stets wechselnde Vorzeichen (+ -) bei einer 1 signifikant.

Fehlererkennende Kodes Zur Fehlererkennung muss mindestens ein Bit zusätzlich vorhanden sein. Am Beispiel des ASCII-Kodes ist dies das Paritätsbit D7. Das Paritätsbit D4 (Prüfbit) ist die Quersumme der Bits D0 bis D3. Bei einer ungeraden Anzahl von Einsen wird das Paritätsbit „1“, bei einer geraden Anzahl „0“. Deshalb spricht man auch von einer geraden Ergänzung durch das Paritätsbit (even parity), im anderen Fall von einer ungeraden Ergänzung (odd parity). Auf der Empfangsseite wird dagegen die Quersumme über alle fünf Bits gebildet. D0 bis D3 und Paritätsbit D4. Wurde der Kode richtig übertragen, dann ist die Quersumme (bei gerader Paritätsprüfung) stets Null.

INFORMATIK

G/83

Tabelle 2.22 Dualzahlen mit Paritätsbit

Bei den fehlererkennenden Kodes sind vor allem die 2-aus-5-Kodes besonders wichtig. „2-aus-5“ sagt aus, dass bei dem 5-stelligen Kode stets 2 Stellen mit Einsen besetzt sind. Bei richtigem Empfang muss die Quersumme stets Null ergeben. Besondere Kodes sind der Walking-Kode und der 7-4-2-1-0-Kode. Beim Walking-Kode werden beim Übergang auf die nächste Zahl zwei Bit-Paare (in Tabelle G. gekennzeichnet) um zwei Stellen weitergeschoben. Man hat den Eindruck, dass diese Paare durch die Zahlen 0 bis 9 laufen (walking: laufen). Beim 7-4-2-1-0-Kode haben die einzelnen Bits die Wertigkeit 7, 4, 2, 1 und 0.

G/84

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Tabelle 2.23 2-aus-5-Kodes

Fehlerkorrigierende Kodes Nur mit einer erhöhten Redundanz wird es möglich, Fehler nicht nur zu erkennen, sondern auch zu korrigieren. Unter Hammingdistanz versteht man den Abstand dmin zwischen zwei Kodewörtern (dmin = 1: Kodewort unterscheidet sich nur in einer Stelle, wie beim GrayKode). Bei dmin = 1 kann ein Fehler weder erkannt noch korrigiert werden. Bei dmin = 2 unterscheiden sich die Kodewörter mindestens in zwei Stellen (2-aus-5-Kodes). Damit können Fehler erkannt werden. Für die Korrektur eines Fehlers ist mindestens eine Hammingdistanz von dmin = 3 erforderlich. Erhöht man die Hammingdistanz, dann können auch Fehler mit höherem Gewicht erkannt werden. Für die maximale Anzahl FEmax der erkennbaren Fehler gilt: FEmax = dmin – 1.

INFORMATIK

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Bei dem Beispiel in Bild G. liegt ein Fehler mit dem Gewicht 1 vor (Fehler in einer Stelle des Kodes). Dieser wird richtig zum nächsten Kodewort korrigiert. Er liegt innerhalb des beschriebenen Korrekturraumes. Ein zweifacher Fehler (Gewicht 2) würde in diesem Fall falsch korrigiert werden.

Abb. 2.6 Korrekturraum und Korrekturradius bei einer Hammingdistanz von dmin = 3

2.3 Schnittstellen (Interfaces)

Abb. 2.7 Übersicht über Schnittstellen

G/86

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Parallele Druckerschnittstelle Centronics Dies ist die Standard-Druckerschnittstelle und in den meisten Datenverarbeitungsgeräten bereits eingebaut.

Abb. 2.8 Centronics-Schnittstelle: Stecker, Belegung für 36 bzw. 25 Kontakte (Pins)

INFORMATIK

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Datenleitungen Es gibt 8 Datenleitungen (Pin 2 bis 9) zur bitparallelen Übertragung. Die Masseleitungen (Pin 20 bis 27) dienen zur Abschirmung. Steuerleitungen Es gibt drei Steuerleitungen: Pin 1: Auftaktsignal (Strobe) Mit dem Auftaktsignal meldet der Sender dem Empfänger, dass Daten bereitstehen. Pin 10: Quittierungssignal (Acknowledge) Der Empfänger quittiert mit diesem Signal, dass er die Daten empfangen hat. Es können weitere Daten bereitgestellt werden. Pin 11: Wartesignal (Busy) Wenn der Empfänger mit der Verarbeitung der Daten beschäftigt ist, dann kann er keine Daten empfangen und meldet dies mit dem Wartesignal. Pin 32 Rücksetzsignal (Init) Der Empfänger wird in eine definierte Grundeinstellung zurückversetzt. Meldeleitungen Damit wird der Zustand der Datenübertragung gemeldet: Pin 12: Ende des Papiers (Paper End). Pin 32: Sonstige Fehler (Error). Stromversorgungsleitungen Der Drucker (Empfänger) versorgt die Schnittstelle mit Strom. Pin 16: 0 V. Pin 18: +5V. Parallele Schnittstelle: IEC-Bus Diese Schnittstelle wird im Laborbereich für den Austausch von Daten unterschiedlicher Mess-Systeme eingesetzt. Es sind drei Leitungen zu unterscheiden: Die Datenleitungen, die Handshakeleitungen und die Steuerleitungen.

G/88

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Abb. 2.9 Aufbau des IEC-Bussystems

INFORMATIK

Abb. 2.10 IEC-Bus: Leitungsbelegung

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Es stehen drei Handshakeleitungen zur Verfügung: DAV: Data Valid (Daten stehen bereit). NRFD: Not Ready for Data (keine Bereitschaft zur Datenübernahme). NDAC: No Data Accepted (keine Daten empfangen). Es können mehrere Sender am Bus angeschlossen sein. Es darf aber immer nur ein Sender aktiv sein und die angesprochenen Teilnehmer müssen ich empfangsbereit erklärt haben. Steuerleitungen REN: EOI: IFC: SRQ: ATN:

Remote Enable (Fernsteuerungs-Signal). End or Identify (Ende- oder Identifikations-Signal) Interface Clear. (Interface betriebsbereit schalten). Service Request (Bedienungsanforderung). Attention (Achtung- oder Null-Leitung).

Serielle Schnittstelle (V.24) Diese serielle Schnittstelle kann sowohl Daten empfangen als auch übertragen. Es gibt eine Vielzahl von Bezeichnungen und Normen (amerikanische Norm RS232/E, DIN 66 020 und ISO 2110). Unterschieden wird zwischen Datenendgeräten (DEE) und Datenübertragungsgeräten in Fernsprechnetzen (DÜE).

Abb. 2.11 V.24-Schnittstelle. Pin-Belegung bei DEE und DÜE

INFORMATIK

G/91

Datenleitungen Wegen der bitseriellen Verarbeitung werden nur zwei Leitungen benötigt: eine Hin- und eine Rückleitung. Pin 2: TxD (Transmit Data), Sendedaten. Pin 3: RxD (Received Data), Empfangsdaten. Steuerleitungen Sie dienen zum Ein- und Ausschalten sowie zur Festlegung des Übertragungszustandes des Senders. Pin 4: RTS (Request To Send), Sender einschalten. Pin 20: DTR (Data Terminal Ready), Endgerät betriebsbereit (auch als BUSY-Signal verwendet). Meldeleitungen Pin 5: Pin 6: Pin 8:

CTS (Clear To Send), Sendebereitschaft. DSR (Data set Ready), Betriebsbereitschaft. DCD (Data Channel Received Line Signal Detector) Pegel des Empfangssiganls.

Taktleitungen Zur synchronen Datenübertragung zwischen Sender und Empfänger dienen Taktleitungen. Pin 15: TC (Transmitter Signal Element Timing), Sendetakt vom Sende (DÜE) zum Empfänger (DEE). Pin 17: RC (Receiver Signal Element Timer), Empfangstakt vom Sender (DÜE) zum Empfänger (DEE). Pin 24: TC (Transmitter Signal Element Timing), Sendetakt vom Empfänger (DEE) an den Sender. Stromversorgungsleitungen Für einen sicheren Betrieb verbindet man beim Sender und Empfänger die Schutzerde (Pin 1: Protective Ground) und die Betriebserde (Pin 7: Signal Grund).

G/92

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Anschlussmöglichkeiten

Abb. 2.12 V.24-Schnittstelle: Anschlussmöglichkeiten

INFORMATIK

Abb. 2.12 (Fortsetzung)

V.24-Schnittstelle: Test-Stecker Mit ihm werden die Funktionen der Schnittstelle überprüft.

Abb. 2.13 V.24-Schnittstelle: Test-Stecker

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KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

V.24-Schnittstelle: Datenfernübertragung

Abb. 2.14 V.24-Schnittstelle: Datenfernübertragung

X. Schnittstellen Empfehlungen für das digitale öffentliche Netz beginnen mit dem Anfangsbuchstaben X. Auch hier gibt es eine X.24-Schnittstelle.

Abb. 2.15 X.24-Schnittstelle

INFORMATIK Video-Schnittstelle (PC) Tabelle 2.24 Connectoranschlüsse (Außenansicht female)

Abb. 2.16 Kontaktnummerierung vom 9- und 15-poligen Connector

G/95

G/96

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Tastatur-Schnittstelle (PC)

Abb. 2.17 Tastaturanschluss mit DIN-Stecker, PS/2 Stecker und amerikanischem Telefonstecker (alle: Außenansicht female)

Joystick-Schnittstelle

Abb. 2.18 Joystick-Anschluss (Außenansicht female)

INFORMATIK

G/97

Bussysteme Busse erlauben den Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Systemen an verschiedenen Orten. Busse sind meist zuverlässiger, weil Steckerverbindungen (häufigste Fehlerursache) wegfallen. Manche Bussysteme sind bereits so komplex, dass zwischen Bus und Netzwerk kaum noch unterschieden

Abb. 2.19 Übersicht über Bussysteme

Abb. 2.20 Parallele und serielle Bussysteme

G/98

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Serielle Bussysteme Die Daten werden bitseriell über ein gemeinsames Medium geschickt. Serielle Busse sind im Vergleich zu parallele Bussystemen zuverlässiger, weil weniger Leitungen erforderlich sind. Bekannte serielle Bussysteme sind der in Flugzeugen eingesetzte Bus nach MIL-STD1553B und der in Autos verwendete Bus CAN/AN82526.

Abb. 2.21 Einteilung serieller Bussysteme

INFORMATIK

G/99

Parallele Bussysteme Wichtige Systeme: PC-Bus (Personal Computer-Bus). IEC-Bus (International Electrotechnical Commission Bus). ECB-Bus (Einplatinen Computer Bus). Es gibt Rechnerbusse (Verbindung von Rechnern) und Peripheriebusse (Verbindung von Ein- und Ausgabe- bzw. Messgeräten mit Rechnern). Beim ECB-Bus kann man auf einer Sammelschiene die verschiedenen Systeme als Karten einstecken. Der Bus besitzt 8 Datenleitungen, 16 Adressleitungen, 22 Steuerleitungen (Interruptleitungen, Statusund Steuerleitungen für die Zentraleinheit des Rechners und für Initialisierung, Leitungen zur Ausgabe des Buszustandes sowie Taktleitungen) und 7 Leitungen zur Spannungserzeugung.

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Abb. 2.22 ECB-Bus

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

INFORMATIK

G/101

2.4 Mikrorechner Architektur Mikrocomputersysteme sind aufgebaut aus: • Hardware: alle berührbaren Komponenten, wie Kabel, Leiterplatten und Gehäuse. • Software: die Programmierung, welche die Hardware eine sinnvolle Funktion ausführen lässt. Hardware Die mechanische Hardware umfasst alle Montierungen, wie Rahmen und Leiterplatten, Gehäuse und Bedienungskonsole. Die elektronische Hardware ist rund um das Bussystem aufgebaut. Das parallele Bussystem besteht aus einer Menge gruppierter paralleler Verbindungen zwischen allen Baublöcken des Systems. Man unterscheidet folgende Komponenten: • Adressbus: Für das Austauschen von Adressen. Bei a Adresslinien ist die Adressierungskapazität 2a. • Datenbus: Austausch von Daten oder Programmcodes und Informationen. Bei d Datenlinien ist die Verarbeitungsbreite d Bit. • Kontrollbus: Zur Steuerung und Synchronisation. • Versorgungsbus: Für die Stromversorgung (dieser Bus wird meistens nicht gezeichnet). Manchmal sind Busse mit Hilfe des Multiplexens kombiniert: Ein Leitungspaar dient sowohl für den Transport von Adressen als auch von Daten. Über eine Steuerzeile im Kontrollbus wird angegeben, ob sowohl eine gültige Adresse als auch gültige Daten auf dem multiplexed bus vorhanden sind.

G/102

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Die Verkehrsrichtung über die Busse ist: Unidirektional: Es gibt eine Komponente, die den elektrischen Zustand auf den Leitungen bestimmt. Die Busverstärker sind einfach ausgeführt. • Bidirektional: Mehrere Komponenten bestimmen den elektrischen Zustand auf den Leitungen; über den Kontrollbus wird derartig synchronisiert, dass nur eine Komponente pro Zeiteinheit aktiv ist (vermeiden von Bussättigung = Kurzschluss). Die Busverstärker sind zweifach ausgeführt.

•

Abb. 2.23 Übersicht über Speicher

Der Speicher besteht aus einer oder mehreren Arten ICs: RAM (Random Access Memory): Für die Speicherung von Informationen und eventuell Programmcode. • ROM (Read Only Memory), EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory): Zur Speicherung von nicht veränderbarem Programmkode. •

INFORMATIK

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Das Flash ROM ist ein elektrisch änderbares EPROM (EEPROM), das in einem arbeitenden System ohne externe Hilfsmittel geändert werden kann. Dadurch kann die Funktion des Rechners an die aktuellen Erfordernisse sofort angepasst werden (für einen Test oder für eine spezielle Anwendung). Das EDO RAM ist eine RAM-Art, die für die schnelleren Pentiumprozessoren bestimmt ist. Bei den traditionellen RAM-Speichern setzt der Prozessor die Adresse auf den Adressbus und wartet danach einige Zyklen (die sogenannten Wait-states), so dass der Speicherinhalt auf dem Datenbus steht. Bei den EDO RAM-Speichern wartet der Prozessor nicht, nachdem er eine Adresse auf den Bus gesetzt hat, sondern fährt mit dem Abhandeln anderer Instruktionen fort und nimmt die Daten eine Anzahl Zeitzyklen später erst vom Datenbus. Dies bildet eine erste Stufe zu einer Architektur, bei der Prozessor, Bus und Speicher viel weniger starr gekoppelt sind. Dieses Prinzip funktioniert nur bei Prozessoren, die mit einer sogenannten pipeline ausgestattet sind (Pentium oder besser), einer interne Vorrichtung, um gleichzeitig an verschiedenen aufeinanderfolgenden Maschineninstruktionen arbeiten zu können. Der Interface-Adapter besteht aus mehreren IC-Typen, abhängig von der Art Randapparatur, die bedient werden muss. So gibt es Interface-Adapter für: Bildschirm, Tastatur, Drucker, Disk (Scheibe), Kassette, Datenkommunikation. Software (Programmierung) Bei der Software macht man einen Unterschied zwischen: • Systemprogrammierung: Erfüllt die Basisfunktionen für das Computersystem. • Anwendungsprogrammierung (Applikationsprogrammierung): Erfüllt direkt die vom Nutzer geforderten Funktionen. •

Zu der Systemprogrammierung rechnet man vielfach: BIOS (Basic I/O System): die im ROM niedergelegten Routinen, die es für das Operating System möglich machen, sich den Randapparaturen als logischen Apparaten zu nähern (z. B. sorgt das BIOS bei Disks für die Umsetzung nach physischer Diskeinteilung und Anzahl der Köpfe).

G/104 • •

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

operating system (Steuerungssystem): Für die Steuerung der Hardware und das interne Haushalten (Windows, UNIX, Linux). graphical user interface (GUI): Unterteil der Steuerungssysteme, das dafür sorgt, dass man mit Hilfe einer Maus die Aufgaben und Bearbeitungen dadurch ausführen kann, dass man auf dem Bildschirm bestimmte Symbole anklickt.

Operating Systeme unterscheiden sich vor allem in multitasking Möglichkeiten, d.h. in der Möglichkeit, verschiedene Applikationsprogramme gleichzeitig auszuführen. Eine weitere Möglichkeit ist das sogenannte pre-emptive multitasking, wobei für ein Applikationsprogramm sichergestellt werden kann, dass es an die Reihe kommt (selbst wenn eine andere Anwendung sich falsch verhält). Diese robustere Form kennen nur Windows NT, IBM OS/2 und einige UNIXSysteme. Bei Windows 3.1 und Windows 95 kann ein undiszipliniertes Programm die Ausführung aller anderer Programme im System blockieren. Innerhalb der Applikationsprogrammierung unterscheidet man oft die folgenden Arten: • compilers und interpreters: Für die Programmierung in höheren Programmiersprachen (C, Visual Basic, Pascal). • database handlers: Für die strukturierte Speicherung von Informationen, meistens auf Disk (MS Access, Oracle). • editors und Textverarbeiter: Für eine nutzerfreundliche Erstellung und Änderung von Texten, Tabellen, Grafiken (MS Word). • spreadsheets: Für das dynamische Durchrechnen von Informationen und grafische Darstellung (MS Excel, Lotus-123). • desktop publishing (DTP) Pakete: Für das Layout von Texten. Applikationsprogramme werden gebündelt in sogenannten suites angeboten. So eine Reihe von einem Hersteller (z.B. Microsoft, Lotus) ist oft reizvoll (neben einem Preisvorteil) wegen dem Anschluss und Austausch zwischen den Teilen untereinander. Neue Programme kommen nur noch in 32-Bit Version auf den Markt, auf die Benutzung der 32-Bit Datenpfade von Pentiumprozessoren abzielend.

INFORMATIK

G/105

Interrupts Die PC-Architektur kennt zwei Arten von Interrupts: Hardware- und Software-Interrupts. Hardware-Interrupts Die Hardware-Interrupts werden mit IRQ0 bis IRQ15 bezeichnet und haben jedes eine eigene Signalader auf dem Hardwarebus. Über diese Signaladern können die Unterteile des PC und die Interface-Adapter Aufmerksamkeit von der Zentraleinheit des Rechners (CPU: Central Processing Unit) erbitten. Software-Interrupts Die Software-Interrupts sind in ihrer Anzahl viel größer und werden bezeichnet mit INTxx (xx ist eine hexadezimale Zahl 00 bis FE). Sie werden vor allem verwendet, um Erweiterungen in den Standardfunktionen anzubringen. PC-Systeme Die meisten Personal Computer (PC) sind gemäß der IBM-PC Architektur aufgebaut und arbeiten mit Prozessoren aus der Intel-Familie. Mutterplatine (motherboard) Der PC ist rund um eine Mutterplatine aufgebaut, mit Bussteckern darauf, die eine oder mehrere Erweiterungsplatinen möglich machen. Die Mutterplatine enthält: • Prozessor • Bussteuerungslogik. • Halter für die RAM-Speicher, worin ein oder mehrere SIMM (Single Inline Memory Module) platziert werden können. Gängig sind die 72-poligen SIMM, die es in verschiedenen Speichergrößen gibt. • Interfaces für unter anderem Tastatur (keyboard), manchmal auch gesondert für eine Maus (mouse). Um allgemeinen ist kein VideoInterface auf der Mutterplatine integriert, um über eine Einsteckkarte eine freie Wahl im Typ des Video-Adapters zu lassen. • Meistens eine Anzahl serielle und/oder parallele Tore. • 1 bis 8 Einsteckschlitze für Erweiterungsplatinen. Für die Schlitze (slots) gibt es verschiedene gängige Typen:

G/106 • •

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

PCI (Peripheral Component Interconnect) Schlitze, ein selbstkonfigurierender 33 MHz Bus, vor allem in Pentiummaschinen verwendet. PCMCIA (PC Memory Card International Association) Schlitze. Vor allem in kleinen tragbaren Systemen (notebooks) für das Einstecken von einem Modem oder einer externen Festplatte verwendet.

Tore Der PC ist mit einem oder mehreren seriellen und parallelen Toren ausgerüstet. An dem seriellen Tor wird z.B. eine Maus oder ein Modem (Verbindung zum Telefonnetz) angeschlossen. Am parallelen Tor (Centronics-Interface) wird meistens ein Drucker angeschlossen. An der PC-Seite sitzt ein 25-poliger sub-D connector, an der Druckerseite ein 36-poliger Centronics. Prozessor In der Intel-Familie von Prozessoren sind vor allem der P5 (Pentium), der P6 (Pentium-pro) und der MMX (Multimedia extensions) im Einsatz. Bezüglich eines Geschwindigkeitsunterschieds gibt es äußerlich zwischen den gängigen Typen (Pentium, Pentium-pro und MMX) keine wesentlichen Unterschiede mehr. Programme sind gut austauschbar. Innerlich sind die Unterschiede dennoch groß durch die Einführung von pipelining-, cache- und RISC-Technologie. Ein cache ist ein sehr schnell zugänglicher Arbeitsspeicher für den Prozessor, worin der Prozessor Kopien von Teilen des normalen RAM-Speichers bewahrt, um auf diese Weise schneller arbeiten zu können. RISC (Reduced Instruction Set Computers) Prozessoren arbeiten mit einem viel kleineren Vorrat an Maschinenbefehlen, wodurch sie ihre Befehle deutlich schneller ausführen können, als gewöhnliche (oder CISC: Complex Instruction Set Computer) Prozessoren. Bei RISC-Prozessoren erfolgt keine Umsetzung des Befehls durch ein Mikroprogramm. Jeder Befehl wird in nur einem Taktzyklus ausgeführt. Single-Chip-Mikrorechner (SBC: Single Board Computer)

INFORMATIK

G/107

Durch die weitere Miniaturisierung ist es möglich, neben der Zentraleinheit des Mikroprozessors (CPU) auch periphere Bauelemente auf einem Chip unterzubringen. Tabelle 2.25 Rechner-Peripherie

Transputer

G/108

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Der Transputer stellt parallele Rechenleistung zur Verfügung. Transputer sind CISC-Rechner, deren Datenaustausch über sehr schnelle bidirektionale Datenkanäle läuft.

Abb. 2.24 Blockschaltbild eines Transputers

Mit diesen vier sehr schnellen seriellen Datenverbindungen (links) können beliebig viele Prozessoren in nahezu beliebigen Netzen miteinander verbunden werden. Die Rechenleistung wird dabei auf die Knoten des Netzes verteilt. Jeder dieser Kommunikationskanäle hat direkten zugriff auf den Speicher, ohne dass der Prozessorkern mit einbezogen werden muss. Diese DMA-Fähigkeit (DMA: Direct Memory Access) erlaubt bis zu acht Datenübertragungen gleichzeitig (vier vom und vier in den Speicher). Der Aufbau von solchen Rechnernetzen erlaubt höchste Flexibilität. In jedem Knotenrechner ist das vollständige Bearbeitungsprogramm enthalten, so dass er sämtliche Aufgaben erledigen kann.

INFORMATIK

G/109

Abb. 2.25 Vernetzung von Transputern

Farben Bei allen Formaten bis einschließlich EGA werden die Farbinformationen über digitale Signale auf das Interface durchgegeben, ab VGA geschieht dies analog. Bei XGA und SVGA sind im Prinzip Farbpaletten mit 16 Millionen Abstufungen möglich. Wie viele auf dem Schirm dargestellt werden können ist abhängig von der verwendeten Videokarte und deren Speicherkapazität.

G/110

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Umweltforderungen Monitore mit höherer Auflösung und größeren Bildmaßen arbeiten intern mit höheren Frequenzen und Nachbeschleunigungsspannungen, wodurch im Prinzip mehr Störstrahlung abgegeben wird. Aber durch die Umweltanforderungen geben die modernen Monitore oft weniger Störstrahlung ab. Die schwedische MPR-II Norm und die noch strengere europäische TCO 1991 Norm reglementieren die elektrostatische Spannung, das elektrische Feld sowie das magnetische Störfeld. Tabelle 2.26 Bildschirmnormen

Für den Energieverbrauch sind drei Normen im Umlauf: das amerikanische EPA Energy Star Power Management Programm, der NUTEK und der TCO 1992 Standard. Von den letzten zwei ist der TCO 1992 der einschränkendste; praktisch erfüllt jeder TCO 1992 Monitor automatisch die NUTEK Forderungen. Sie legen vor allem den Verbrauch für den Stand-by Status des Bildschirms fest. Multimedia PC (MPC) Standard Die MPC-3 Ebene ist erforderlich für bewegtes Bild oder für die synchronisierte Tonwiedergabe. MPC-2 ist dann anwendbar, wenn keine einschränkenden Forderungen bezüglich Zeit und Synchronisation bestehen. Band-Formate Praktisch alle Tapestreamer beschreiben Bänder in dem QIC-80 Format. Viele können das ältere QIC-40 Format noch lesen, aber nicht

INFORMATIK

G/111

mehr erneut beschreiben. Die Speicherkapazität wird oft durch zwei Zahlen wiedergegeben, nämlich bei unkomprimierter Speicherung und eine bei komprimierter Speicherung. Bei der komprimierten Speicherung gehen die Hersteller von einem 2:1 Kompressionsverhältnis aus, was in der Praxis längst nicht bei allen Datenarten gehalten werden kann. Die Bänder selbst gibt es in verschiedenen Längen und sitzen meistens in einem QIC-Kassettengehäuse. Die größeren Bandlängen sind oft in einem QIC-wide und Travankassetten untergebracht. Notebook Computer Standards Speziell für tragbare Computer sind zwei getrennte Standards entstanden: • der PCMCIA2.0 Standard (oft als PC Card bezeichnet) für Einsteckkarten. Dieser kennt vier Typen Einsteckkarten (Typ I bis IV), alle mit demselben 68-poligen Stecker, nur unterschiedlich in der Höhe (entsprechend 3,3 mm, 5 mm, 10,5 mm und 16 mm). • die IrDA (Infrared Data Association) Infrarotkopplung mit Druckern, Dockingstationen, drahtlosen Mäusen und Tastaturen. Die IrDA1.0 bietet eine serielle Infrarotübertragung von 9.600 bis 115.200 bps über einem Abstand von 1 Meter mit einem Öffnungswinkel von 30° und ist entworfen, um als Zusatz in eine bestehende RS232 Verbindung eingesetzt werden zu können. Die neuere IrDA2.0 kann Geschwindigkeiten bis 4 Mbps bieten, aber nicht mehr als Zusatz in eine bestehende RS232.

G/112

KOMMUNIKATION UND INFORMATIK

Verbindungen zu Diskettenstationen

Abb. 2.26 Anschlüsse an Diskettenstationen (Außenansicht Steckbuchse)

INFORMATIK

G/113

Abb. 2.27 Anschlüsse (E)IDE- und SCSI-Disk-Verbindung (Außenansicht female)

BAUWESEN

H

1

2

3

4 5

6

7

H/1

Bauwesen

Vermessung, Seite H/2 1.1 Festpunktfeld, Seite H/2 1.2 Polygonzug, Seite H/3 1.3 Nivellementzug, Seite H/6 Geotechnik, Seite H/8 2.1 Geotechnische Kategorien, Seite H/8 2.2 Geotechnische Untersuchungen, Seite H/8 2.3 Geotechnische Kennwerte, Seite H/25 Berechnung von Baukonstruktionen, Seite H/32 3.1 Lastannahmen, Einwirkungen, Seite H/32 3.2 Stahlbeton- und Spannbetonbau, Seite H/36 3.3 Beton nach DIN EN 206-1, Seite H/41 3.4 Stahlbau, Seite H/47 3.5 Holzbau nach DIN 1052, Seite H/52 3.6 Mauerwerk, Seite H/57 Wärmeschutz, Seite H/61 Systeme und Bauteile der Heizungstechnik, Seite H/69 5.1 Einzelheizung, Seite H/69 5.2 Zentralheizung, Seite H/70 Systeme und Bauteile der Kältetechnik, Seite H/88 6.1 Anwendungen und Bauarten, Seite H/88 6.2 Bauteile, Seite H/91 Energietechnik, Seite H/93 7.1 Grundsätze der Energieversorgung, Seite H/93 7.2 Primärenergien, Seite H/95

H/2

1

BAUWESEN

Vermessung

Bautechnische Vermessungen im Verkehrswesen lehnen sich meist an das vorhandene Koordinatennetz an. Verwendet werden in der Bundesrepublik Deutschland Koordinaten nach Gauß-Krüger. Für andere bautechnische Vermessungen sind auch örtliche Netze möglich.

1.1 Festpunktfeld Grundlage für die Vermessung von Ingenieurbauten ist das Festpunktfeld. Man benutzt meist die Festpunkte der Vermessungsverwaltung. Sind keine vorhanden oder liegen diese ungünstig, muss ein Festpunktfeld durch eine Grundlagenvermessung erstellt werden. Bei Straßen ist das Festpunktfeld auf die Linienführung abzustimmen und in das Netz der Vermessungsverwaltung einzubinden. Folgemessungen sind an das Festpunktfeld anzuschließen. Das gilt dafür als fehlerfrei. Für die Erkundung ist zu beachten: 1. Die Punkte müssen gute Sichten zu den Nachbarpunkten und möglichst auch zu Anschlusspunkten gewährleisten (Belaubung in der Sommerzeit berücksichtigen!). 2. Bei freier Standpunktwahl müssen die Sichten nach mehreren Punkten für Aufnahme und Absteckung vorhanden sein. Das gilt auch für die Einbindung ins Festpunktfeld. 3. Die Punkte sind leicht zugänglich anzuordnen. 4. Als Anschlusspunkte sind Festpunkte zu verwenden, die Sichten zu Fernzielen zulassen. 5. Der Abstand der Lagefestpunkte soll maximal 250 m betragen. 6. Die Punkte sollen auf Sicherungspunkte eingemessen und vor Zerstörung geschützt werden. 7. Soll das Gelände durch Befliegung aufgenommen werden, müssen möglichst alle Punkte aus der Luft sichtbar sein. 8. Von den Festpunkten sind Einmessskizzen zu fertigen. 9. Das Festpunktfeld ist mit den Punktnummern zu kartieren. 10. Bei Straßen legt man zweckmäßig die Festpunkte als Polygonzug außerhalb des Baubereiches.

VERMESSUNG 11.

12.

H/3

Höhenfestpunkte sollen höchstens 300 m Abstand voneinander haben. In der Nähe von Bauwerken sind zwei Höhenfestpunkte einzumessen. Die Messungen müssen die für das jeweilige Bauwerk erforderliche Genauigkeit garantieren. Messgeräte und – anordnung sind darauf abzustimmen.

1.2 Polygonzug Um Punkte einer Kurve oder bestimmte Messpunkte abzustecken, benutzt man im Straßenbau einen trassennahen Polygonzug. Dieser wird in das Festpunktnetz eingebunden. Er soll möglichst gestreckt angelegt werden. Von den Polygonpunkten (Polarabsteckung) oder Polygonseiten (Orthogonalabsteckung) sollen möglichst viele Aufnahmepunkte einsehbar sein. Ausgangspunkt ist ein Punkt mit bekannten Koordinaten (y0; x0) und eine bekannte Anschlussrichtung. Diese kann auch aus Koordinaten eines zweiten Punktes (Anschlussziel) berechnet werden. Es gilt dann für die Richtung von P0 mit (y0; x0) nach dem Anschlussziel PA mit (yA; xA) y − yA t 0A = arctan 0 x0 − x A wobei: t0A = Richtungswinkel [gon]. Die Entfernung zwischen zwei Punkten Pi und Pi+1 ist s=

( yi +1 − yi )2 + (xi +1 − xi )2

wobei: s = Strecke [m]. Vom Ausgangspunkt zielt man den nächsten Punkt des Polygonzuges an und liest den Brechungswinkel β zwischen Anschlussziel und Neupunkt ab. Außerdem misst man die Strecke zwischen den beiden Punkten. Dazu benutzt man Theodolite mit elektrooptischen Entfernungsmessern, welche die Horizontalentfernung oder Schrägdistanz zeigen. Im letzten Falle muss man auch den Zenitwinkel ablesen und

H/4

BAUWESEN

die Horizontalentfernung berechnen. Moderne Geräte registrieren die Messwerte automatisch; manche werten sie bereits im Felde elektronisch aus. Die Richtung zum neuen Punkt errechnet man mit ti = ti −1 + βi ± 200 wobei: ti = Richtungswinkel zum Neupunkt [gon] ti - 1 = Richtungswinkel vom vorhergehenden Punkt [gon] βi = gemessener Brechungswinkel [gon]. Die Messung des Polygonzuges wird fortgesetzt, bis ein bekannter Festpunkt erreicht ist, von dem ein Fernziel (Abschlussziel) angezielt werden kann. Nun müssen ablesebedingte Messungenauigkeiten ausgeglichen werden. Die Winkelabweichung wird mit nachfolgender Gleichung bestimmt. Sie ergibt sich aus dem Unterschied zwischen der gemessenen und der aus den bekannten Koordinaten errechneten Abschlussrichtung. wβ = t0 − t E − (β1 + β 2 + β3 + ... + β n ± n ⋅ 200) − α ⋅ 400 [gon] wobei: t0 = Anschlussrichtungswinkel [gon] n = Anzahl der gemessenen Brechungswinkel tE = Abschlussrichtungswinkel [gon] α = Vielfaches von 400, bis wβ < 400 gon ist β1, ... βn = gemessene Brechungswinkel [gon]. Sind die zulässigen Grenzen der Abweichung eingehalten, wird die Winkelabweichung gleichmäßig auf die gemessenen Winkel verteilt. Dann werden die Verbesserungen für den Winkel wβ vβ = [gon] n und die verbesserten Richtungswinkel ti, korr = ti + vβ [gon]. Daraus ergeben sich die vorläufigen Koordinatenunterschiede ∆yi = s ⋅ sin ti , korr ∆xi = s ⋅ cos ti , korr . Die Koordinatenabweichung erhält man aus den folgenden zwei Gleichungen (Abb. 1.1):

VERMESSUNG

H/5

n −1

W y = y n − y1 −

∑ ∆y

i

i =1

n −1

W x = x n − x1 −

∑ ∆x . i

î =1

Die Längs- und Querabweichung (WL; WQ) bestimmt man aus dem Richtungswinkel t zwischen Anfangs- und Endpunkt und erhält so die Längsabweichung WL = W y ⋅ sin t + Wx ⋅ cos t

Abb. 1.1 Koordinatenunterschiede

und die Querabweichung WQ = W y ⋅ cos t − Wx ⋅ sin t Für die vorläufigen Koordinatenunterschiede ist die Verbesserung s s v y,i = W y ⋅ i v x , i = Wx ⋅ i s s

∑

∑

wobei: si = Strecke zwischen zwei gemessenen Punkten s = Summe aller Seitenlängen.

∑

Mit den Gleichungen für die vorläufigen Koordinatenunterschiede werden die endgültigen Koordinatenunterschiede Dyi = ∆yi + W y , i Dxi = ∆xi + Wx , i . Die endgültigen Punktkoordinaten der einzelnen Polygonpunkte ergeben sich mit folgenden zwei Gleichungen. yi +1 = yi + Dyi xi +1 = xi + Dxi . Zulässige Abweichungen. Die Grenzen der zulässigen Abweichungen sind von einzelnen Bundesländern festgelegt. Entsprechend RAS-Verm-90 sind die Werte in der Tabelle 1.1 einzuhalten. Tabelle 1.1 Zulässige Abweichungen beim Polygonzug

H/6

BAUWESEN

Bei der baden-württembergischen Vermessungsverwaltung werden zwei Genauigkeitsstufen unterschieden. • Genauigkeitsstufe 1 für besonders festgelegte Gebiete, • Genauigkeitsstufe 2 für die übrigen Gebiete. Es werden folgende Abweichungen toleriert: als zulässige Längsabweichung WL für die Genauigkeitsstufe 1 2 0,032 ⋅ (n − 1) + 0,06 2 [m] WL1 = 3 und für Genauigkeitsstufe 2 WL 2 = 0,032 ⋅ (n − 1) + 0,06 2 [m].

Als zulässige Winkelabweichung ist für Genauigkeitsstufe 1 WW 1 =

2 3

600 2

(∑ s )

2

⋅ (n − 1)2 ⋅ n + 10 2 [mgon]

und Genauigkeitsstufe 2 WW 2 =

600 2

(∑ s )

2

⋅ (n − 1)2 ⋅ n + 10 2 [mgon]

wobei: n = Anzahl der Brechungswinkel des Polygonzuges einschließlich der am Anfangs- und Endpunkt s = gemessenen Strecke [m].

1.3 Nivellementzug Um ein Bauwerk höhengerecht einzumessen, werden Nivellementzüge von bekannten Höhepunkten zu dauerhaft vermarkten Punkten in Bauwerksnähe eingemessen. Die vermarkten Höhepunkte müssen bis zur Beendigung der Bauarbeiten erhalten bleiben. Die Messgenauigkeit ist aus der Bautoleranz abzuleiten und die Auswahl der Messgeräte darauf abzustimmen. An- und Abschlusspunkte dürfen nicht identisch sein. In der Regel sind die Nivellementzüge hin und zurückzumessen. Die gemessenen Punkte ergeben das Höhenfestpunktfeld (Abb. 1.2).

VERMESSUNG

H/7

Abb. 1.2 Beispiel für einen Polygonzug Tabelle 1.2 Grenzwerte für Messgenauigkeiten von Nivellementzügen (nach RAS-Verm)

Als Anhalt für andere Werte können die Werte der baden - württembergischen Vermessungsverwaltung dienen. Für Nivellementzüge aus neuer Messung zwischen zwei veröffentlichten Höhenunterschieden gilt für Züge

( ) = ± (2 + 3 r ) [mm] = ± (2 + 5 r ) [mm]

1. Ordnung d1 = ± 2 + 2 r [mm] 2. Ordnung d1

3. Ordnung d1 wobei: d1 = Differenz zwischen tatsächlichem und gemessenem Höhenunterschied r = Entfernung [km]. Der Fehler wird gleichmäßig auf alle Standpunkte verteilt..

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Geotechnik

2.1 Geotechnische Kategorien In der europäischen Normung werden die geotechnischen Aufgaben zwecks Mindestanforderungen an Baugrunduntersuchung, rechnerische Nachweise und Überwachung der Ausführung in drei Klassen (Kategorien) eingeteilt. Sie richten sich nach der zu erwartenden Reaktion von Boden und Fels, nach dem geotechnischen Schwierigkeitsgrad des Tragwerks und seiner Einflüsse auf die Umgebung. In DIN 4020 (10.90) wurde die Einteilung bezüglich Art und Umfang der geotechnischen Untersuchungen bereits verbindlich eingeführt. Tabelle 2.1 Einstufung von Erd- und Grundbauwerken bzw. geotechnischen Baumaßnahmen in geotechnische Kategorien nach DIN 4020 (10.90)

Die Einordnung in eine geotechnische Kategorie erfolgt gegebenenfalls zu Beginn der Arbeiten vorläufig. Eine Änderung ist auf Grund der Befunde möglich und gegebenenfalls notwendig.

2.2 Geotechnische Untersuchungen Allgemeine Anforderungen. Für jede Bauaufgabe müssen Schichtgrenzen, Einschlüsse und Kennwerte von Boden und Fels sowie die Grundwasserverhältnisse in ausreichendem Maße zuvor bekannt sein (DIN V 1054-100). Spätestens zum Zeitpunkt der Ausschreibung müssen die bis dahin vorhandenen Untersuchungsergebnisse für eine zuverlässige Planung der Bauleistung ausreichen. Gegebenenfalls ist eine zeitweise Auftei-

GEOTECHNIK

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lung der Untersuchungen in Abhängigkeit von Baugrundrisiko zweckmäßig (DIN 4020). Art und Unfang der dafür erforderlichen geotechnischen Untersuchungen werden in DIN 4020 (10.90) für GK 1 bis 3 mit gegenüber Tabelle 2.1 erweiterten Klassifizierungsmerkmalen festgelegt. Maßgebend für die Einstufung GK 1 bis 3 ist jeweils das Klassifizierungsmerkmal, das den größten Schwierigkeitsgrad beschreibt. Sie ist später auf Grund der Ergebnisse der geotechnischen Untersuchungen zu überprüfen und gegebenenfalls zu berichtigen. Geotechnische Kategorie 1 (GK 1) liegt vor a) bei einfachen baulichen Anlagen Beispiel: Setzungsunempfindliche Bauwerke mit Stützenlasten bis 250 kN und Streifenlasten bis 100 kN/m, Stützmauern und Baugrubenwände h ≤ 2,0 m ohne hohe Geländeauflasten, Gründungsplatten, die ohne Berechnung nach empirischen Regeln bemessen werden, Gräben h ≤ 2,0m über dem Grundwasser, b) bei waagerechtem oder schwachgeneigtem Gelände, wenn die Baugrundverhältnisse nach gesicherten örtlichen Erfahrungen und geologischen Bedingungen als tragfähig und setzungsarm bekannt sind, c) wenn das Grundwasser unterhalb der Aushubsohle liegt oder durch örtliche Bauerfahrung nachgewiesen ist, dass der Aushub unter dem Grundwasserspiegel oder ein späterer Grundwasseranstieg ohne schädliche Auswirkungen bleiben, d) wenn das Bauwerk gegen die örtliche Seismizität unempfindliche ist, e) wenn die Umgebung (z.B. Nachbargebäude, Verkehrswege, Leitungen) durch das Bauwerk selbst oder die dafür erforderlichen Bauarbeiten nicht beeinträchtigt oder gefährdet werden kann, f) wenn schädliche oder erschwerende äußerer Einflüsse, wie benachbarte offene Gewässer, Böschungen, Auslaugungen, Erdfälle nicht zu erwarten sind.

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Mindestanforderungen an die Baugrunderkundung und – untersuchung bei GK 1. • Einholen von Informationen über die allgemeinen Baugrundverhältnisse und die örtlichen Bauerfahrungen der Nachbarschaft. • Erkunden der Bodenarten bzw. Gesteinsarten und ihrer Schichtung, z.B. durch Schürfe, Kleinbohrungen und Sondierungen. • Abschätzen der Grundwasserverhältnisse vor und während der Bauausführung. • Besichtigung der ausgehobenen Baugrube. Art und Umfang dieser geotechnischen Untersuchungen müssen eine Bestätigung der Verhältnisse nach den Aufzählungen b) bis f) ermöglichen. Geotechnische Kategorie 2 (GK 2) liegt vor, wenn die baulichen Anlagen und geotechnischen Gegebenheiten nicht in die geotechnische Kategorie 1 eingeordnet werden können, und sie wegen ihres Schwierigkeitsgrades nicht in die Kategorie 3 eingeordnet werden müssen. Mindestanforderungen an die Baugrunderkundung und – untersuchung bei GK 2. Es sind immer direkte Aufschlüsse erforderlich. Die für Beurteilung und Berechnungen notwendigen Bodenkenngrößen müssen versuchstechnisch bestimmt oder mit Hilfe von Korrelationen abgeschätzt werden. Direkte Aufschlüsse sind natürliche oder künstliche Aufschlüsse, in der Regel Bohrungen, die eine Besichtung von Boden oder Fels, die Entnahmen von Boden- oder Felsproben sowie die Durchführung von Feldversuchen ermöglichen, z.B. auch Schürfe. Die Anordnung der Aufschlüsse erfolgt gemäß der Tabelle 2.2. Indirekte Aufschlüsse sind Sondierungen nach DIN 4094 sowie geophysikalische Messverfahren (zur Voruntersuchung großer Flächen). Geotechnische Kategorie 3 (GK 3) liegt vor a) bei baulichen Anlagen wie Bauwerke mit besonders hohen Lasten, tiefe Baugruben (z.B. Tiefgaragen), Staudämme sowie Deiche und andere Bauwerke, die durch hohe Wasserdrücke ∆h > 2 m belastet werden, Einrichtungen zur vorübergehenden oder dauernden Grundwasserabsenkung, die damit ein Risiko für benachbarte Bauten bewirken, Flugplatzbefes-

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b)

c)

d) e)

f)

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tigungen, Hohlraumbauten, weitgespannte Brücken, Schleusen und Siele, Maschinenfundamente mit hohen dynamischen Lasten, kerntechnische Anlagen, Offshore-Bauten, Chemiewerke und Anlagen mit gefährlichen chemischen Stoffen, Deponien aller Art mit Ausnahme nicht kontaminierter Boden- und Felsaushübe, hohe Türme, Antennen, Schornsteine, Großwindanlagen, bei besonders schwierigen Baugrundverhältnissen, z.B. geologisch junge Ablagerungen mit regelloser Schichtung, rutschgefährdete Böschungen, geologisch wechselhafte Formationen, quell- und schrumpffähige Böden, bei gespanntem oder artesischem Grundwasser, wenn beim Ausfall der Entlastungsanlagen hydraulischer Grundbruch möglich ist, bei Erdbeben, wenn von der baulichen Anlage oder der Bauausführung besondere Gefährdungen auf die Umgebung ausgehen oder die Bauwerke selbst durch sonstige Einflüsse einer besonderen Gefährdung hinsichtlich Standsicherheit und eventuell auch Betriebssicherheit unterliegen, in Bergsenkungsgebieten, Gebieten mit Erdfällen, bei unkontrolliert geschütteten Geländeauffüllungen.

Mindestanforderungen an die Baugrunderkundung und- untersuchung bei GK 3. Es ist zu prüfen, ob über den für GK 2 erforderlichen Umfang hinaus weitere Untersuchungen erforderlich sind, die sich aus den besonderen Abmessungen, Eigenschaften und Beanspruchungen des Objektes oder aus Sonderfragen des Baugrundes, des Grundwassers oder der Umgebung ergeben (z.B. Pumpversuche, Proberammungen, Dichtigkeitsprüfungen). Die Rechenwerte werden unter Einschaltung eines Sachverständigen festgelegt. Anzahl, Abstände und Tiefe der Aufschlüsse nach DIN 4020 Die Anordnung erfolgt im Raster oder auf Schnitten, beginnend an den Eckpunkten des Bauwerks (Tabelle 2.2). Bei Alternativangaben gilt jeweils der größere Wert der Aufschlusstiefe za (Tabelle 2.3).

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Tabelle 2.2 Anzahl oder Rasterabstände a direkter Aufschlüsse in Böden, Richtwerte nach DIN 4020 (10.90) in Abhängigkeit vom Bauwerkstyp

Tabelle 2.3 Aufschlusstiefe za ab Bauwerksunterkante oder Aushubsohle in Böden, Richtwerte nach DIN 4020 (10.90) in Abhängigkeit vom Bauwerkstyp

Grundsätzlich muss der Aufschluss alle Schichten erfassen, die durch das Bauwerk beansprucht werden (DIN 1054, Abschn. 3.2.2). Aufschluss durch Schürfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben nach DIN 4021 Sie regelt Bohrverfahren, Bohrwerkzeug, Durchführung der Baugrundaufschlüsse, Entnahme von Boden- und Wasserproben, Beobachtung des Grundwassers, Anlage von Grundwassermessstellen im Baugrund, Transport und Aufbewahren der Proben. Das Bohrverfahren richtet sich danach, ob damit Proben unter Beachtung der im Einzelfall erforderlichen Güteklasse entnommen werden können (Tabelle 2.4). Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass sich an ihnen bestimmte Kenngrößen und Eigenschaften ermitteln lassen. Güteklasse 1 entspricht weitgehend ungestörten, Güteklasse 5 völlig gestörten Proben. Tabelle 2.4 Güteklasse für Bodenproben (DIN 4021 Teil 1)

GEOTECHNIK

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Berücksichtigung der Grundwasserstände. Wenn das Bauwerk einschließlich seiner Hilfsmaßnahmen in das Grundwasser hineinreicht, ist die Höhenlage der Grundwasser-Oberfläche oder Grundwasser-Druckfläche der Grundwasserstockwerke und ihre zeitliche Schwankung festzustellen. (DIN 1054-100: 04.96) Hinweis: bei Dauerbauwerken hat der Planverfasser seine Planung des Bauvorhabens nach dem höchsten bekannten Grundwasserstand auszurichten, auch wenn dieser seit Jahren nicht mehr erreicht worden ist. Benennung und Beschreibung von Boden und Fels nach DIN 4022-1 bis -3 (09.87) Der Boden wird von dem Geräteführer oder von einem Beauftragten an der Bohrstelle insbesondere nach Haupt- und Nebenanteil, Beschaffenheit und Farbe mit Hilfe visueller und manueller Unterschei-

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dungsmerkmale in einem Schichtenverzeichnis nach DIN 4021-1 beschrieben. Hauptanteil ist entweder die Bodenart, die nach Massenanteilen am stärksten vertreten ist, oder jene, welche die bestimmende Eigenschaft des Bodens prägt. Haupt- und Nebenanteile werden nach Korngrößenunterbereichen als Kies, Sand und Schluff mit der jeweiligen Unterteilung grob, mittel, fein sowie als Ton (Korn Ø < 0,002 mm) benannt (Abb. 2.1). Bei der visuellen Bestimmung ist z.B. Feinkies kleiner als Erbsen, aber größer als Streichholzköpfe, Feinsand kleiner als Gries, aber als Einzelkorn noch sichtbar.

Abb. 2.1 Korngrößenverteilung bindiger und nicht bindiger Bodenarten mit Benennung nach DIN 4022

Übergeordnet sind die Korngrößenbereiche Grobkorn (Kies und Sand) und Feinkorn (Schluff und Ton). Anstelle von grob- und feinkörnigen Böden wird auch der Begriff nicht bindige und bindige Böden benutzt. Da bei feinkörnigen Böden das Einzelkorn nicht mehr mit bloßem Auge zu erkennen ist, werden Schluff und Ton durch Reib- und Schneidversuche unterschieden. Tonige Böden fühlen sich im Reibversuch seifig, schluffige mehlig an. Beim Schneidversuch weisen glänzende Schnittflächen auf Ton, stumpfes Aussehen auf Schluff hin.

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Bei feinkörnigen Nebenanteilen wird dem Adjektiv „tonig“ oder „schluffig“ das Beiwort „schwach“ oder „stark“ dann vorausgesetzt wenn sie von besonders geringem oder besonders hohem Einfluss auf das Verhalten des Bodens sind, aber das Verhalten nicht vom Feinkornanteil geprägt wird. Um entsprechende Unterteilungen „schwach“ oder „stark“ bei grobkörnigen Böden vorzunehmen ist eine Körnungslinie (Abb. 2.1) erforderlich („schwach“ bei weniger als 15%, „stark“ bei mehr als 30% Massenanteil). Die Beschaffenheit feinkörniger Böden wird durch die Konsistenz mit Handprüfung nach Tabelle 2.5 beschrieben. Tabelle 2.5 Bestimmung der Konsistenz im Feldversuch nach DIN 4022-1

Bei der Beschreibung der Böden ist von besonderer Wichtigkeit eine dunkle Färbung, da hierdurch oft organische Beimengungen angezeigt werden (Tabelle 2.6) Tabelle 2.6 Humusgehalt der Böden nach DIN 4022-1

Aus dem Trockenfestigkeitsversuch (Widerstand der getrockneten Probe gegen Zerbröckeln oder Pulverisieren zwischen den Fingern) ergeben sich Hinweise auf die Plastizität des Bodens und damit auf

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das Verhalten als Schluff oder Ton. Bei Schluff reicht geringer Druck. Bei Ton kann die Probe nicht zerbröckelt werden. Die Empfindlichkeit einer breiigen Masse des Bodens gegen Schütteln im Schüttelversuch in der Hand ist eine Eigenschaft, die für schluffige Böden charakteristisch ist (Tabelle 2.7). Die zeichnerische Darstellung der Ergebnisse ist in DIN 4023 (3.84) geregelt. Die Aufschlusspunkte sind in einem Lageplan, die Ergebnisse maßstäblich und höhengerecht in Schnitten 1:100 (auf Säulen) mit Symbolen und Kurzzeichen der DIN 4023 darzustellen und gegebenenfalls durch Gruppensymbole gemäß DIN 18196 (Tabelle 2.8) zu ergänzen. Tabelle 2.7 Bodenarten nach DIN 4022 und Darstellung nach DIN 4023

Bei gemischten Bodenarten ist das Kurzzeichen des Hauptanteils in Großbuchstaben voranzustellen, die der Nebenanteile in der Reihenfolge ihrer Bedeutung anzufügen. Beispiel schluffig, toniger Sand: S, u, t, Erkunden durch Sondierungen nach DIN 4094 (12.90). Sie regelt die indirekten Aufschlüsse des Bodens durch Ramm- (DPL; DPH), Standard- (SPT) und Drucksondierungen (CPT) (Einsatzmöglichkeiten, Durchführung der Sondierung, Messung Abb. 2.2 Ergebnis einer Rammsonund Darstellung, Einflüsse auf Sondierung dierergebnisse). Sie enthält auch Hinweise zur Auswertung (Abb. 2.3 bis 2.6 als Auswahl).

Tabelle 2.8 Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke

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Tabelle 2.8 Fortsetzung

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Tabelle 2.8 Fortsetzung

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Tabelle 2.8 Fortsetzung

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Legende zu Tabelle 2.8 Bedeutung der qualitativen und wertenden Angaben

Anmerkung: Es ist zu beachten, dass bestimmte in Tabelle 2.8, Spalte 9, genannte Beispiele für Bodenarten, wie Mutterboden, Mudden, Geschiebemergel, Geschiebelehm entsprechend ihrer stofflichen Zusammensetzung gegebenenfalls verschiedenen Bodengruppen zugehören können. Tabelle 2.9 Arten und Einsatztiefen von Sondiergeräten

Tabelle 2.10 Umrechnungsfaktoren zwischen dem Sondierspitzendruck qs in MN/m² der Drucksonde und der Schlagzahl N30 (Schlagzahl je 30 cm Eindringtiefe) beim Standard-Penetrations-Test (SPT)

Tabelle 2.11 Zusammenhang zwischen den Schlagzahlen N10 und der Konsistenz bindiger Böden

Die Schlagzahlen N10 können in Schlagzahlen N30 der Standardrammsonde umgerechnet werden (Abb. 2.8) und aus dieser die einaxiale Druckfestigkeit abgeleitet werden (Tabelle 2.12).

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Abb. 2.3 Vergleich zwischen den Schlagzahlen von Rammsondierungen in leicht plastischen und mittelplastischen Tonen (TL, TM)

Abb. 2.4 Zusammenhang zwischen den Schlagzahlen und der Lagerungsdichte bei weitgespannten Sand-Kies-Gemischen (GW)

Abb. 2.5 Zusammenhang zwischen den Schlagzahlen und dem Steifebeiwert in enggestuften Sanden (SE) über Grundwasser

Abb. 2.6 Zusammenhang zwischen den Schlagzahlen und dem Steifebeiwert v in leicht plastischen und mittelplastischen Tonen (TL, TM) über Grundwasser

In Abb. 2.3 bis 2.6 bedeuten: DPH Schwere Rammsonde DPL Leichte Rammsonde SPT Standard Penetration-Test

NK Schlagzahlen: nämlich N30 bei SPT je 30 cm N10 bei DPL oder DPH je 10 cm

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Abb. 2.7 Klassifizierung nach DIN 18196

Abb. 2.8 Konsistenz bindiger Böden nach DIN 18122 Tabelle 2.12 Konsistenz Ic und Zylinderdruckfestigkeit qu in Anhängigkeit von der Schlagzahl N30 (SPT)

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Berechnung des spannungsabhängigen Steifemoduls nach Ohde (gemäß DIN 4094, Beibl. 1) mit Steifebeiwerten v und Steifeexponenten w nach Abb. 2.5 und 2.6 w

⎛ σ + 0,5∆σ z ⎞ ⎟⎟ E s = v ⋅ pa ⎜⎜ ü pa ⎠ ⎝ wobei: v = Steifebeiwert [-] aus Abb. 2.5 und 2.6 w = Steifeexponent [-] (vom Boden abhängige Konstante, siehe Abb. 2.5 und 2.6) σü = γ (d + z )⎫ ⎬ s. Abb. 2.9 ∆σ z = i1 ⋅ σ1 ⎭

pa = mittlerer Atmosphärendruck (100 kN/m²)

Abb. 2.9 Schema einer allgemeinen Setzungsberechnung für eine einheitliche Schicht

GEOTECHNIK

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Tabelle 2.13 Einflusswerte i für die lotrechten Spannungen unter dem kennzeichnenden Punkt einer Rechtecklast nach Kany

2.3 Geotechnische Kennwerte (ENV 1997-1) Die Baugrundeigenschaften einer Bodenschicht (Homogenbereich) werden durch Bodenkenngrößen (DIN V 1054-100) beschrieben. Es sind entweder dimensionslose Kenngrößen, sogenannte Indexwerte, mit denen bautechnische Eigenschaften abgeschätzt werden können, oder Rechenwerte mit Einheiten von Wichten oder Spannungen, die unmittelbar in Bemessungsgleichungen eingehen, aber auch bei der rechnerischen Ermittlung anderer Bodenparameter Verwendung finden. Bodenkenngrößen (Tabelle 2.14) werden mit genormten Laborversuchen an gestörten oder ungestörten Bodenproben oder mit Feldversuchen an stehenden Böden ermittelt. Man unterscheidet Klassifizierungsversuche (Ermittlung der Korngrößenverteilung, der Plastizitätsgrenzen wL und wp, sowie der organischen Bestandteile), die bei Zuordnung des Wassergehaltes w zu den Plastizitätsgrenzen (Abb. 2.8) sowie der Dichte zu den Grenzen der Lagerungsdichte (Tabelle 2.15) auch zustandsbeschreibende Versuche genannt werden, ferner Festigkeits- und Verformungsversuche (Scherfestigkeit, Steifemodul) sowie spezielle Versuche für erdbautechnische Zwecke (Proctor-Dichte, Plattendruckversuch). In kohäsionslosen Böden werden die Festigkeits- und Verformungswerte mit Sondierungen festgelegt. (Abb. 2.5).

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Tabelle 2.14 Bodeneigenschaften, Bezeichnung, Formelzeichen und Einheiten der Bodenkenngrößen nach DIN 1080-6, Fortsetzung siehe nächste Seite

GEOTECHNIK Tabelle 2.14 Fortsetzung

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Tabelle 2.15 Lagerungszustand1) nichtbindiger Böden nach DIN 1054 Bbl. (11.76)

Um den Versuchsaufwand zu vermeiden, lassen sich bestimmte Bodenkenngrößen auch durch Korrelation insbesondere mit der Korngrößenverteilung sowie dem Wassergehalt und den Plastizitätsgrenzen bestimmen (Beispiel s. Tabelle 2.16). Die Bodenkenngrößen einer Schicht streuen mehr oder weniger je nach ihrer geologischen Entstehung. Die Untersuchung einer einzelnen Probe ist daher nicht ausreichend. Die neue europäische Normung trägt dem Rechnung, indem für rechnerische Nachweise vorsichtig geschätzte Mittelwerte als sogenannte charakteristische Werte zu Grunde gelegt werden. Tabelle 2.16 Näherungsweiser Zusammenhang zwischen Scherfestigkeit cu und Konsistenz Ic1)

Eine Übersicht über die Bodenkenngrößen und die für ihre Ermittlung gebräuchlichen Laborversuche liefert Tabelle 2.14. Auf Klassifizierungsversuche kann verzichtet werden, wenn der Boden eindeutig nach den Erkennungsmerkmalen und Beispielen der DIN 18196 (Tabelle 2.8) klassifiziert und die Konsistenz durch Handprüfung nach DIN 4022-1 festgelegt werden kann (Tabelle 2.5). In diesem Fall ist es auch möglich, Rechenwerte für die Berechnung der Standsicherheit und der Abmessung baulicher Anlagen, die durch die Eigenlast des Bodens oder durch Erddruck belastet werden, aus Tabellen der DIN 1055-2 (Tabelle 2.17 und Tabelle 2.18) zu entnehmen. Bei größeren Bauvorhaben wird man auf Laborversuche nicht verzichten.

GEOTECHNIK

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Tabelle 2.17 Bodenkenngrößen nichtbindiger Böden (Rechenwerte nach DIN 1055-2, EAU, DIN 4017 sowie charakteristische Werte nach DIN V 1054-1001))

Tabelle 2.18 Bodenkenngrößen bindiger Böden und organischer Böden (Rechenwerte nach DIN 1055-2, sowie charakteristische Werte nach DIN V 1054-1001))

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Tabelle 2.19 Richtwerte für Bodenkenngrößen, Bodenkennwerte von Bodenarten nach v. Soos, Fortsetzung siehe nächste Seite

GEOTECHNIK Tabelle 2.19 Fortsetzung

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BAUWESEN

Berechnung von Baukonstruktionen

3.1 Lastannahmen, Einwirkungen Grundlagen der Tragwerkplanung, Sicherheitskonzept und Bemessung mit Teilsicherheitsbeiwerten nach DIN 1055-100 Allgemeine Anforderungen Ein Bauwerk muss so entworfen und ausgeführt werden, dass es (a) alle während der Errichtung, Instandsetzung und planmäßigen Nutzung möglicherweise auftretenden Einwirkungen und Einflüsse mit angemessener Zuverlässigkeit und Sicherheit trägt, ohne zu versagen oder unzulässig große Verformungen zu erleiden, (b) außergewöhnliche Ereignisse wie Feuer, Brand, Explosion oder Aufprall eines Fahrzeuges übersteht, ohne in einem Maße beschädigt zu werden, das in keinem Verhältnis zur Schadensursache steht, (c) Einwirkungen infolge Erdbebens übersteht ohne zu versagen, (d) während der vorgesehenen Nutzungsdauer neben seiner Tragfähigkeit auch seine Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit bei angemessenem Unterhaltungsaufwand behält. Die Gebrauchstauglichkeit ist nicht mehr gegeben, wenn das Bauwerk die für seine geplante Nutzung und das Wohlbefinden der zu dieser Nutzung gehörenden Personen erforderlichen Bedingungen und Voraussetzungen nicht mehr erfüllt. Zu diesen Bedingungen gehört neben dem einwandfreien Funktionieren des Bauwerks z.B. auch ein einwandfreies optisches Erscheinungsbild. Für das Bauwerk ist bei der Planung ein Tragsystem zu wählen, das • gegen außergewöhnliche Gefährdungen weitgehend unempfindlich ist, • bei einer örtlichen Beschädigung oder beim Ausfall eines begrenzten Teiles des Tragwerks nicht insgesamt versagt. Wo immer angezeigt und möglich, sind vorsorglich konstruktive Maßnahmen zu treffen, die eine Gefährdung des Bauwerks durch

BERECHNUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN

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außergewöhnliche Einwirkungen wie den Aufprall eines Fahrzeuges ausschließen oder doch jedenfalls merklich vermindern. Beim Nachweis der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit sind alle Zustände bzw. Situationen zu berücksichtigen, die während der Errichtungsphase und geplanten Nutzungsdauer des Bauwerks auftreten können. Die Menge dieser Situationen ist einzuteilen in • die Gruppe der planmäßig während der gesamten Nutzungszeit auftretenden – also in diesem Sinne ständigen – Situationen, • die Gruppe der vorübergehend und zeitlich begrenzt auftretenden Situationen, wie z.B. die Situationen im Bauszustand oder während irgendwelcher Wartungs- oder Instandsetzungsarbeiten, • die Gruppe der außergewöhnlichen Situationen, wie sie z.B. durch Feuer und Brand, Explosion oder den Aufprall eines Fahrzeugs entstehen und • die Situation bei einem Erdbeben. Diese Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit kann verloren gehen durch • Verlust des Gleichgewichts • übermäßige Verformung • Übergang in eine sogenannte kinematische Kette • Verlust der Stabilität und Übergang in einen Zustand des indifferenten oder labilen Gleichgewichts • Ermüdung des Materials oder Wirksamwerden eines anderen Langzeitphänomens • Bruch eines Bauteils mit oder ohne Vorankündigung (letzteres ist unbedingt zu vermeiden). Tabelle 3.1 zeigt die Einteilung der Bauwerke hinsichtlich der Nutzungsdauer. Einwirkungen auf ein Bauwerk; Beanspruchung und Beanspruchbarkeit eines Bauwerks Es gibt ständige und veränderliche Einwirkungen, statische und dynamische Einwirkungen, Brandeinwirkungen und Umwelteinflüsse. Alle diese Einwirkungen werden durch Modelle erfasst, deren für ein Bauwerk denkbar ungünstigen Werte oder – vereinfacht gesagt –

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BAUWESEN

größtmöglichen Werte in den verschiedenen Teilen von DIN 1055 angegeben sind. Tabelle 3.1 Klassifizierung von Bauten im Hinblick auf die Nutzungsdauer

Freilich darf ein Bauwerk nicht so entworfen werden, dass es sofort bei Erreichen dieser größtmöglichen Werte versagt. Vielmehr muss ein gewisser Sicherheitsabstand entstehen zwischen dem Erreichen dieser größtmöglichen Werte und dem Versagen des Bauwerkes. Deshalb wird das Bauwerk bei seiner Bemessung rechnerisch nicht diesen größtmöglichen Werten der Einwirkungen – „charakteristischen Werten“ – unterworfen sondern sogenannten Bemessungswerten, das sind – im einfachsten Fall – die mit einem LastTeilsicherheitsbeiwert γF multiplizierten größtmöglichen Werte. Analog lassen sich zu den Nominalwerten der Abmessungen von Bauwerk und Bauteilen sowie den – in den verschiedenen Normen gegebenen – Festigkeiten usw. der Baumaterialen und des Baugrundes – ebenfalls „charakteristische Werte“ – unter Verwendung von Material-Teilsicherheitsbewerten γM – und gegebenenfalls MaßAbschlägen – Bemessungswerte dieser Größen errechnen. Mit diesen beiden Datensätzen – den Bemessungswerten der Einwirkungen und den Bemessungswerten der Bauwerksdaten – können nun unter Verwendung eines geeigneten Algorithmus in einer Strukturanalyse des zugehörigen Tragwerks die Bemessungswerte der Beanspruchung des Bauwerks ermittelt werden, unter anderen also die Bemessungswerte der Verschiebungen der einzelnen Punkte des Bauwerks, der Verformungen seiner einzelnen Teile und der in ihnen wirksamen Schnittgrößen, das sind die Resultierenden der zugehörigen Spannungen. Andererseits lässt sich aus dem genannten Datensatz der Bemessungswerte der Bauwerksdaten – Abmessungen und Materialen der

BERECHNUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN

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verschiedenen Teile des Bauwerks und Gegebenheiten des Baugrundes – unter Verwendung gegebener Materialwerte im Grenzzustand des Versagens die rechnerische Beanspruchbarkeit dieses Bauwerks ermitteln. Schließlich wird der so errechnete Bemessungswert der Beanspruchbarkeit des Bauwerks beim Nachweis der Tragfähigkeit dem Bemessungswert seiner Beanspruchung in den verschiedenen Bemessungssituationen gegenüber gestellt. Beim Nachweis der Gebrauchstauglichkeit wird – mit anderen Datensätzen – analog verfahren. Tabelle 3.2 zeigt dies. Tabelle 3.2 Struktur des Bemessungskonzepts

Einwirkungen Einwirkungen F können entweder ständige Einwirkungen G oder veränderliche Einwirkungen Q sein. Andere Gesichtspunkte bei der Einteilung der Menge der Einwirkungen sind: a) Art der Einwirkung: direkt, indirekt b) zeitliches Verhalten: ständig, veränderlich, außergewöhnlich c) örtliche Gebundenheit: ortsfest, ortsveränderlich d) Art und Weise der Tragwerksreaktion: statisch, dynamisch e) Art der Einwirkungsintensität: unterschiedlich, stets voll

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BAUWESEN

1.2 Stahlbeton- und Spannbetonbau nach DIN 1045-1 Allgemeines Die DIN 1045-1 vom Juli 2001 ersetzt die DIN 1045 aus dem Jahre 1988. Die DIN 1045-1 ist aus dem Eurocode 2 hervorgegangen und hat viele Gemeinsamkeiten mit dieser europäischen Norm. Gegenüber der alten DIN 1045 enthält die neue DIN viele grundlegende Änderungen. Die wichtigsten sind: • Teilsicherheitskonzept • Spannbeton, Leichtbeton und Stahlbeton sind in einer Norm geregelt • Hochfeste Betonfestigkeitsklassen • Viele Bezeichnungen sind dem internationalen Gebrauch angelehnt. • Schubnachweis völlig anders als bisher. • Gebrauchstauglichkeitsnachweise haben an Wichtigkeit gewonnen. Die Norm unterscheidet Prinzipien und Anwendungsregeln. Die Prinzipien müssen immer eingehalten werden. Anwendungsregeln folgen den Prinzipien und sind allgemein anerkannte Regeln. Von Anwendungsregeln der Norm darf abgewichen werden, wenn das zugehörige Prinzip eingehalten wird. Begriffe nach DIN 1045-1, Abschnitt 3.1 • üblicher Hochbau Hochbau mit vorwiegend ruhenden und gleichmäßig verteilten Nutzulasten bis 5 kN/m² und Einzellasten bis 7 kN • vorwiegend auf Biegung beanspruchtes Bauteil Bauteil mit einer bezogenen Exzentrizität im Grenzzustand der Tragfähigkeit von ed/h > 3,5 • Druckglied Vorwiegend auf Druck beanspruchtes, stab- oder scheibenförmiges Bauteil mit einer bezogenen Exzentrizität im Grenzzustand der Tragfähigkeit von ed/h ≤ 3,5

BERECHNUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN • • • •

• • • • • •

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Normalbeton Beton mit Trockenrohdichte zwischen 2.000 und 2.600 kg/m³ Leichtbeton Trockenrohdichte zwischen 800 und 2.000 kg/m³ Spannglied mit sofortigem Verbund Im Spannbett gespanntes Spannglied, das nach dem Spannen einbetoniert wird. Spannglied mit nachträglichem Verbund In einem einbetonierten Hüllrohr liegendes Spannglied, das nach dem Erhärten des Betons gespannt und durch Ankerkörper an den Enden verankert wird. Danach wird der Hohlraum im Hüllrohr durch Einpressmörtel gefüllt. Grenzzustände der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit. Zustände, die den Bereich der Beanspruchung begrenzen, in dem das Tragwerk tragsicher oder gebrauchstauglich ist. Einwirkung Lasten, die als Kräfte oder Zwänge in Form von Temperatur oder Setzungen auf ein Bauwerk wirken charakteristischer Wert Werte der Einwirkungen, die in einschlägigen Bestimmungen festgelegt werden Bemessungswert Werte, die sich durch Multiplikation der charakteristischen Werte mit einem Sicherheitsbeiwert ergeben Duktilität Plastische Dehnfähigkeit von Betonstahl, Spannstahl und Stahlbeton Relaxation Mit Relaxation wird bei Spannstählen das allmähliche Absinken der Spannung bei gleichbleibender Dehnung bezeichnet.

Baustoffeigenschaften (DIN 1045-1, Abschnitt 9) Die physikalischen Eigenschaften für die zur Verwendung kommenden Baustoffe sind in Tabelle 3.3 zusammengestellt.

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BAUWESEN

Beton nach DIN 1045-1, Abschnitt 9.1 Normalbeton ist Beton mit geschlossenem Gefüge, der aus festgelegten Gesteinskörnungen hergestellt wird und so zusammengesetzt und verdichtet ist, dass außer den künstlich erzeugten kein nennenswerter Anteil an eingeschlossenen Luftporen vorhanden ist. Tabelle 3.3 Physikalische Eigenschaften von Beton, Stahlbeton und Spannbeton aus Normalbeton: Betonstahl und Spannstahl

Betondruck- und Betonzugfestigkeit nach DIN 1045-1, Abschnitt 9.1.5 bis 9.1.7 Der Bemessung der Bauteile liegen die charakteristischen Zylinderdruckfestigkeiten fck zugrunde. Die Betondruckfestigkeit ist als der Bemessungswert definiert, der bei statistischer Auswertung aller Druckfestigkeitsergebnisse von Beton im Alter von 28 Tagen nur in 5% aller Fälle (5% Fraktile) unterschritten wird. Die Druckfestigkeitswerte fck können entweder an Zylindern (Abmessung: 300 mm Höhe, 150 mm Durchmesser) als fck, zyl oder an Würfeln (150 mm Kantenlänge) als fck, cube ermittelt werden. Da die Bemessungsregeln auf den Werten der Zylinderfestigkeit basieren, gilt im weiteren fck, zyl = fck. Die Betonzugfestigkeit wird für den einachsigen Spannungszustand angegeben. Wegen der großen Streuung der Zugfestigkeitswerte werden hierfür sowohl die Mittelwerte fctm als auch die unteren und oberen charakteristischen Grenzwerte fctk; 0,05 bzw. fctk; 0,95 angegeben, wobei folgende Beziehungen bis C 50/60 gelten f ctm = 0,30 f ck2 / 3

f ctk ;0,05 = 0,7 f ctm

f ctk ;0,95 = 1,3 f ctm

BERECHNUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN

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Tabelle 3.4 Festigkeits- und Formänderungskennwerte von Normalbeton bis C 50/60

Tabelle 3.5 Festigkeits- und Formänderungskennwerte von hochfestem Beton > C 50/60

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Spannungs-Dehnungs-Linien Es gibt eine Spannungs- Dehnungs- Linie für nichtlineare Schnittgrößenermittlungsverfahren (und Verformungsberechnungen) und noch drei für die Querschnittsbemessung. In den Tabellen 3.4 und 3.5 sind die erforderlichen Parameter zur Bestimmung der Spannungsdehnungslinien aufgeführt. Schnittgrößenermittlung und Verformungsberechnung (Abb. 3.1) ⎛ k ⋅ η − η2 ⎞ ⎟ σ c = − f c ⎜⎜ ⎟ ⎝ 1 + (k − 2)η ⎠ ε η= c ε c1 k = −1,1 ⋅ Ecm ⋅

ε c1 fc

wobei: σc = Betonspannung fc = Betonfestigkeit εc = Betondehnung Ecm = mittlerer BetonElastizitätsmodul

Abb. 3.1 Diagramm nur für Verformungsberechnungen

Bei Verformungsberechnungen darf für f c = f cm = f ck + 8 [N/mm²] eingesetzt werden. Querschnittsbemessung Für das Parabel-RechteckDiagramm (Abb.3.2) gilt für 0 ≥ ε c ≥ ε c 2 n ⎛ ⎛ ε c ⎞ ⎞⎟ ⎜ ⎟ σ c = − f cd 1 − ⎜⎜1 − ⎜ ε c 2 ⎟⎠ ⎟ ⎝ ⎝ ⎠

und für ε c 2 ≥ ε c ≥ ε c 2u σ c = − f cd .

Abb. 3.2 Parabel-Rechteck-Diagramm

BERECHNUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN

H/41

3.3 Beton nach DIN EN 206-1 Allgemeines Die europäische Norm EN 206 –1 hat den Status einer deutschen Norm. Sie ist mit der nationalen Anwendungsregel zu verwenden. Diese nationale Anwendungsregel ist die DIN 1045-2 vom Juli 2001. In den nachstehenden Abschnitten sind die aus dieser nationalen Anwendungsregel vorgegebenen Änderungen eingebaut. Die Beziehung zwischen den verschiedenen Normen und Richtlinien ergibt sich aus Abb. 3.3. Begriffe • Gesteinskörnung (alte Bezeichnung: Zuschlag) aus natürlichen oder künstlich gebrochenen mineralischen Stoffen. Auch aus Recyclingmaterial. • Zement Hydraulisches Bindemittel. Fein gemahlener, anorganischer Stoff. Ergibt mit Wasser gemischt Zementleim, der auch unter Wasser erhärtet und raumbeständig bleibt. • Wirksamer Wassergehalt Gesamtwassermenge minus von der Gesteinskörnung aufgenommene Wassermenge im Frischbeton. • Wasserzementwert Masseverhältnis der wirksamen Wassermenge zur Zementmenge im Frischbeton. • Zusatzmittel Kleine Menge (bezogen auf den Zementgehalt) eines Stoffes, der beim Mischen zugegeben wird. • Zusatzstoff Fein verteilter anorganischer Stoff im Beton. • äquivalenter Wasserzementwert Massenverhältnis des wirksamen Wassergehalts zur Summe aus dem Zementgehalt und k-fach anrechenbaren Anteil von Zusatzstoffen. • Mehlkorngehalt Summe aus Zementgehalt, Zusatzstoffgehalt und dem Kornanteil der Gesteinskörnung bis 0,125 mm.

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BAUWESEN

Abb. 3.3 Beziehung zwischen den Normen DIN 206-1 und DIN 1045-2 sowie Richtlinien

• • •

Beton Durch Mischen von Zement, Gesteinskörnung, Wasser und auch eventuell Zusatzmitteln und Zusatzstoffen erzeugter Baustoff. Frischbeton Fertig gemischter Beton, der noch verarbeitet und verdichtet werden kann. Festbeton Erhärteter Beton mit einer gewissen Festigkeit.

BERECHNUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN •

• • • • • •

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Beton nach Eigenschaften Beton, dessen geforderter Eigenschaften und Anforderungen dem Hersteller angegeben sind. Der Hersteller ist für die Einhaltung verantwortlich. Beton nach Zusammensetzung Beton, dessen Zusammensetzung dem Hersteller vorgegeben werden. Standardbeton Beton nach Zusammensetzung nach Norm. Kubikmeter Beton Frischbetonmenge, die nach EN 12530-6 verdichtet, 1 m³ ergibt. Charakteristische Festigkeit Erwarteter Festigkeitswert. 5% der Grundgesamtheit aller Festigkeitswerte fallen unterhalb dieses Festigkeitswertes. Erstprüfung Prüfung vor Herstellung des Betons, um allen Anforderungen im frischen und im erhärteten Zustand zu überprüfen. Expositionsklasse Klassifizierung der chemisch und physikalisch relevanten Umgebungsbedingungen des Betons oder der Bewehrung.

Ausgangsstoffe Für die Verwendung der Ausgangstoffe gelten die Bedingungen nach Abb. 3.3. Zur deutlichen Unterscheidung von Zementen ist die Farbe des Sackes bzw. bei lose gelieferten Zement die Farbe des Siloheftblattes festgelegt. Ebenso ist die Farbe des Aufdruckes festgelegt. Siehe nachstehende Auflistung:

H/44

BAUWESEN

Anforderungen an den Beton Betonzusammensetzung Beton besteht aus • Zement • Gesteinskörnung (alt: Zuschlag) • Wasser • eventuell Zusatzmittel, Zusatzstoffe. Die Zusammensetzung soll entsprechend den Anforderungen gewählt und auf die Verarbeitbarkeit abgestimmt werden. Dabei sind folgende Anforderungen einzuhalten: Betongefüge Geschlossen, Luftgehalt des Gesteinskorns < 16 mm ≤ 4 VOL% ≥ 16 mm ≤ 3 VOL% Zementart Entsprechend der Verwendungsart, der Bauteilabmessungen, der Umweltbedingungen des Bauwerkes und der Wärmeentwicklung des Betons im Bauwerk. Zementgehalt Für Nennwert des Gesteinskorns ≤ 32mm nach Tabelle 3.6. Max. Wasserzementwert nach Tab. 3.6. Korngröße des Gesteinkorns so wählen, dass beim Einbringen des Betons kein Entmischen stattfindet, der maximale Nennwert beträgt: • 25% der kleinsten Bauteilabmessung • lichte Abstand der Bewehrungsstäbe abzüglich 5 mm • um 30% vergrößerte Betondeckung der Bewehrung Chloridgehalt des Betons Werte der nationalen Norm oder der am Verwendungsort des Betons geltenden Bestimmungen sind einzuhalten.

Tabelle 3.6a Grenzwerte für Zusammensetzung und Eigenschaften von Beton

BERECHNUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN H/45

Tabelle 3.6b Grenzwerte für Zusammensetzung und Eigenschaften von Beton

H/46 BAUWESEN

BERECHNUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN

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3.4 Stahlbau Werkstoffe, charakteristische Werte, Walzprofile Bezeichnungssystem unlegierter Stähle für den Stahlbau Die Bezeichnung kann auf zwei Arten erfolgen: a) Nach der Werkstoffnummer gemäß DIN EN 10027-2, z.B. 1.0116 b) Mit dem Kurznamen nach DIN EN 10027-1 (9.92) und DIN V 17006-100:

Beispiele für die Bedeutung der Hauptsymbole: S = Stähle für den allgemeinen Stahlbau, gefolgt von dem Mindeststreckgrenzwert in N/mm² B = Betonstähle mit charakteristischem Streckgrenzenwert in N/mm². Zusatzsymbole der Gruppe 1 zeigt nachfolgende Tabelle im Auszug. Tabelle 3.7 Zusatzsymbole Gruppe 1 für Nenndicken 10 < t ≤ 150 mm (Auszug)

Der Angabe der Kerbschlagarbeit folgt gegebenenfalls eine zusätzliche Gütekennzeichnung G, eventuell mit 1 oder 2 Ziffern, womit die Vergießungsart beschrieben wird. Zusatzsymbole der Gruppe 2 werden erforderlichenfalls an die Gruppe 1 angehängt. Beispiele: C = mit besonderer Kaltumformbarkeit H = für Hohlprofile L = für niedrige Temperatur W = wetterfest Zusatzsymbole für Stahlerzeugnisse siehe Normblätter.

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BAUWESEN

Tabelle 3.8 Bezeichnung der Stähle, Auswahl

Tabelle 3.9 Charakteristische Werte für Werkstoffe von Kopf- und Gewindebolzen nach DIN 18800-1 Tab.4

Bei den Bolzen-Werkstoffen S235JR, S235J2G3, S355J2G3 gelten für fy, b, k und fu, b, k die Werte aus Tabelle 3.11, Zeilen 1 bis 4; dabei entspricht t dem Bolzendurchmesser d.

BERECHNUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN

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Tabelle 3.10 Mechanische Eigenschaften der Flach- und Langerzeugnisse1) Auszug aus DIN EN 10025 (3.94) und DIN EN 10113-2 (4.93)

Tabelle 3.11 Charakteristische Werte für Walzstahl und Stahlguss nach DIN 18800-1 Tab. 1

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BAUWESEN

Warmgewalzte schmale I-Träger

BERECHNUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN

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BAUWESEN

3.5 Holzbau nach DIN 1052 Zulässige Spannungen Tabelle 3.12 Zulässige Spannungen für Vollholz in MN/m² im Lastfall H (Hauptlasten), nach DIN 1052-1 /A1: 1996-10, Tab. 51) 2)

Tabelle 3.13 Zulässige Spannungen für Brettschichtholz in MN/m² im Lastfall H nach DIN 1052-1/A1: 1996-10, Tab. 16

BERECHNUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN

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Fußnoten zu Tabelle 3.12

Fußnoten zu Tabelle 3.13

Zulässige Druckspannungen bei Kraftrichtung schräg zur Faserrichtung (Abb. 3.4) zulσ D∠ = zulσ D | − zulσ D | − zulσ D⊥ sin α

(

)

können für ausgewählte Holzarten auch Tabelle 3.14 entnommen werden. Über zulässige Erhöhungen und erforderliche Ermäßigungen siehe Tabelle 3.18.

Abb. 3.4 Winkel α zwischen Kraft und Faserrichtung

Tabelle 3.14 Zulässige Druckspannungen in MN/m² bei schrägem Kraftangriff für ausgewählte Holzarten, Lastfall H

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BAUWESEN

Überstand ü von Trägern und Schwellen bei Druck ⊥ Faserrichtung. Der Überstand ü in Faserrichtung nach Abb. 3.5 muss einseitig und beidseitig betragen: ü ≥ 100 mm bei h > 60 mm ü ≥ 75 mm bei h ≤ 60 mm a ≥ 150 mm zwischen zwei Druckflächen Abb. 3.5 Belastungsanordnung für kurze Druckflächen 150 ≤ 1,8 (l in mm). l Über zulässige Erhöhungen und erforderliche Ermäßigungen der zulässigen Druckspannung ⊥ Faser nach Tabelle 3.12 bzw. 3.13, Zeile 5a, mit dem Faktor kD⊥ gemäß obiger Gleichung siehe Tabelle 3.18.

k D⊥ = 4

Tabelle 3.15 Zulässige Spannungen für Holzwerkstoffe in MN/m², Lastfall H nach DIN 1052-1, Tab.61)

BERECHNUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN

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Tabelle 3.16 Beanspruchungsarten von Bau-Furniersperrholz der Tabelle 3.15

Tabelle 3.17 Zulässige Spannungen in Plattenebene bei schrägem Kraftangriff für BauFurniersperrholz nach DIN 68705-3 in MN/m², Lastfall H1) 2)

Zulässige Spannungen für Stahlteile 1. Für Bauteile aus Stahl gilt DIN 18800. 2. Bei fehlendem Gütenachweis gilt für gerade Bauteile aus Flach- und Rundstahl im Lastfall H (Hauptlasten) und HZ (Haupt- und Zusatzlasten): zul σB, Z ≤ 110 MN/m², im Kernquerschnitt der Rundstähle: zul σZ ≤ 100 MN/m². Zulässige Spannungen für Aluminiumteile nach DIN 4113-1 Korrosionsschutz für Teile aus Stahl und Aluminium Für Stahl nach DIN 55928, für Aluminium nach DIN 4113.

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BAUWESEN

Tabelle 3.18 Zulässige Erhöhungen und erforderliche Ermäßigungen von zulässigen Spannungen nach DIN 1052-1, 5.1 und 5.2

BERECHNUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN

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3.6 Mauerwerk Maßordnung im Hochbau nach DIN 4172 (7.55) Baunormzahlen (Tabelle Tabelle 3.19 Baunormzahlen 3.19)sind die Zahlen für Baurichtmaße und die daraus abgeleiteten Einzel-, Rohbau- und Ausbaumaße. Sie sind anzuwenden, wenn nicht besondere Gründe dies verbieten. Baurichtmaße sind die theoretischen Grundlagen für die Baumaße der Praxis. Sie sind nötig, um alle Bauteile planmäßig zu verbinden. Nennmaße sind Maße, welche die Bauten haben sollen. Sie sind bei Bauarten ohne Fugen gleich den Baurichtmaßen. Bei Bauarten mit Fugen ergeben sie sich aus den Baurichtmaßen durch Abzug oder Zuschlag des Fugenanteils. Fugen und Verband. Bauteile (Mauersteine, Bauplatten usw.) sind so zu bemessen, dass ihre Baurichtmaße im Verband Baunormzahlen sind. Verbandsregeln, Verarbeitungsfugen und Toleranzen sind dabei zu beachten. Tabelle 3.20 Kleinmaße nach DIN 323 Bl.1 (8.74)

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BAUWESEN

Tabelle 3.21 Beispiele von Steinmaßen in cm

Mauersteine Nach der Materialart werden unterschieden: Mauerziegel DIN 105-1 und -2 (8.89), -3, -4 und -5 (5.84) Kalksandsteine DIN 106-1 (9.80), -2 (11.80) Porenbetonsteine DIN 4165 (11.96) Leichtbetonsteine DIN 18151 (9.87) und DIN 18152 4.87) Normalbetonsteine DIN 18153 (9.89) Nach der Steinart werden unterschieden: Mauersteine mit Höhen ≤ 113mm Vollsteine, Lochanteil einschließlich Grifflöcher ≤ 15% Lochsteine, Lochanteil einschließlich Grifflöcher > 15% Mauerblöcke mit Höhen > 113, vorwiegend mit 238 mm Vollblöcke, Lochanteil einschließlich Grifflöcher ≤ 15% Vollblöcke mit Schlitzen, Schlitzanteil einschl. Grifflöcher ≤ 10% Hohlblöcke mit Kammern Planblöcke mit Dünnbettvermauerung Steinmaße Für Steine mit vermörtelten Stoßfugen können die Maße der Tabelle 3.22 kombiniert werden. Steinformate werden als Vielfache des Dünnformats angegeben. Beispiele praxisüblicher Formate enthält Tabelle 3.23. Die Steinbreite entspricht immer der Wand-

Tabelle 3.22 Steinmaße in mm mit vermörtelter Stoßfuge1)

BERECHNUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN dicke. Wo Längen und Breiten austauschbar sind, ist dem Kurzzeichen die Steinbreite hinzuzufügen, z.B.:10 DF (240) entspricht dem Steinformat 300 x 240 x 238.

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Tabelle 3.23 Format-Kurzzeichen (Beispiele)

Tabelle 3.24 Planungsmaße für Mauerwerk

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BAUWESEN

Tabelle 3.25 Rohdichten und Festigkeiten handelsüblicher genormter Mauersteine

WÄRMESCHUTZ

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H/61

Wärmeschutz

Der Begriff „Wärmeschutz im Hochbau“ betrifft in der Regel Maßnahmen, die notwendig sind, um in beheizten Gebäuden ein für die Menschen behagliches Raumklima zu schaffen. Dabei wird zusätzlich erwartet, dass die Baukonstruktion vor Schäden durch Feuchteinwirkung geschützt wird und der Verbrauch an Heizenergie in tragbaren Grenzen bleibt. Die Anforderungen an den Wärmeschutz der Bauteile zur Gewährleistung eines zufriedenstellenden Raumklimas mit der zusätzlichen Forderung nach einem ausreichenden Schutz der Baukonstruktion führen zur Festlegung von Mindestwerten des Wärmedurchlasswiderstandes. Eine erhöhte Einsparung von Heizenergie ist bei dieser Betrachtungsweise nicht zu erwarten. Deshalb gibt es mehrere technische Regelwerke, die sich aus diesen unterschiedlichen Gesichtspunkten mit dem Wärmeschutz von Bauteilen bzw. von Gebäuden befassen: • Die DIN 4108-2 fordert Mindestwerte des Wärmedurchlasswiderstandes zum Schutz des Menschen vor thermisch unbehaglichen Zuständen und zum Schutz der Baukonstruktion vor Schäden. • Die Energieeinsparungsverordnung (EnEV), DIN V 4108-6 und DIN EN 832 dagegen befassen sich mit der Forderung nach einem energiesparenden Wärmeschutz.

Grundlagen Wärmebewegung durch Bauteile Trennt ein Bauteil einen beheizten Raum von einer Umgebung mit niedrigerer Temperatur, so fließt ein Wärmestrom durch ihn in Richtung des Temperaturgefälles. Der Wärmestrom hängt von der Geometrie, dem Material und der Beschaffenheit der Oberfläche, der Luftbewegung und der Lufttemperatur zu beiden Seiten des Bauteiles ab. Wenn die Temperaturen nicht konstant sind, ist der Wärmestrom auch noch zeitlichen Schwankungen unterworfen. Beim Wärmeschutz im Hochbau werden grundsätzlich konstante Temperaturen angenommnen. Die auf dieser Annahme basierenden physikalischen Gesetze, die den wärmeschutztechnischen Be-

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BAUWESEN

rechnungen im Hochbau zugrunde liegen, gelten nur für plattenförmige, unendliche ausgedehnte Körper. Bauteile können, wenn Ecken- und Anschlussbereiche ausgeklammert werden, in erster Abb. 4.1 Schematische Darstellung der Annäherung als derartige Wärmebewegung durch ein Bauteil von Körper angesehen werden. der höheren Temperatur Θi zur tieferen Θe I Wärmeübergang von Raumluft zu Die Wärmebewegung durch raumseitiger Wandoberfläche ein Bauteil kann nach Abb.4.1 II Wärmedurchgang durch das Bauteil in drei Einzelvorgänge aufgeIII Wärmeübergang von außenseitiger teilt werden. Wandoberfläche an die Außenluft Die Wärmestromdichten (Wärmestrom durch Fläche) der einzelnen Wärmebewegungen sind: 1 q I = hsi (Θ i − Θ si ) q II = q III = hse (Θ se − Θ e ) R(Θ si − Θ se ) wobei: q = Wärmestromdichte [W/m²] h = Wärmeübergangskoeffizient [W/(m²⋅K)] R = Wärmedurchlasswiderstand [m²⋅K/W] Θ = Celsius-Temperatur [°C] Indizes: i = innen e = außen si = innere Oberfläche se = äußere Oberfläche. Bei der Gesamtbetrachtung der Wärmebewegung durch das Bauteil, einschließlich der beidseitigen Wärmeübergänge ergibt sich die Wärmestromdichte q = U (Θi − Θ e ) wobei: U = Wärmedurchgangskoeffizient [W/(m²⋅K)].

WÄRMESCHUTZ

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Die Kehrwerte der Koeffizienten sind Wärmewiderstände. Der Wärmewiderstand einer Baustoffschicht hängt von deren Dicke und der Wärmeleitfähigkeit des Materials ab und wird Wärmedurchlasswiderstand genannt. Berechnungsverfahren Die nachfolgend angeführten Kenngrößen und Berechnungsverfahren gelten nur bei stationären Wärmestromverhältnissen und für ebene, plattenförmige Körper. In Bereichen divergierender oder konvergierender Wärmestromlinien sind sie nicht anwendbar. Bedeutung und Berechnung der Kenngrößen (DIN EN ISO 6946-1) Rechenwert der Wärmeleitfähigkeit λR. Wärmeenergie wird in Stoffen unterschiedlich gut weitergeleitet. Diese Eigenschaft wird als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet. Für wärmeschutztechnische Berechnungen ist der Rechenwert der Wärmeleitfähigkeit anzuwenden. Er ist auf eine Temperatur von 10 °C und den praktischen Feuchtegehalt bezogen und berücksichtigt material- und herstellungsbedingte Streuungen. Die Rechenwerte der Wärmeleitfähigkeit λR werden unter anderen auf Grund der praktischen Feuchtegehalte festgelegt. Wärmedurchlasswiderstand R. Bei einem einschichtigen Bauteil berechnet er sich aus der Dicke d und dem Rechenwert der Wärmeleitfähigkeit λR nach der Gleichung d . R= λR Bei mehrschichtigen Bauteilen der Dicken d1, d2, ..., dn der Einzelschichten und deren Rechenwerten der Wärmeleitfähigkeit λR1, λR2, ..., λRn berechnet er sich nach der Gleichung d d d R = 1 + 2 + ... + n λ R1 λ R 2 λ Rn Wärmeübergangswiderstand Rsi, Rse. Er kennzeichnet den Wärmewiderstand beim Wärmetransport von der Luft zur Bauteiloberfläche bzw. umgekehrt ( Abb. 4.1).

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BAUWESEN

Wärmedurchgangswiderstand RT. Durch die Addition der Einzelwiderstände erhält man den Wärmedurchgangswiderstand eines Bauteils RT = Rsi + R + Rse . Wärmedurchgangskoeffizient U. Bei ein- und mehrschichtigen Bauteilen ergibt sich der Wärmedurchgangskoeffizient aus der Kehrwertbildung des Wärmedurchgangswiderstands 1 . U= RT Mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient eines inhomogenen Bauteils Bei den obigen Gleichungen wird vorausgesetzt, dass das Bauteil in seiner ganzen Ausdehnung aus einer oder mehreren aufeinanderfolgenden homogen, senkrecht zur Richtung des Wärmestromes angeordneten Schichten besteht. Sind jedoch mehrere, nebeneinander liegende Abschnitte mit einem unterschiedlichen Materialaufbau vorhanden (Abb.4.2), weisen die Berechnungen einen mehr oder weniger großen Fehler auf, der von der Differenz der wärmeschutztechnischen Qualität der nebeneinander liegenden Bereiche abhängt. Mit einer in vielen Fällen ausreichenden Genauigkeit kann der mittlere Wärmedurchgangskoeffizient eines solchen inhomogenen Bauteils mit dem nachfolgend beschriebenen Rechenverfahren ermittelt werden.

Abb. 4.2 Inhomogenes Bauteil aus n Abschnitten und m Schichten

WÄRMESCHUTZ

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Berechnet wird der Wärmedurchgangswiderstand RT des Bauteiles bei zwei sich stark unterscheidenden Randbedingungen. Die jeweiligen Rechenergebnisse ergeben Extremwerte, die als oberer ( RT′ ) bzw. unterer Grenzwert ( RT′′ ) bezeichnet werden. Das Endergebnis ist der Mittelwert aus beiden Berechnungen. Neben den Materialwerten der Abschnitte und Schichten bestimmen auch die Anteile f der Abschnittsflächen an der Gesamtfläche A das jeweilige Ergebnis. A A Aa , f b = b , ..., f n = n A A A und f a + f b + ... + f n = 1. fa =

mit

A = Aa + Ab + ... + An

Oberer Grenzwert RT′ Für jeden Abschnitt des Bauteils wird der Wärmedurchgangskoeffizient getrennt bestimmt und zuerst der gewichtete Mittelwert U ′ des Bauteils und dann der Wärmedurchgangswiderstand RT′ berechnet. U ′ = U a ⋅ f a + U b ⋅ f b + ... + U n ⋅ f n RT′ =

1 . U′

Unterer Grenzwert RT′′ Für jede Bauteilschicht wird entsprechend der Flächenanteile der verschiedenen Abschnitte die gewichtete Wärmeleitfähigkeit λ′′ jeder einzelnen Schicht berechnet und mit diesen Werten der Wärmedurchgangswiderstand RT′′ der Gesamtkonstruktion bestimmt. Für die Schicht m ist die mittlere Wärmeleitfähigkeit λ′m′ = λ m, a ⋅ f a + λ m,b ⋅ f b + ... + λ m, n ⋅ f n . Der Wärmedurchgangswiderstand RT′′ des m–schichtigen Bauteils ist RT′′ = Rsi + R1+ R2 + ... + Rm + Rse .

Mittelwert und relativer Fehler Das Mittel aus oberem unterem Grenzwert liefert den Näherungswert des Wärmedurchgangswiderstandes RT des Bauteils.

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BAUWESEN

RT′ + RT′′ 2 1 . und U = RT Die relative Rechenungenauigkeit e ist: R′ − RT′′ . e= T 2 ⋅ RT RT =

Wärmestrom Φ und Wärmestromdichte q. Durch ein Bauteil mit der Fläche A fließt bei einer beidseitig angrenzenden Luft der Temperaturen Θi bzw. Θe ein Wärmestrom der Größe Φ = U ⋅ A(Θi − Θ e ) bzw. eine Wärmestromdichte der Größe q = U ⋅ (Θi − Θ e ) . Bei den Berechnungen ist die Schichtdicke d in Meter und die Fläche A in m² einzusetzen. Die Berechnungen der Größen nach den obigen Gleichungen für den Nachweis des erforderlichen Wärmeschutzes im Hochbau erfolgt nach DIN EN ISO 6946. Für die Berechnung des Wärmeschutzes der Bauteile sind die Stoffwerte der DIN V 4108-4 zu entnehmen. Stoffwerte, die dort nicht enthalten sind, dürfen nur dann verwendet werden, wenn sie nach den Vorschriften der Bauregeliste bestimmt und im Bundesanzeiger bekannt gemacht worden sind. An Luftschichten grenzende Flächen Bei einer an eine Luftschicht grenzende Fläche mit schmäleren Einschnitten oder Überständen wird nach DIN EN ISO 6946 die Berechnung so geführt, als ob die Fläche eben wäre (Abb. 4.3). Die schmäleren Einschnitte werden verlängert, ohne deren Wärmedurchlasswiderstand zu verändern (Abb. 4.3a). Die überstehenden Abschnitte werden verkürzt, wobei deren Wärmedurchlasswiderstand entsprechend der Dicke der angrenzenden Bereiche vermindert wird (Abb. 4.3b).

WÄRMESCHUTZ

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Abb. 4.3 Angaben zur Berechnung des Wärmedurchlasswiderstandes von an Luftschichten grenzenden Bauteilen mit schmäleren Einschnitten a) oder Überständen b).

Berechnung von Temperaturen Sind die Lufttemperaturen beiderseits des Bauteils Θi und Θe, ergeben sich die Innen- bzw. Außenoberflächentemperaturen Θsi bzw. Θse gemäß folgenden Gleichungen Θ si = Θ i − Rsi ⋅ q Θ se = Θ e + Rse ⋅ q.

Die Temperaturen Θ1, Θ2, ...Θn innerhalb des Bauteil nach der ersten, zweiten bzw. n-ten Schicht, gezählt in Richtung des Wärmestromes, sind Θ1 = Θ si − R1 ⋅ q Θ 2 = Θ1 − R 2 ⋅ q M Θ n = Θ n −1 − Rn ⋅ q.

Die Wärmestromdichte ist q = U (Θi − Θ e ) .

Abb. 4.4 Temperaturen in mehrschichtigen Bauteilen

H/68

BAUWESEN

Mindestanforderungen an den Wärmeschutz im Winter nach DIN 4108-2: 2001-03 Die DIN 4108-2 legt Mindestanforderungen an den Wärmeschutz von Bauteilen und bei Wärmebrücken innerhalb der Gebäudehülle fest. Die Mindestanforderungen gelten für Gebäude mit Innentemperaturen ≥ 19°C und für Gebäude mit niedrigen Innentemperaturen (12°C ≤ Θ ≤19°C) mit Ausnahme der Anforderungen an Außenwände. Bei Erfüllung dieser Anforderung ist zu erwarten, dass • sich in den Gebäuden an jeder Stelle der Innenoberfläche der Systemgrenze bei ausreichender Beheizung und Belüftung und unter Zugrundelegung üblicher Nutzung ein hygienisches Raumklima einstellt und dass • Tauwasserfreiheit im Ganzen und in Ecken sichergestellt ist. Das Risiko von Schimmelpilzbildung ist damit stark verringert. Unter Systemgrenze wird die gesamt Außenoberfläche eines Gebäudes oder einer beheizten Zone eines Gebäudes verstanden, für die eine Wärmebilanz mit einer einheitlichen Raumtemperatur erstellt wird. Darin sind alle Räume inbegriffen, die entweder direkt oder indirekt durch Raumverbund (z.B. Flure oder Dielen) beheizt werden. Für Außenbauteile von normal beheizten Räumen (≥ 19°C) mit mindestens 100 kg/m² sind Mindest-Wärmedurchlasswiderstände vorgegeben, die auch für die ungünstigste Stelle gelten. An den Außenwänden erfolgte eine deutliche Anhebung des Mindest-Wärmedurchlasswiderstandes von 0,55 m²K/W auf 1,20 m²K/W. Gleichzeitig ist nun gefordert, dass dieser Mindest-Wärmedurchlasswiderstand an jeder Stelle zu gelten hat, also auch in Fenster- und Heizkörpernischen, bei Fensterstürzen und bei Mauerwerks-Rollladenkästen einschließlich Deckel. Dies war notwendig geworden, um zu vermeiden, dass sich an schwach gedämmtem – aber immer noch normgerechten – Bauteilen Oberflächenkondensat und damit Schimmelpilze bilden.

SYSTEME UND BAUTEILE DER HEIZUNGSTECHNIK H/69

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Systeme und Bauteile der Heizungstechnik

5.1 Einzelheizung Einzelheizgeräte haben zur Wärmeerzeugung entweder einen Feuerraum zur Verbrennung von festen Brennstoffen, Öl oder Gas (Öfen), oder elektrische Heizleiter. Je nach der Konstruktion des Heizgeräts überwiegt die Wärmeabgabe durch Konvektion oder Strahlung. Einzelheizgeräte für Wohnräume Eiserne und keramische Dauerbrandöfen für Kohle und Koks haben entweder Durchbrand (Allesbrenner) oder Unterbrand (Anthrazitöfen) bei hoher spezifischer Heizleistung von 3.500 W/m² bis 4.500 W/m² Oberfläche. Ölöfen mit Verdampfungsbrennern geben ihre Wärmeleistung vorwiegend durch Konvektoren ab. Strom für Heizzwecke wird in Strahlern und/oder Konvektionsgeräten mit und ohne Ventilator bei Leistungen bis zu 2 kW eingesetzt (DIN 44567 bis DIN 44569). Bei Elektrospeichergeräten, die in Schwachlastzeiten mit Strom im Niedertarif aufgeheizt werden, haben die Geräte mit eingebautem Ventilator wegen der guten Regelfähigkeit die meiste Verbreitung gefunden; der Ventilatorbetrieb wird von einem Raumthermostaten je nach bedarf gesteuert (Abb. 5.1) (DIN 44570 bis DIN 44574). Als zweites Elektrospeichersystem hat die Fußbodenheizung, bei der die Heizleiter im Estrich verlegt sind und die Tragkonstruktion als Speichermasse dient, Eingang im Wohnungsbau gefunden, Abb. 5.2.

Abb. 5.1 Elektrospeicherofen der Bauart III (Siemens). 1 Speicherkern, 2 Heizregister, 3 Ventilator

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BAUWESEN

Abb. 5.2 Elektro-Fußboden-Speicherheizung (Trockenbauverfahren). 1 PVCBodenbelag, 2 Anhydritplatte, 3 Wärmebremse, 4 Anhydritplatte mit 5 Heizkabel, 6 Maschendraht, 7 Wärmedämmung, 8 Perliteschüttung, 9 Rohbetondecke

Einzelheizgeräte für größere Räume und Hallen Anstelle der Öfen treten Luftheizgeräte, meist mit Öl- oder Gasfeuerung. Strom und Gas werden auch in Strahlern, die oben verteilt im Raum angeordnet werden, verwendet. Elektrostrahler bestehen im allgemeinen aus einem Strahlschirm mit einer von Isoliermasse umgebenen Heizwendel, Temperatur von ca. 400 °C (DIN 44567). Bei Gasstrahlern werden perforierte, keramische Katalytplatten erhitzt, die bei Temperaturen von 800 °C bis 900 °C in Rotglut geraten.

5.2. Zentralheizung Systeme Zentralheizungssysteme werden nach dem Wärmeträger als Warmwasser-, Heißwasser-, Niederdruckdampf-, Hochdruckdampf- und Luftheizanlage bezeichnet. Das häufigste System ist die Warmwasserheizung mit Umwälzung des Heizwassers durch eine Pumpe, wobei die Heizleistung durch Vorgabe des Betriebswerts, z.B. der Vorlauftemperatur am Wärmeerzeuger, zentral der Außenwitterung angepasst wird. Die Niedertemperaturheizung mit Wassertemperaturen um 50 °C gehört wegen der Verringerung der Wärmeverluste zu den Energiesparsystemen.

SYSTEME UND BAUTEILE DER HEIZUNGSTECHNIK H/71 Wasserheizungen. Es gibt offene und geschlossene Systeme. Unter Berücksichtigung des statischen Drucks wird in den Sicherheitsvorschriften nach Anlagen mit einer maximalen Heizwassertemperatur bis und über 110°C unterschieden; die letzteren werden als Heißwasserheizungen bezeichnet. Dampfheizungen. Sie unterscheiden sich im grundsätzlichen Aufbau von der Wasserheizung nur durch die Kondensatleitung als Rücklauf und der am Heizkörper ständig vorgehaltenen hohen Kondensationstemperatur von mindestens 100 °C, wenn von speziellen, seltenen Systemen wie der Vakuumdampfheizung abgesehen wird. Luftheizung. Sie entspricht im Aufbau dem raumlufttechnischen Anlagen. Wärmeerzeugung. Heizkessel werden zur Wärmeerzeugung mit festen Brennstoffen – Öl oder Gas – betrieben; Strom zur zentralen Wärmeerzeugung bleibt auf Blockspeicher oder Wärmepumpen beschränkt. Bei Wohnblocks in einem Siedlungsgebiet oder bei ganzen Stadtteilen, die von einer gemeinsamen Zentrale aus mit Wärme versorgt werden, ist die Bezeichnung Block- oder Fernheizung üblich geworden. Die Zentrale wird wegen ihrer Größe als Heizwerk bezeichnet; bei der Ausnutzung von Abwärme aus Industriebetrieben oder aus Elektrizitätswerken als Heizkraftwerk. Raum-Heizkörper, -Heizflächen Heizkörper Die meist für die Wasserheizung entwickelten Heizkörper können auch für Dampfheizungen Verwendung finden. Bauformen, zum Teil genormt, sind Radiatoren (Gliederheizkörper), Platten-, Rohrheizkörper, Konvektoren und die heute weniger verwendeten Rippenrohre, Abb. 5.3 bis Abb. 5.5. Am häufigsten werden die Heizkörper einseitig an das Rohrnetz mit dem Vorlauf (Warmstrang) oben und dem Rücklauf (Kaltstrang) unten, längere Heizkörper auch wechselseitig angeschlossen. Unter Normbedingungen beträgt der Temperaturabfall im Heizwasser 20 K bei einer Vorlauftemperatur von 90 °C.

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BAUWESEN

Abb. 5.3 Norm-Radiatoren. a Guss-Heizkörper; b Stahl-Heizkörper

SYSTEME UND BAUTEILE DER HEIZUNGSTECHNIK H/73

Abb. 5.4 Platten-Heizkörper

Abb. 5.5 Konvektor (Gea-Happel)

Flächenheizung Die Wärmeübertragung übernehmen große Heizflächen, die entweder als Teil der Raumflächen oder großflächig im Raum – meist an der Decke – angeordnet sind. Da der Strahlungsanteil in der Wärmeabgabe größer ist als bei Heizkörpern, wird die Flächenheizung auch als Strahlungsheizung bezeichnet. Bei Fußboden-, Decken- oder Wandheizflächen sind die Heizrohre in die Baukonstruktion integriert; aus physiologischen Gründen liegen die Oberflächentemperaturen im Bereich von 25 °C bis 45 °C (Niedertemperaturheizung).

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BAUWESEN

Bei dem Strahlplatten- (Sunstrip-) System für Fabrikhallen, also für hohe Räume, sind in Deckennähe Rohrregister mit Blechlamellen oder doppelwandige Blechplatten aufgehängt, deren mittlere Oberflächentemperatur je nach Raumhöhe bis zu 145 °C beträgt. Fußbodenheizung. Bei dieser Art werden die Rohre in oder unter dem Estrich verlegt. Deckenheizung. Sie wird heute weniger mit einbetonierten Rohren ausgeführt, eher mit Kupferrohren in der Putzdecke. Strahlplattenheizung. In Hallen und hohen Räumen ist diese von Vorteil, weil das senkrechte Temperaturgefälle günstiger als bei anderen Heizsystemen, insbesondere der Luftheizung ist, eine bessere Erwärmung des Fußbodens stattfindet und die Möglichkeit besteht, durch stärkerer oder geringere Bestrahlung von Teilen der Halle sich der Raumnutzung anzupassen. Luftheizgeräte Luftheizgeräte mit zentraler Rohr-Wärmeversorgung bestehen aus lamellenbesetzten Wärmetauschern und Ventilatoren zur Intensivierung der Luftumwälzung; daher erfolgt die Wärmeabgabe an den Raum fasst ausschließlich durch Konvektion. Rohrnetz Wasserrohrnetz Wird für das Heizwasser der Vorlauf- (Zulauf-) und der Rücklauf(Ablauf-) Rohrstrang getrennt geführt wird es als Zweirohrsystem und im Falle nur eines gemeinsamen Rohrzugs für Vor- und Rücklauf als Einrohrsystem bezeichnet. Dampfrohrnetz Dampfrohrnetze für Heizungsanlagen haben meist eine Rücklaufleitung, in der das Kondensat zur Wärmerzeugung zurückgeführt wird. Auch die Dampfleitung muss wegen der Entwässerung ein Gefälle in Strömungsrichtung haben, bei längeren Dampfleitungen mit Zwischenentwässerung über Kondensatabscheider. Für Heizzwecke wird zumeist Niederdruckdampf bis zu einer Temperatur von 105°C verwendet (DIN 4750), aber auch Hochdruckdampf im Bereich der Industrie oder für Fernheizungen als Wärmeträger.

SYSTEME UND BAUTEILE DER HEIZUNGSTECHNIK H/75 Verlegungsart Das Rohrnetz besteht aus den horizontalen Verteil- und Sammelleitungen und den senkrechten Strängen. Bei Einrohsystemen ist nach waagerechter oder senkrechter Einrohrheizung zu unterscheiden. Während bei der Zweirohranlage jeder Heizkörper die gleiche mittlere Heizwassertemperatur hat, ergibt sich beim Einrohrsystem eine Abstufung der Heizwassertemperatur vom ersten bis zum letzten Heizkörper des jeweiligen Rings; bei gleicher Wärmeleistung erhalten also die Heizflächen verschiedene Größen. Material Rohrleitungen werden aus Stahl und Gusseisen ausgeführt. Weiterhin finden Kupfer, Aluminium und Polyvinylchlorid (PVC) hart sowie sonstige Kunststoffe Anwendung. Armaturen Man unterscheidet zwischen Ventilen, Schiebern, Hähnen und Klappen. Die Feinregulierventile müssen einen hohen Druckabfall von 50 bis 100 mbar haben, um die Schwerkraftwirkung auf die Wasserumwälzung weitgehend zu unterbinden. Zur Einzelraumregelung werden Heizkörperventile als Thermostatventile mit einem über Ausdehnungskörper direkt wirkenden Regler kombiniert (Abb.5.6).

Abb. 5.6 Thermostatisches Heizkörperventil mit Fernfühler (Danfoss). 1 Thermostatisches Element, 2 Wellrohr, 3 Einstellhandgriff, 4 Einstellfeder, 5 Begrenzungsstift, 6 Druckstift, 7 O-Ring-Stopfbuchse, 8 Ventilkegel, 9 Ventilgehäuse, 10 Düse, 11 Fernfühler

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Drosselklappen finden nur gelegentlich Verwendung. Ist bei Rückflussverhinderung kein dichter Abschluss erforderlich, werden Rückschlagklappen oder Rückschlagventile eingesetzt. Kompensatoren dienen zur Aufnahme der Rohrausdehnung. Kondensatableiter in der häufigsten Bauform als Kondenstopf bezeichnet, sollen das Kondensat drucklos an die Kondensatleitung übergeben (Abb. 5.7). Der zeitweilige Verschluss wird durch Schwimmer oder Ausdehnungskörper erreicht.

Abb. 5.7 Luftheizgerät mit Niederdruckdampf-Versorgung. 1 Niederdruckdampfkessel, 2 Lufterhitzer, 3 Dampfleitung, 4 Kondensatleitung, 5 Standrohr, 6 Kondenstopf

Umwälzpumpen Die Leistung der Pumpe, d.h. die Förderhöhe und die Fördermenge, ergibt sich aus der Rohrnetzberechnung. Je nach Abschluss des Ausdehnungsgefäßes (offene Anlage) oder Druckgefäßes (geschlossene Anlage) auf der Druck- oder Saugseite der Pumpe liegt der Betriebsdruck unter oder über dem der Ruhedrucklinie (Abb. 5.8).

Abb. 5.8 Druckverlauf in geschlossener Heizungsanlage. 1 Pumpe, 2 Membrane, 3 Ausdehnungsgefäß

SYSTEME UND BAUTEILE DER HEIZUNGSTECHNIK H/77 Die umlaufende Wassermenge ändert sich mit der Belastung der Anlage nur geringfügig (Abb. 5.9). Bei größeren Wassermengen wird die Umwälzung auf mehrere Pumpen verteilt, die im Parallelbetrieb arbeiten; es wird dem Leistungsbedarf entsprechend auch nach Tagund Nachtpumpen unterschieden.

Abb. 5.9 Betriebspunkt einer Pumpen-Heizungsanlage mit zwei Drehzahlstufen (Grundfoss). 1 Rohrnetzkennlinie, 2 max. Drehzahl nmax, 3 min. Drehzahl nmin, 4 max. Stufe, 5 min. Stufe

Häufig können dafür Rohrpumpen verwendet werden, deren Leistungsbereich bis zu etwa 75 m³/h Fördermenge und 1,3 bar Förderhöhe verläuft (Abb. 5.10).

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Abb. 5.10 Bauform und unterschiedliche Förderkennlinien für eine Rohrpumpe (WiloWerk)

Wärmeerzeugung Heizkessel (DIN 4702) Die Kessel in der Heizungstechnik sind Guss- oder Stahlkessel, die in der gleichen Grundkonstruktion - bis auf einige Zusatzteile - als Wasser- und Dampfkessel verwendet werden. Seit dem Anstieg der Energiepreise in den 70er Jahren findet eine Entwicklung der Kesselkonstruktionen mit höheren Wirkungsgraden im Teillastbetrieb statt (Abb. 5.11). Eine Erhöhung des Wirkungsgrades erhält man hauptsächlich durch Herabsetzen der Abgastemperaturen - bei Niedertemperaturkesseln bis oberhalb des Taupunkts von Wasserdampf (50 °C bis 60°C bei Stadt- und Erdgas, 40 °C bis 50°C

SYSTEME UND BAUTEILE DER HEIZUNGSTECHNIK H/79 bei Heizöl), bei Brennwertkesseln (überwiegend bei Gas) unter den Taupunkt -, wobei die durch Wasserdampfkondensation im Abgas freiwerdende Wärme zusätzlich rückgewonnen wird. Zum Vermeiden von Korrosionen im Feuerraum sind durch Wahl des Materials, der Konstruktion oder innere Auskleidung Kessel - auch kleiner Leistung – für niedrige Heizwasser- und Abgastemperaturen entwickelt worden; so bei Niedertemperaturkesseln die Konstruktionen mit Trockenkammer oder mit mehrschaligen Heizflächen, Zweikreiskessel oder Kessel mit Beschichtung sowie bei Brennwertkesseln Kondensationskessel (ganz oder teilweise aus Edelstahl) oder Kessel mit nachgeschaltetem Rekuperator, Gusskessel mit großer Wärmetauscherfläche und modulierendem Brenner oder Kessel mit geringem Luftüberschuss, die nach dem Pulsationsprinzip arbeiten (Abb. 5.12).

Abb. 5.11 Nutzungsgrade verschiedener Heizkesselkonstruktionen. 1 alter Heizkessel nach DIN 4702 (1967) bei ηK = 84%, Kesselwassertemperatur konstant ca. 80 °C, Feuerung ein-aus, 2 neuer Heizkessel nach DIN 4702 (1988) bei ηK = 92%, Kesselwassertemperatur konstant ca. 80 °C, Feuerung ein-aus, 3 neuer Niedertemperaturheizkessel, ηK = 92%, Kesselwassertemperatur als Funktion der Außentemperatur, Feuerung ein-aus, 4 neuer Niedertemperaturheizkessel, ηK = 92%, Kesselwassertemperatur als Funktion der Außentemperatur, Feuerung modulierend, 5 neuer Brennwertheizkessel, ηK = 99%, Kesselwassertemperatur als Funktion der Außentemperatur, Feuerung modulierend, Heizsystem der Brennwerttechnik voll angepasst.

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Abb. 5.12 Schema des Brennwertkessels (Veritherm). 1 Brennkammer, 2 Vorlaufanschluss, 3 Rücklaufanschluss, 4 Wärmetauscher aus Stahl, 5 Temperaturzone ca. 40 °C, 6 Vorwärmer für die Brennerluft, 7 Brennerluft – vorgewärmt,, 8 Wärmetauscher aus Kunststoff, 9 Temperaturzone ca. 35 °C, 10 Bodenwanne, 11 Katalysatorschublade, 12 Abflussanschluss, 13 Sauggebläse, 14 Abgasleitung, 15 Kesselsteuerung, 16 Brenner, 17 Wärmedämmung

Die Grenzwerte für NOx-Emissionen liegen nach TA-Luft für Heizöl bei 250 mg/kWh und für Gas bei 200 mg/kWh. Bei konventionellen Gasbrennern ohne Gebläse liegen die spezifischen Emissionen teilweise oberhalb des Grenzwerts, Gasbrenner ohne Gebläse mit NOx-reduzierender Flammenkühlung emittieren 160 mg/kWh und Gebläsebrenner 110 mg/kWh. Gusskessel. Er war lange Zeit wegen seiner Korrosionsbeständigkeit und wegen des großen Anteils der Koksfeuerung vorherrschend, zumal in der Gliederbauweise eine individuelle Leistungsanpassung und gute Reparaturmöglichkeit gegeben ist. Kleinkessel haben Leistungen bis zu 60 kW, Mittelkessel bis 200 kW und Großkessel bis zu 700 kW.

SYSTEME UND BAUTEILE DER HEIZUNGSTECHNIK H/81 Stahlkessel. Sie gibt es für den gesamten Leistungsbereich in zahlreichen Fabrikaten, angefangen beim Kleinkessel für eine Wohnung bis zu Einheiten mit einer Leistung von 3.500 kW. Brennstoff. Die Brennstoffarten, die in Kesselanlagen eingesetzt werden dürfen, sind durch die Immissionsschutzbestimmungen festgelegt. Kombikessel. Ein- und Mehrfamilienhäuser, etwa bis zu einer Kesselleistung von 100 kW, haben oft einen gemeinsamen Kessel (Kombikessel) für die Heizung und Warmwasserbereitung, der entweder mit einem Durchlauferhitzer oder mit einem Speicher für die Warmwassererzeugung ausgestattet ist. Elektrokessel. Sie sind fasst ausschließlich Speicherkessel. Eine direkte Heizung des Kessels mit Tauch- Heizkörpern bleibt auf sehr kleine Anlagen beschränkt. Mess- und Regelungseinrichtungen. Außer den Sicherheitseinrichtungen sollen die Kessel vor allem mit guten Regel- und Messeinrichtungen versehen werden, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen. Dazu gehören Vorlauf- und Rücklaufthermometer, Rauchgasthermometer, Zugmesser und bei großen Einheiten Rauchgasprüfer. Einzuhalten sind in Abhängigkeit von der Kesselgröße Abgasverluste von 12 % bis 10 % für Öl- und Gasfeuerungen. Ölund Gaskessel kleiner bis mittlerer Leistungen regeln ihre Leistung im Ein-/Aus- Betrieb. Bei Mehrkesselanlagen ermöglicht der Einsatz der Mikroelektronik (DDC- Direct Digital Control) eine hohe Wirtschaftlichkeit durch bedarfsgerechtes Zu- und Abschalten des Folgekessels. Wärmepumpen in Heizsystemen Wärmepumpen in Verbindung mit Heizkesseln können zur Energieeinsparung beitragen. Als Wärmequelle wird Luft, Sonnenstrahlung, Erdreich, Grundwasser über Wärmetauscher (Verdampfer) aber auch die gesamte Witterungs- und Ungebungswärme über Absorberflächen, wie Energiedach, Energiesäule und ähnliches herangezogen (Abb. 5.13).

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Abb. 5.13 Schema einer bivalenten Wärmeerzeugung. 1 Boiler, 2 Kessel, 3 Raum, 4 Boilerthermostat (bauseits), 5 Raumschaltstation, 6 Raumfühler, 7 Fernbedienung mit Regler, 8 Abzweigdose (bauseits), 9 Kesselüberwachung (bauseits), 10 Wärmepumpe, 11 Außenfühler

Sonnenkollektor (DIN 4757) Auf der Suche nach Wärmequellen ist die Ausnutzung der Sonnenenergie in Angriff genommen worden. Verluste treten am Sonnenkollektor durch Reflexion und Absorption an der Glasplatte auf, die bei senkrecht auftreffender Strahlung einen gleichbleibenden Wert von etwa 15% annehmen, ferner durch

SYSTEME UND BAUTEILE DER HEIZUNGSTECHNIK H/83 Wärmeverluste, die proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Umgebungsluft sind. Der Jahreswirkungsgrad liegt, da bei Zeiten geringer Wärmeeinstrahlung gerade der Eigenverlust gedeckt wird, niedrig. Bei Zunahme der Einstrahlung von 300 W/m² auf 800 W/m² steigt der Wirkungsgrad von 0 % auf 53% an (Abb. 5.14). Als Anwendungsgebiet für die Nutzung der Sonnenenergie bietet sich die Brauchwasser- und Schwimmbadwasser- Erwärmung wegen der im Vergleich zur Heizung niedrigeren Wassertemperaturen und des ungefähr gleichbleibenden Wärmebedarfs im Jahresdurchschnitt an.

Abb. 5.14 Leistung von Flachkollektoren. a Brauchwassererwärmung, ∆T = 25 K; b Heizung, ∆T = 50 K. 1 Einfachglaskollektor, k = 7W/(m²K), ατ = 0,85; 2 Doppelglaskollektor, k = 4W/(m²K), ατ = 0,77; 3 selektiver Vakuumkollektor, k = 1,5W/(m²K), ατ = 0,7

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Fernheizung An die Stelle der Heizzentrale tritt bei einer Fernwärmeversorgung durch einen Fremdlieferer, z.B. durch Heizkraft- oder Heizwerke der Städtischen Energieversorgung, die Übergabestation und die Hausstation. Fern- Dampfnetz Bei Dampfnetzen die früher häufig waren und die aus einer Dampfund Kondensatleitung bestehen, enthält die Übergabestation im Wesentlichen die Dampfdruckreduzierstation und den Zähler, sei es eine Messblende in der Dampfleitung oder ein Kondensatzähler zur Abrechnung der gelieferten Dampfmenge (Abb. 5.15). Die zugehörige Hausstation muss einen Wärmetauscher zur Übertragung der Dampfwärme an die Hauswasserheizung haben und den Vor- und Rücklaufverteiler mit der Umwälzpumpe.

Abb. 5.15 Übergabe und Hausstation bei Dampf als Wärmeträger. 1 Druckminderventil, 2 Wärmeaustauscher, 3 Pumpe der Hausheizung, 4 Kondensatbehälter, 5 Wasserleitung, 6 Kondensatzähler, 7 Kondensatpumpe, 8 Hausanlage, 9 Fernheizung, 10 Wärmezählung

Fern-Wassernetz Heute wird die Wärme vorwiegend über Wassernetze, und zwar Heißwassernetze mit einer Temperaturspreizung z.B. von 130/70°C

SYSTEME UND BAUTEILE DER HEIZUNGSTECHNIK H/85 oder 180/50°C geliefert, im Zwei- oder Dreileiternetz. Auch die Hausheizungsstationen können, sofern es die Druckverhältnisse zulassen, im direkten Anschluss als Mischstation einfacher ausgestaltet bzw. im anderen Fall im indirekten Anschluss über Wärmeaustauscher angeschlossen werden. Beim Zweileiternetz ist eine Mindestvorlauftemperatur von 70°C notwendig, sofern Speicher über eine Brauchwassererwärmung angeschlossen sind. Beim Dreileiternetz, bestehend aus zwei Vorlaufleitungen und einer gemeinsamen Rücklaufleitung, wird ein Vorlauf mit gleitender Temperatur für die Heizung und der zweite mit konstanter Temperatur (90 °C bis 100°C) für die Brauchwassererwärmung und für Lufterhitzer von Lüftungs- und Klimaanlagen betrieben (Abb. 5.16).

Abb. 5.16 Übergabe- und Hausstation bei Wasser als Wärmeträger (Dreileiternetz). 1 Fernheizungs-Vorlaufstrang (gleitend), 2 Fernheizungs-Vorlaufstrang (konstant), 3 gemeinsamer Rücklaufstrang, 4 Druckminderer, 5 Mengenregler, 6 Drosselventil, 7 Pumpe der Hausanlage, 8 Vorlauf der Hausanlage, 9 Rücklauf der Hausanlage, 10 Wärmeaustauscher (Brauchwasserspeicher oder Lufterhitzer)

Die Übergabestation enthält dementsprechend einen Druckminderer, die Abrechnung der Wärme kann über Wärmezähler oder – wie

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es mehrere Heizwerke bereits vertraglich übernehmen – über eine Pauschale vorgenommen werden. Heizzentrale Unter Heizzentralen werden sowohl die Räumlichkeiten als auch die technischen Einrichtungen für die Wärmeerzeugung, Wärmeverteilung, Wasserumwälzung und Brennstofflagerung verstanden. Regelung und Steuerung Bei der Zentralheizung unterscheidet man zentrale und örtliche Regelung. Bei zentraler Regelung wird die Witterung durch einen Außenthermostaten erfasst und die Kesselvorlauftemperatur nach der vorgeschriebenen Betriebskennlinie gesteuert (Abb. 5.17).

Abb. 5.17 Betriebs-Kennlinie einer Zentralheizung (Pumpenheizung) Für Einzelraumregelung sind gemäß Heizungsanlagenverordnung selbsttätig wirkende Einrichtungen einzusetzen. Am Heizkörperthermostatventil wird die für die Leistungsregelung am Heizkörper notwendige, feinstufige Voreinstellung des Wasserdurchflusses vorgenommen (Abb. 5.18).

SYSTEME UND BAUTEILE DER HEIZUNGSTECHNIK H/87

Abb. 5.18 Wärmeabgabe eines Heizkörpers in Abhängigkeit vom Wasserdurchfluss

Wärmeverbrauchsermittlung Die Wärmezählung (DIN 471, DIN 474) erfolgt bei Großabnehmern über die laufende Messung und Zählung der umlaufenden Wassermenge und der zugehörigen Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf. Kleinwärmezähler für Einzelwohnungen kommen durch den Drang zur Energieeinsparung vermehrt in Gebrauch. Zur Wärmeverbrauchserfassung sind noch Heizkostenverteiler, die an den Heizkörpern angebracht sind, zugelassen, nach deren Anzeige der Gesamtwärmeverbrauch einer Anlage aufgeschlüsselt werden kann. Beim Heizkostenverteiler nach dem Verdunstungsprinzip wird der Wärmeverbrauch eines Heizkörpers an der in der Heizperiode verdunsteten Flüssigkeitsmenge eines Messröhrchens abgelesen. Beim Heizkostenverteiler mit elektrischer Messgrößenerfassung wird die Oberflächentemperatur des Heizkörpers bzw. die Differenz zwischen Heizkörper- und Raumtemperatur mit Thermoelementen oder Halbleitern zur Ermittlung des Wärmeverbrauchs des Heizkörpers erfasst.

H/88

6 6.1

BAUWESEN

Systeme und Bauteile der Kältetechnik Anwendungen und Bauarten

Anwendungen Von großer Bedeutung sind kältetechnische Einrichtungen für die Lebensmittelverarbeitung und –frischhaltung. Verbreitete Anwendung finden kältetechnische Anlagen in Fabrikations- und Fertigungsprozessen. Bauarten Klimageräte mit Direktkühlanlagen sowie anschlussfertige Wasserkühlsätze mit luft- oder wassergekühlten Verflüssigern werden für alle gängigen Anwendungsfälle serienmäßig hergestellt, Abb.6.1. Die Bezugswerte für die Nennleistungen der Raumklimageräte sind in DIN 8957, Bl. 2, festgelegt; z.B. der Bezugswert für den Kühlbetrieb in gemäßigtem Klima: Raumluft 27 °C/46% rel. Feuchte und Außenluft 35 °C/40% rel. Feuchte. Auslegungsdaten für Wasserkühlanlagen Temperaturen Kaltwasser- Vorlauftemperatur: Temperaturspreizung im Kaltwassernetz je nach Temperaturbereich der Verbraucher: Kühlwassertemperatur aus offenen Rückkühlwerken: Kühlwassertemperatur aus geschlossenen Rückkühlwerken: Temperaturspreizung im Kühlwassernetz bei Verdichterkälteanlagen: bzw. beim Absorptionskälteverfahren:

6 °C 5 K bis 9 K 27 °C bis 29 °C 29 °C bis 32 °C 5 K bis 6 K 10 K bis 11 K

Abb. 6.1 Übersicht über kältetechnische Produktgruppen für die Klimatisierung

SYSTEME UND BAUTEILE DER KÄLTETECHNIK H/89

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Leistungsaufnahmen: (Durchschnittliche, bezogen auf 1 MW erzeugte Kälteleistung. Die niedrigeren Werte gelten in der Regel für Anlagen größerer Leistung.) Wasserkühlsatz mit halbhermetischen Motorverdichtern • bei luftgekühlten Verflüssigern (einschließlich Lüfter) und 47° C Verflüssigungstemperatur: 310 kW bis 360 kW bei wassergekühlten Verflüssigern und 38° C Verflüssigungstemperatur: 245 kW bis 285 kW Kältemittel- und Lösungspumpen von Absorptionskältemaschinen, 1stufig, 2 kW bis 10 kW mit dem Arbeitsstoffpaar H2O/LiBr: Kaltwasserpumpen in Gebäudezentralen: 10 kW bis 19 kW Kaltwasserpumpen in Fernkältezentralen: 19 kW bis 30 kW Kühlwasserpumpen: 10 kW bis 20 kW Rückkühlwerksventilatoren je nach Bauart und Schalldämpfung: 7 kW bis 25 kW Rückkühlwerksventilatoren für Absorptionskältemaschinen: 10 kW bis 35 kW Absorptionskältemaschinen mit dem Arbeitsstoffpaar H2O/LiBr: • •

ND-Dampf 1,63 bis 1,8 bar - 2.500 kg Heißwasser bei 132/110 °C - 58.000 kg bzw. bei 116/100 °C - 84.000 kg

entsprechend ⎫ ⎪ einer ⎬ Heizleistung ⎪⎭ von 1.500 kW

Zuspeisewasserbedarf für Rückkühlwerke: (bezogen auf 1 MW abgeführte Wärmeleistung) Verdunstungsanteil bei hohen Feuchtkugeltemperaturen (entspricht der Verdunstungswärme des Wassers von 2.451 kJ /kg bei 21°C Außenlufttemperatur): 1.470 kg/MW Absalzanteil bei 3facher zulässiger Eindickung: 733 kg/MW Gesamtes Zuspeisewasser bei einer 3fachen Eindickung bezogen auf 1 MW erzeugte Kälteleistung:

SYSTEME UND BAUTEILE DER KÄLTETECHNIK H/91 • bei Verdichterkältemaschinen etwa: 2.700 l/MW • bei Absorptionskältemaschinen etwa: 5.500 l/MW Die Absalzmenge (Sprühverluste vernachlässigt) ist aus der Wasseranalyse nach der Carbonathärte bzw. nach dem Gesamtsalzgehalt wie folgt zu berechnen ⎛ Cz ⎞ ⎟⎟1,7∆tG& u in l/h. G& A = ⎜⎜ ⎝ Cu − C z ⎠ wobei: G& A = Absalzwasserstrom [l/h] Cu = zugelassener Wert der Carbonathärte [mol/m³] bzw. des Gesamtsalzgehalts [g/m³] im Umlaufwasser Cz = Carbonathärte [mol/m³] bzw. Gesamtsalzgehalt [g/m³] im Zuspeisewasser ∆t = Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasserein- und –austritt [K] & Gu = Kühlwasserstrom [m³/h]. Verschmutzungsfaktoren für Wärmeaustauscher: Umwälzung im geschlossenen Kreislauf bzw. Stadtwasserdurchfluss: 0,88⋅10-4m²K/W Umwälzung im offenen Kreislauf: 1,76⋅10-4m²K/W Durchfluss von grob gefiltertem Brunnen- oder Flusswasser: bis 3,52⋅10-4m²K/W Wasserseitige Druckverluste: Für Verdampfer und Verflüssiger werden Druckverluste empfohlen von: Für Plattenwärmtauscher:

6.2

0,2 bis max. 0,8 bar bis max. 0,5 bar

Bauteile

Kältemittelverdichter Ausführung überwiegend als Motorverdichter, d.h. elektrischer Motor und Verdichter in einem gemeinsamen Gehäuse, keine Wellendurchführung nach außen wie beim „offenen“ Verdichter. Im unteren Leis-

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tungsbereich hermetische Ausführung in verschweißten oder verlöteten Gehäusen als „Kapsel“, größere Maschinen in verschraubten Gehäusen als halbhermetisch bezeichnet. Schutzeinrichtungen und Sicherheitsgräte Sicherheitsventil oder Berstscheibe, Überströmeinrichtung von Druck- zur Saugseite, Saugdruckwächter, Hochdruckwächter, Hochdruck-Sicherheitsbegrenzer, Öl-Differenzdruckschalter, Öltemperaturwächter, Druckrohr-Temperaturwächter, Lagertemperaturwächter, Wicklungsthermostate oder Motorvollschutz-Einrichtung (Halbleiter), Begrenzung der Einschalthäufigkeit. Konstruktion Rollkolben- und Spiralverdichter (auch Scroll- Verdichter genannt). Antriebsleistungen bis 30 kW mit hohen Drehzahlen; bis 12.000 min-1 bei kleinen, bis 6.000 min-1 bei größeren Verdichtern. Zellenverdichter. Er gehört zu den Drehkolbenverdichtern mit einem Rotor, mehrere Flügel bilden die Zellen. Hubkolbenverdichter. Bewährte Verdichterkonstruktion mit selbsttätigen Arbeitsventilen. Leistungsregelung durch Sauggasdrosselung, Druckgas- Bypass mit Nachspritzung, stufenweise Zylinderentlastung durch Abheben der Saugventilplatten; einer Einrichtung, die gleichzeitig den entlasteten Anlauf des Verdichters gewährleistet. Schraubenverdichter. Sie arbeiten mit zwei Rotoren (RootsPrinzip) mit Öleinspritzung, wodurch neben dem Abdichten gleichzeitig eine Kühlung des überhitzten Kältemitteldampfes während des Verdichtungsvorgangs und daher eine niedrigere Verdichtungsendtemperatur erreicht wird. Turboverdichter. Für die Klimakälteerzeugung genügen 1- oder 2stufige Turboverdichter mit eingebautem Getriebe (Laufrad- Drehzahlen in der Regel zwischen 3.000 und 10.000 min-1). Verdampfer Verdampferkonstruktionen für Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und Eisspeicherung. Nach der Art der Beaufschlagung der Kühlfläche mit Kältemittel wird zwischen Überflutungsbetrieb und trockener Verdampfung unterschieden.

ENERGIETECHNIK

7 7.1

H/93

Energietechnik Grundsätze der Energieversorgung

Eine florierende Wirtschaft ist von einer preisgünstigen, vor allem aber kontinuierlichen und sicheren Energieversorgung abhängig. Die Energiewirtschaft umfasst alle technischen und wirtschaftlichen Maßnahmen der Primärenergieerschließung und –gewinnung, deren Umwandlung, Transport und Verteilung bis hin zur Energieanwendung beim Endverbraucher. Den Schwerpunkt der heutigen Energiewirtschaft bilden die Umwandlungsprozesse der fossilen und nuklearen Primärenergien. Die Kennzahl „Erntefaktor“ wird heute häufig zur energetischen Beurteilung von Systemen verwendet, die regenative Energiequellen nutzen. Die zweite Bewertungsgröße ist die energetische Amortisationszeit. Planung und Investitionen Planung der Energieversorgung. Alle technischen und wirtschaftlichen Maßnahmen, die für die Umwandlung von Primärenergie in Sekundärenergie, d.h. Anwendung beim Endverbraucher, erforderlich werden, sind außerordentlich kapitalintensiv. Investitionsentscheidungen. Die Sicherung der verfügbaren Energieträger, deren mögliche Lager- oder Speicherkapazität, die wirtschaftliche Gestaltung der Energieumwandlungsanlage, die rationelle Energienutzung bei Koppelproduktion, dass Einräumen des Wegerechts für Energietransportleitungen oder Versorgungsmodalitäten sowie Umweltbeeinflussung bestimmen die Investitionsentscheidungen. Leistungsabhängige Kosten sind der Kapitaldienst und die Steuern, Versicherungen und andere leistungsabhängige Betriebsaufwendungen. Arbeitsabhängige Kosten enthalten den Aufwand für die Umwandlungsenergie (z.B. Brennstoffkosten der Primärenergien) und den arbeitsabhängigen Anteil für Bedienung, Unterhalt, Hilfsmittel und neuerdings Entsorgung. Beide Kosten werden von dem Umwandlungswirkungsgrad beeinflusst.

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BAUWESEN

Barwertmethode. Hiermit kann bei Projekten die wirtschaftlichste Variante gefunden werden. Elektrizitätswirtschaft Die Elektrizitätswirtschaft ist ein Zweig, der sich mit der Erzeugung und Verteilung der elektrischen Energie befasst. Die Elektrizität ist eine Sekundärenergie, die sich vielfältig verwenden lässt. Im Unterschied zu anderen Primär- und Sekundärenergien sind folgende Merkmale bestimmend: • die Leitungsgebundenheit, • die sehr beschränkte Speicherfähigkeit (in Batterien oder anderen Energiespeicherformen z.B. Pumpspeicherung, Dampfspeicherung, Luftspeicherung, Schwungradspeicherung), • die allgemeine Versorgungspflicht (Anschlussverpflichtung), • die außergewöhnliche Kapitalintensität und • die staatliche Fach- , Preis- und Kartellaufsicht über das Versorgungsunternehmen. Entsprechend der Zusammensetzung der Kosten aus leistungs- und arbeitsabhängigen Kosten sehen die Preisregelungen für die Kundengruppen im allgemeinen zwei Preisbestandteile vor: • einen festen Betrag als Grundpreis bei den allgemeinen Tarifen und als Leistungspreis entsprechend der in Anspruch genommenen Leistung bei Sonderverträgen. • Einen Preis für die abgenommene elektrische Arbeit (Arbeitspreis je kWh). Gaswirtschaft Bis Ende der 20er Jahre wurde das für die öffentliche Versorgung benötigte Gas aus Kohle bzw. Koks durch Entgasung oder Vergasung erzeugt, ab 1960 erfolgte die Umstellung auf Erdölprodukte. Fernwärmewirtschaft Von dem Gesamtenergieverbrauch in der Bundesrepublik Deutschland entfallen über 60 % auf den Wärmeverbrauch für Raumheizung und Prozesswärmer in Haushalten, öffentlichen Gebäuden, industriellen und gewerblichen Betrieben.

ENERGIETECHNIK

H/95

Stand der Fernwärmeversorgung Eine öffentliche Fernwärmeversorgung gibt es seit ca. 1900, aber zu einem leistungsfähigen Zweig der Energiewirtschaft, der im Wettbewerb und im Leistungsvergleich mit anderen Energieangeboten auf dem Wärmemarkt seinen Anteil an der Bedarfsdeckung ständig erhöhen konnte, hat sie sich mit Ausnahme einiger großer Städte besonders im letzten Jahrzehnt entwickelt (Abb. 7.1).

Abb. 7.1 Fernwärme, Anschlussentwicklung in der Bundesrepublik Deutschland (Quelle: Bewag, Berlin)

7.2

Primärenergien

Definitionen Die in den Brennstoffen als chemische Energie gespeicherte Sonnenenergie wird durch Oxidation der brennbaren Bestandteile Kohlenstoff, Wasserstoff und andere Elemente wieder in Wärme umgesetzt. Heiz- und Brennwert (DIN 5499). Zu unterscheiden sind der spezifische Brennwert Ho (oberer Heizwert) mit Rückgewinnung der

H/96

BAUWESEN

Kondensationswärme des bei Verbrennung gebildeten Wasserdampfs und der in der Verbrennungstechnik übliche Wert, der spezifische Heizwert Hu (unterer Heizwert) ohne sie. Maximaler CO2-Gehalt. Dies ist der CO2 Gehalt des bei vollständiger Verbrennung ohne Luftüberschuss entstehenden trockenen Rauchgases. Zündtemperatur. Niedrigste Temperatur, bei der die durch Reaktion entwickelte Wärme größer als die durch Strahlung abgegebene ist, so dass die Verbrennung unter Flammenbildung erfolgt. Feste Brennstoffe Natürliche feste Brennstoffe Sie sind aus Pflanzenteilen durch Erhitzung unter Luftabschluss und hohem Druck während Millionen von Jahren entstanden. Der Inkohlungsgrad ist ein Maßstab für das Alter des festen Brennstoffs. Torf. Er ist die jüngste Form der natürlichen festen Brennstoffe und wird entweder als Sodentorf gestochen und durch Lufttrocknung von 90% Anfangsfeuchte auf 30 % bis 40 % Endfeuchte gebracht oder als Frästorf mit Baggern gewonnen und mit 50 % bis 60 % Feuchte verfeuert. Braunkohle. Die jüngste Form ist die erdige oder Weichbraunkohle. Steinkohle. Sie kommt in der Bundesrepublik Deutschland in Flözen mit 60 cm bis 2 m Mächtigkeit in Tiefen bis 1.500 m vor. Künstliche feste Brennstoffe Briketttieren. Steinkohlen feinster Fraktionen werden mit Pechblende als Bindemittel unter hohem Druck zu Eier- oder Nussbrikett gepresst. Schwelen. Darunter versteht man das Erhitzen von gasreicher Stein- oder Braunkohle unter Luftabschluss bis 500°C, wobei Bitumen teilweise verdampft. Verkoken. Es ist ein Erhitzen auf 800°C bis 1.200°C unter Luftabschluss, wobei flüchtige Bestandteile ausgetrieben werden (Entgasung).

ENERGIETECHNIK

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Abfallbrennstoffe Müll. Der Anfall von Haus- oder Stadtmüll hat in seinem Heizwert stark zugenommen. Industriemüll hat viele hochwertige Anteile (Gummi, Kunststoffe, Textilabfälle, Verpackungsmaterial); der Heizwert beträgt bis zu 25.000 kJ /kg. Pflanzliche Abfälle. Dazu zählen Rückstände von Früchten (Kerne, Samen, Schalen), Rinde, Holzabfälle (Sägemehl, Schleifstaub, Abschnitte), Bagasse (Zuckerrohrschnitzel). Eigenschaften Heizwert. Wenn die Elementarzusammensetzung bekannt ist, lässt er sich bestimmen aus der Formel o⎞ ⎛ H u = 33,9c + 121,4⎜ h − ⎟ + 10,5s − 2,44w [MJ/kg] 8⎠ ⎝ wobei: c, h, o, s, w = Gewichtsanteile der Rohkohle (Tabelle 7.1 und 7.2). Weiterer Kennwert. CO2, max Abb. 7.2.

Abb. 7.2 Maximaler CO2–Gehalt der Rauchgase fester Brennstoffe

Mineralische Bestandteile Sie stammen teilweise von den ursprünglichen Pflanzen (Pflanzenasche), teilweise von äußeren Verunreinigungen (Fremdasche). Asche. Steinkohlenasche: Pflanzlich SiO2 und P2O5, Fremdasche meist Ton (Al2O3), Quarz (SiO2) und Eisenverbindungen (Pyrit FeS2, Eisenoxide Fe2O3 und FeO).

Tabelle 7.1 Eigenschaften natürlicher fester Brennstoffe

H/98 BAUWESEN

Tabelle 7.2 Eigenschaften flüssiger natürlicher und künstlicher Brenn- und Treibstoffe

ENERGIETECHNIK H/99

H/100

BAUWESEN

Braunkohlenasche: wenig pflanzlich, Fremdasche von Überflutungen (kalkhaltige Schalen, CaCO3) und Verwerfungen (Sand, SiO2). Schmelzverhalten. Bei Kohlenstaubfeuerungen mit einem trockenen Ascheabzug müssen Anbackungen an Feuerraumwänden und Heizflächen vermieden werden, bei Schmelzfeuerungen muss der Schlackefluss sicher sein. Verschmutzungseinflüsse. Ist die Temperaturdifferenz zwischen Erweichungs- und Fließpunkt klein (kurze Schlacken), besteht die Gefahr des Einfrierens von Schmelzfeuerungen bei Teillast, ist sie groß (lange Schlacken), kommt es zu zähem Schlackefluss und zu Ansatzbildung im Schlackenschacht. Schlackenviskosität. Da die Messung mit Kugelzieh- oder Rotationsviskosimeter unsicher ist, kann sie bei bekannter Schlackenanalyse mittels der Kenngröße K nach Endell angenähert bestimmt werden. Flüssige Brennstoffe Zusammensetzung Sie bestehen aus einem Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe aus folgenden Gruppen mit unterschiedlichen Verbrennungseigenschaften. Paraffine oder Aliphate. Gesättigte kettenförmige Moleküle (Endsilbe –an, z.B. Propan, Butan) in Normal- oder Isoform (bei Isoparaffinen CH3-Gruppen in Seitenketten), Bruttoformel CnH2n+2. Olefine. Ungesättigte Paraffine mit einer Doppelbindung, Bruttoformel CnH2n, ebenfalls in Normal- und Isoform vorhanden (Endsilbe –ylen, z.B. Propylen). Naphtene. Cycloparaffine mit ringförmigen Molekülen, Bruttoformel CnH2n (meist mit n = 5 oder 6), auch als Isomere mit CH3 in Seitenketten und mit Doppelbindung (Endsilbe –en, z.B. Cyclohexen). Aromaten. Ringförmige, ungesättigte Moleküle aus Benzolringen C6H6, bilden Doppelringe oder Seitenketten, riechen stark (daher der Name), sind aber trotz Doppelbindung relativ stabil. Asphalte. Hochmolekulare Stoffe, aus Kohlenwasserstoffen bestehend, oft in festen Zustand.

UMWELTSCHUTZTECHNIK

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Umweltschutztechnik

Ziele und Aufgaben der Umweltschutztechnik, Seite I/2 Rechtspolitische Aspekte des Umweltschutzes, Seite I/5 Schadstoffe, Seite I/10 Energie und Klima, Seite I/16 4.1 Charakteristika der Treibhausgase, Seite I/18 4.2 Rationelle Energieerzeugung, Seite I/20 5 Ursachen von Luftbelastungen, Seite I/22 6 Gewässergüte und Wasserbeschaffenheit, Seite I/27 7 Trinkwasserversorgung, Seite I/31 8 Stoffeinträge in Böden, Seite I/36 9 Abfallwirtschaftliche Grundlagen, Seite I/41 10 Integrierte Umweltbewertung, Seite I/46 1 2 3 4

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UMWELTSCHUTZTECHNIK

Ziele und Aufgaben der Umweltschutztechnik

Umweltschutztechnik verbindet die Herstellung und Verwendung von Nutzgegenständen mit dem Schutz natürlicher Ressourcen - das sind sowohl die materiellen Komponenten wie Wasser, Luft und Boden als auch ideelle Werte wie bspw. das Wohnumfeld. Diese Aufgabe ist für Ingenieurinnen und Ingenieure nicht prinzipiell neu; sie waren stets darauf bedacht, ökonomisch mit Energie und Rohstoffen umzugehen und möglichst wenig Schadstoffe freizusetzen. Verändert hat sich das Bewusstsein, häufig aufgrund eigener Erfahrungen: dass bei der Gewinnung von Erz, beim Einsatz von Energie, beim Bau von Kanälen und Straßen, bei der Produktion von Waren, und nicht zuletzt durch die Produkte selber eine Reihe von unerwünschten Nebenwirkungen auftraten, wenn einseitig zielgerichtete Ingenieurlösungen auf komplexe Ökosysteme trafen, deren empfindliche Gleichgewichte sich in Millionen Jahren der Evolution einstellen konnten. Der ökologische Technikansatz ist dem Vorsorgeprinzip verpflichtet, der frühzeitigen Erfassung möglicher negativer Effekte. Er folgt dem Leitbild der Nachhaltigkeit, das den Einklang von wirtschaftlicher Entwicklung, sozialer Sicherheit und der langfristigen Erhaltung der natürlichen Lebensgrundlagen anstrebt. Entwicklung des ökologisch-technischen Umweltschutzes Umweltschutztechnik umfasst in einem erweiterten Rahmen die Bestandsaufnahme und Bewertung einer Problemsituation, die Planung und Durchführung technischer Maßnahmen zur Problemlösung, sowie deren Überwachung und Nachsorge. Der Begriff „Umwelttechnik“ wird vielfach für die zentralen Ingenieuraufgaben bei der Begrenzung und Reparatur von Umweltschäden benutzt. Die Entwicklung der Umweltschutz- bzw. Umwelttechnik weist bereits mehrere „Etappen“ auf: 1. Als in den 60er Jahren die negativen Begleitumstande einer rasch steigenden Industrieproduktion offensichtlich wurden, kam zunächst die „Nachbesserungs-Philosphie“ mit ihren sog. „End-ofthe-pipe-Technologien“ zum Zuge. Bei der nach Branchen, Anlagen und Umweltmedien aufgesplitteten Planung und Anwendung von

ZIELE UND AUFGABEN DER UMWELTSCHUTZTECHNIK I/3 Techniken wurden jedoch Probleme häufig nur verlagert. 2. Diese Erfahrungen führten zu der Forderung, das industrielle Verfahren selbst unter Umweltgesichtspunkten in die Optimierung einzubeziehen. 3. Je weiter die Belastungen aus dem Produktionsprozess verringert wurden, desto deutlicher wurde, dass die Produkte selbst bei ihrer Weiterverarbeitung, bei ihrem Gebrauch und schließlich mit ihrem Endverbleib zu einer Belastung natürlicher Systeme beitragen können. In Abb. 1.1 ist die Entwicklung von den nachbessernden zu den integrierten Umweltschutztechnologien im Überblick dargestellt:

Abb. 1.1 Entwicklungsstadien der Umweltschutztechnik

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Für den Einsatz von Umwelttechnik sind neben dem technischen Entwicklungsstand die Marktsituation und die gesetzlichen Regelungen maßgebend; letzteres gilt vor allem für die nachgeschaltete Reinigung von Abgas und Abwasser. End-of-the-pipe-Methoden können sehr fortschrittlich sein, wie das Beispiel der Aktivkoksfiltertechnik zeigt, deren hoher Wirkungsgrad den Einsatz von Müllverbrennungsanlagen in Stadtgebieten akzeptabel gemacht hat.

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UMWELTSCHUTZTECHNIK Der produktionsintegrierte Umweltschutz zielt auf die Vermeidung und Verminderung von Abfällen innerhalb eines Produktionsprozesses, auf die Verwertung von Abfällen und Energien in anderen Bereichen des eigenen Betriebes und eine recyclinggerechte Auswahl von Materialien und Verfahren zur Vermeidung von nichtverwertbaren Produktionsabfällen. Im Hinblick auf das Ziel der Nachhaltigkeit ist festzustellen, dass es sich bei den herausragenden gegenwärtigen Wachstumsbereichen und den sog. Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts durchweg um rohstoffarme Produktionen handelt. Der produktintegrierte Umweltschutz erweitert die verfahrensinternen Maßnahmen auf den gesamten Lebensweg eines Produktes. Nachhaltigkeitsziele orientieren sich an der Einsparung von Energie und Materialien, an der Vermeidung von Schadstoffemissionen und an einem recyclingfreundlichen Produktdesign. Nach den klassischen Problemlösungen für gasförmig/flüssig/fest-Emissionen behandelt die zweite und dritte Generation von Umwelttechnologien die Nutzung von Produkten, inklusive deren Transport, Lagerung und Verteilung und am Ende die Ablagerung von Produkten und Nebenprodukten. Dabei stellen die toxischen Chemikalien und die gefährlichen Abfälle nach wie vor die vordringlichsten Umweltprobleme dar.

In allen drei Bereichen - nachbessernd, verfahrensintern und produktintegriert - werden die technischen Potentiale weiterentwickelt, teils mit spezifisch umwelttechnischen Verfahrensansätzen, teils unter Nutzung von Innovationen benachbarter Disziplinen. Als Beispiel sind die Verbundverfahren aufgeführt, bei denen eine bessere Ausnutzung der sog. Kuppelprodukte angestrebt wird. Biotechnologien und Membranverfahren bieten energetisch besonders günstige Problemlösungen bei der Altlastensanierung und Behandlung von Abwässern. Die „Endlagerqualität“ steht für eine andere wichtige Zielrichtung der Nachhaltigkeit - den dauerhaft sicheren Ausschluss von Schadstoffen aus der Biosphäre. Bei den künftigen Entwicklungen werden die integrierten Strate-

ZIELE UND AUFGABEN DER UMWELTSCHUTZTECHNIK I/5 gien eine immer größere Rolle spielen. Der Begriff „Integrierte Produktpolitik (IPP)“, der 2001 von der Kommission der Europäischen Gemeinschaften in einem „Grünbuch“ als neues Leitbild des produktbezogenen Umweltschutzes eingeführt wurde, zielt auf eine stetige Verbesserung von Produkten hinsichtlich ihrer Wirkungen auf Mensch und Umwelt entlang des gesamten Lebenswegs. Beispiele für IPP-Konzepte weisen die Querverbindungen zur Entwicklung von Umweltindikatorensystemen und zum Einsatz von betrieblichen Umweltmanagementsystemen auf.

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Rechtspolitische Aspekte des Umweltschutzes

Aufgabe des betrieblichen Umweltmanagements ist im weitesten Sinne die Harmonisation von ökonomischen und ökologischen Unternehmenszielen. Die staatlich-rechtlichen und gesellschaftlich-ethischen Normen bzw. Leitlinien geben dazu die Rahmenordnung, den Makrobezug . Im Kern besitzt das Umweltmanagement zwei Funktionen: (1) die traditionelle Führungsdimension (mit neuartigen Bewertungs- und Informationssystemen) und (2) eine strategische Dimension für die Umsetzung der typischen ökologischen Reduktionsphase, mit der die Durchflusswirtschaft zur Kreislaufwirtschaft wird. Beide Funktionen erfordern in erheblich neuem Umfang die Analyse und Verarbeitung technischer und naturwissenschaftlicher Daten zu betriebswirtschaftlich relevanten Informationen. Im Folgenden wird dargestellt, wie der ingenieurtechnische Umweltschutz in die rechtspolitischen Rahmenbedingungen eingebettet ist. Entwicklung des Umweltrechts in Deutschland Im ersten Umweltprogramm der Bundesrepublik Deutschland von 1971 wurde Umweltpolitik definiert als die Gesamtheit der Maßnahmen, die notwendig sind, um (1) dem Menschen eine Umwelt zu sichern, wie er sie für seine Gesundheit und für ein menschenwürdiges Dasein braucht, (2) Boden, Luft und Wasser, Pflanzenwelt und Tierwelt vor nachteiligen Wirkungen menschlicher Eingriffe zu schützen und (3) Schäden oder Nachteile aus menschlichen Eingriffen zu beseitigen (umweltpolitische Zieltrias). Nach den Erweiterun-

ZIELE UND AUFGABEN DER UMWELTSCHUTZTECHNIK I/5 gien eine immer größere Rolle spielen. Der Begriff „Integrierte Produktpolitik (IPP)“, der 2001 von der Kommission der Europäischen Gemeinschaften in einem „Grünbuch“ als neues Leitbild des produktbezogenen Umweltschutzes eingeführt wurde, zielt auf eine stetige Verbesserung von Produkten hinsichtlich ihrer Wirkungen auf Mensch und Umwelt entlang des gesamten Lebenswegs. Beispiele für IPP-Konzepte weisen die Querverbindungen zur Entwicklung von Umweltindikatorensystemen und zum Einsatz von betrieblichen Umweltmanagementsystemen auf.

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Rechtspolitische Aspekte des Umweltschutzes

Aufgabe des betrieblichen Umweltmanagements ist im weitesten Sinne die Harmonisation von ökonomischen und ökologischen Unternehmenszielen. Die staatlich-rechtlichen und gesellschaftlich-ethischen Normen bzw. Leitlinien geben dazu die Rahmenordnung, den Makrobezug . Im Kern besitzt das Umweltmanagement zwei Funktionen: (1) die traditionelle Führungsdimension (mit neuartigen Bewertungs- und Informationssystemen) und (2) eine strategische Dimension für die Umsetzung der typischen ökologischen Reduktionsphase, mit der die Durchflusswirtschaft zur Kreislaufwirtschaft wird. Beide Funktionen erfordern in erheblich neuem Umfang die Analyse und Verarbeitung technischer und naturwissenschaftlicher Daten zu betriebswirtschaftlich relevanten Informationen. Im Folgenden wird dargestellt, wie der ingenieurtechnische Umweltschutz in die rechtspolitischen Rahmenbedingungen eingebettet ist. Entwicklung des Umweltrechts in Deutschland Im ersten Umweltprogramm der Bundesrepublik Deutschland von 1971 wurde Umweltpolitik definiert als die Gesamtheit der Maßnahmen, die notwendig sind, um (1) dem Menschen eine Umwelt zu sichern, wie er sie für seine Gesundheit und für ein menschenwürdiges Dasein braucht, (2) Boden, Luft und Wasser, Pflanzenwelt und Tierwelt vor nachteiligen Wirkungen menschlicher Eingriffe zu schützen und (3) Schäden oder Nachteile aus menschlichen Eingriffen zu beseitigen (umweltpolitische Zieltrias). Nach den Erweiterun-

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UMWELTSCHUTZTECHNIK

gen dieser Definition in den Umweltberichten von 1990 und 1994 wurde schließlich mit dem Umweltbericht 1998 die Umweltpolitik der Bundesrepublik Deutschland unter das Leitbild der Nachhaltigen Entwicklung gestellt, das die wirtschaftliche Entwicklung und die soziale Sicherheit mit der langfristigen Erhaltung der natürlichen Lebensgrundlagen in Einklang bringt. Bereits 1994 war mit dem Umweltpflegeprinzip der Umweltschutz als staatliche Aufgabe im Grundgesetz (Art. 20 a GG) festgeschrieben worden. Für die praktische Umsetzung wurden aus den allgemein formulierten umweltpolitischen Zielen funktionale Definitionen abgeleitet: Bei den Schadstoff- und Lärm-Immissionen können Gefahren, erhebliche Nachteile oder erhebliche Belästigungen unterschieden werden (Schädlichkeitstrias). Gesetzliche Maßnahmen (Gesetze, Verordnungen, Verwaltungsvorschriften) zur Verringerung dieser Immission verfolgen unterschiedliche Zielsetzungen (Maßnahmentrias): Durch Gebote, Verbote und Abgaben als eingreifende Maßnahmen, durch öffentliche Einrichtungen, Förderung, Beratung und Ersatzleistungen als leistende Maßnahmen und durch Programme und Pläne als planende Maßnahmen, wobei die Maßnahmen in der Regel bei Anlagen, Stoffen oder Grundflächen (Objekttrias) ansetzen. Eine erste legislative Phase des Umweltrechts, die auf der Grundlage des Sofortprogramms der Bundesregierung von 1970 und des Umweltprogramms von 1971 eingeleitet wurde, führte zu einer Vielzahl neuer und zur Novellierung oder Gesamtreform bestehender Gesetze für einzelne Umweltbereiche; zuletzt 1998 für das Medium Boden das „Gesetz zum Schutz vor schädlichen Bodenveränderungen und zur Sanierung von Altlasten“ (Bundes-Bodenschutzgesetz BBodSchG). Auf die erste legislative Phase folgte ab 1980 eine administrative Phase, in der die gesetzlichen Ziele durch Erlass von Rechtsverordnungen und Verwaltungsvorschriften, durch das Aufstellen von Umweltplänen und durch Einzelfallentscheidungen konkretisiert wurden (Tabelle 2.1 mit Beispielen für definierte Umweltbereiche). In den „medienbezogenen“ Kapiteln über Luftreinhaltung (Kap. 5), Wasser (Kap. 6 und 7) und Boden (Kap. 8 und 9) werden die einschlägigen Regelungen detailliert dargestellt. In einer zweiten legislativen Phase kommen übergreifende, den Grundsatz der Vorsorge besonders berücksichtigende Gesichtspunkte stärker zum Ausdruck. Dabei gibt es neben der Tendenz der Verdich-

RECHTSPOLITISCHE ASPEKTE

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tung und Verfeinerung hinaus vier weitere Entwicklungslinien: (1) Die Tendenz einer ökologischen Fortentwicklung des Umweltrechts, die sich mit (2) der Tendenz zur Vereinheitlichung des Umweltrechts verbindet. Beide werden ergänzt durch (3) die Tendenz der Aktivierung indirekter Strategien zur mittelbaren Lenkung umweltpfleglichen Verhaltens und (4) die Tendenz der Förderung oder Übernahme supra- und internationaler Entwicklungen. Das sog. Artikelgesetz vom 27. Juli 2001, das 24 umweltbezogene Gesetze und Verordnungen des Bundes änderte, dient in Umsetzung von EG-Richtlinien insbesondere der Weiterentwicklung der „Umweltverträglichkeitsprüfung“ (Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung [UVPG] vom 5. Sept. 2001) und einer medienübergreifenden, internen Integration aller Umweltbelange bei der Zulassung von Industrieanlagen und Deponien (Richtlinie über die integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung (IVU) vom 24. September 1996). Letztere gab wesentliche Impulse für alle umwelttechnisch relevanten Bereiche - Luftreinhaltung, Abwasserbehandlung, Trinkwasserversorgung, Altlastenbehandlung und Abfallbehandlung und beseitigung. Wichtige Gesetze, Verordnungen und Verwaltungsvorschriften sind in Tabelle 2.1 aufgelistet. Tabelle 2.1 Gesetzliche Regelungen und beratende Fachverbände für die verschiedenen Umweltmedien

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UMWELTSCHUTZTECHNIK

Indirekte Strategien - die Ausrichtung an den wirtschaftlichen Eigeninteressen und an den innovativen Kräften des Marktes in Ergänzung der unmittelbar wirkenden Verbote und Gebote - werden teilweise im Rahmen einer ökologischen Finanzreform fortentwickelt. Dazu zählen das Stromsteuergesetz von 1999, die Kompensationen im Vorsorgebereich durch Verrechnungsmöglichkeiten von Emissionen zur Sanierung von Altanlagen (BImSchG §7 Abs. 3) und die Benutzungsvorteile für umweltschonende Produkte (8. BImSchV §6 Abs. 1 Nr. 1). Andere indirekte Strategien der Selbstregulierung mindern den staatlichen Aufwand, indem sie die betriebliche Eigenüberwachung kräftigen, etwa durch die Bestellung von Umweltbeauftragten im Betrieb. Bei der überbetrieblichen Eigenüberwachung spielt die freiwillige Beteiligung an dem europaweiten Umweltbetriebsprüfungsund Umweltmanagementsystem der EG-Umweltauditverordnung eine zunehmend wichtige Rolle. Mit dem Umwelthaftungsgesetz (UmweltHG) wird das Privatrecht zugunsten der Umweltvorsorge eingesetzt; für besonders umweltgefährliche Anlagen besteht die Pflicht zur Deckungsvorsorge. Der Einsparung von Energie gelten neue gesetzliche Regelungen, die besonders die betriebliche Umwelttechnik betreffen. Leitgesetz ist das bereits 1976 erlassene Energieeinsparungsgesetz (EnEG) mit Anforderungen an Wärmeschutz, an heizungs- und raumlufttechnische Anlagen und an Brauchwasseranlagen in Gebäuden. Neu hinzugekommen ist das „Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien“ (Erneuerbare-Energien-Gesetz - EEG) vom 29. März 2001 und das „Gesetz zum Schutz der Stromerzeugung aus Kraft-Wärme-Kopplung“ (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz - KWKG) vom 12. Mai 2000; letzteres enthält zunächst bis 2004 befristete Abnahme- und Vergütungspflichten. Zusammenfassend lassen sich die seit den 80er Jahren identifizierten Entwicklungstendenzen des Umweltrechts in Deutschland in drei Entwicklungsschwerpunkten darstellen: • Integrierte Umweltstrategien zur internen und externen Integration der Umweltpflege durch ökologische Fortentwicklung und Vereinheitlichung des Umweltrechts; • indirekte Umweltstrategien zur mittelbaren Lenkung umweltpfleglichen Verhaltens durch entsprechende ökonomi-

RECHTSPOLITISCHE ASPEKTE

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sche und andere Anreize und gesellschaftliche Selbstregulierung; internationale Umweltstrategien zur Verknüpfung nationalen, supranationalen und internationalen Umweltrechts durch Förderung und Übernahme supra- und internationaler Entwicklungen.

Für die künftige Bewältigung dieser Entwicklungsstrategien ist eine grundlegende Reform erforderlich, die in einem nach einheitlichem und übersichtlichem Bauplan strukturierten Umweltgesetzbuch (UGB) niedergelegt wird. Eine unabhängige Sachverständigenkommission hatte im September 1997 den umsetzungsfähigen Entwurf eines Umweltgesetzbuches (UGB-KomE) vorgelegt; die Bundesregierung hat 1999 die Arbeiten angehalten. Der Deutsche Bundestag hat mit Beschluss vom 5. April 2001 die Bundesregierung gebeten, die Kodifizierung des Umweltrechts in einem Umweltgesetzbuch zügig voranzubringen. In Verbindung mit einer die Privatautonomie und den Wettbewerb sichernden Wirtschaftsordnung und einer der sozialen Gerechtigkeit und Sicherheit verpflichteten Gesellschaftsordnung kann eine solche „Umweltordnung“ der sozialen Marktwirtschaft dazu verhelfen, dem Leitbild der Nachhaltigen Entwicklung in seinen drei Dimensionen ökologisch, ökonomisch und sozial gerecht zu werden. Betriebsorganisatorische Regelungen im Umweltgesetzbuch Unter den erwarteten Änderungen des bisherigen Umweltrechts in dem geplanten Umweltgesetzbuch sind für den betrieblichen Umweltschutz vor allem die aufbauorganisatorischen Regelungen von Interesse, die im § 153 („Mitteilungspflichten zur Betriebsorganisation“), § 154 („Umweltschutzdirektor“) und in § 155 bis § 163 („Umweltbeauftragte in nachgelagerten Ebenen“) des Kommissionsentwurfs verzeichnet sind: • Ausweitung der Mitteilungspflichten zur Betriebsorganisation vom immissionsschutz- und abfallrechtlichen Geltungsbereich auf alle Medien und Schutzgüter. Der Aufsichtsbehörde ist nunmehr anzuzeigen, „ wie die Einhaltung sämtlicher umweltrechtlicher Pflichten beim Betrieb organisatorisch und personell sichergestellt wird“ (§ 153 KomE).

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UMWELTSCHUTZTECHNIK Bestellung eines Umweltschutzdirektors im vertretungsberechtigten Organ (Vorstand, Geschäftsführung), sobald ein Umweltbeauftragter zu bestellen ist. §154 (2) legt drei Kernaufgaben des Umweltschutzdirektors fest, die dieser unbedingt zu erfüllen hat: 1. die Leitung der umweltbezogen Betriebsorganisation; 2. die Mitwirkung an der Entwicklung und Einführung umweltschonender Verfahren und Produkte und 3. die Überwachung der Einhaltung der umweltrechtlichen Anforderungen. Es können auch weitere Tätigkeiten zugewiesen werden. Zusammenfassung und Vereinheitlichung der verschiedenen Institutionen der Betriebsbeauftragten zu einer einheitlich definierten Institution Umweltbeauftragter, wobei dessen Funktionen sich an den bislang weitreichendsten Regelungen des Bundesimmissionsschutzgesetzes orientieren. Dabei sind drei Erweiterungen hervorzuheben: 1. Bei der Definition der Aufgaben wird die Innovationsfunktion ausgeweitet; sie beinhaltet jetzt neben der Entwicklung auch die Forschung und richtet sich nicht mehr nur auf eine tendenziell additive Umwelttechnik, sondern auf sämtliche Verfahren und Produkte. 2. Beteiligt sich das Unternehmen am Gemeinschaftssystem für das Umweltmanagement gemäß EG-Umweltauditverordnung, soll die Stellung des Umweltbeauftragten zur der des unternehmensinternen Betriebsprüfers weiterentwickelt werden. 3. Sind mehrere Umweltbeauftragte zu bestellen, so können ihnen nicht mehr nur, wie zur Zeit zwingend, einzelne Umweltschutzbereiche (Medien, Stoffe, Anlagen), sondern auch einzelne Aufgaben nach §155, z.B. die der Kontrolle oder der Innovation zugewiesen werden; die Beauftragtentätigkeiten können damit – „soweit dies mit der Aufgabenerfüllung vereinbar ist“ (§158 UGB-KomE) - wahlweise objekt- oder funktionsorientiert strukturiert werden.

Schadstoffe

Die Schwerpunktaufgaben der Umweltschutztechnik liegen nach wie vor bei der Verringerung von Schadstoffeinträgen in die Biosphäre. Im Sinne des Gesetzes zum Schutz vor gefährlichen Stoffen, dem

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UMWELTSCHUTZTECHNIK Bestellung eines Umweltschutzdirektors im vertretungsberechtigten Organ (Vorstand, Geschäftsführung), sobald ein Umweltbeauftragter zu bestellen ist. §154 (2) legt drei Kernaufgaben des Umweltschutzdirektors fest, die dieser unbedingt zu erfüllen hat: 1. die Leitung der umweltbezogen Betriebsorganisation; 2. die Mitwirkung an der Entwicklung und Einführung umweltschonender Verfahren und Produkte und 3. die Überwachung der Einhaltung der umweltrechtlichen Anforderungen. Es können auch weitere Tätigkeiten zugewiesen werden. Zusammenfassung und Vereinheitlichung der verschiedenen Institutionen der Betriebsbeauftragten zu einer einheitlich definierten Institution Umweltbeauftragter, wobei dessen Funktionen sich an den bislang weitreichendsten Regelungen des Bundesimmissionsschutzgesetzes orientieren. Dabei sind drei Erweiterungen hervorzuheben: 1. Bei der Definition der Aufgaben wird die Innovationsfunktion ausgeweitet; sie beinhaltet jetzt neben der Entwicklung auch die Forschung und richtet sich nicht mehr nur auf eine tendenziell additive Umwelttechnik, sondern auf sämtliche Verfahren und Produkte. 2. Beteiligt sich das Unternehmen am Gemeinschaftssystem für das Umweltmanagement gemäß EG-Umweltauditverordnung, soll die Stellung des Umweltbeauftragten zur der des unternehmensinternen Betriebsprüfers weiterentwickelt werden. 3. Sind mehrere Umweltbeauftragte zu bestellen, so können ihnen nicht mehr nur, wie zur Zeit zwingend, einzelne Umweltschutzbereiche (Medien, Stoffe, Anlagen), sondern auch einzelne Aufgaben nach §155, z.B. die der Kontrolle oder der Innovation zugewiesen werden; die Beauftragtentätigkeiten können damit – „soweit dies mit der Aufgabenerfüllung vereinbar ist“ (§158 UGB-KomE) - wahlweise objekt- oder funktionsorientiert strukturiert werden.

Schadstoffe

Die Schwerpunktaufgaben der Umweltschutztechnik liegen nach wie vor bei der Verringerung von Schadstoffeinträgen in die Biosphäre. Im Sinne des Gesetzes zum Schutz vor gefährlichen Stoffen, dem

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Chemikaliengesetz mit seinen Verordnungen, handelt es sich dabei um „chemische Elemente oder chemische Verbindungen, wie sie natürlich vorkommen oder hergestellt werden, einschließlich der zur Wahrung der Stabilität notwendigen Hilfsstoffe und der durch das Herstellungsverfahren bedingten Verunreinigungen“. In der Praxis der Untersuchung und Bewertung dieser „Umweltchemikalien“ im Vorfeld von umwelttechnischen Maßnahmen haben sich folgende Betrachtungsweisen herausgebildet: • Der substanzbezogene Ansatz mit den Parametern Produktion, Anwendungsmuster, Ausbreitung in der Umwelt, Persistenz und Abbau sowie Umwandlung konzentriert sich auf die physikalisch-chemischen Daten von Stoffen, vorrangig solchen aus technischen Anwendungen. • Die wirkungsorientierten Aspekte stehen im Mittelpunkt der „Ökologischen Chemie“, die sich mit den chemischen Grundlagen zur Abklärung und Quantifizierung weiträumiger anthropogener Wirkungen auf empfindliche Bereiche der Biosphäre befasst. • Bei der spartenbezogenen technologischen Betrachtung kann der Nutzen von Chemikaliengruppen im Anwendungsbereich, z.B. von optischen Aufhellern in Waschmitteln, Zusatzstoffen in Lebensmitteln, Insektiziden in der Landwirtschaft, unmittelbar einem eventuellen Risiko gegenübergestellt werden. • Ein medienorientierter Ansatz, bei dem die primär belasteten Umweltbereiche Luft, Wasser und Boden sowie die kritischen Transportwege für Schad- und Belastungsstoffe innerhalb dieser Umweltmedien untersucht werden, eignet sich vor allem für die Festsetzung von Emissions- und Immissionsgrenzwerten. In den derzeit entwickelten Umweltindikatorsystemen, die auf dem DPSIR-Konzept aufbauen, sind die Schadstoffaspekte den drei Kategorien „Belastungsfaktoren“ (,Pressure'), „Medien und Ressourcen“ (,State') und „Folgen, Wirkungen“ (,Impact') zugeordnet. Die vorliegende Gliederung folgt dem medienorientierten Ansatz Luft in Abschn. 5, Wasser in den Abschn. 6 und 7, Boden/Abfall in den Abschn. 8 und 9. Es ist gleichzeitig die Klassifikation verschie-

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dener Emissionsarten - nach der Herkunft von Schad- und Belastungsstoffen aus Autos, Fabriken, Siedlungen, Deponien, usw. Darüber hinaus ist es auch eine Aufteilung nach den bearbeitenden Disziplinen - Abwasserwirtschaft, Wasserversorgung, Abfallwirtschaft, Altlasten-Sicherung (Bauingenieurwesen); Industrieabwasserreinigung, Müllverbrennung, Luftreinhaltung sowie biologische, chemische und thermische Altlasten-Behandlung (Verfahrenstechnik). Tabelle 3.1 gibt eine Übersicht über wichtige Schadstoffquellen und die Belastungsschwerpunkte von Luft, Wasser und Boden. Gefahrstoffrecht Im weitesten Sinne versteht man unter Gefahrstoffrecht die Gesamtheit aller Regelungen, die dem Schutz von Mensch und Umwelt vor gefährlichen Stoffen dienen sollen. Man unterscheidet das allgemeine Gefahrstoffrecht mit dem Chemikaliengesetz und seinen Verordnungen und das spezielle Gefahrstoffrecht, das eine Vielzahl von Gesetzen wie das DDT -Gesetz umfasst (Abb. 3.1).

Abb. 3.1 Allgemeine und spezielle Regelungen des Gefahrstoffrechts

SCHADSTOFFE

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Tabelle 3.1 Bedeutende Schadstoffquellen und die Umweltmedien, in denen die entsprechenden Schadstoffe transportiert oder gespeichert werden

I/14 Tabelle 3.1 Fortsetzung

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SCHADSTOFFE

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Das Chemikaliengesetz enthält vor allem Ermächtigungen zum Erlass von Rechtsverordnungen; die bedeutendste ist die Gefahrstoffverordnung. Das Gesetz ist nicht ausschließlich der Umweltpflege gewidmet, da es auch besondere giftrechtliche und arbeitsschutzrechtliche Bestimmungen trifft. Es unterscheidet zwischen alten Stoffen, die vor dem 18. Sept. 1981 in einem Mitgliedstaat der Europäischen Gemeinschaft bereits in den Verkehr gebracht worden sind (European Inventory of Existing Chemical Substances: EINECS), und neuen Stoffen, die nicht im Europäischen Altstoffverzeichnis aufgeführt sind. Neue Stoffe müssen bei der Bundesanstalt für Arbeitsschutz, Dortmund, angemeldet werden, wenn sie erstmals in einer Gesamtmenge von 1 t oder mehr jährlich von einem Hersteller in einem der Mitgliedstaaten der EU in den Verkehr gebracht werden. Bei einer Produktionsmenge bis 100 t muss eine Grundprüfung durchgeführt werden; über 100 t oder gar 1.000 t jährlich erfordern zusätzliche aufwändige Tests, z.B. solche zur Toxizität gegenüber Bodenorganismen oder zur Mobilität im Wasser, im Boden und in der Luft. Neue Stoffe werden in der „Europäischen Liste der angemeldeten chemischen Stoffe“ (European List of Notified Chemical Substances, ELINCS) eingetragen. Die EWG-Nummer wird als 7stellige Ziffernsequenz angegeben, die ersten 6 Ziffern als eigentliche Nummerierung der mehr als 100.000 Altstoffe (200-001-8 bis 310-192-0) und der neuen Stoffe (ab Nummer 400-010-9); die 7. Ziffer ist eine Kontrollziffer (Beispiele in Tabelle 3.2). Eine andere, vielfach verwendete Nummer zur Charakterisierung von Stoffen ist die CAS-Registrier-Nummer („Chemical Abstract Service“), die seit 1965 weltweit zur eindeutigen Kennzeichnung (ohne chemische Bedeutung!) vergeben wird (Tabelle 3.3). Die Gefahrstoffverordnung in der Fassung vom 15. November 1999 enthält Reglungen über die Einstufung, über die Kennzeichnung und Verpackung von gefährlichen Stoffen, Zubereitungen und bestimmten Erzeugnissen sowie über den Umgang mit Gefahrstoffen. Sie nimmt in dieser Fassung Bezug auf Richtlinien der Europäischen Gemeinschaften. Wer gefährliche Stoffe und Zubereitungen in den Verkehr bringt, hat gemäß §13 ChemG neben der Verpflichtung zur Verpackung die Pflicht zur Einstufung und Kennzeichnung. Der Gesetzgeber hat dazu Gefahrensymbole mit dazugehörigen Gefah-

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renbezeichnungen und Kennbuchstaben für Verbindungen mit bestimmten Gefährlichkeitsmerkmalen festgelegt. Tabelle 3.2 Beispiele für EWG-Nummern

Tabelle 3.3 Beispiele für CAS-Nummern

In §15 GefStoffV sind Herstellungs- und Verwendungsverbote für 21 Stoffe genannt, z.B. für Asbest, Benzol, Antifoulingfarben (vor allem organische Zinnverbindungen), Arsen, Quecksilber, Cadmium und deren Verbindungen, aliphatische Chlorkohlenwasserstoffe, Pentachlorphenol und seine Verbindungen, Teeröle, Vinylchlorid, Polychlorierte Biphenyle und Terphenyle, DDT und biopersistente Fasern.

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Energie und Klima

Der Klimawandel als Folge eines verstärkten Eintrags von „Treibhausgasen“ in die obere Erdatmosphäre wird in seinem Ausmaß vermutlich alle bisherigen Umweltkrisen übertreffen. Trotz der noch beträchtlichen Unsicherheiten bei der Interpretation der bislang vorliegenden Daten und Modelle muss nach der überwiegenden Meinung von Experten mit einer weiteren Erwärmung der unteren Erdatmosphäre, hauptsächlich ausgelöst durch anthropogene Einflüsse, gerechnet werden. Eine Weltkarte „Global Warming: Early Warning Signs" verzeichnet derzeit 89 Beispiele von • direkten Nachweisen („fingerprints“) ausgedehnter und langfristiger Trends zu wärmeren globalen Temperaturen. Zu dieser Kategorie zählen Meeresspiegelerhöhungen mit Über-

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renbezeichnungen und Kennbuchstaben für Verbindungen mit bestimmten Gefährlichkeitsmerkmalen festgelegt. Tabelle 3.2 Beispiele für EWG-Nummern

Tabelle 3.3 Beispiele für CAS-Nummern

In §15 GefStoffV sind Herstellungs- und Verwendungsverbote für 21 Stoffe genannt, z.B. für Asbest, Benzol, Antifoulingfarben (vor allem organische Zinnverbindungen), Arsen, Quecksilber, Cadmium und deren Verbindungen, aliphatische Chlorkohlenwasserstoffe, Pentachlorphenol und seine Verbindungen, Teeröle, Vinylchlorid, Polychlorierte Biphenyle und Terphenyle, DDT und biopersistente Fasern.

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Energie und Klima

Der Klimawandel als Folge eines verstärkten Eintrags von „Treibhausgasen“ in die obere Erdatmosphäre wird in seinem Ausmaß vermutlich alle bisherigen Umweltkrisen übertreffen. Trotz der noch beträchtlichen Unsicherheiten bei der Interpretation der bislang vorliegenden Daten und Modelle muss nach der überwiegenden Meinung von Experten mit einer weiteren Erwärmung der unteren Erdatmosphäre, hauptsächlich ausgelöst durch anthropogene Einflüsse, gerechnet werden. Eine Weltkarte „Global Warming: Early Warning Signs" verzeichnet derzeit 89 Beispiele von • direkten Nachweisen („fingerprints“) ausgedehnter und langfristiger Trends zu wärmeren globalen Temperaturen. Zu dieser Kategorie zählen Meeresspiegelerhöhungen mit Über-

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flutungen in Küstengebieten, das verstärkte Abschmelzen von Berggletschern und die signifikante Erwärmung der Arktis und Antarktis; Vorboten („harbingers“) für Ereignisse, die man mit zunehmender Erwärmung immer häufiger erwarten muss. Zu dieser Kategorie rechnet man z.B. veränderte Aktivitätsmuster von Krankheitserregern, die Verschiebung der Lebensräume von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen, das Ausbleichen von Korallenriffen, häufigere Wolkenbrüche, starke Schneefälle und Überflutungen sowie die Häufung von Dürren und Bränden.

Die Beobachtungen im globalen und regionalen Maßstab und die Resultate aus physico-chemischen und statistischen Klimamodellen lassen sich zu folgenden Trendaussagen zusammenfassen 1. Die Erwärmung um etwa 0,7°C während der vergangenen 100 Jahre in unseren Breiten ist wahrscheinlich bereits stärker auf menschliche Einflüsse als auf natürliche Treibhauseffekte zurückzuführen. 2. Der globale Temperaturanstieg wird bis zum Jahr 2100 etwa 1°C bis 3,5°C betragen. Diese voraussichtliche Änderung ist einschneidender als jeder Klimawandel in den letzten 10.000 Jahren; der größte Temperaturanstieg wird in den kalten Regionen des Nordens im Winter stattfinden; 3. der mittlere Meeresspiegel wird bis zum Jahr 2100 um 15 bis 95 Zentimeter ansteigen. Klimazonen (und damit Ökosysteme und landwirtschaftlich genutzte Gebiete) können sich in mittleren Breiten um 150 km bis 550 km zu den Polen hin verlagern; 4. der globale Klimawandel wird in Zukunft die Häufigkeit, die Größenordnung und den Ort von Extremereignissen (Hitzewellen, Wirbelstürme, Überschwemmungen) spürbar beeinflussen; 5. Nahrungsmittelversorgung, Wasserreserven, wirtschaftliche Aktivitäten, Siedlungsgebiete und die Gesundheit des Menschen werden auf vielfältige Weise direkt und indirekt in Mitleidenschaft gezogen werden.

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Die internationale Reaktion auf diese Befunde entwickelt sich über die großen Konferenzen der Vereinten Nationen: Auf der ersten Weltklimakonferenz 1979 setzte sich die Erkenntnis durch, dass es sich beim Klimawandel um ein ernstzunehmendes Problem handelt. Das Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen über Klimaänderungen (die „Klimakonvention“) von 1992 wurde in Rio de Janeiro von 154 Staaten und der Europäischen Gemeinschaft unterzeichnet. Auf der COP-3 (Konferenz der Vertragsparteien) im Dezember 1997 wurde das Protokoll von Kyoto verabschiedet. Es verpflichtet die Industrieländer rechtsverbindlich dazu, ihre gemeinsamen Treibhausgasemissionen innerhalb des Zeitraums 2008 bis 2012 gegenüber dem Ausgangsjahr 1990 um mindestens 5 Prozent zu reduzieren.

4.1 Charakteristika der Treibhausgase Die wichtigsten klimawirksamen Spurengase sind mit einigen ihrer Charakteristika und anthropogenen Veränderungen in Tabelle 4.1 zusammengestellt; die prozentuale Aufspaltung der Emissionen geht aus Tabelle 4.2 hervor. Tabelle 4.1 Charakteristika der Treibhausgase, deren atmosphärische Konzentration durch menschliche Aktivitäten erhöht wird

ENERGIE UND KLIMA

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Tabelle 4.2 Prozentuale Aufschlüsselung der in Tabelle 4.1 genannten anthropogenen Treibhausgas-Emissionen

Der größte Anteil am zusätzlichen „Treibhauseffekt“, jeweils bezogen auf die Konzentration, wird mit etwa 60% dem Kohlendioxid zugeschrieben, gefolgt von Methan (15%), den Fluorkohlenwasserstoffen (11%)und Distickstoffoxid (4%) (Tabelle 4.1). Die anthropogenen Emissionen von Kohlendioxid gehen zu 75 % auf die Nutzung der fossilen Energie zurück, d.h. auf die Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas (einschl. Verkehr); 20% stammen von Rodungen des tropischen Regenwaldes, vor allem in Südamerika, sowie des borealen Nadelwaldes, z.B. in den GUS und in Kanada (Tabelle 4.2). Auch beim Methan trägt die Nutzung fossiler Energieträger wesentlich zu den anthropogenen Emissionen bei, wenn man das beim Kohlebergbau freiwerdende Grubengas, die Verluste bei der Gewinnung und beim Transport von Erdgas und die industriellen Ausgasungen addiert. Über die relativ hohen Methan-Emissionen aus der Viehhaltung und aus dem Reisanbau besteht eine enge Verbindung

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zur Ernährung und Weltbevölkerungszahl. Von allen klimawirksamen anthropogenen Emissionen sind allein die FCKW-Einträge rückläufig - von einem Spitzenwert bei etwa 1 Mt (Megatonne) sind sie in den letzten Jahren auf ca. 0,4 Mt zurückgegangen. Distickstoff-Oxid wird u.a. bei der Bodenbearbeitung emittiert. Der Wasserdampf, der beim natürlichen Treibhauseffekt dominiert, spielt bei der anthropogenen Verstärkung praktisch keine Rolle, weil die natürliche Verdunstung sehr viel größer ist.

4.2 Rationelle Energieerzeugung Eine systematische Steigerung der Effizienz bei der Erzeugung und dem Verbrauch von Energie ist der Schlüssel für eine nachhaltige Entwicklung. Bei der Stromerzeugung sind an erster Stelle Kraftwerke mit höheren Wirkungsgraden, speziell KWK-Anlagen auf der Grundlage des Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzes. Eine zentrale Zukunftstechnologie ist die Brennstoffzelle, die aus Wasserstoff, Erdgas oder Methanol mit hohen Wirkungsgraden und geringem Schadstoffausstoß Strom und Wärme erzeugt. Entkarbonisierung Vor diesen langfristigen Maßnahmen, die mit der Umsetzung von Einsparpotentialen, dem verstärkten Einsatz von Erneuerbaren Energien und letztlich auch mit einer Abscheidung und Entsorgung von CO2 die CO2-Einträge in die Atmosphäre bis zum Jahr 2050 halbieren sollen, ist die Entkarbonisierung - der Übergang zu wasserstoffreicheren Rohstoffen - ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz. Abb. 4.1 zeigt die spezifischen CO2-Emissionen bei der Verbrennung von Braunkohle, Steinkohle, Erdöl und Erdgas, die sich wie 121:100:88:58 verhalten und weltweit von 1870 bis 1995 bereits von 0,8 t C auf 0,4 t C/kW Primärenergiebedarf gesunken sind. Kraft-Wärme-Kopplung Der Dauerbedarf an Strom wird mit Grundlastkraftwerken erzeugt, die sich durch hohe Kapitalkosten und relativ niedrige Brennstoff(Wasser- und Atomkraft, Braunkohle) und Betriebskosten auszeichnen. Mittellastkraftwerke auf Steinkohlebasis werden überwiegend am Tag und in den Wintermonaten eingesetzt. Spitzenlastkraftwerke

ENERGIE UND KLIMA

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haben relativ niedrige Investitionskosten, benötigen jedoch zur Deckung kurzzeitiger Stromspitzen teuren Brennstoff, im allgemeinen Öl und Gas. Nahezu die gesamte Stromabgabe, die über das Netz der öffentlichen Stromversorgung verteilt wird, stammt aus Kondensationskraftwerken. In deren Turbinen expandiert der produzierte Dampf hohen Drucks und hoher Temperatur bis zu dem im Kondensator erzeugten Vakuum (für ein möglichst großes Wärmegefälle). Diese Kraftwerke wandeln im Durchschnitt nur 38% der eingesetzten Energie in Strom um (Brutto-Wirkungsgrad); wenn man noch den Strombedarf abzieht, der für den Betrieb der Kraftwerksanlagen notwendig ist (Pumpen, Kohlemühlen, etc.), sowie die Netzverluste, so kommen von der eingesetzten Primärenergie nur 34% beim Verbraucher an. Der Nutzungsgrad der Stromanwendung für Wärmezwecke ist schlechter als der aller übrigen Heizungstechnologien.

Abb. 4.1 Wasserstoff/Kohlenstoffverhältnis verschiedener Kraft- und Brennstoffe

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Ursachen von Luftbelastungen

Die Verschmutzung der Luft mit den Auswirkungen auf die aquatischen und terrestrischen Ökosysteme ist ein typisches UmweltSyndrom der dritten Generation, das nicht mit einfachen Lösungsansätzen, kalkulierbaren Kosten und innerhalb politisch überschaubaren Zeitskalen zurückgeschraubt werden kann. Bis eine weltweite nachhaltige Reduktion der Luftschadstoffe erreicht ist, werden bspw. in vielen Waldökosystemen die Böden irreversibel verändert sein. Aus diesen Gründen ist die Schadstoffbelastung der Luft ein wichtiger Indikator in nationalen und internationalen Nachhaltigkeitsstrategien. Abb. 5.1 zeigt am Beispiel der Bundesrepublik Deutschland, wie sich die Stickoxidemissionen von insgesamt etwa 2,5 Millionen Tonnen auf die verschiedenen anthropogenen Quellen verteilen. Sie verdeutlicht zudem die Veränderungen im Anteil der einzelnen Emittentengruppen zwischen 1970 und 1994. So sind die NOx-Emissionen aus Industriefeuerungen in dieser Zeit kontinuierlich um insgesamt 60 Prozent zurückgegangen, während die Stickoxidabgaben aus Kraftund Heizwerken zunächst zwischen 1970 und 1984 um etwa 20 Prozent anstiegen, dann aber durch die Umsetzung der Großfeuerungsanlagenverordnung von 1983 innerhalb weniger Jahre um 60 Prozent reduziert wurden. Die Stickoxidemissionen aus dem Straßenverkehr haben sich zwischen 1970 und 1994 nahezu verdoppelt und machen damit die Erfolge auf den anderen Gebieten weitgehend zunichte.

Abb. 5.1 Trends für Emissionen von Stickoxiden aus verschiedenen Quellen in der Bundesrepublik Deutschland

Tabelle 5.1 Eigenschaften wichtiger Spurengase in der Troposphäre

URSACHEN VON LUFTBELASTUNGEN I/23

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Luftschadstoffe in der Troposphäre Die Troposphäre ist die unterste Luftschicht der Erdatmosphäre und erstreckt sich bis zu einer Höhe von ca. 12 km über dem Erdboden. Sie zeichnet sich durch eine relativ rasche konvektive Durchmischung der Luftmassen aus. Neben den Hauptbestandteilen N2 und O2 enthält die Troposphäre eine Reihe von Spurengasen, deren Vorkommen bzw. signifikante Anreicherung auf menschliche Aktivitäten in Industrie, Verkehr, Haushalten und Landwirtschaft zurückzuführen ist (Tabelle 5.1). In der Troposphäre können diese Stoffe entweder weiterreagieren oder zusätzlich aus anderen Quellen meist auf chemischem Weg entstehen. Bspw. wird Methan wie die anderen in die Atmosphäre emittierten Kohlenwasserstoffe über CO zu CO2 abgebaut - und trägt damit zum Treibhauseffekt bei. Entstehung von Stickoxiden Stickoxide entstehen aus dem organisch gebundenen Stickstoff und aus dem Luftstickstoff bei hohen Temperaturen. Dabei fördert O2 die Reaktion. In der Atmosphäre wird NO allmählich durch Reaktion mit atomarem Sauerstoff in NO2 umgewandelt. NO2, das stark giftig ist, ist bei normaler Feuerung zu ca. 5% in den Stickoxiden enthalten; lediglich bei Gasturbinen ist der Anteil höher und kann dort im Leerlauf bis zu 50% betragen. Die Bildung von Stickoxiden ist kein einfacher Vorgang und es gibt noch keine schlüssige Theorie der Entstehung. „Thermisches NOx“ entsteht bei hoher Temperatur; „promptes NOx“ bildet sich bei der Brennstoffumsetzung im Überschuss von atomarem Sauerstoff und wird über Kohlenwasserstoffe katalysiert. „Brennstoff-NOx“ ist im Brennstoff gebunden und wird von dort bereits bei mäßigen Temperaturen freigesetzt (Abb. 5.2). Faktoren, welche die Entstehung und Menge von NOx beeinflussen, sind: Luftüberschuss, Stickstoffgehalt im Brennstoff, Betriebsweise (Grundlast, Anfahren, Lastfolge), der Grad der Verschmutzung, der Anteil an anderen Brennstoffen, sonstige Emissionen mit möglichen Katalyseeffekten. Für das Ausmaß an NOx-Emissionen bei der Kohleverbrennung ist neben der Art der verwendeten Kohle die Feuerungsart wichtig: Man unterscheidet dabei zwei Haupttypen: Trockenfeuerung und Schmelzfeuerung. Diese beiden Verfahren unterscheiden sich vor allem durch die Verbrennungstemperatur und das Verhältnis von anfallender

URSACHEN VON LUFTBELASTUNGEN

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Schlacke zu Filterstaub. Im erstgenannten Typ fällt nur ein geringer Asche-Anteil als Schlacke an (ca. 15%). Der größte Teil läuft als Flugstaub durch die Kesselzüge und wird mit hohem Wirkungsgrad in Elektrofiltern abgefangen. Die Verbrennungstemperaturen liegen bei der Trockenfeuerung bei 1100 bis 1350°C. Bei der Schmelzfeuerung beträgt die Temperatur je nach Kesseltyp und Kohleart 1400 bis 1550°C. Dabei wird der Erweichungspunkt der Aschen überschritten; 60 bis 85% der eingebrachten Aschen werden durch Rotation der Feuersäule an die Wandungen geschleudert und fließen in ein sich unter dem Feuerungsraum befindliches Wasserbad. Die Schmelze erstarrt und zerfällt in grobkörniges Granulat (cm-Bereich), das sich als Straßenbau-Rohstoff und an die Bauindustrie gut verkaufen lässt.

Abb. 5.2 NOx-Bildung bei der Kohleverbrennung

Vom technologischen und ökonomischen Standpunkt aus betrachtet weisen beide Verfahren folgende Vor- bzw. Nachteile auf: Die Trockenfeuerung wird bei der Verbrennung relativ aschearmer Kohlen bevorzugt und ist technisch einfacher zu handhaben. Probleme bereiten vor allem die großen Flugstaubmengen. Diese Feuerungsart

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wird überwiegend (mehr als 98%) bei den Braunkohlekraftwerken eingesetzt, wo wegen der großen Tagebaue eine anschließende Deponie der Stäube keine großen Schwierigkeiten bereitet. Bei der Schmelzfeuerung spielt der Aschegehalt der Kohlen keine so große Rolle, und dieser Typ wird deshalb bevorzugt bei der Verfeuerung ballastreicher Stein- und Magerkohlen eingesetzt. Da ein Großteil der Schlacke letztlich als Granulat anfallt, reduzieren sich die Betriebskosten. Außerdem wird durch Ascherückführung quasi sämtliche Asche (> 95%) zu Granulat. Nachteilig ist der relativ große Wärmeverlust durch die flüssige Schlacke sowie die durch die hohen Temperaturen bedingte Korrosionsgefahr und die erhöhte Emission von Stickoxiden. Entstehung von Schwefeldioxid Für die SO2-Emissionen ist zunächst festzustellen, dass Schwefel in den fossilen Brennstoffen in unterschiedlichen Bindungsformen vorliegt. In anorganischer Form ist dies der Sulfatschwefel, z.B. CaSO4, in sulfidischer Form überwiegend der Pyrit (FeS2); außerdem kommt Schwefel als gasförmiger Schwefelwasserstoff (H2S), als elementarer Schwefel im Erdöl sowie zusammen mit organischen Bindungsformen im Erdöl sowie in Stein- und Braunkohlen vor. Der organisch gebundene Schwefelgehalt in deutschen Steinkohlen beträgt im Mittel 0.8%; dieser Schwefel kann durch mechanisch-aufbereitungstechnische Maßnahmen nicht abgetrennt werden. Allein der im Pyrit gebundene Schwefel (ca. 1%) kann durch mechanische Maßnahmen vor der Verbrennung abgeschieden werden. Mit dieser Methode, die verfahrenstechnisch weitgehend gelöst ist, kann der Schwefelgehalt von Kraftwerkskohle von 13 auf 10g/kg Steinkohleneinheit (SKE) gesenkt werden. Die Tabelle 5.2 zeigt den Schwefelgehalt verschiedener fossiler Brennstoffe. Tabelle 5.2 Schwefelgehalt verschiedener fossiler Brennstoffe in kg, bezogen auf die Menge an Brennstoff, die einem brennwert von 1 Gigajoule (= 109 J) entspricht

GEWÄSSERGÜTE UND WASSERBESCHAFFENHEIT I/27

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Gewässergüte und Wasserbeschaffenheit

Techniken zur Gewinnung und Zu- bzw. Ableitung von Wasser waren bereits ein Bestandteil der frühen Kulturgeschichte. Dagegen haben die Technologien zur Reinigung von Wasser und Abwasser erst mit der Industrialisierung eingesetzt und dann eine rasche Entwicklung genommen. Siedlungswasserbau als traditionelles Fachgebiet des Bauingenieurwesens umfasst heute auch die Aufbereitung von Trinkwasser (Kap. 7), von kontaminiertem Grundwasser (Kap. 8) und die Behandlung von Sickerwässern aus Deponien (Kap. 9). Dabei rücken einerseits Verfahrens- und Informationstechniken und andererseits die sozioökonomischen Aspekte immer stärker in den Vordergrund. Die künftige Siedlungswasserwirtschaft muss vorrangig die Versorgungsprobleme in den Entwicklungsländern und den großen Ballungszentren („Megacities“) lösen, soll aber auch die Nachhaltigkeitsstrategien im Gewässerschutz auf regionalem Maßstab unterstützen. Hier ist es vor allem die EG-Wasserrahmenrichtlinie mit den Zielen einer guten Qualität und eines guten ökologischen Potenzials der Oberflächengewässer, deren Umsetzung über nationales Recht erfolgt. Im deutschen Wasserhaushaltsgesetz wurde der Grundsatz „Die Gewässer sind als Bestandteil des Naturhaushaltes und als Lebensraum für Tiere und Pflanzen zu sichern; sie sind so zu bewirtschaften, dass sie dem Wohl der Allgemeinheit und im Einklang mit ihm auch dem Nutzen einzelner dienen und vermeidbare Beeinträchtigungen ihrer ökologischen Funktionen unterbleiben" (§la WHG) mit drei zusätzlichen Forderungen in das Leitbild Nachhaltigkeit eingebunden: • auch vermeidbare Beeinträchtigungen der direkt von den Gewässern abhängenden Landökosysteme und Feuchtgebiete müssen unterbleiben; • mögliche Verlagerungen auf ein anderes Schutzgut sind zu berücksichtigen; • ein hohes Schutzniveau für die Umwelt insgesamt, unter Berücksichtigung der Erfordernisse des Klimaschutzes, ist zu gewährleisten.

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Aus technologischer Sicht besitzen die Bilanzierung von Schadstoffflüssen in urbanen Wasser- und Abwassersystemen sowie die Erfassung von Abflüssen in den urbanen Untergrund mittelfristig erste Priorität. Potenziale für eine nachhaltige Bewirtschaftung von Oberflächen- und Grundwasser liegen vor allem in der Nutzung von sog. sekundären Ressourcen bei der Optimierung und dem Betrieb siedlungswasserwirtschaftlicher Systeme: • Minimierung der Materialintesität. Unter diesen Punkt fallen die in großem Umfang verwendeten Materialien wie Kies und Stahl; • Minimierung des Chemikalieneinsatzes. Dabei kommt es weniger auf Gewicht oder Volumen als vielmehr auf die Umweltrelevanz der Chemikalien an. • Minimierung des Energieeinsatzes. Beispiele sind der Betrieb von Pumpen für Wasser und Abwasser oder für den Lufteintrag bei der biologischen Abwasserbehandlung. Zu fördern ist vor allem die Rückführung von Energie - z.B. durch die Nutzung der Gasproduktion der Schlammbehandlung. Abwasserprobleme im 19. und 20. Jahrhundert Die Beseitigung von Abwässern war zunächst ein Anliegen der öffentlichen Gesundheitspflege. Die ersten Impulse gingen von England aus, wo das Wasserklosett nach Jahrtausenden der Vergessenheit um 1775 wieder in Gebrauch gekommen war. Seit Beginn des 19. Jahrhunderts wurden unterirdische Kanäle angelegt, die den städtischen Unrat auf kürzestem Wege dem nächsten Vorfluter zuführten. Zusammen mit dem WC wurde die Schwemmkanalisation in den Städten Englands bald als unentbehrlich empfunden. Die Industrie, die sich in dieser Zeit auf maschinelle Fertigung umstellte, siedelte sich bevorzugt an diesen Wasserläufen an, die sich in kurzer Zeit in eine „kochende, stinkende Masse“ verwandelten. Nach einer ersten großen Cholera-Epidemie, an der etwa 10.000 Menschen erkrankten und die Hälfte davon starben, setzten in England Maßnahmen zur Städtereinigung ein, die für das übrige Europa richtungsweisend wurden: 1858 wurde die Local Government Act erlassen, die eine Gewässerverunreinigung verbot, wenn andere Interessen geschädigt werden könnten;

GEWÄSSERGÜTE UND WASSERBESCHAFFENHEIT I/29 1861 forderte ein weiteres Gesetz, die Abwässer vor der Einleitung in Flüsse zu reinigen, 1886 wurde eine erste, später weitere königliche Kommission zum Studium von Abhilfemaßnahmen eingesetzt. Die sanitären Erfolge zeigten sich in England bald durch ein Sinken der Sterblichkeitsziffer; allein durch Schaffung der sog. „Sanitary Works“ nahm der Typhus in 21 Städten um 33 bis 75% ab. Diese Erfolge verhinderten nicht, dass im Spätsommer 1892 Hamburg, als einzige europäische Großstadt, zum Schauplatz einer verheerenden Cholera-Epidemie wurde, die 10.000 Menschen das Leben kostete. Robert Koch, der 1884 den Erreger der Cholera entdeckt hatte, sprach nach einem Besuch der „Gängeviertel“, die besonders schwer betroffen waren: „Meine Herren, ich vergesse, dass ich in Europa bin“. Die Gewässerprobleme des 20. Jahrhunderts - in den Industriestaaten teilweise gelöst (Abb. 6.1) - sind überwiegend durch Abwassereinleitungen verursacht.

Abb. 6.1 Gewässerprobleme und ihre Behandlung in Europa

Umsetzung der EG-Wasserrahmenrichtlinie Die Gewässergütewirtschaft in Deutschland orientiert sich seit Dezember 2000 an der EG-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL), deren Ziel es ist, auf der Grundlage von Flussgebietsplänen mit Maßnahmen innerhalb von 16 Jahren einen guten ökologischen und chemischen Zustand für die oberirdischen Gewässer in den EU-Staaten zu errei-

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chen. Die Ausführung in den Bundesländern erfolgt nach der Musterverordnung zur Umsetzung der Anhänge II und V der EG-Richtlinie: • Anhang II regelt im Einzelnen die Beschreibung der Gewässer, insbesondere die Festlegung von Gewässertypen, deren Referenzbedingungen sowie die Zusammenstellung der Belastungen, denen die Gewässer ausgesetzt sind; • Anhang V enthält die Anforderungen an die Festlegung, Einstufung, Überwachung und Darstellung des Zustands der Gewässer. Die Musterverordnung unterscheidet wie auch diese beiden Anhänge zur Wasserrahmenrichtlinie zwischen den Regelungen für Oberflächengewässer (Flüsse, Seen, Übergangsgewässer, Küstengewässer) und den Regelungen für das Grundwasser. „Verschmutzungen“ umfassen auch die Einträge aus anderen Medien, z.B. die Schadstoffeinträge aus der Luft (§3, Nr. 7). Die „Referenzbedingungen für die Gewässertypen“ müssen den sehr guten ökologischen Zustand eines Gewässers gemäß Anhang V Nr. 1.2 WRRL definieren (§4, Abs. 4). Wesentliche Grundsätze und Forderungen für die Bewertung der Oberflächengewässer sind [6.10]: • Die signifikanten Belastungen der Oberflächengewässer sind zusammenzustellen und aufzubewahren. Der Anhang 2 zu §5 enthält u.a. eine Liste prioritärer Stoffe von Punktquellen und diffusen Quellen. Signifikant ist nicht mit dem Begriff „erheblich“ gleichzusetzen, der auch quantitative Aspekt enthält. • Der ökologische Zustand der Oberflächengewässer ist nach biologischen und unterstützend nach hydromorphologischen sowie chemischen und chemisch-physikalischen Qualitätskomponenten einzustufen. Die Anhänge 3 und 4 zu §6 führen diese Kriterien für die einzelnen Gewässerkategorien auf. Anh. 4 verzeichnet tabellarisch die Anforderungen an die Einstufung des ökologischen Zustands; im Anhang 4.2 sind die in diesen Tabellen genannten Umweltqualitätsnormen für ,spezifische synthetische Schadstoffe' und ,spezifische nicht synthetische Schadstoffe' aufgelistet, die zu überwachen und einzuhalten sind, wenn die aufgeführten

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•

Stoffe in signifikanten Mengen in den Oberflächenwasserkörper eingetragen werden (vgl. §5). Der chemische Zustand der Oberflächengewässer ist entsprechend Anhang V Nr. 1.4.3 WRRL als ,gut' oder ,nicht gut' einzustufen. Die Einhaltung ist von der Einhaltung der in Anhang 5 zu §7 genannten, auf EU-Ebene festgelegten Umweltqualitätsnormen abhängig.

Die §§8 und 9 beschreiben die Überwachung („Überwachungsnetz“) und die Anforderungen zur Einstufung des ökologischen und chemischen Zustandes der Oberflächengewässer - in Deutschland für 10 Flussgebietseinheiten.

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Trinkwasserversorgung

Wasser ist eine essentielle, d.h. unverzichtbare Ressource. Wasser ist Rohstoff der Photosynthese, wir nutzen es als Betriebsmittel, zum Kühlen und Reinigen; es ist landschaftsprägendes Element, Verkehrsweg und Erholungsraum, Medium für den Transport und Abbau von Abfällen. In erster Linie ist Wasser ein Lebensmittel und seine Bewirtschaftung erfordert eine gleichrangige Beachtung ökologischer, ökonomischer und sozialer Kriterien. In vielen Gebieten der Erde steht die Ressource Wasser an der Spitze der Agenda für eine zukunftsfähige Entwicklung, die jedoch wie der Klimaschutz - erst in einigen Jahrzehnten greifen kann. Derzeit fehlt 1,1 Milliarden Menschen der Zugang zu verbesserter Wasserversorgung und 2,4 Milliarden Menschen der Zugang zu verbesserter Abwasserentsorgung. Die Verdoppelung der Weltbevölkerung wird zu einer Versechsfachung des Wasserbedarfs führen. Bereits heute ist wegen der Übernutzung der Grundwasservorkommen vor allem in großen Ballungszentren die Wasserversorgung akut gefährdet; bspw. leiden über die Hälfte der Großstädte in China unter Wassermangel und mehr als 90 Prozent der Wasserressourcen, die dort eingesetzt werden, gelten als belastet. Regionale Konflikte um Wasserressourcen - Nil, Euphrat, Jordan - werden sich künftig noch verstärken. In den besser situierten Industrieländern sind die o.g. Nachhaltigkeitskriterien vor allem Argumentationshilfen in der kontroversen

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Stoffe in signifikanten Mengen in den Oberflächenwasserkörper eingetragen werden (vgl. §5). Der chemische Zustand der Oberflächengewässer ist entsprechend Anhang V Nr. 1.4.3 WRRL als ,gut' oder ,nicht gut' einzustufen. Die Einhaltung ist von der Einhaltung der in Anhang 5 zu §7 genannten, auf EU-Ebene festgelegten Umweltqualitätsnormen abhängig.

Die §§8 und 9 beschreiben die Überwachung („Überwachungsnetz“) und die Anforderungen zur Einstufung des ökologischen und chemischen Zustandes der Oberflächengewässer - in Deutschland für 10 Flussgebietseinheiten.

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Trinkwasserversorgung

Wasser ist eine essentielle, d.h. unverzichtbare Ressource. Wasser ist Rohstoff der Photosynthese, wir nutzen es als Betriebsmittel, zum Kühlen und Reinigen; es ist landschaftsprägendes Element, Verkehrsweg und Erholungsraum, Medium für den Transport und Abbau von Abfällen. In erster Linie ist Wasser ein Lebensmittel und seine Bewirtschaftung erfordert eine gleichrangige Beachtung ökologischer, ökonomischer und sozialer Kriterien. In vielen Gebieten der Erde steht die Ressource Wasser an der Spitze der Agenda für eine zukunftsfähige Entwicklung, die jedoch wie der Klimaschutz - erst in einigen Jahrzehnten greifen kann. Derzeit fehlt 1,1 Milliarden Menschen der Zugang zu verbesserter Wasserversorgung und 2,4 Milliarden Menschen der Zugang zu verbesserter Abwasserentsorgung. Die Verdoppelung der Weltbevölkerung wird zu einer Versechsfachung des Wasserbedarfs führen. Bereits heute ist wegen der Übernutzung der Grundwasservorkommen vor allem in großen Ballungszentren die Wasserversorgung akut gefährdet; bspw. leiden über die Hälfte der Großstädte in China unter Wassermangel und mehr als 90 Prozent der Wasserressourcen, die dort eingesetzt werden, gelten als belastet. Regionale Konflikte um Wasserressourcen - Nil, Euphrat, Jordan - werden sich künftig noch verstärken. In den besser situierten Industrieländern sind die o.g. Nachhaltigkeitskriterien vor allem Argumentationshilfen in der kontroversen

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Diskussion um die Liberalisierung des Wassermarktes, nachdem mit dem Strom- und Gasmarkt bereits zwei der wichtigsten Versorgungsmärkte auf Druck der Europäischen Union geöffnet wurden. Umweltbundesamt, Gemeindetage und andere Organisationen sehen den Gebietsschutz in der Wasserversorgung (§103 GWB) zusammen mit der Ausweisung von Schutzgebieten und ortsnahen Versorgungsstrukturen als wichtiges Fundament für die bestehende gute Trinkwasserqualität und für eine langfristig gesicherte Grundversorgung zu angemessenen Preisen in Deutschland. Die Handlungsfelder für eine nachhaltige Wasserpolitik in Deutschland und in vergleichbaren Industrieländern sind: • Reduzierung des Schadstoffeintrags, • Reduzierung der Grundwasserentnahmen, • verstärkte Nutzung von Oberflächenwasser, Regenwasser und Brauchwasser, • Verringerung des Wasserbedarfs und Dezentralisierung der Eingriffe in den Wasserhaushalt, sowie • Berücksichtigung der Kosten einer nachhaltigen Wasserversorgungswirtschaft im Wasserpreis. Vor allem die urbanen Wasser- und Abwassersysteme müssen anpassungsfähig sein, um künftigen umweltbezogenen Qualitätszielen und Forderungen zu entsprechen. Es gibt kein allgemein übertragbares, nachhaltiges Verfahren. Eine langsame Annäherung, die sowohl high-tech als auch low-tech Lösungen enthält, ist das wahrscheinlichste zukünftige Entwicklungsszenarium. Die Maßnahmen zur Gewinnung und Verteilung von Wasser müssen langfristig geplant werden und die Infrastrukturen, die im Rahmen der Siedlungswasserwirtschaft aufgebaut werden, haben eine lange Lebenserwartung. Der Wert aller Anlagen für die Wasserversorgung und Abwasserentsorgung beträgt etwa 20.000 € pro Einwohner. Finanzdienst und Amortisation dieses Betrags sowie die Betriebskosten ergeben etwa 1.000 € pro Einwohner und Jahr; würden diese Kosten über Gebühren erhoben (derzeit fließen noch überwiegend Steuergelder in diesen Sektor), wären ca. 7 € pro m³ Trinkwasser fällig. Jede Gemeinde muss für ihr Gebiet ein Planungsprojekt unterhal-

TRINKWASSERVERSORGUNG

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ten, das aufzeigt, wie sich die Wasserversorgung in Zukunft entwickeln soll • Entwicklung des Wasserbedarfs und der Beschaffung dieses Wassers, • Sicherstellung der Wasserbeschaffung und Schutz der Wasserressourcen, • Ausscheidung der Grundwasserschutzzonen, • Verteilung des Wassers. Die ideale Voraussetzung für die Wassergewinnung sind geeignete Wasservorkommen in unmittelbarer Nähe zum Verbraucher. Die Standortsuche wird jedoch durch konkurrierende Nutzungsansprüche erschwert (Abb. 7.1).

Abb. 7.1 Nutzungsansprüche an Oberflächen- und Grundwässer

Vor der Erschließung eines Vorkommens für die Trinkwasserversorgung müssen Untersuchungen über die räumliche Abgrenzung eines möglichen Gewinnungsgebietes, seine geologischen, hydrologischen, meteorologischen und hydrochemischen Verhältnisse angestellt werden. Bei der Herkunft unterscheidet man zwischen echtem Grundwasser, Quellwasser und Oberflächenwässern: In Deutschland sind Grund- und Quellwasser mit einem Anteil von

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etwa 70% der wichtigste Rohstoff für die Trinkwasserversorgung. Da Grundwasser aber nicht überall in der Menge verfügbar ist, wie es benötigt wird, ist die Wasserversorgung ohne den Zugriff auf Oberflächenwasser nicht denkbar. Von den ca. 30% Oberflächenwasseranteil für die Trinkwasserversorgung stammen etwa 50% aus Uferfiltrat- und künstlich angereichertem Grundwasser. Die Vorteile dieser Verfahren liegen in der Nutzung natürlicher Aufbereitungsvorgänge mit ihrer großen Pufferkapazität gegen unverhoffte Wasserverschlechterungen und der Möglichkeit, die gewinnbare Wassermenge durch technische Maßnahmen zu steigern. Je nach dem geologischen Aufbau des Grundwasserleiters unterscheidet man zwischen Lockergesteins-, Kluft- und Karstgrundwasser: • Lockergesteine haben eine hohe nutzbare Porosität von etwa 10 % bis 20%. Die Fließgeschwindigkeit des Grundwassers ist meist gering, und die Aufenthaltszeit im Untergrund ist groß. Das Grundwasser hat häufig ein gleichmäßiges, mittleres Energiegefälle. • Kluftgrundwasser fließt in Klüften und Spalten von Festgesteinen mit meist nur geringer Porosität von 1 % bis 2%. Die Fließgeschwindigkeiten ist häufig höher als im Lockergestein und das Energiegefälle meist unregelmäßig. • Karstgrundwasser zirkuliert in den Lösungshohlräumen von Kalk- und Dolomitformationen. Häufig steht solches Grundwasser in fast direktem Kontakt zur Oberfläche und Karstquellen reagieren rasch auf Regenereignisse und Schneeschmelze, was auf eine kurze Aufenthaltszeit des Wassers im Untergrund hinweist. Karstgrundwasser muss häufig mit aufwendigen Verfahren aufbereitet werden, um dauerhaft Trinkwasserqualität zu gewährleisten. Die Grundwasservorkommen in Deutschland sind im Vergleich zu vielen anderen europäischen Ländern als relativ bedeutend einzustufen. Allerdings ergibt sich eine sehr unterschiedliche regionale Verteilung. Nördlich der Mittelgebirge sind die Vorkommen überwiegend groß bis sehr groß, örtlich spielen sehr ergiebige Tiefengrundwässer in den Braunkohlensanden des Miozäns und den Kaolinsanden des Pliozän eine große Rolle, ebenso tief eingeschnittene, mit

TRINKWASSERVERSORGUNG

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Sanden verfüllte Rinnen, die allerdings keine großen Breiten erreichen. Quellwasser wird bevorzugt in den Mittelgebirgen und im Alpengebiet zur Versorgung kleinerer Gemeinden und Städte genutzt. Talsperren- und Seewasser ist für die Trinkwasserversorgung günstig wegen der Speicher- und Überwachungsmöglichkeiten, doch gibt es vielfach Probleme mit Eutrophierungserscheinungen. Die Überproduktion von Algen und deren Stoffwechsel und Abbauprodukte können zu Geruchs- und Geschmacksbeeinträchtigungen führen, die sich auch durch Aufbereitung nicht gänzlich beseitigen lassen. Wenn sich bei tieferen Seen die wärmeren oberen Lagen und kälteren unteren Schichten nicht durchmischen, wird der untere Wasserkörper bei hoher Überproduktion von Plankton sauerstoffarm oder gar anaerob. Genaue Beobachtungen sind notwendig, um die günstigste Tiefe für die Trinkwasserentnahme zu finden. Trinkwassernutzung und Einsparmöglichkeiten Am Beginn der Einrichtung der kommunalen Wasserversorgung stellt sich die Frage, wie viel Wasser der Mensch eigentlich braucht. Diese Frage ist weder damit zu beantworten, dass man Verbrauch und Bedarf einfach gleichsetzt, noch damit, dass zum Trinken und für die Zubereitung von Nahrung 2 bis 3 Liter pro Tag ausreichen. Der Bedarf wird auf der privaten Seite von den Lebensgewohnheiten im häuslichen Bereich bestimmt. Sie hängen eng mit der sanitären Ausstattung der Wohnungen und Häuser, der Zahl und Art wasserverbrauchender Geräte und den Ansprüchen an die Körperpflege zusammen. Bis heute kann man davon ausgehen, dass der Wasserverbrauch kaum von Überlegungen bestimmt wird, wie viel Wasser für einzelne Zwecke verbraucht wird, sondern von den Bequemlichkeiten und Vorteilen, die einzelne Nutzungsmöglichkeiten bieten. Dabei spielt sicher auch der verhältnismäßig niedrige Wasserpreis eine Rolle, vor allem aber die Gewissheit, über das Wasser jederzeit in beliebiger Menge verfügen zu können. Natürlich liegt es nahe, sich angesichts der unterschiedlichen Qualitätsanforderungen der in Tabelle 7.1 genannten Wassernutzungen Gedanken über Einsparungsmöglichkeiten zu machen. Eine Studie des Umweltbundesamtes über Möglichkeiten und Grenzen der Einsparung von Trinkwasser kommt zu dem Ergebnis, dass bei der Versorgung der Haushalte aus hygienischen Gründen nur das Toiletten-

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UMWELTSCHUTZTECHNIK

spülwasser von derzeit maximal 50 Liter/Einwohner/Tag durch Brauchwasser ersetzt werden könnte. Auch dieses Wasser müsste folgende Qualitätsanforderungen erfüllen: • keine Inhaltsstoffe, die zu Ablagerungen im Rohrnetz und an Sanitäreinrichtungen führen; keine aggressiven Eigenschaften gegenüber Rohrmaterialien; • ausreichende Haltbarkeit des Wassers auch bei längeren Aufenthaltszeiten zur Vermeidung von Geruchsbelästigungen; • hygienische Unbedenklichkeit zur Vermeidung von gesundheitlichen Schäden bei Fehlanschlüssen und durch Sprühinfektion. Die Investitionskosten für den nachträglichen Bau eines doppelten Leitungsnetzes werden auf 3.000 bis 6.000 € für eine private Wohneinheit geschätzt. Tabelle 7.1 Wasserverbrauch im Haushaltsbereich

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Stoffeinträge in Böden

Böden sind zuerst Träger und Vermittler von maßgeblichen Wachstumsfaktoren für die jeweilige Vegetation. Ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften bestimmen jedoch noch weitere wichtige Funktionen im Ökosystem, nämlich ihr Umsetzungs-, Filter- und Puffervermögen für feste, gelöste und gasförmige Stoffe. Böden sind ferner Lebensraum und Genpool, Teil der Landschaft und des kulturellen Erbes sowie Rohstofflieferant. Nachhaltiger stofflicher Bodenschutz erfordert deshalb nicht nur einen konsequenten Immissions-

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spülwasser von derzeit maximal 50 Liter/Einwohner/Tag durch Brauchwasser ersetzt werden könnte. Auch dieses Wasser müsste folgende Qualitätsanforderungen erfüllen: • keine Inhaltsstoffe, die zu Ablagerungen im Rohrnetz und an Sanitäreinrichtungen führen; keine aggressiven Eigenschaften gegenüber Rohrmaterialien; • ausreichende Haltbarkeit des Wassers auch bei längeren Aufenthaltszeiten zur Vermeidung von Geruchsbelästigungen; • hygienische Unbedenklichkeit zur Vermeidung von gesundheitlichen Schäden bei Fehlanschlüssen und durch Sprühinfektion. Die Investitionskosten für den nachträglichen Bau eines doppelten Leitungsnetzes werden auf 3.000 bis 6.000 € für eine private Wohneinheit geschätzt. Tabelle 7.1 Wasserverbrauch im Haushaltsbereich

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Stoffeinträge in Böden

Böden sind zuerst Träger und Vermittler von maßgeblichen Wachstumsfaktoren für die jeweilige Vegetation. Ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften bestimmen jedoch noch weitere wichtige Funktionen im Ökosystem, nämlich ihr Umsetzungs-, Filter- und Puffervermögen für feste, gelöste und gasförmige Stoffe. Böden sind ferner Lebensraum und Genpool, Teil der Landschaft und des kulturellen Erbes sowie Rohstofflieferant. Nachhaltiger stofflicher Bodenschutz erfordert deshalb nicht nur einen konsequenten Immissions-

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schutz, sondern muss mit einer neuen, integrierten Stoffwirtschaft einhergehen, bei der die Schadstoffe erst gar nicht in den Produktkreislauf gelangen. Die Komplexität der Bodenfunktionen hat dazu geführt, dass dieses Umweltmedium so spät unter den Schutz von Gesetzen und Verordnungen gestellt wurde. Andererseits war die lange Konzeptionsphase vorteilhaft, weil alle wesentlichen Problembereiche nun in einem integrierten Ansatz behandelt werden konnten: • der Schutz der Nahrungsmittel vor Risikostoffen, die sich im Boden anreichern, unmittelbar schädigend wirken oder in Nahrungsketten gelangen; • der Schutz vor einer weiteren Versauerung der Böden durch anhaltende und großflächige Zufuhr von Schwefeldioxid und Stickstoffoxiden, welche die Pufferungs- und Abbaufähigkeit des Bodens überfordern; • der Schutz der Grundwasservorräte vor weiteren Belastungen, insbesondere durch Stickstoffverbindungen aus Düngemitteln; • ein ökologisch vertretbarer Einsatz von Pflanzenschutzmitteln; und • die Sanierung von Altlasten aus Deponien und ehemaligen Industriestandorten Zweck des Bodenschutzgesetzes von 1999 ist es, „die Funktionen des Bodens nachhaltig in ihrer Leistungsfähigkeit zu erhalten oder wiederherzustellen“. Die Funktion des Bodens als Lebensgrundlage und Lebensraum für Tiere, Pflanzen und Bodenorganismen wird ausdrücklich hervorgehoben. Hierzu sind Gefahrenabwehr- und Beseitigungsmaßnahmen sowie Maßnahmen zur Vorsorge gegen künftige Belastungen zu ergreifen. Die am 17. 07. 1999 in Kraft getretene Bundes-Bodenschutz-Altlastenverordnung (BBodSchV) konkretisiert die Anforderungen an den Bodenschutz und die Altlastenbehandlung mit ihren Maßnahmen-, Prüf- und Vorsorgewerten sowie Untersuchungsanforderungen. Mit diesen Regelungen sind benachbarte Rechtsgebiete, z.B. in der Klärschlamm-Verordnung, Bioabfallverordnung und bei den Umweltverträglichkeitsprüfungen zu harmonisieren.

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UMWELTSCHUTZTECHNIK

Die nachstehenden Ausführungen befassen sich vorwiegend mit Schadstoffen in Böden und im Grundwasser. Bei den schwach- bis mittelkontaminierten Böden liegt der Schwerpunkt auf Anstrengungen zur Verringerung der Schadstoffeinträge und bei Verfahren zur Verminderung des Schadstofftransfers vom Boden in Nutzpflanzen. Bei den stark kontaminierten Böden stehen technische Maßnahmen zur Sicherung und Entgiftung von belasteten Feststoffen und zur Reinigung von stark verschmutzten Grundwässern an. Die Entwicklung des Standes der Technik lässt sich u.a. anhand der Konferenzserie „Contaminated Soil“ verfolgen. Stoffliche Einwirkungen auf den Boden, deren Folgen sowohl qualitativ (z.B. Toxizität oder Persistenz) als auch quantitativ (z.B. Versauerung oder Auswaschung) problematisch sein können, stammen aus industriellen/gewerblichen Anlagen, aus der Landwirtschaft, aus privaten Haushalten und aus dem Straßenverkehr. Diese Stoffe gelangen entweder unmittelbar oder über Luft und Wasser in den Boden. Mit schädlichen Anreicherungen in Boden und Grundwasser ist zu rechnen, wenn der Eintrag von Stoffen und deren sekundäre Umwandlungsprodukte die Abbaufähigkeit des Bodens überfordern oder den Stoffaustrag überschreiten. Schadstoffe mit hoher Priorität Die Gruppe der persistenten, d.h. im Boden nur in langen Zeiträumen abbaubaren, problematischen Stoffe bildet ein wachsendes Gefahrenpotenzial, weil diese Schadstoffe sich mit fortschreitendem Eintrag kontinuierlich anreichern. Diese Anreicherung kann zu latenten, bei Überschreiten bestimmter Belastungsgrenzen deutlichen Beeinträchtigungen von Bodenflora und Bodenfauna bis hin zu akuten Gefährdungen auch des Menschen durch Eingang in die Nahrungskette und das Grundwasser führen. Für die persistenten Schadstoffe gilt, dass bei begründeten Anhaltspunkten für bodenbeeinträchtigende Wirkungen bereits im Vorfeld der Gefahrenabwehr vermeidbaren Schäden vorzubeugen ist. Schadstoff-Einträge in den Boden - Beispiel Schwermetalle Untersuchungen zur Frage von Verschmutzungsproblemen, insbesondere durch Schwermetalle, setzen die Kenntnis des Auftretens und Verhaltens von diesen oder ähnlichen Stoffen bei natürlichen Kon-

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zentrationen voraus. Außer durch natürliche Einträge können Spurenmetalle durch Bodenverbesserungsmittel wie Kalk, Stallmist, Düngemittel, durch Bewässerung oder durch Pflanzenschutzmittel in den Boden gelangen; daneben finden sich Einträge aus Abfallstoffen wie Klärschlamm, Müllkomposten, Minenabfällen, Baggerschlämmen, Flugaschen und aus den atmosphärischen Niederschlägen im Boden. In Tabelle 8.2 sind die Einflüsse von Düngemitteln, Flugasche und atmosphärischen Niederschlägen auf die Metallgehalte in landwirtschaftlich genutzten Böden verzeichnet. Insgesamt ist zunächst festzustellen, dass Cadmium in allen Kategorien ein vorrangiges Schadstoffpotenzial besitzt. Tabelle 8.1 Prüfwerte für direkte Aufnahme

Die meisten Materialien, die dem Boden als Verbesserungsmittel zugesetzt werden, zum Beispiel Kalk, anorganische Stickstoff- und Kaliumdünger, und Stallmist, enthalten geringe Spurenelementkonzentrationen und sollten bei normalen Aufbringungsraten keinen signifikanten Effekt auf die Spurenmetallgehalte in Böden und den darauf wachsenden Nahrungsmitteln besitzen. Demgegenüber enthalten Phosphate häufig beträchtliche Spurenelementkonzentrationen;

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hohe Cadmiumgehalte in Phosphatdüngern, zuweilen um 100 mg/kg, bewirken eine Anreicherung im Boden und in den Pflanzen. Die technischen Möglichkeiten zur Eliminierung von Cadmium aus Düngemittelphosphaten sind begrenzt oder zumindest sehr teuer. Die Einträge von anorganischen Pestiziden in den Boden wurden inzwischen stark reduziert. Tabelle 8.2 Gehalte an Spurenelementen, in mg/kg Trockensubstanz, in unbelasteten Böden und Materialien, die zu einer Verschmutzung führen. Kritische Werte sind in kursiver Schrift verzeichnet

Die Aufbringung von Klärschlamm auf landwirtschaftliche Flächen ist zunächst wegen der Düngewirkung und Verbesserung der Bodentextur gefördert worden; später haben die zunehmenden Einschränkungen der Klärschlammverbringung in anderen Bereichen, z.B. bei der Verklappung im Meer und Ablagerung auf Landdeponien vor allem die wirtschaftlichen Aspekte dieser Beseitigungsform in den Vordergrund gerückt. In Gebieten mit einer hohen Industrieabwasserkomponente können in den Klärschlämmen relativ hohe Gehalte an synthetischen organischen Substanzen auftreten; teilweise

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stammen die Einträge auch aus städtischen Regenwasserabflüssen. Ähnliche und meist noch größere Probleme wie bei Klärschlämmen und ebenso vor allem verursacht durch Cadmium finden sich bei der Anwendung von Müllkomposten in der Landwirtschaft. In Tabelle 8.2, letzte Spalte, sind die Durchschnittsgehalte von Spurenmetallen angegeben, die im Boden über einen Zeitraum von 100 Jahren aus den Niederschlägen angereichert werden könnten (Beispiele von acht Lokalitäten in Großbritannien). Dabei ist angenommen worden, dass eine Elementablagerung von 2.5 kg/ha einem Anstieg von 1 mg/kg in den oberen 20 cm des Bodens entspricht.

9

Abfallwirtschaftliche Grundlagen

Die Ziele der modernen Abfallwirtschaft wurden in ähnlicher Weise in Deutschland, Österreich und der Schweiz formuliert, in Leitbildern beschrieben und später in die Gesetze übernommen. Eine nachhaltige Stoffwirtschaft wurde bereits 1994 im deutschen Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz definiert • als eine „ordnungsgemäße und schadlose“ Abfallentsorgung, • ohne Anreicherung von Schadstoffen im Wertstoffkreislauf, • mit dem erklärten Vorrang der „höherwertigen Verwertung“. Weitere Schritte in Richtung Nachhaltigkeit sind die geforderte „vollständige Abfallverwertung bis 2020“ des deutschen Bundesumweltministeriums und Artikel 8 im 6. Umweltaktionsprogramm der Europäischen Gemeinschaft, mit besonderem Nachdruck auf der Nutzung der erneuerbaren Energien in Abfällen, der Produktverantwortung und der Forderung nach einer deutlichen Verringerung der Menge an Abfällen zur Beseitigung „bis auf ein Minimum“. Erstes Leitbild „Kreislaufwirtschaft“ Die Abfolge der Wertschöpfung besteht in der Regel aus einer mehr oder weniger großen Zahl von Prozessen. Diese wiederum umfassen mehrere Prozess- und Produktionsstufen (Abb. 9.1). Jeder Prozess ist mit einer Wertsteigerung der eingesetzten Rohstoffe bzw. Eingangsprodukte verbunden, gleichzeitig aber auch mit Umweltbelastungen in Form von Ressourcenverbrauch, Emissionen und Abfall.

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stammen die Einträge auch aus städtischen Regenwasserabflüssen. Ähnliche und meist noch größere Probleme wie bei Klärschlämmen und ebenso vor allem verursacht durch Cadmium finden sich bei der Anwendung von Müllkomposten in der Landwirtschaft. In Tabelle 8.2, letzte Spalte, sind die Durchschnittsgehalte von Spurenmetallen angegeben, die im Boden über einen Zeitraum von 100 Jahren aus den Niederschlägen angereichert werden könnten (Beispiele von acht Lokalitäten in Großbritannien). Dabei ist angenommen worden, dass eine Elementablagerung von 2.5 kg/ha einem Anstieg von 1 mg/kg in den oberen 20 cm des Bodens entspricht.

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Abfallwirtschaftliche Grundlagen

Die Ziele der modernen Abfallwirtschaft wurden in ähnlicher Weise in Deutschland, Österreich und der Schweiz formuliert, in Leitbildern beschrieben und später in die Gesetze übernommen. Eine nachhaltige Stoffwirtschaft wurde bereits 1994 im deutschen Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz definiert • als eine „ordnungsgemäße und schadlose“ Abfallentsorgung, • ohne Anreicherung von Schadstoffen im Wertstoffkreislauf, • mit dem erklärten Vorrang der „höherwertigen Verwertung“. Weitere Schritte in Richtung Nachhaltigkeit sind die geforderte „vollständige Abfallverwertung bis 2020“ des deutschen Bundesumweltministeriums und Artikel 8 im 6. Umweltaktionsprogramm der Europäischen Gemeinschaft, mit besonderem Nachdruck auf der Nutzung der erneuerbaren Energien in Abfällen, der Produktverantwortung und der Forderung nach einer deutlichen Verringerung der Menge an Abfällen zur Beseitigung „bis auf ein Minimum“. Erstes Leitbild „Kreislaufwirtschaft“ Die Abfolge der Wertschöpfung besteht in der Regel aus einer mehr oder weniger großen Zahl von Prozessen. Diese wiederum umfassen mehrere Prozess- und Produktionsstufen (Abb. 9.1). Jeder Prozess ist mit einer Wertsteigerung der eingesetzten Rohstoffe bzw. Eingangsprodukte verbunden, gleichzeitig aber auch mit Umweltbelastungen in Form von Ressourcenverbrauch, Emissionen und Abfall.

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UMWELTSCHUTZTECHNIK

Abb. 9.1 Wertschöpfungskette unter Einbeziehung der Abfallwirtschaft

Abb. 9.1 gibt zwei weitere wichtige Informationen zur Verknüpfung des Leitbildes „Kreislaufwirtschaft“ mit dem Leitbild „Nachhaltigkeit“. • Der abfallintensivste Wertschöpfungsschritt befindet sich meist am Beginn des Gesamtprozesses: Wenn bspw. hinter jedem neuen Auto von einer Tonne Gewicht etwa 25 t Abfälle liegen, so handelt es sich dabei überwiegend um Bergbaureststoffe. Da im Zuge des Abbaus bekannter Vorräte immer weniger ergiebige Lagerstätten erschlossen werden, müssen für eine Einheit Rohstoff immer größere Mengen von Materialien bewegt und gefördert werden. Durch diese Gesetzmäßigkeit werden die Vorteile, die aus der intensiveren Nutzung von Rohstoffen resultieren, zur Zeit wieder zunichte gemacht. Man schätzt, dass sich die Massen an Minenabfällen (die im Gegensatz zu den gewonnenen Rohstoffen einen unerwünschten „ökologischen Rucksack“ darstellen) jeweils in einem Zeitraum von 20 bis 25 Jahre verdoppeln. Eine Verbesserung der Rohstoffausbeute trägt deshalb entscheidend zur Einsparung von Energie und zu Vermeidung von Emissionen und damit zur Nachhaltigkeit bei.

ABFALLWIRTSCHAFTLICHE GRUNDLAGEN •

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Während es sich bei der Verwertung von Produktionsabfällen und Abfällen nach dem Gebrauch eines Produkts um ein stoffliches Recycling handelt, das mit einem erhöhten Material- und Energieaufwand sowie zusätzlichen Emissionen verbunden ist, tritt bei der Wiederverwendung eines Produkts während des Gebrauchs unter Wahrung der Produktgestalt ein relativ geringer Wertverlust auf. Das Produktrecycling sollte so oft wiederholt werden, wie es technisch machbar und wirtschaftlich sinnvoll ist; erst dann ist auf das Materialrecycling mit niedrigerem Wertniveau überzugehen.

Zweites Leitbild „Stoffstrommanagement“ Ansätze für ein praxisbezogenes Stoffmanagement kann man vorrangig von regionalen Stoffstromanalysen erwarten. Pionierarbeit für dieses Konzept wurde an der ETH Zürich geleistet. Die Stoffhaushaltsmodelle sollen Instrumente sein, um Entscheidungsgrundlagen für die Steuerung anthropogener Stoffwechselprozesse zu schaffen. Sie sollen vor allem zur Früherkennung von möglichen und für die Region relevanten stofflichen Veränderungen beitragen. In einer standardisierten Vorgehensweise werden zuerst typische Stoffe (Indikatorstoffe) für die betreffende Region ausgewählt und es wird dann überprüft, ob die Stoffflüsse die Nachhaltigkeitskriterien verletzen. Daraus werden konkrete Maßnahmen zur Verringerung der Defizite vorgeschlagen und im Hinblick auf ihre Wirksamkeit, ihre Kosten und ihre Akzeptanz bewertet. Dieses Vorgehen wurde auf die Kupferflüsse in der schweizerischen Region Töss angewandt (Abb. 9.2). Die wichtigsten Nachhaltigkeitsdefizite sind dort die Anreicherung in Böden, Sickerkörpern und Deponien sowie der Export in die Gewässer. Die wirksamsten Handlungsoptionen sind die Reduktion des Kupferaustrages durch Spritzmittel und Dünger, die Verwendung von Ersatzmaterialien für Dachinstallationen, der Einbau einer austauschbaren Absorberschicht in Sickeranlagen und die Rückgewinnung von Kupfer in der Müllverbrennungsanlage. Dabei weist die Reduktion des Kupferaustrages durch Spritzmittel und Dünger das beste Nutzen/Aufwand-Verhältnis auf.

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UMWELTSCHUTZTECHNIK

Abb. 9.2 Kupferflüsse in der Region Töss/Schweiz (Einzugsgebiet mit einer Fläche von 430 km² und 180.000 Einwohnern). Die Kupferflüsse sind in Kilogramm pro Jahr angegeben. „+“ bezeichnet Senken

Drittes Leitbild „Endlagerqualität“ Das Konzept der Endlagerqualität, das zuerst in der Schweiz entwickelt wurde, setzt sowohl an den reaktiven Komponenten als auch direkt an den Schadstoffen an: „Endlagerfähig ist ein Reststoff dann, wenn er in einer geeigneten Hülle (nach geochemischen und geophysikalischen Kriterien ausgewählt) langfristig (über Hunderte von Jahren) nur .jene Stoffe an die Umweltkompartimente (Luft; Wasser, Boden) abgibt, welche diese in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften nicht beeinträchtigen“. Dass das Leitbild der „Endlagerqualität“ in den fortschrittlichen Regelwerken der Nachbarländer, z. T. auch in der deutschen TA Siedlungsabfall, grundsätzlich festgeschrieben wurde, ist vor allem auf zwei Umstände zurückzuführen: • Die zunehmende Erkenntnis, dass Abfälle, die hohe Anteile abbaubarer organischer Substanzen enthalten, langfristige

ABFALLWIRTSCHAFTLICHE GRUNDLAGEN

•

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nachteilige Auswirkungen auf die Qualität des Untergrundes besitzen, die auch mit hohem technischen Aufwand nicht beherrschbar sind. Die verbesserte öffentliche Akzeptanz der Müllverbrennung, die durch wesentliche Fortschritte bei der Abgasreinigung ermöglicht und durch die Überzeugungsarbeit sachkundiger Politiker gefördert wurde.

Tabelle 9.1 vergleicht die weltweite anthropogene Abfallerzeugung mit den Transportraten Feststoffe. Während das Volumen an kommunalen Abfällen und Baggerschlämmen ~1 Mrd. m³/Jahr und Klärschlamm (mit 95% Wasser) ca. 3 Mrd. m³/Jahr beträgt, liegt der Anfall von Bergbauresten mit etwa 20 Mrd. m³ in der Größenordnung der aktuellen Erosionsrate von Boden und Gesteinen. Tabelle 9.1 Globale Abfallbilanzen und Vergleichsdaten

Grundsätze der Kreislaufwirtschaft Die Zielhierarchie in dem Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrW-/AbfG) wird in §4 Abs. 1 beschrieben und sie gibt der Abfallvermeidung wie bereits im AbfG von 1986 den obersten Rang. Stoffliche und energetische Verwertung folgen gemeinsam auf Rang zwei. Die bessere umweltverträgliche Verwertungsart hat im Verhältnis zu der anderen Vorrang (§6 Abs. 1 Satz 2). Für die Abfallvermeidung werden in §4 Abs. 2 drei Maßnahmen benannt: 1. Die anlageninterne Kreislaufführung von Stoffen, die als Vor-, Zwischen- und Nebenprodukte anfallen, werden als Abfallvermeidung bezeichnet. Damit wird die Vermeidung und Verwertung von Abfall rechtlich gleich behandelt, wenn dies anlagenintern geschieht. Für die Überwachung der anlageninternen Verwertungs- und Vermeidungsmaßnahmen ist

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2. 3.

UMWELTSCHUTZTECHNIK die für den Vollzug des Bundesimmissionsschutzgesetzes (BImSchG) zuständige Behörde verantwortlich. Die Produktverantwortung, die in den §§22-26 die abfallarme Produktgestaltung näher bestimmen. Das Konsumverhalten der Bürger, das zu lenken und zu bewerten das KrW/AbfG weiteren Rechtsverordnungen überlässt.

Für die stoffliche Verwertung definiert das Kreislaufwirtschaftund Abfallgesetz in §4 Abs. 3 Satz 1 die folgenden drei Formen: 1. Die Substitution von Rohstoffen durch das Gewinnen der Rohstoffe aus Abfällen (z.B. Kupfer aus Kabelresten). 2. Die Nutzung der stofflichen Eigenschaften der Abfälle für den ursprünglichen Zweck (z.B. Zweitraffinat aus Altöl). 3. Die Nutzung der stofflichen Eigenschaften der Abfälle für andere Zwecke (z.B. Kompost als Bodenverbesserer).

10 Integrierte Umweltbewertung Langfristig orientierte Umweltpolitik muss in erster Linie den Ressourcenverbrauch radikal reduzieren. Beim Energieverbrauch sind bereits sehr weitgehende Reduktionspotenziale ermittelt worden; z.B. gilt eine Halbierung des Pro-Kopf-Verbrauchs in den Industrieländern als möglich. Aber auch eine radikale Steigerung der Materialproduktivität ist möglich durch eine • Steigerung der Lebensdauer der Produkte. • intensivere Nutzung, Wieder- und Weiterverwendung der Produkte. • Verkleinerung der Produkte.. • effizientere Materialnutzung auf allen Produktionsstufen sowie durch • Recycling. Die primär prozesstechnischen Maßnahmen werden unterstützt durch eine neue „ökologische Dimension des Wirtschaftens“, bei dem der Produzent die Verantwortung für den gesamten Produktlebenszyklus übernimmt. In diesem Leitbild „Integrierte Umwelttechnik“

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2. 3.

UMWELTSCHUTZTECHNIK die für den Vollzug des Bundesimmissionsschutzgesetzes (BImSchG) zuständige Behörde verantwortlich. Die Produktverantwortung, die in den §§22-26 die abfallarme Produktgestaltung näher bestimmen. Das Konsumverhalten der Bürger, das zu lenken und zu bewerten das KrW/AbfG weiteren Rechtsverordnungen überlässt.

Für die stoffliche Verwertung definiert das Kreislaufwirtschaftund Abfallgesetz in §4 Abs. 3 Satz 1 die folgenden drei Formen: 1. Die Substitution von Rohstoffen durch das Gewinnen der Rohstoffe aus Abfällen (z.B. Kupfer aus Kabelresten). 2. Die Nutzung der stofflichen Eigenschaften der Abfälle für den ursprünglichen Zweck (z.B. Zweitraffinat aus Altöl). 3. Die Nutzung der stofflichen Eigenschaften der Abfälle für andere Zwecke (z.B. Kompost als Bodenverbesserer).

10 Integrierte Umweltbewertung Langfristig orientierte Umweltpolitik muss in erster Linie den Ressourcenverbrauch radikal reduzieren. Beim Energieverbrauch sind bereits sehr weitgehende Reduktionspotenziale ermittelt worden; z.B. gilt eine Halbierung des Pro-Kopf-Verbrauchs in den Industrieländern als möglich. Aber auch eine radikale Steigerung der Materialproduktivität ist möglich durch eine • Steigerung der Lebensdauer der Produkte. • intensivere Nutzung, Wieder- und Weiterverwendung der Produkte. • Verkleinerung der Produkte.. • effizientere Materialnutzung auf allen Produktionsstufen sowie durch • Recycling. Die primär prozesstechnischen Maßnahmen werden unterstützt durch eine neue „ökologische Dimension des Wirtschaftens“, bei dem der Produzent die Verantwortung für den gesamten Produktlebenszyklus übernimmt. In diesem Leitbild „Integrierte Umwelttechnik“

INTEGRIERTE UMWELTBEWERTUNG

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liegt die betriebswirtschaftliche Aufgabe vor allem in der Berücksichtigung der Vor- und Folgestufen eines Produktionsprozesses. Integrierte Umwelttechnik ist hinsichtlich der Energie- und Materialeffizienz grundsätzlich überlegen, da sie (definitionsgemäß) an den eigentlichen Quellen von Umweltbelastungen, dem Energie- und Stoffeinsatz ansetzt und diesen effizienter gestaltet. Oftmals hat sie ein breites Entlastungspotenzial, da sie zur Reduzierung verschiedener Schadstoffe und zur Entlastung mehrerer Umweltmedien beitragen kann. Integrierte Umwelttechnik hat das Potenzial, zur Kostensenkung beizutragen. Dies gilt beispielsweise, wenn die Reduktion der Umweltbelastung Ergebnis einer effektiveren Verwendung von Ressourcen ist oder wenn durch eine Kreislaufführung Entsorgungskosten entfallen. Wenn integrierte Umwelttechnik ein Bestandteil des allgemeinen Innovationsprozesses ist, kann mit der Veränderung von Produktionsprozessen auch eine Erhöhung der Arbeitsproduktivität verbunden sein. Die politische Weichenstellung zur bewussten Integration erfolgte 1996 durch den Erlass der Europäischen Richtlinie über die „Integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung“, in der die Entwicklung und der Informationsaustausch über die besten verfügbaren Umwelttechniken festgeschrieben ist. Die seitdem erlassenen medienbezogenen Richtlinien folgen allesamt diesem Konzept; gleiches gilt bei der Umsetzung in nationale Rechtsverordnungen. Auch das 6. Umweltaktionsprogramm von 2002, das „Grundgesetz“ für die Umweltpolitik der EU (nicht nur wie das 5. UAP von 1993 ein Programm der Kommission, sondern vom Rat und Europäischen Parlament mitgetragen), stellt in Artikel 2 (3) fest, dass „umfassend dafür zu sorgen ist, dass die Umweltpolitik der Gemeinschaft in integrativer Weise betrieben wird und alle Optionen und Instrumente berücksichtigt werden“. Integration von Umweltindikatoren (DUX) Umweltindikatoren können neben ihrer Funktion als Kenngrößen auch eine zusammenfassende Beurteilung des Zustands und der Entwicklung der Umwelt erleichtern; Tabelle 10.1 gibt zeitliche Entwicklungen typischer Beispiele für den Zeitraum 1990 bis 2000:

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UMWELTSCHUTZTECHNIK

Tabelle 10.1 Entwicklung wichtiger Kenngrößen im Umweltschutz

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Im privaten Konsumbereich ist die Entwicklung uneinheitlich: Während der Wassereinsatz u.a. durch den Einsatz wassersparender Haushalts- und Sanitärtechnik rückläufig ist, stieg der Energieverbrauch (+12%) und die Haushaltsabfälle und der Flächenverbrauch an (je etwa 4%). Die Verkehrsleistung im Personenverkehr steigerte sich um 7%, die Güterverkehrsleistung um 26,7%. Die größten Zuwächse erzielten der Straßengüterverkehr (+41,3%) sowie, ausgehend von einem niedrigen Niveaubetrag, der Luftverkehr (+78,0%). Treibhausgase konnten um 19% gesenkt werden, die CO2Emissionen um 15%. Die Verpflichtungen zur Reduktion von SO2, NOx und leichtflüchtigen organischen Verbindungen (ohne Methan) wurden teilweise weit übererfüllt. Durch Nutzung phosphatfreier Waschmittel und die Phosphatfällung wurden die Einträge über kommunale Kläranlagen um 80% reduziert. Der effiziente Umgang mit der Energie und den Rohstoffen wird durch die entsprechenden Produktivitätskennziffern be-

INTEGRIERTE UMWELTBEWERTUNG

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schrieben; diese beiden - im integrativen Sinne besonders aussagefähigen - Kenngrößen sind deutlich rückläufig. Zur Informationsverdichtung und Komplexreduktion müssen die Basisdaten problem- und zielgruppengerecht ausgewählt und zu Umweltindikatorensystemen aggregiert werden. Abb. 10.1 zeigt an der Spitze der Informationspyramide den DUX des Umweltbundesamtes und der ZDF Umweltredaktion, der aus sechs übergeordneten Indikatoren gebildet wird. Klima, Luft, Boden, Wasser, Energie und Rohstoffe. Das umweltpolitische Ziel von insgesamt 6.000 Punkten ist noch weit entfernt. Im Februar 2003 lag der Wert bei 1849 Punkten; am nächsten ist Luft (698 Punkte) und Klima (615 Punkte), während der Boden wegen der zunehmenden Versiegelung der Landflächen bei -122 Punkten liegt.

Abb. 10.1 Aggregation von Umweltindikatoren

Für die Auswahl von Indikatoren gibt es zwei Verfahrensansätze, das Top-Down- (,von oben nach unten') und das Bottom-upVerfahren (,von unten nach oben'): • Beim Top-Down-Verfahren werden zunächst Ziele festgelegt und/oder ökologische Modellvorstellungen zugrunde ge-

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•

UMWELTSCHUTZTECHNIK legt und damit aggregierte Indikatoren oder Schlüsselindikatoren für die derart thematisierten problemfeldbezogenen Schutz- und Vorsorgeziele gesucht. Das Bottom-up-Verfahren geht dagegen von den vorhandenen Basisdaten (z.B. der Umweltfachbehörden) sowie von bereits bewährten Indikatoren aus, aus denen gezielt mit Bezug auf die Problem- und Vorsorgefelder geeignete Indikatoren selektiert oder aggregiert werden.

Die Umweltindikatorensysteme werden auch für die Wirkungsabschätzung, dem dritten Schritt bei der Ökobilanzierung - nach der Zieldefinition und der Sachbilanz herangezogen. Sie schlagen damit die Brücke zu den neuen Ansätzen der produktbezogenen Umweltpolitik. Integrierte biologische Bewertung Grundlage und integraler Bestandteil sowohl des traditionellen Umweltmonitoring als auch für zukünftige Managementsysteme bei der Entwicklung von Produkten sind - neben der chemischen Analytik die Biotests bzw. Biotestsysteme. Gerade bei der ursächlichen Verknüpfung von Belastungen (Pressure) und Wirkungen (Impact), die jeweils mit Hilfe von Umweltindikatoren ermittelt wurden (DPSIRKonzept, fehlt häufig die integrierte Bewertung der chemischen und biologischen Befunde. Das ist absehbar eine zentrale Frage für die Umsetzung der EG-Wasserrahmenrichtlinie, denn es ist zunächst nur formal-rechtlich relevant, ob ein bestimmter Schadstoff ein Teil des ökologischen oder des chemischen Status eines Gewässers ist.

SACHVERZEICHNIS

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A Abbesches Komparatorprinzip, C/20 Abfall, H/97 Abfallbilanz, I/45 Abfallbrennstoff, H/97 Abfallvermeidung, I/45 Abfallwirtschaft, I/41 Abklingkoeffizient, F/227 Ablaufsteuerung, D/203 Ableitungsfaktoren, A/16 Abmaß, D/60 Abmaß, oberes, D/61 ABS, B/54 Absalzmenge, H/91 Abschalt-Thyristor (GateTurn-Off-Thyristor), F/178 Abschirmwinkel, F/121 Abschneiden, D/214 Abschneidwellenlänge, F/163 Absoluter Nullpunkt, C/33 Absorption, E/16 Absorptionsgrad, C/97 Abstandsmessung, C/65 Abwasserproblem, I/28 Abweichung, Mess-, C/4, C/5 Acryl-Butadien-Styrol (ABS), B/67

J/1

Sachverzeichnis

Addierender SpannungsVerstärker, F/224 Aderfarben, Starkstromleitung, F/102 Aderkennzeichnung, F/103 Adiabate, D/30 Adressbus, G/101 Adsorption, E/16 A-Format, D/38 Aggregatzustand, D/27 Aktives Filter, F/212, F/231 Aktivierungsanalyse, C/102 Aktivität, C/101 Aktivitätskoeffizient, E/28 Akustik, C/62 ff. Akustisches Messgerät, C/62 Aliphat, H/100 Allesbrenner, H/69 Alphabetwandlung, G/18 Altanlage, I/8 Altlast. I/37 Aluminieren, B/9 Aluminium, B/32, B/35, B/36, B/37, B/101 Aluminium-ElektrolytKondensator (Al-Elko), F/146 Aluminiumlegierung, B/35 Aluminiumoxid (Al2O3), B/77 AMI-Kode (Alternate Mark Inversion), G/42

J/2

SACHVERZEICHNIS

AMMA, B/54 Ampere, A/2 Amperemeter, C/52 Amperesches Gesetz, F/17 Amplitudengang, C/128 Analyse, Aktivierungs-, C/102 Analyse, elektrochemische, C/52 Analyse, kinematische, D/170, D/173 Analyse, kinetostatische, D/173 AND, G/52, G/55 Anforderungsliste, D/117 Anlassen, B/18 Anlaufmoment, F/34 Anlaufmotoren, F/26 Anlaufstrom, F/34 Anode, B/43 Anodisieren, B/49 Anpassungseinrichtung, G/223 Anpassungskonstruktion, D/123 Anpassungsnetzwerk, F/196 Anregungsdetektor, C/102 Anschlussdienstmerkmal, G/40 Anschlussziel, H/3 Ansicht, D/40 ANSI-Kode, G/74, G/81 Ansprechschwelle, C/3 Antenne, Dipol-, F/165 Antenne, F/163 ff. Antenne, Parabol-, F/166 Antennengewinn, F/164

Antennenoberfläche, effektive, F/164 Antennentyp, F/165 Antivalenz, G/56 Antrieb, D/179 Antrieb, Piezostell-, F/27 Antriebs-Kette, D/142 Antriebstechnik, D/182 Antwort, Impuls-, C/124 Antwort, Zeit-, C/125 Anwendungsschicht, G/19 Anzeige, F/130 Äquivalentdosis, C/102 Aräometer, C/32 Arbeitsmethodik, D/112 Arbeitssatz, D/11 Aromat, H/100 Artikelgesetz, I/7 ASA, B/54 Asche, H/97 ASCII-Kode, G/74, G/76, G/77, G/78 Asphalt, H/100 Asynchronmaschine, Standard-, F/37 Asynchronmotor (ASM), F/32 Asynchronmotor, D/180 Asynchronmotor, EinphasenWechselstrom-, F/26 Asynchronmotorregelung, D/180 ATM (Asynchrone Transfer Modus), G/44, G/45, G/46 ATMR (Asynchronous Transfer Mode Ring), G/33 Atomiseur, E/9 Atto, A/17

SACHVERZEICHNIS Aufgabenteilungsprinzip, D/124 Aufkohlen, B/9 Auflösung, C/3 Aufnehmer, Messgrößen-, C/6 Aufnehmer, seismisch, C/28 Aufnehmer, seismischer, C/62 Aufschaltung, Störgrößen-, C/144 Aufschluss, H/11 Aufschlusstiefe, H/12 Ausarbeiten, D/122 Ausbreitungskonstante, F/157 Ausdehnungskoeffizient, linearer, B/3 Ausdehnungskörper, H/76 Ausgabeglied, D/203 Ausgangsgröße, C/3 Ausgleichszeit, C/139 Ausklinken, D/214 Ausschaltphänomen, F/193 Ausschneiden, D/214 Außenthermostat, H/86 Austenit, B/7 Austenitischer Stahl, B/25 Autogen-Schweißen, D/87 Autoklav-Prepreg-Technik, D/139 Automat, Installations-, F/116 Avalanche-Diode, F/175 Axial-Rillenkugellager, D/201 Axial-Schrägkugellager, D/201 Axial-Zylinderrollenlager, D/201 Azeotrope Destillation, E/18

J/3

B Backbone, G/32 Back-Diode, F/175 Backenbremse, D/100 Backward-Diode, F/169 Bandbreite, F/163, F/210, F/231 Bandbremse, D/99 Bandfilter, F/230 Band-Format, G/110 Bandpass, F/210 Bandpassfilter, F/205 Bandsperre, F/210 Basisfunktion, binäre, G/55 Basisgrößen, A/2 Basisschaltung, F/183 Bauelement, D/54 Bauelemente, Speicher-, G/64 Bauform, Maschinen-, F/44 Baufuge, H/57 Bau-Furniersperrholz, H/55 Baugrunderkundung, H/10 Baugrunduntersuchung, H/10 Baugruppe, Sicherheits-, F/130 Baukasten, D/141 Baukastenstückliste, D/65 Baukleinmaß, H/57 Baukonstruktionen, H/32 Baumaterial, D/51 Baumstruktur, Netz-, G/10, G/11 Baunennmaß, H/57 Baunormzahl, H/57 Baureihenentwicklung, D/139 Baurichtmaß, H/57

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SACHVERZEICHNIS

Baustahl, B/8, B/13, B/14, B/15, B/17 Baustoffeigenschaft, H/37 Baustruktur, D/111 Bauteil, elektromechanisches, F/130 ff. Bautenklassifizierung, H/34 Bauverband, H/57 Bauwerkbeanspruchbarkeit, H/33 Bauwesen, H/1 Bauzusammenhang, D/111 BCD (Binary Codes Decimalsystem), G/69 Bearbeitungsspurenmuster, D/63 Becquerel, A/4 Bedien- und Steuerdatenein/ausgabe (BSEA), D/212 Behälterstahl, B/13, B/14 Beißschneiden, D/214 Bel, A/4 Belastung, signifikante, I/30 Belastung, veränderliche, D/16 Beleuchtungsstärke, C/97, F/119 Beleuchtungstechnik, F/119 ff. Bemaßung, D/44 Bemessungskonzept, H/35 Berechnung, Leitungs-, F/48 Berichtigen, C/3 Beschichtung, B/4 Beschleunigungsmessung, C/28 Beschneiden, D/217 Bessel-Näherung, F/209

Bestimmtheit, statische, D/14 Beton, H/41 Betonfestigkeitskennwerte, H/39 Betongefüge, H/44 Betonstahl, B/10 Betonzusammensetzung, H/44 Betriebsart, Generator-, F/28 Betriebsart, Motor-, F/28 Betriebsmotoren, F/26 Betriebsprüfer, I/10 Betriebsverstärkung, C/59 Beulspannung, kritische, D/24 Beweglichkeit, Teilchen-, F/5 Bewegung, D/2 Bewegung, harmonische, D/3 Bewegungsgrad, D/169 Bewegungsschraubgewinde, D/76 Bewertung, biologische, I/50 Bewertungsverfahren, D/114 Bezugslinie, D/58 Bezugsoberfläche, D/58 Bezugsprofil, D/58 B-Format, D/39 Biegefeder, D/103 Biegefestigkeit, B/3 Biegung, D/21 Bildschirm-Norm, G/110 Bildspeicher, C/41 Bildverarbeitung, C/40 Bildzeichen, Elektrotechnik (DIN 40100), F/127 Bimetallmesswerk, F/126 Binär Codiertes Dezimalsystem (BCD), G/69 Binäre Basisfunktion, G/55 Binäre Verknüpfung, G/55

SACHVERZEICHNIS BIOS (Basis I/O-System), G/103 Biot-Savartsches Gesetz, F/18 Bipolarer Transistor (BJT: Bipolar Junction Transistor), F/179, F/180, F/184 Bismut, B/101 Bitorientiertes Protokoll, G/16 Bitübertragungsschicht, G/15, G/24 Blei, B/32, B/42, B/100 Blindanteil, F/8 Blindleistung, Verbesserung, F/117 Blockheizung, H/71 Bode-Diagramm, C/128, C/141 Bodenart, H/16 Bodeneigenschaft, H/26 Bodenkenngröße, H/29 Bodenklassifikation, H/17 Bodenprobe, H/13 Bodenschutzgesetz, I/37 Bodenspannung, H/25 Bogenschweißen, D/87 Bohrbewegung, D/163 Boolesches Gesetz, G/56 Borieren, B/9 Box, G/6 Bragg-Gitter, C/93 Brauchwasser-Erwärmung, H/83 Braunkohle, H/96 Braunkohlenasche, H/100 Brechen, D/214 Brechungswinkel, H/3 Brechungszahl, C/100 Breitband-ISDN, G/44

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Breitbandstörer, F/239 Bremse, D/99 Bremse, elektrisch, D/101 Brennstoff, H/96, H/98 Brennstofflagerung, H/86 Brennstoffzelle, I/20 Brennwert, H/95 Brennwertkessel, H/79 Brettschichtholzspannung, H/52 Bridge, G/35 Briefkasten, G/6 Brikettieren, H/96 Brinell-Härte, B/2 Bronze, B/34 Bruchdehnung, B/2, B/16 Brücke, Maxwell-, C/57 Brücke, Wien-, C/57 Brückenschaltung, F/201 Bündel, G/9 Bundes-BodenschutzAltlastverordnung (BBodSchV), I/37 Bus, Adress-, G/101 Bus, Daten-, G/101 Bus, ECB- (Einplatinen Computer Bus), G/99, G/100 Bus, IEC- (International Electrotechnical Commission), G/99 Bus, IEC-, G/86, G/88, G/89 Bus, Komponenten-, G/98 Bus, Kontroll-, G/101 Bus, paralleler, G/97, G/99 Bus, PC (Personal Computer), G/99 Bus, Prozess-, G/98 Bus, Rechner, G/99

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SACHVERZEICHNIS

Bus, serieller, G/97, G/98 Busanschaltung, C/118 Buskoppler, C/118 Bussystem, G/97 ff. Buszugriffskontrolle, G/28 Butterworth-Polynom, F/206, F/207 Butylgummi (BG), B/69 C CA, B/54 CAB, B/54 Cache-Technologie, G/106 Candela, A/3 CAP, B/54 Carnot-Prozess, D/31 Cauer-Methode, F/203, F/209 Cellulose, B/65 CENELEC-Kodierung, F/101 CentronicsDruckerschnittstelle, G/85 CF, B/54 C-Gestell-Presse, D/194 Charakteristik, Durchschmelz-, F112 Charakteristik, Filter-, F/206 Charakteristik, G-, F/116 Charakteristik, H-, F/116 Charakteristik, L-, F/116 Charakteristik, Strombegrenzungs-, F/113 Chebyshev-Näherung, F/207, F/208 Chemikalieneinsatz, I/28 Chemische Elemente, B/104 ff. Chrom, B/32, B/100

Chromieren, B/9 Chromnickelstahl, B/100 Chromstahl, B/23 CIM-System, D/207 CISC-Computer (Complex Instruction Set Computer), G/106 Clapeyron’sches Gesetz, D/33 Clausius-ClapeyronBeziehung, D/33 Clausius-Regel, D/29 CMC, B/54 CN, B/54 Composit, B/63 Concurrent Engineering, D/122 Connector, DIE-, G/113 Connector, EIDE-, G/113 Connector, SCSI-, G/113 Contrazid, B/100 cos. , Kompensation, F/118 Coulomb, A/4 Coulometrie, C/52 CP, B/54 CPE, B/54 Cremona-Methode, D/14 CS, B/54 CSF, B/54 CSMA/CA-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), G/27 CSMA/CD-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), G/27

SACHVERZEICHNIS D Dalton-Gesetz, E/28 Dampf, Eigenschaft, B/88 Dampf, gesättigter, B/97 Dampf, überhitzter, B/98, B/99 Dampfdruckreduzierstation, H/84 DampfFlüssigkeitsgleichgewicht, E/27 Dampfheizung, H/71 Dampfrohrnetz, H/74 Dämpfungsfrequenz, F/227 Dämpfungsgrad, F/227 Dämpfungskonstante, F/157 Darcy-Gesetz, E/27 Darlington-Transistor, F/184 Darstellungsschicht, G/18 Datenbus, G/101 Dateneinrichtung (DEE), G/24 Datenfernübertragung, G/94 Datenkompression, G/18 Datenschnittstelle, D/210 Datenübertragung, G/21 Datenvorverarbeitung, G/18 DATEX-L-Netz, G/22 DATEX-P-Netz, G/22 Dauerbrandofen, H/69 Dauerfestigkeit, D/16 De Morgan´sches Gesetz, G/56, G/57 Deckenheizfläche, H/73 DEE (Datenendgerät), G/90, G/92, G/93 Dehngrenze, B/2

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Dehnmessstreifen, C/31, C/45 Dehnsteuerungsmethode, D/85 Dehnungsmesstechnik, C/30, C/45, C/90 Deka, A/17 Delamination, D/138 Delogarithmier-Schaltung, F/225 Demodulation, F/233 Demultiplexer, G/5 Destillation, E/16, E/27 Desublimieren, D/28 Desublimieren, E/18 Detektion, F/233 Detektor, Anregungs-, C/102 Dezi, A/17 Dezimale Vielfache, A/17 Dezimalsystem, G/66, G/67 Dezimalzähler (BCD: Binary Code Decimal), G/62 D-Funktion, C/150 D-Glied, C/134 Diac, F/168 Diagramm, Bode-, C/128, C/141 Diagramm, Karnaugh, G/48 Diagramm, KV-, G/61 Diagramm, Polar-, C/130 Diagramm, Weg-Signal-Zeit (W-S-T)-, C/115 Diagramm, Zeiger-, F/8 Diaphragmatechnik, D/139 Dichte, B/3 Dichtring, D/101 Dickenmessung, C/22 Dielektrizitätszahl, F/17 Dienst, G/4, G/5

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SACHVERZEICHNIS

Dienst, Tele-, G/40 Dienst, Übermittlungs-, G/39 Dienstmerkmal, G/40 Dieselmotor, D/32 Diesel-Prozess, D/32 DIE-Verbindung, G/113 Differenzialbauweise, D/137 Differenziales Verhalten, C/134 Differenzialwiderstand, F/172 Differenzierbeiwert, C/134 Differenzierer, F/226 Differenzverstärker, F/184 Diffusions-Behandlung, B/9 Diffusionskoeffizient, B/94 Digital-Analog-Umsetzer (DAU) , C/41 Digitale Schaltung, G/48 Digitales Messgerät, F/126 DIN 127, F/127 DIN EN 50042, F/129 Diode, F/127 Diode, F/168 ff. Diode, Lumineszenz, C/75 Dipol, elektrischer, F/4 Dipol, elementarer, F/165 Dipolantenne, F/165 Dipolmoment, elektrisches, F/4 Dipolmoment, magnetisches, F/15 Direkte Messung, C/11 Direkte Regelung, C/149 Direktkühlanlage, H/88 Disjunktion, G/55 Diskettenstation, G/112 Dispergieren, E/8 Dispersion, C/100

Distickstoffoxid, I/20 DIVF (Digitale Fernvermittlungstechnik), G/38 DIVO (Digitale Ortsvermittlungstechnik), G/38 DMA (Direct Memory Access), G/108 Doppelte Negierung, G/56 Dopplereffekt, C/70, C/78 DopplerGeschwindigkeitsmessung, C/103 Dosis, Äquivalent-, C/102 Dosis, Energie-, C/102 Dotierung, B/81 Draht, Installations-, F/52 ff. Drahtdurchhang, F/51 Drahtfarben, Starkstromleitung, F/102 Dreheisenmesswerk, F/126 Drehführung, D/197 Drehgelenkgetriebe, D/169, D/171, D/176 Dreh-Kondensator, F/147, F/148 Drehmagnetmesswerk, F/126 Drehspulmesswerk, F/126 Drehspulquotientenmesswerk, F/126 Drehstrom, F/7 DrehstromAsynchronmaschine (DSASM), F/25 Drehstromluftleitung, F/50 Drehstrommotor, D/180 Drehstromnetz, F/110 Drehstrom-Synchronmaschine (DS-SM), F/24

SACHVERZEICHNIS Drehstromverbraucher, F/37 Drehzahlmesstechnik, C/43 Drehzahlmesstechnik, C/96 Dreibereichsverfahren, C/83, C/98, C/99 Dreidrahtmethode, C/24 Dreieckschaltung, F/7, F/36, F/38 Dreieck-SternTransformation, F/49 Dreikomponentenregelung, C/148 Dreileiternetz, H/85 Drift, Messgeräte-, C/5 Drosselklappe, H/76 Drosselkreislauf, D/187 Druck, allseitiger, D/21 Druck, D/21 Druck, kritischer, D/28 Druckmessung, C/35 Druckminderer, H/85 Druckschweißung, D/62 Drucksonde, C/35 Druckverlust, H/91 Druckverlustzahl, C/37 Druckwasserstoffbeständiger Stahl, B/24 Druckzone, D/22 DSSI-Kanal-Protokoll (Data Subscriber Signaling System), G/43 D-T-Glied, C/135 DTP (Desktop Publishing), G/104 Dualsystem, G/66, G/67, G/70 DÜE (Datenübertragungsgerät), G/90, G/92, G/93 Duplexstahl, B/25

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Durchfluss-Messung, C/35, C/48 Durchflutung, elektrische, F/17 Durchflutung, F/17 Durchflutungsgesetz, F/21 Durchhang, Draht-, F/51 Durchlaufzeit, E/45 Durchschaltevermittlung, G/11 Durchschlag, F/171 Durchschmelz-Charakteristik, F112 Duriron, B/100 Duroplast, B/51, B/52, B/62 ff. Dynamik, D/8 Dynamische Messung, C/3 Dynamischer Motorbetrieb, F/42 Dynamischer Speicher, G/64 Dynamsiche Viskosität, B/86 E EBCDIC-Kode, G/74, G/79 Ebene, schiefe, D/12 EC, B/54 ECB-Bus (Einplatinen Computer Bus), G/99, G/100 EC-Motoren, F/24 Edelstahl, B/13, B/14, B/15 EDO RAM, G/103 EEPROM-Speicher (Elecrical Erasable Programmable Read Only Memory), G/103 Effekt, piezoelektrischer, B/78

J/10

SACHVERZEICHNIS

Effektive Antennenoberfläche, F/164 Effektivwert, C/53, F/7, F/12 E-Funktion, E/46 EG-Umweltauditverordnung, I/8 EG-Wasserrahmenrichtlinie, I/29 EIDE-Verbindung, G/113 Eilganggetriebe, D/187 Ein-/Aus-Betrieb, H/81 Einadriges Kabel, F/52 ff. Einflussgröße, C/4 Eingabeglied, D/203 Eingangsgröße, C/3, C/10 Einheitsbearbeitung, E/2 Einheitswelle, D/61 Einphasen-Synchronmotor (EP-SM), F/25 Einphasen-WechselstromAsynchronmotor, F/26 EinphasenWechselstrommotor (EPASM), F/26 Einphasen-Zerstäuber, E/10 Einrichtung, Anpassungs-, G/223 Einrohrsystem, H/74 Einsatzstahl, B/19 Einschaltphänomen, F/194 Einschneiden, D/214 Einschub, F/243 Einspannungskraft, D/6 Einstelldauer, C/4 Einstufenschneidwerkzeug, D/224 Einweg-Gleichrichter, F/225 Einwegkommunikation, G/4

Einzelheizgerät, H/69 Einzelheizung, H/69 Einzelraumregelung, H/86 Einzelsteuerung, D/205 Eisen, B/5 ff., B/100 Eisenguss-Werkstoff, B/5 ff ., B/28 Eisen-Kohlenstoff-Schaubild (EKS) , B/5 Eisenverlust, F/30 Eisenwerkstoff, B/5 ff. EKS (Eisen-KohlenstoffSchaubild) , B/5 Elastizitätslehre, D/13, D/16 Elastizitätsmodul, B/2, B/35 Elastomer, B/51, B/52, B/69 ff. Elastomer, thermoplastisches, B/71 Elektrische Durchflutung, F/17 Elektrische Feldkonstante, F/17 Elektrische Feldstärke, F/17 Elektrische Feldstärke, F/2 Elektrische Gefahr, F/251 ff. Elektrische Geräte, Versorgung, F/106 Elektrische Isolation, F/256 Elektrische Ladung, F/17 Elektrische Längenmesstechnik, C/40 Elektrische Maschinen, F/23 ff. Elektrische Messtechnik, C/40 ff. Elektrische Prüfstelle, F/129 Elektrische Stromstärke, F/17

SACHVERZEICHNIS Elektrische Trennstelle, F/253 Elektrischer Dipol, F/4 Elektrischer Fluss, F/3 Elektrischer Leiter, F/48 ff. Elektrischer Widerstand, F/5, F/9 Elektrisches Dipolmoment, F/4 Elektrizitätslehre, F/2 ff. Elektrizitätswirtschaft, H/94 Elektroband, B/11 Elektroblech, B/11 Elektrochemische Analyse, C/52 Elektrodialyse, E/18 Elektrodynamik, F/5 ff. Elektrodynamisches Messwerk, F/126 Elektrodynamisches Quotientenmesswerk, F/126 Elektrodynamisches Tauchankerprinzip, C/44 Elektro-FußbodenSpeicherheizung, H/70 Elektro-Installationstechnik, F/23 ff. Elektrokessel, H/81 Elektrolyt-Kondensator, Aluminium- (Al-Elko), F/146 Elektrolyt-Kondensator, Tantal- (Ta-Elko), F/147 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), F/239 ff. Elektromagnetischer Schwingkreis, F/228 Elektromagnetisches Feld, F/17 ff.

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Elektromechanisches Bauteil, F/130 ff. Elektromechanisches Relais, F/130 ff. Elektronenstrahl-Oszilloskop, F/126 Elektronik, F/137 ff. Elektronik-Motoren (EC), F/24 Elektronische Versorgungsapparatur, F/236 ff. Elektro-Schweißen, D/87 Elektrospeichergerät, H/69 Elektrospeicherofen, H/69 Elektrostatisches Messwerk, F/126 Elektrostrahler, H/70 Elektrotechnik, Norm, F/124 Elektrotechnisches Symbol, C/110, F/125 Elektrotechnisches Zeichnen, F/124 Element, galvanisches, B/44 Elementarer Dipol, F/165 Elemente, chemische, B/104 ff. Elko, F/146, F/147 Emaille, B/48, B/101 Emissionsart, I/12 Emissionsgrenzwert, H/80 Emissionszeit, C/75 Emitterschaltung, F/182 Empfänger, G/3 Empfindlichkeit, C/4 EMV, F/239, F/241 Endlagerfähigkeit, I/44 Endlagerqualität, I/44 End-of-the-pipe-Methode, I/3

J/12

SACHVERZEICHNIS

Energie, freie, D/33 Energie, innere, D/29 Energie, innere, D/33 Energie, magnetostatische, F/15 Energiedichte, F/4 Energiedichte, Strahlungs-, F/165 Energiedosis, C/102 Energieeffizienz, I/47 Energieeinsatz, I/28 Energieeinsparungsgesetz (EnEG), I/8 Energieerhaltungsgesetz, D/29 Energieerzeugung, I/20 Energieinhalt, F/4 Energieleitungsprinzip, D/126 Energietechnik, H/93 Energietransformator, F/47 Energieumwandlungsgesetz, D/29 Energieversorgung, H/93 Enthalpie, D/33 Enthalpie, freie, D/33 Enthalpie, spezifische, B/98 Entity, G/19 Entkarbonisierung, I/20 Entropie, D/31 Entwerfen, D/119 EP, B/54 EPM, B/54 EPR-Isolationsmaterial, F/67, F/69, F/76, F/77 EPROM-Speicher (Erasable Programmable Read Only Memory), G/102 Ergebnisgröße, C/10

Ermüdungsfestigkeit, B/3 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), I/8 Ersatzzeitkonstante, C/139 Erstarrungspunkt, D/27 Erstarrungswärme, spezifische, D/27 Erstprüfung, H/43 Erwartungswert, C/4 Erzeugnisgliederung, D/65 ETHERNET, C/118, G/32 Ethylen-Propylen-Diengummi (EPM/EPDM), B/71 Euler’sche Theorie, D/23 eutektisch, B/5 eutektoid, B/5 Eutektoider Stahl, B/8 EVA, B/54 Exa, A/17 EXOR, G/53, G/56 Exponential-Verstärker, F/225 Expositionsklasse, H/43 Externer Schutzleiter, F/256 Extraktion, E/16 Extraktive Destillation, E/18 F Fachwerkkonstruktion, D/14 Falzen, D/90 Farad, A/4 Faradaysches Gesetz, F/19 Farbcode, Spule, F/155 Farbcode, Widerstand, F/143 Farbdisplay, C/83 Farbe, G/109 Farberkennung, C/82 Farbkontrolle, C/82

SACHVERZEICHNIS Farbkoordinate, C/82 Farbmarke, C/83 Farbmessung, C/82, C/98 Farbrezeptierung, C/82 Farbstoff-Laser, F/261 Farbtemperatur, C/98, F/120, F/122, F/123 Farbvalenz, C/98 Farbvektor, C/98 Farbwiedergabeindex, F/120, F/123 Faser, Monomode-, C/92 Faser, Multimode-, C/91 Faserbruch, D/138 Faseroptische Sensorik, C/91 Faseroptisches Vibrometer, C/81 Faserrichtung, H/53 Fasersensor, Fiber-BraggGrating-, C/92 Faserverbundbauweise, D/137 Faserverstärkter Kunststoff (GFK), B/63 FCKW-Eintrag, I/20 FDDI (Fiber Distributed Data Interface), G/31, G/32 Fe-C-Legierung, B/6 Feder, D/101 Federberechnung, D/102 Federkörper, C/29 Federmaterial, D/106 Fehlererkennender Kode, G/82 Fehlergrenze, C/4 Fehlerkorrigierender Kode, G/84 Feinkornbaustahl, B/17 Feinregulierventil, H/75

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Feinschneiden, D/229 Feld, elektromagnetisches, F/17 ff. Feldeffekt-Transistor (FET), F/127 Feldeffekt-Transistor (JFET: Junction Feld-EffektTransistoren), F/185 ff. Feldkonstante, elektrische, F/17 Feldkonstante, magnetische, F/17 Feldstärke, elektrische, F/2, F/17 Feldstärke, magnetische, F/17 Feldstärke, Stör-, F/239 Femto, A/17 Fenske-Beziehung, E/35 Fenske-Underwood-Methode, E/34 Fern-Dampfnetz, H/84 Fernheizung, H/71, H/84 Fernschreibe-Kode, G/74, G/75 Fernsprechnetz, G/21 Fernwärme, H/95 Fernwärmeversorgung, H/95 Fernwärmewirtschaft, H/94 Fern-Wassernetz, H/84 Ferrit, B/7, B/78, F/152 Ferritischer Stahl, B/25 Ferritkern, F/151 ff. Ferroelektrischer, keramischer Werkstoff, B/78 Ferromangan, B/7 Fertigungsmesstechnik, C/15 Festbeton, H/42 Festigkeitslehre, D/13

J/14

SACHVERZEICHNIS

Festkommazahl, G/71 Festpunktfeld, H/2 Feststoffextraktion, E/18 Feststoff-Laser, F/259 FET, F/127 Feuchtemessung, C/94 Feuerraum, H/69 F-Funktion, E/46 Fiber-Bragg-GratingFasersensor (FBGS), C/92 Filter 1. Ordnung, F/235 Filter, Band-, F/230 Filter, F/202 ff. Filter, Frequenz-, C/62 Filtercharakteristik, F/206 Filtersynthese, F/209 Filtration, E/26 Flächenheizung, H/73 Flächenträgheitsmoment, axiales, D/18 Flächenträgheitsmoment, D/18 Flächenträgheitsmoment, polares, D/18 Flächenträgheitsmoment, zentrifugales, D/18 Flacherzeugnis, B/11 Flachführung, D/195 Flachkollektor, H/83 Flammhärten, B/9 Flaschenzug, D/11 Flash-ROM, G/103 Flip-Flop, G/61 ff. Fluss, elektrischer, F/3 Fluss, magnetischer, F/15, F/17 Flussdichte, magnetische, F/17

Flussdichte, Strahlungs-, F/165 Flüssigkeit, Eigenschaften, B/87 Flüssigkeit-Flüssigkeit Extraktion, E/37 Flüssigkeitsschall, C/62 Flüssigkeitsstand-Messung, C/48 Flüssigkeitszentrifuge, E/23 FM-Diskriminator, F/235 Folgeschneidwerkzeug, D/224 Format, Band-, G/110 Format, D/38 Formatanpassung, G/19 Formel, Schalt-, C/116 Formfaktor, F/7, F/12 Formfehler, D/221 Formmasse, B/52 Formmessung, C/71 Formstoff, B/52 Formtoleranz, D/67 Formtolerierung, D/61 Fortpflanzungsgeschwindigkeit, F/158 Foster-Methode, F/203 Fotodiode, F/169, F/175 Fotometer, C/98 Fotometer, Spektral-, C/100 Fotowiderstand, F/141, F/145 Fourier-Reihe, F/13 ff. Fräsmaschinenspindel, D/201 Frässpindel, D/201 Freimachen, D/5 Frequenz, F/12 Frequenzfilter, C/62 Frequenzgang, C/127 Frequenznormierung, F/209

SACHVERZEICHNIS Frischbeton, H/42 Führung, D/195 Führungsart, D/196 Füllstoff, B/52 Funktion, D/108 Funktion, logische, D/109 Funktionskette, D/109 Funktionsstruktur, D/108 Funktionszusammenhang, D/108 Fußbodenheizfläche, H/73 Fußbodenheizung, H/69 Fußbreite, F/231 G Galvanisches Element, B/44 Gas, Eigenschaften, B/88 Gas, ideales, D/29 Gasbrenner, H/80 Gasdiffusion, E/18 Gasextraktion, E/18 Gas-Laser, F/260 Gasstrahler, H/70 Gasthermometer, C/33 Gasverflüssigung, D/28 Gaswirtschaft, H/94 Gateway, G/35 G-Charakteristik, F/116 Gefahr, elektrische, F/251 ff. Gefahr, Laser-, F/257 Gefahr, mechanische, F/247 ff. Gefahr, strahlende, F/257 Gefährdungsbereich, F/250 Gefahrenquelle, F/247 Gefährlichkeitsmerkmal, I/16 Gefahrstoffrecht, I/12 Gefahrstoffverordnung, I/15

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Gefrierpunkt, D/27 Gefriertrocknen, E/18 Gefüge, B/7 Gegengekoppelter Verstärker, F/217 Gegeninduktion, F/20 Gegenmoment, F/34 Geiger-Müller-Zählrohr, C/50 Gekoppelter Kreis, F/230 Gelenkgetriebe, D/169 Gelenkkraft, D/6 Gelenkzirkel, C/21 Gemittelte Beleuchtungsstärke, F/120 Genauschneiden, D/229 Generator, Betriebsart, F/28 Generator, F/28 ff. Generator, Tacho-, C/44 Geometriedatenverarbeitung, D/213 Geotechnik, H/8 Geräte-Eigenschaft, F/125 Gesamtfunktion, D/108 Gesamtschneidwerkzeug, D/224 Gesättigter Dampf, B/97 Geschwindigkeitsdiagramm, D/3 Geschwindigkeitsmesstechnik, C/43 Geschwindigkeitsmessung, Doppler-, C/103 Gesetz von Ampere, F/17 Gesetz von Bernoulli, D/13 Gesetz von de Morgan, G/56, G/57 Gesetz, Boolesches, G/56 Gesetz, Durchflutungs-, F/21

J/16

SACHVERZEICHNIS

Gesetz, Faradaysches, F/19 Gesetz, Hopkinsonsches, F/19 Gesetz, Induktions-, F/19, F/21 Gesetz, Kirchhoffsches, F/193 Gestaltungsgrundlage, D/123 Gestaltungsprinzip, D/123 Gestaltungsrichtlinie, D/130 Gesteinkorngröße, H/44 Gesteinskörnung, H/41 Gestell, D/168, D/189 Gestellbauteil, D/190 Gestörter, F/239 Getriebe, D/184 Getriebe, ebene, D/169 Getriebeanalyse, D/170 Getriebeaufbau, D/168 Getriebedefinition, D/168 Getriebeentwurf, D/184 Getriebe-Freiheitsgrad, D/169 Getriebekasten, D/185 Getriebelager, D/198 Getriebe-Laufgrad, D/169 Getriebelaufgüte, D/173 Getriebelehre D/142 Getriebesynthese, D/174 Getriebesystematik, D/168 Getriebetechnik, D/168 Gewässerbelastung, I/30 Gewässergüte, I/27 Gewässernutzung, I/33 Gewässerproblem, I/29 Gewässerzustand, I/30 Gewichtskraftkompensation, C/31 Gewindemessung, C/23 Gewindespindel-MutterTrieb, D/188

Gibbs-Funktion, D/33 Gießereiroheisen, B/7 Giga, A/17 Gilliland-Beziehung, E/36 Gitter, optisches, C/83 Glas, B/73, B/101 Glasfaser, B/101 Glaswolle, B/101 Gleichgewichtsbedingung, D/14 Gleichmäßigkeitsindex, F/120 Gleichrichter, F/225 Gleichrichter-Diode, F/168, F/170 Gleichrichter-Schaltung, F/236 Gleichrichtwert, C/53 Gleichstrommaschine mit PermanentmagnetErregung, F/23 Gleichstrommaschine, F/30 Gleichstrommotor, D/182 GleichstromNebenschlußmaschine (GS-NSM), F/23, F/31 GleichstromNebenschlussmotor, D/182 GleichstromReihenschlußmaschine (GS-RSM), F/23 Gleitführung, D/195 Gleitkommazahl, G/71 Gleitlager, D/96 Gleitlagergestaltung, D/198 Glühen, B/18 Gnomon, C/38 GOS-Linie, B/5

SACHVERZEICHNIS Granulat, B/53 Grauguss, B/28 Gray-Kode, A/4, G/72, G/73 Grenzmaß, D/60 Grenzrisiko, F/246 Grenzzustand, D/13 Großkessel, H/80 Grundabmaß, D/60 Grundlagenvermessung, H/2 Grundstahl, B/13, B/14, B/15 Grundtoleranz, D/60 Grundwasserstand, H/13 Grundwasservorrat, I/37 Gruppensteuerung, D/206 GUI (Graphical User Interface), G/104 Gummi, B/69, B/102 Gunn-Diode, F/175 Gusseisen, B/6, B/28, B/100 Güte, F/227 Gütegruppe, B/17 H Hagelrauschen, F/238 Hahn, H/75 Halbferritischer Stahl, B/25 Halbleiter, Benennung, F/166 Halbleiter, Leistungs-, F/178 Halbleiter-Laser, F/261 Halbleiter-Relais (SSR) , F/131 ff. Halbleiter-Werkstoff, B/81 ff. Halbwertszeit, C/102 Hall-Element, F/191 Halogenfreies Kabel, F/100 Hammingdistanz, G/84 Handsteuerung, D/202

J/17

Harnstoff-FormaldehydKunststoff (UF) , B/62 Harnstoff-FormaldehydSchaum, B/72 Härte, B/2 Härten, B/18 Härten, Flamm-, B/9 Härten, Induktions-, B/9 Härten, Randschicht-, B/9 Hart-Löten, D/88 Hartmetall, B/80 Hartstoff, nichtoxidischer, B/79 Harz, B/53 Harzinjektionstechnik, D/139 Hauptfunktion, D/108 Hauptlagerung, D/198 Hauptträgheitsachse, D/9 Hausheizungsstation, H/85 Hausmüll, H/97 Hausstation, H/84 HB (Brinell-Härte) , B/2 H-Charakteristik, F/116 HDPE, B/54 Heißleiter, F/141 Heißluftmotor, D/32 Heißwasserheizanlage, H/70 Heißwassernetz, H/84 Heizarmatur, H/75 Heizkessel, H/71, H/78 Heizkörper, H/71, H/87 Heizkörperventil, H/75 Heizkostenverteiler, H/87 Heizleiter, H/69 Heizleiterwerkstoff, B/38 Heizsystem, H/81 Heizungstechnik, H/69 Heizwerk, H/71

J/18

SACHVERZEICHNIS

Heizwert, H/95, H/97 Heizzentrale, H/84, H/86 Hekto, A/17 Helmholtz-Gleichung, D/33 Henry, A/4 Herstellkosten, D/115 Hertz, A/4 Hexadezimalsystem, G/66, G/67, G/68 Hitzdrahtanemometer, C/35 Hitzdrahtmesswerk, F/126 Hitzebeständiger Stahl, B/23 Hitzebeständiger Werkstoff, B/38 Hochbaumaßordnung, H/57 Hochdruckdampf, H/74 Hochdruckdampfheizanlage, H/70 Hochfrequenz-Diode, F/174 Hochfrequenz-Verstärker, F/217 Hochlegierter Stahl, B/12 Hochlegierter Stahl, B/7 Hochpass, F/210, F/226 Hochpassfilter, F/204 Höchstmaß, D/60 Höhenfestpunktfeld, H/6 Hohlläufer, D/182 Holografisches Interferometer, C/81, C/88 Holz, B/102 Holzbau, H/52 Homogenisieren, E/6 Homologe Kohlenwasserstoffreihe, B/96 Hooke’sches Gesetz, D/13, D/16 Hopkinsonsches Gesetz, F/19

HR (Rockwell-Härte) , B/2 Hubkolbenverdichter, H/92 Hüllprinzip, D/61 Humusgehalt, H/15 HV (Vickers-Härte) , B/2 Hybridschrittmotor, F/27 Hydraulisches Symbol, C/106 Hydrofon, piezoelektrisches, C/62 Hydromotor, D/182 Hydrostatisches Prinzip, C/32 Hygrometer, LiCl, C/51 Hygrometer, Taupunkt-, C/51 Hypercap-Diode, F/173 Hysteremotor, F/25 Hysterese, C/4 Hystereseverlust, F/30 I IEC-Bus (International Electrotechnical Commission), G/99 IEC-Bus, G/86, G/88, G/89 I-Funktion, C/150 I-Funktion, E/45 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), F/178 IGFET, F/187 I-Glied, C/134 Impedanz, F/158 Impedanz, Netz, F/110 Impedanzfunktion, F/202 Impedanznormierung, F/209 Impulsantwort, C/125 Impulsförmige Störungen, F/239 Indirekte Regelung, C/149

SACHVERZEICHNIS Induktion, F/17 Induktion, Gegen-, F/20 Induktion, magnetische, F/15 Induktionsgesetz, F/19, F/21 Induktionshärten, B/9 Induktionsmesswerk, F/126 Induktive Kopplung, F/231 Induktiver Wegaufnehmer, C/42 Induktivität, F/9, F/127, F/149 ff. Industriemüll, H/97 Induzierte Spannung, F/17 Informatik, G/48 ff. Informationsdienstmerkmal, G/41 Infrarot, C/85 Infrarotlicht (IR), F/177 Inhibitor, B/46 Injektions-Laser, F/261 Inkonel, B/100 Inkrementalgeber, C/67 Instabilität, D/13 Installation, Leitungssystem, F/65 ff. Installations-Automat, F/116 Installationsdraht, F/52 ff. Installationsmethoden, F/52 ff. Installationstechnik, F/98 ff. Instanz, G/19 Insulated Gate FeldeffektTransistor (MOSFET), F/179 Integralbauweise, D/138 Integrales Verhalten, C/134 Integrator, F/226

J/19

Integrierter Kondensator, F/147 Integriertes digitales Nachrichtennetz G/37 ff. Interface, G/85 ff. Interface, Koppel-, C/118 Interface, X.-, G/94 Interface, X.25-, G/24 Interferenzmikroskop, C/96 Interferenzmuster, Mikro-, C/89 Interferometer, C/69 Interferometer, holografisches, C/81, C/88 Interferometer, Laser-, C/70 Interferometer, Mikro-, C/81 Interferometer, SpecklePattern-, C/81, C/89, C/90 Interferometer, Weisslicht-, C/75 Interferometrie, C/65 Interpolationsberechnungsverfahren, D/213 Interpolationsraster, D/213 Interpolationsverfahren, D/213 Interrupt, G/105 Inverse Antwort, C/133 Inverter, G/52 Invertierender SpannungsVerstärker, F/224 Investitionsentscheidung, H/93 Ionentausch, E/16 Ionisationsdetektor, C/50 IP-Bezeichnung (Schutzgrad), F/106

J/20

SACHVERZEICHNIS

ISDN (Integrated Services Digital Network), G/3, G/37 ff. ISDN, Breitband-, G/44 ISDN-Netzzugang, G/41 Isentrope, D/30 Isobare, D/30 Isochore, D/30 Isochromate, C/90 Isolation, elektrische, F/256 Isolationsmaterial, EPR, F/67, F/69, F/76, F/77 Isolationsmaterial, mineralisches, F/70, F/71, F/72, F/73 Isolationsmaterial, PVC, F/68, F/74, F/75 Isolationsmaterial, XLPE, F/67, F/69, F/76, F/77 Isolierschicht-FeldeffektTransistor (IGFET), F/127 Isolierung, F/251 ISO-Passungssystem, D/73 Isotherme, D/30 Istmaß, D/60 I-Träger, H/50 IWU (Interworking Unit), G/46 J Jahreswirkungsgrad, H/83 JFET, F/185 ff. Joule, A/4 Joule-Effekt, D/33 Joule-Kelvin-Effekt, D/33 Joystick-Schnittstelle, G/96 Justierung, C/4

K Kabel, einadriges, F/52 ff. Kabel, F/243 Kabel, halogenfreies, F/100 Kabel, Koax-, F/160 Kabel, mehradriges, F/52 ff. Kabelschirm, F/243 Käfigläufer, D/180 Käfigläufer, F/25 Kalibermaßstab, C/22 Kalibrierung, C/5 Kaltarbeitsstahl, B/27 Kälteleistung, H/90 Kältemittelverdichter, H/91 Kältetechnik, H/88 Kaltleiter, F/141 Kaltverformbarkeit, B/4 Kaltzäher Stahl, B/24 Kanal-Protokoll DSSI (Data Subscriber Signaling System), G/43 Kapazität, F/3, F/9, F/127, F/149 Kapazität, Leiter, F/50 Kapazitätsdiode, F/169, F/173 Kapazitive Kopplung, F/230 Kapazitiver Wegaufnehmer, C/42 Kardankupplung, D/95 Karnaugh-Veitch (KV), G/59 Karstgrundwasser, I/34 Kategorie, geotechnische, H/8 Kategorie, Stromkreis-, F/253 Katode, B/43 Kegelrad, D/159 Kegelrollenlager, D/201 Keil, D/12

SACHVERZEICHNIS Keilriemen, D/149 Keilwelle, D/92 Kelvin, A/2 Kelvin-Regel, D/29 Kennwert, geotechnischer, H/25 Kennzahl, F/47 Kennzeichnung, Ader-, F/103 Keramik, B/73 ff. Keramik-Kondensator, F/147 Kerbschlagarbeit, B/16 Kerbwirkung, D/16 Kernverlust, F/154 Kette, kinematische, D/168 Kilo, A/17 Kilogramm, A/2 Kinematikmodul, D/172 Kippmoment, D/9 Kippstufe, G/62 Kirchoffsches Gesetz, F/193 Klappe, H/75 Klärschlamm, I/40 Klassierung, C/5 Kleben, D/90 Kleinkessel, H/80 Kleinstmotor, F/25 Kleinwärmezähler, H/87 Klemme, F/130 Klemmenbrett, F/41 Klima, I/16 Klimatisierung, H/89 Klirrfaktor, F/12 Kluftgrundwasser, I/34 Knabberschneiden, D/217 Knicken, D/23 Knickkoeffizient, D/23 Knotenregel, F/193 Koaxkabel, F/160

J/21

Kode, G/71 ff. Kode, Übertragungs-, G/42 Kodewandlung, G/18 Kodierung, G/66 ff. Kohärenzlänge, C/75 Kohlendioxid, I/19 Kohlenstoff, B/5 Kohlenwasserstoffreihe, homologe, B/96 Kohleverbrennung, I/25 Kollektorschaltung, F/182 Kollision, G/26 Kollisionsbehaftetes Verfahren, G/27 Kombikessel, H/81 Kombinatorische Schaltungen, G/59 Kommazahl, Fest-, G/71 Kommazahl, Gleit-, G/71 Kommunikation, Einweg-, G/4 Kommunikation, G/2 ff. Kommunikationsmodell, G/2 Kommunikationssteuerungsschicht, G/17, G/36 Kompensation, cos. , F/118 Kompensation, Gewichtskraft-, C/31 Kompensationsverfahren, Längenmess-, C/27 Kompensator, C/54 Kompensator, H/76 Komplementärer MOS (Metall Oxid Semiconductor), F/190 Komplexer Widerstand, F/9 Komponentenbus, G/98 Kompressibilität, B/86

J/22

SACHVERZEICHNIS

Kompressionsbarometer, C/35 Kondensatableiter, H/76 Kondensatabscheider, H/74 Kondensationskessel, H/79 Kondensationskraftwerk, I/20 Kondensationswärme, spezifische, D/28 Kondensator, F/3, F/145 ff. Kondensatormotoren, F/26, F/39 Kondensatorverfahren, C/40 Kondensieren, D/27 Konduktometrie, C/52 Konjunktion, G/55 Konsistenz, H/15 Konstruktionsart, D/123 Konstruktionslehre D/108 Konstruktionsmaterial, B/100 ff. Konstruktionsoptimierung, D/192 Konstruktionsprozess, D/117 Kontakt, Spulenantrieb, Schütz, F/128 Kontaktbezeichnung (DIN EN 50042), F/129 Kontaktmaterial, F/131 Kontaktsteuerung, D/208 Kontamination, I/38 Konterschneiden, D/229 Kontrollbus, G/101 Kontrolle, Buszugriffskontrolle, G/28 Kontruktionsmethode, D/112 Konvektionsgerät, H/69 Konvektor, H/71 Konvolutions-Integral, C/125 Konzipieren, D/119

Koordinatenunterschied, H/5 Koppelbaustein, G/35 Koppelfaktor, F/20 Koppelinterface, C/118 Koppler, Bus-, C/118 Kopplung, F/132, F/133, F/242 Kopplung, induktive, F/231 Kopplung, kapazitive, F/230 Kopplung, kritische, F/231 Kopplungsverfahren, G/34 Korngrößenverteilung, H/14 Körperschall, C/62 Korrektion, C/5 Korrosion, B/42 ff. Korrosionsbeständiger Stahl, B/26 Korrosionsbeständigkeit, B/35 Korrosionsbeständigkeit, B/4 Korrosionsschutz, B/42 ff. Kostenfrüherkennung, D/116 Kostenschätzung, D/116 Kostensenkung, I/47 Közény-Beziehung, E/27 Kraft, Lorentz-, F/18 Kräfte, parallele, D/7 Kräftezerlegung, D/7 Kräftezusammenfügung, D/6 Kraftlehre, D/13 Kraftleitungsprinzip, D/126 Kraftmesstechnik, C/29 Kraftmesstechnik, piezoelektrische, C/44 Kraftmessung, C/90 Kraft-Wärme-Kopplung, I/20 Kraft-WärmeKopplungsgesetz (KWKG), I/8

SACHVERZEICHNIS Kreisfrequenz, F/227 Kreislaufwirtschaft, I/41, I/45 Kreisprozess, D/31 Kremser-Beziehung, E/38 Kreuzgitter-Messgerät, C/69 Kriechfestigkeit, B/3 Kristall, F/156 Kristallisation, E/16, E/39 Kristallisator, E/41 Kritische Kopplung, F/231 Kuchenfiltration, E/26 Kugelgewindetrieb, D/188 Kugelgrafit, B/28 Kühl-Kristallisator, E/42 Kunstharz, B/53 Kunststoff, B/51 ff. Kunststoff-Kondensator (K), F/146 Kunststoff-Prüfung, B/69 Kunststoff-Schaum, B/71 Kupfer, B/31, B/100 Kupfer, B/32, B/33, B/34 Kupferfluss, I/44 Kupferverlust, F/154 Kurbelschleife, D/171 Kurbelschwinge, D/174 Kurvengetriebe, D/170, D/178 Kurvensteuerung, D/207 Kurzschlussankermotor, F/34 Kurzschluss-Strom, F/108, F/113 KV-Diagramm (KarnaughVeitch) , G/59, G/61 KWK-Anlage, I/20 Kyoto-Protokoll, I/18

J/23

L Lackieren, B/48 Ladeburit, B/7 Ladung, elektrische, F/2, F/17 Ladung, Teilchen-, F/5 Lageeinstellung, D/213 Lagefehler, D/223 Lager, D/96 Lagerart, D/198 Lageregelung, D/213 Lagermontage, D/98 Lagerschmierung, D/99 Lagerung, D/197 Lagerungszustand, H/28 Lagesollwert, D/211 Lagesollwertbildung, D/213 Lagetoleranz, D/67 Lagetolerierung, D/61 Laminat, B/53 LAN (Local Area Network), G/9, G/25 ff. Lange Leitung, F/157 Längenmaß, C/20 LängenmessKompensationsverfahren, C/27 Längenmesstechnik, elektrische, C/40 Längenmessung, C/20 Langsamläufer, D/182 Laplace-Formel, F/17 Laplace-Transformation, C/125 Lärm, C/62 Laser, F/259 ff. Laser-Doppler-Vibrometer, C/78

J/24

SACHVERZEICHNIS

Laser-Gefahr, F/257 Laser-Interferometer, C/70 Laserklasse, F/258 Laserschweißen, D/88 Lasertrennen, D/231 Laufzeitmessung, C/104 L-Charakteristik, F/116 LC-Oszillator, F/232 LCP, B/54 LDPE, B/54 LDR-Widerstand (Light Dependent Resistance, Fotowiderstand), F/141, F/145 LED (Light Emitting Diode), F/176 Legierter Stahl, B/6, B/7 Legierung, Eigenschaften, B/91, B/100 Legierungskennzahl, B/12 Leistung, F/7 Leistungsdichte, F/165 Leistungshalbleiter, F/178 Leistungsverstärker, F/218 Leiter, elektrischer, F/48 ff. Leiter, Schutzklasse, F/108 Leiter, Zweidraht-, F/160 Leiterdiagramm, C/119 Leiterkapazität, F/50 Leiterwiderstand, F/50 Leitfähigkeit, F/5 Leitlinie, D/119 Leitsteuerung, D/206 Leitsteuerungsebene, D/206 Leitung, Drehstrom-Luft-, F/50 Leitung, lange, F/157 Leitung, Schnittstellen, G/30

Leitung, Ursprungskennzeichnung, F/99 Leitungsart, F/98 Leitungsberechnung, F/48 Leitungsquerschnitt, F/49 Leitungssystem, Installation-, F/65 ff. Leitungsvermittelter Übermittlungsdienst, G/39 Leitungs-Vermittlung, G/11, G/22 Lese-Schreib-Speicher (Random Access Memory), G/102 Leuchtdichte, C/97 Lichtfarbe, F/121, F/123 Lichtmesstechnik, C/96 Lichtmikroskop, C/95 Lichtquelle, F/121, F/123 Lichtstärke, C/97 Lichtstärke, F/119, F/121 Lichtstrom, C/97 Lichtstrom, F/121 LiCl-Hygrometer, C/51 Linearer Ausdehnungskoeffizient, B/3 Linearer Verstärker, F/214 Linearführung, D/195 Linearmotor, D/182 Linearmotor, F/27 Linescanner, C/85, C/86 Linie, D/42 Linie, elastische, D/21 Linienart, D/42 Linienbreite, D/42 Link layer, G/15, G/24 Link, G/108 Liquid-Gas-Trennung, E/15

SACHVERZEICHNIS Liquid-Liquid-Trennung, E/14 Liquiduslinie, B/5 LLDPE, B/54 Lochen, D/214 Lochstempel, D/227 Lockergestein, I/34 Logarithmierschaltung, F/225 Logik, Schalt-, G/56 Logik-Schaltzeichen, G/52 Lokalelement, B/45 Lokales Netz (LAN), G/9, G/25 ff. Lorentzkraft, F/18 Löschbarer, programmierbarer Nurlesespeicher (EPROM), G/102 Lösungsbeurteilung, D/114 Lösungsprinzip, D/112 Lösungsprozess, D/112 Lötbarkeit, B/4 Löten, D/88 Lötlegierung, D/89 Luftbelastung, I/22 Luftdruckmessung, C/33 Luftheizanlage, H/70 Luftheizgerät, H/70, H/74 Luftheizung, H/71 Luft-Keramik-Trimmer, F/147 Luftschall, C/62 Luftspule, F/155 Lumen, A/4 Luminanz, F/121 Luminanzverhältnis, F/121 Luminationskontrast, F/120 Lumineszenzdiode, C/75 Lumineszenz-Diode, F/177

J/25

Lux, A/4, F/119 M MAC (Medium Access Control), G/28 Magentische Induktion, F/15 Magnesium, B/32, B/39, B/101 Magnetisation, F/15 Magnetische Feldkonstante, F/17 Magnetische Feldstärke, F/17 Magnetische Flussdichte, F/17 Magnetische Polarisation, F/15 Magnetische Spannung, F/17 Magnetische Spannung, F/19 Magnetische Suszeptibilität, F/15 Magnetischer Fluss, F/15 Magnetischer Fluss, F/17 Magnetischer Sensor, F/191 Magnetischer Wegaufnehmer, C/43 Magnetischer Widerstand, F/19 Magnetischer, keramischer Werkstoff, B/78 Magnetisches Dipolmoment, F/15 Magnetisches Moment, F/15 Magneto-resistiver Sensor (MRS), F/192 Magnetostatik, F/15 ff. Magnetostatische Energie, F/15 Magnetpole, F/15 Makroelement, B/45

J/26

SACHVERZEICHNIS

MAN (Metropolitan Area Network), G/44 Manometer, C/35 Mantelzentrifuge, E/24 MAP, C/118 Martensitischer Stahl, B/25 Maschen-Netz, G/10, G/11, G/25 Maschenregel, F/10, F/193 Maschine, Gleichstrom, F/30 Maschine, GleichstromNebenschluß- (GS-NSM), F/23, F/31 Maschine, GleichstromReihenschluß- (GS-RSM), F/23 Maschine, StandardAsynchron-, F/37 Maschine, Synchron (SM)-, F/32 Maschine, Wechselstrom-, F/32 Maschinenbau, D/1 Maschinen-Bauform, F/44 Maschinenbaustahl, B/13, B/14 Maschinenelement, D/71 Maschinenkunde D/179 Maschinenständer, D/191 Maschinensteuerungsebene, D/206 Maß, Längen-, C/20 Maßanordnung, D/46 Maßeintragung, D/46 Massenträgheitsmoment, D/10 Maßfehler, D/223 Maßnahme, Schirm-, F/243

Maßnahmentrias, I/6 Maßstab, D/39 Maßtoleranz, D/60 Maßverkörperung, C/5 Material, Kontakt-, F/131 Materialeffizienz, I/47 Materialintensität, I/28 Matrixbruch, D/138 Mauerblock, H/58 Mauerstein, H/58, H/60 Mauerwerk, H/57 Mauerwerkplanungsmaß, H/59 Maxterm-Form, G/58, G/59 Maxwell-Beziehung, D/33 Maxwell-Brücke, C/57 Maxwellsche Gleichung, F/21 McCabe-Thiele-Diagramm, E/32 McCabe-Thiele-Methode, E/29 MDPE, B/54 Mechanik, D/2 Mechanische Gefahr, F/247 ff. Mechanische Messtechnik, C/20 ff. Mechanische Spannungsmessung, C/90 Mechanismus, D/168 Medium, Übertragungs-, G/25 Mega, A/17 Mehlkorngehalt, H/41 Mehradriges Kabel, F/52 ff. Mehrmalige Messung, C/12 Mehrstufenschneidwerkzeug, D/224

SACHVERZEICHNIS Mehrstufiger Verstärker, F/216 Melamin-FormaldehydKunststoff (MF) , B/62 Meldung, D/203 Mengenübersichts-Stückliste, D/65 Merkmal, geometrisches, D/110 Merkmal, stoffliches, D/110 Messabweichung, C/4 Messabweichung, C/8, C/9, C/14 Messband, C/22 Messbereich, C/5 Messbrücke, C/56 Messeinrichtung, C/5 Messen, C/1 ff. Messerschneiden, D/214 Messgenauigkeit, H/6 Messgerät, akustisches, C/62 Messgerät, C/5 Messgerät, Kreuzgitter-, C/69 Messgeräte, Einteilung, F/126 Messgerätedrift, C/5 Messglied, C/18 Messgröße, C/5 Messgrößenaufnehmer, C/6 Messgrößenerfassung, elektrische, H/87 Messing, B/31 Messkeil, C/23 Messkette, C/6 Messlatte, C/22 Messmethode, C/6 Messobjekt, C/6 Messpotentiometer, C/41 Messprinzip, C/6

J/27

Messsignal, C/7 Mess-Signalverarbeitung, C/52 Messtechnik mit Wellen, C/62 ff. Messtechnik, Dehnungs-, C/30, D/45 Messtechnik, Drehzahl-, C/43 Messtechnik, Drehzahl-, C/96 Messtechnik, elektrische, C/40 ff. Messtechnik, Fertigungs-, C/15 Messtechnik, Geschwindigkeits-, C/43 Messtechnik, Kraft-, C/29 Messtechnik, Kraft-, piezoelektrisch, C/44 Messtechnik, Licht-, C/96 Messtechnik, mechanisch, C/20 ff. Messtechnik, Oberflächen-, C/95 Messtechnik, Strahlen-, C/101 Messuhr, C/22 Messung, Abstands-, C/65 Messung, Beschleunigung, C/28 Messung, C/7 Messung, Dehnungs-, C/90 Messung, Dicken-, C/22 Messung, direkte, C/11 Messung, Druck-, C/35 Messung, Durchfluss-, C/35 Messung, Durchfluss, C/48 Messung, dynamische, C/3 Messung, Farb-, C/82, C/98 Messung, Feuchte-, C/94

J/28

SACHVERZEICHNIS

Messung, Flüssigkeitsstand, C/48 Messung, Form, C/71 Messung, Geschwindigkeits-, Doppler-, C/103 Messung, Gewinde- C/23 Messung, Kraft-, C/90 Messung, Längen-, C/20 Messung, Luftdruck-, C/33 Messung, mechanische Spannungs-, C/90 Messung, mehrmalige, C/12 Messung, Oberflächen-, C/28 Messung, Schwingungs-, C/77 Messung, Spannungs-, C/53 Messung, statische, C/8 Messung, stroboskopische, C/96 Messung, Strom-, C/52 Messung, Temperatur-, C/84 Messung, UltraschallStrömungs-, C/64 Messung, Verformungs-, C/88 Messung, Wärme-, C/32 Messung, Weite-, C/22 Messung, Widerstands-, C/54 Messung, Zeit-, C(37 ff. Messunsicherheit, C/7, C/8, C/10 Messverfahren, C/7 Messverstärker, C/57 Messwerk, F/126 Messwert, C/7 Metall, B/2 ff., B/100 Metall, Eigenschaften, B/90, B/100

Metallisierter Kunststoffkondensator (MK), F/146 Metallisierter Papierkondensator (MP), F/146 Metallthermometer, C/33 Meter, A/2 Methan, I/19 MF, B/54 MIC (Medium Interface Cable), G/30 Mikro, A/17 Mikrofon, C/62 Mikroinferometer, C/81 Mikrointerferenzmuster, C/89 Mikrometerschraube, C/22 Mikrorechner, G/101 Mikroschrittsteuerung, F/27 Mikroskop, Interferenz-, C/96 Mikroskop, Licht-, C/95 Mikrostruktur, B/74, C/77 Mikrowelle, C/103 ff. Milli, A/17 Mindestmaß, D/60 Mindeststreckgrenze, B/10 Mineralisches Isolationsmaterial, F/70, F/71, F/72, F/73 Minterm-Form, G/58 Mischen, E/2 Mischertyp, E/4 Mischzeit, E/6 Mitteilungspflicht, I/9 Mittelkessel, H/80 Mittelwert, C/13, F/7, F/12 Mittenrauwert, D/59 Modell, Kommunikations-, G/2 Modem, G/21 Modul, D/155

SACHVERZEICHNIS Modul-Methode, D/170 Mol, A/2 Molekulardestillation, E/18 Molybdän, B/32 Moment, Anlauf-, F/34 Moment, Gegen-, F/34 Moment, Motor-, F/34 Moment, statisches, D/18 Moment, Trägheits-, F/34 Momentensatz, D/11 Momentenübertragung, D/91 Monel, B/100 Monomer, B/51 Monomodefaser, C/92 MOS (Metal Oxid Semiconductor), F/190 Motherboard, G/105 Motor, Asynchron- (ASM), F/32 Motor, Asynchron-, Einphasen-Wechselstrom, F/26 Motor, D/180 Motor, F/28 ff. Motor, Hybridschritt-, F/27 Motor, Hysterese-, F/25 Motor, Kleinst-, F/25 Motor, Kurzschlussanker-, F/34 Motor, Linear-, F/27 Motor, Permanentmagnet-, F/27 Motor, Reluktanz-, F/25, F/27 Motor, Schritt-, F/27 Motor, Spaltpol-, F/26 Motorbetrieb, F/42, F/43 Motor-Betriebsart, F/28 Motoren, Anlauf-, F/26 Motoren, Betriebs-, F/26

J/29

Motoren, Kondensator-, F/26, F/39 Motoren, Umschalt-, F/42 Motormoment, F/34 MPC-Standard (Multimedia PC), G/110 Müll, H/97 Multimodefaser, C/91 Multiplex, G/17 Multiplexer, G/4 Mustererkennung, C/40 Musterverordnung, I/30 Mutterlauge, E/40 Mutterplatine, G/105 N Nachformsteuerung, D/208 Nachhaltigkeit, I/2 Nachrichtennetz, integriertes digitales G/37 ff. Nachrichtenübermittlung, G/3 Nachrichtenverbindung, G/6, G/7 Nachschneiden, D/227 NAND, G/53 Nano, A/17 Naphten, H/100 Nasslaminiertechnik, D/138 Naturgummi (NG), B/69 Naturstoff, B/51 NC-Datenverwaltung und – aufbereitung (NCVA), D/212 Nebenfunktion, D/108 Nebenwirkung, D/111 Negierung, doppelte, G/56 Nennmaß, D/60 Nennmaßbereich, D/60

J/30

SACHVERZEICHNIS

Neoprengummi (CG), B/71 Neper, A/4 Nernstsches Gesetz, C/52 Network layer, G/16 Netz, DATEX-L-, G/22 Netz, DATEX-P-, G/22 Netz, Fernsprech-, G/21 Netz, integriertes digitales Nachrichten-, G/37 ff. Netz, öffentliches, G/20 Netz, Stadtkommunikations(MAN: Metropolitan Area Network), G/44 Netzform, G/10 Netzimpedanz, F/110 Netzknoten, G/9 Netztopologie, G/10, G/25 Netzwerk, Anpassungs-, F/196 Netzwerktheorie, F/192 ff. Netzzugang, ISDN-, G/41 Neukonstruktion, D/123 Neusilber, B/31 Neuwertindex, F/120 Newton, A/4 Newton’sches Abkühlungsgesetz, D/35 Newton-Kennzahl, E/5 Newtonsches Gesetz, D/4 Nichteisenmetall, B/30 ff. Nichtoxidischer Hartstoff, B/79 Nichtrostender Stahl, B/24 Nickel, B/32, B/37, B/100 Nickelbasiswerkstoff, B/38 Niederdruckdampf, H/74 Niederdruckdampfheizanlage, H/70

Niederschlag, I/41 Niedertemperaturheizung, H/70 Niedertemperaturkessel, H/78 Niedriglegierter Stahl, B/7 Nieten, D/89 Nitrieren, B/9 Nitrierstahl, B/19 Nitrocarburieren, B/9 Nivellementzug, H/6 Nockensteuerung, D/208 Nonius, C/22 NOR, G/53 Norm, Bildschirm-, G/110 Norm, Elektrotechnik, F/124 Normal, C/7 Normalglühen, B/18 Normalkraft, D/5 Normalspannung, D/21 Normblende, C/37 Normdüse, C/37 Normierung, Frequenz, F/209, F/210 Normierung, Impedanz, F/209. F/210 Normierungsfaktor, F/210 Norm-Radiator, H/72 Normtransformator, F/48 Normzahlreihe, D/139 NTC-Widerstand (Negative Temperature Coefficient, Heißleiter), F/141 Null-Paarung, D/157, D/158 Nullpunkt, absoluter, C/33 Nullpunkteinstellung, C/149 Null-Rad, D/156

SACHVERZEICHNIS

J/31

Nurlese- Speicher (ROM: Read Only Memory), C/118, G/102 Nutzreibwert, D/162 Nyquist-Kriterium, C/130

Oszilloskop, F/126 Otto-Prozess, D/32 Oxidation, B/43 Oxidkeramischer Werkstoff, B/77

O

P

Oberfläche, geometrische, D/58 Oberfläche, technische, D/58 Oberfläche, wirkliche, D/58 Oberflächenbehandlung, B/48 Oberflächenmesstechnik, C/95 Oberflächenmessung, C/28 Oberflächenrauheit, C/26 Objekttrias, I/6 ODER, G/55 OEM-Kode, G/74, G/80 Öffentliches Netz, G/20 Ohde-Steifenmodul, H/24 Ohm, A/4 Ohmscher Widerstand, F/9 Ohmsches Gesetz, F/5, F/8 Olefin, H/100 Ölofen, H/69 Operations-Verstärker, C/58, F/219 ff. Opferanode, B/47 Optik, C/65 ff. Optisches Gitter, C/83 OR, G/53, G/55 Organisationsform, D/122 O-Ring, D/101 Orthogonalabsteckung, H/3 OSI-Referenzmodell, G/13 ff. Osmose, E/16 Oszillator, F/232 ff.

PA, B/54 PAI, B/54 Paketvermittelter Übermittlungsdienst, G/39 Paketvermittlung, G/12, G/13, G/22 PAN, B/54 PAR, B/54 Parabolantenne, F/166 Paraffin, H/100 Parallele Schnittstelle, G/86 Paralleler Bus, G/97, G/99 Parallelnummer, D/66 Parallelschwingkreis, F/228 Paritätsbit, G/82, G/83 Pascal, A/4 Passfeder, D/91 Passivieren, B/46 Passung, D/60 Passungsauswahl, D/61 Passungssystem, D/61 PB, B/54 PBI, B/54 PBT, B/54 PC, B/54 PC-Bus (Personal Computer), G/99 PCI (Periphal Component Interconnect), G/106

J/32

SACHVERZEICHNIS

PCMCIA (PC Memory Card International Association), G/106, G/111 PC-System, G/105 PCT, B/54 PCTFE, B/54 PE, B/54 Péclet-Zahl, E/48 PEEK, B/54 PEI, B/54 PEK, B/55 Pendeluhr, C/38 peritektisch, B/5 Perlit, B/7 Perlitischer Stahl, B/25 Permanentmagnetmotor, F/27 Permeabilität, F/15, F/17 Persistenz, I/38 PES, B/55 PET, B/55 Peta, A/17 PF, B/55 Pflanzenschutzmittel, I/37 Phänomen, Ausschalt-, F/193, F/194 Phänomen, Einschalt-, F/193, F/194 Phase Locked Loop (PLL), F/233 ff. Phase, F/12 Phasenkonstante, F/158 Phasensystem, C/130 Phasenwinkel, F/8 Phenolformaldehydschaum, B/72 Phenoplast (PF), B/62 Phosphatieren, B/49 Physical layer, G/15, G/24

PHY-Sublayer (Physical Sublayer), G/33 PI, B/55 PIB, B/55 Piezoelektrische Kraftmesstechnik, C/44 Piezoelektrischer Effekt, B/78 Piezoelektrisches Hydrofon, C/62 Piezostellantrieb, F/27 Piko, A/17 PIN-Diode, F/169, F/174 Pipelining-Technologie, G/106 Pitotrohr, C/35 Planetenrad, D/160 Plasmaschweißen, D/87 Plasmastrahlschneiden, D/231 Plastizitätslehre, D/13, D/22 Plattenbeulen, D/24 Plattenheizkörper, H/71 PLL (Phase Locked Loop), F/233 ff. PMD-Sublayer (Physical Media Dependent), G/33 PMMA, B/55 PN-Diode, F/171, F/172 Pneumatisches Symbol, C/106 Poisson-Zahl, D/16 Polarabsteckung, H/3 Polardiagramm, C/130 Polarimetrie, C/100 Polarisation, B/45 Polarisation, magnetische, F/15 Polarographie, C/52 Pole, Magnet-, F/15 Polyamid (PA), B/68

SACHVERZEICHNIS Polyester, B/62 Polyethylen (PE), B/66, B/67 Polygonzug, H/3 Polymer-Werkstoff, B/51 Polymethylmetacrylat (PMMA), B/67 Polypropylen (PP), B/68 Polystyrol (PS), B/66 Polystyrolschaum, B/72 Polytrope, D/30 Polyurethanschaum, B/72 Polyvinylchlorid (PVC), B/66 POM, B/55 Porzellan, B/75 Positionsregelung, C/146 Potentialausgleich, F/251 Potentiometrie, C/52 Potenzial, F/2 Poyntingvektor, F/22 PP, B/55 PPO, B/55 PPS, B/55 Prandtlstaurohr, C/35 Präzipitation-Kristallisator, E/44 P-Regler, C/149 Prepreg, D/138 Pressteil, B/53 Primärenergie, H/93, H/95 Prinzip, hydrostatisches, C/32 Prinzip, Vermittlungs-, G/11 Prioritätenverwaltung, G/17 Prismenführung, D/195 Produktentwicklungsprozess, D/122 Produktrecycling, I/43 Produkt-Sicherheit, F/245 ff. Profil, geometrisches, D/58

J/33

Profil, wirkliches, D/58 Profilabweichung, D/58 Profilhöhe, D/59 Profilkuppenhöhe, D/59 Profiltaltiefe, D/59 Profiltraganteil, D/59 Programmanweisung, D/202 Programmierbare Nurlesespeicher (PROM), G/64, G/102 Programmiersprache, G/104 Programmsteuerung, D/202 Projektion, amerikanische, D/41 Projektion, europäische, D/41 Projektmanager, D/122 PROM (Programmable Read Only Memory), G/64 Proportionales Band, C/148 Protokoll, DSSI-Kanal- (Data Subscriber Signaling System), G/43 Protokoll, zeichenorientiertes G/15 Prozess, irreversibler, D/29 Prozess, nicht umkehrbarer, D/29, D/31 Prozess, nicht-quasistatischer, D/29 Prozess, quasistatischer, D/29 Prozess, reversibler, D/29 Prozess, umkehrbarer, D/29, D/31 Prozess, von selbst verlaufender, D/29 Prozessbus, G/98 Prozessor, G/106

J/34

SACHVERZEICHNIS

Prozessregelungstechnik, C/142 Prozesstechnik, E/1 Prüfstelle, elektrische, F/129 Prüfung, C/7 Prüfung, Kunststoff-, B/69 Prüfung, Sammelfehler-, C/25 Prüfung, Wälz-, C/25 PS, B/55 PSU, B/55 PTC-Widerstand (Positive Temperature Coefficient, Kaltleiter), F/141 PTFE, B/55 P-T-Glied, C/131, C/135ff. pT-Phasendiagramm, D/28 P-Übertragungsverhalten, C/131 Pufferfeder, D/103 Pufferspeicher, G/17 Pulver, B/53 Pumpen-Heizungsanlage, H/77 PUR, B/55 PVAC, B/55 PVAL, B/55 PVB, B/55 PVC, B/55 PVCA, B/55 PVCC, B/55 PVC-Isolationsmaterial, F/68, F/74, F/75 PVC-Schaum, B/72 PVDC, B/55 PVDF, B/55 pV-Diagramm, D/30 PVF, B/55 PVFO, B/55

PVP, B/55 Pyrometer, C/85 Q QPSX/DQDB (Queued Packed and Synchronous Switch/Distributed Queue Dual Bus), G/34 Qualitätsstahl, B/13, B/14, B/15 Quarz, B/101 Querkontraktion, D/16 Querkontraktionskoeffizient, D/16 Querschnitt, Leitungs-, F/49 Querschnittsbemessung, H/40 R Rácz-Beziehung, E/6, E/7 Radar, C/104 Radiant, A/3 Radiator, H/71 Radiotechnik, F/227 ff. Rahmensignal, G/43 Rahmenstruktur, G/43 RAM-Speicher (Random Access Memory), C/118, G/102, G/104 Randschichthärten, B/9, B/20 Raoult-Gesetz, E/27 Rapid Prototyping, D/122 Rasterabstand, H/12 Rauchgas, H/97 Rauchgasprüfer, H/81 Rauchgasthermometer, H/81 Rauheit, D/71 Rauheit, Oberflächen-, C/26

SACHVERZEICHNIS Rauheitsbezeichnung, D/59 Rauheitsdarstellung, D/71 Rauheitskennwert, D/58 Rauheitswert, D/71 Raum-Heizfläche, H/71 Raum-Heizkörper, H/71 Raumklimagerät, H/88 Raummultiplex-Verfahren, G/12 Rauschen, F/238, F/239 Rauschzahl, F/239 Rautiefe, D/59 RC-Generator, F/232 Reaktionsharz, B/53 Rechnerbus, G/99 Reduktion, B/43 Reduktionsfaktor, F/78 ff., F/95 Redundanz, D/129 Redundanz, G/84 Referenzmaterial, C/7 Referenzmodell, OSI-, G/13 ff. Reflexionsgrad, C/97 Reflexionskoeffizient, F/158 Refraktometer, C/100 Regel, Maschen-, F/10 Regelung, C/1 ff. Regelung, direkte, C/149 Regelung, Dreikomponenten-, C/148 Regelung, indirekte, C/149 Regelung, Positions-, C/146 Regelung, selektive, C/147 Regelung, Übernahme-, C/148 Regelung, Verhältnis-, C/146 Regelungstechnik, C/124 ff.

J/35

Regelungstechnik, Prozess-, C/142 Regler, Spannungs-, F/237 Reibradgetriebe, D/162 Reibungsverlust, F/30 Reif, E/39 Reihenschwingkreis, F/228 Reineisen, B/8 Reißen, D/214 Rektifiziersäule, E/30 Rekuperator, H/79 Relais, elektromechanisches, F/130 ff. Relais, Zeit-, F/135, F/136 Relaistechnik, G/48 Relative Messunsicherheit, C/8 Relative Permeabilität, F/15 Relativkostenkatalog, D/116 Reluktanz, F/19 Reluktanzmotor, F/25, F/27 Repeater, G/35 Resin-Transfer-MouldingTechnik (RTM), D/139 Resisitiver Wegaufnehmer, C/41 Resonanz, F/10, F/11 Ressource, sekundäre, I/28 Richardson-Zaki-Beziehung, E/20 Richtiger Wert, C/8 Ring-Netz, G/10, G/11, G/25 Rippenrohr, H/71 RISC-Computer (Reduced Instruction Set Computer), G/106 Risiko, Grenz-, F/246

J/36

SACHVERZEICHNIS

Ritter‘sche Schnittmethode, D/14 Ritzel-Zahnstange-Trieb, D/189 Rockwell-Härte, B/2 Rohrheizkörper, H/71 Rohrpumpe, H/78 Rohrschraubgewinde, amerikanisches, D/76 Rohrschraubgewinde, zylindrisch, D/79 Rohstoffausbeute, I/42 Rollenkette, D/142 Rollenlagerkraft, D/6 Rollkolbenverdichter, H/92 ROM-Speicher (Read Only Memory), C/118, G/102 Rotationsgeschwindigkeit, C/43 Router, G/35 Rückführfaktor, C/58 Rückführung, C/142 Rückkühlwerk, H/90 Rücklaufleitung, H/74 Rücklaufthermometer, H/81 Rücklaufverhältnis, E/33 Rückmeldung, D/203 Rückschlagklappe, H/76 Rückschlagventil, H/76 Rückwärtsdiode, F/175 Rückwirkung, C/8 Rückwirkung, D/111 Rühren, E/2 Rührertyp, E/2 Rührwerktyp, E/3 Rundbecken-Eindicker, E/22

S S0-Schnittstelle, G/42 Sachmerkmal, D/66 Sachnummernsystem, D/66 Sammelfehlerprüfung, C/25 SAN, B/55 Sanduhr, C/38 Sandwichbauweise, D/138 Sandwichplatte, B/72 SAP (Service Access Point), G/19 Satellitenrad, D/161 Sättigungsdruck, B/94 Sättigungsmagnetisierung, B/37 SB, B/55 SBC (Single Board Computer), G/106 Scanner, Line-, C/85, C/86 Schädlichkeitstrias, I/6 Schadstoff, I/10 Schadstoffquelle, I/13 Schalenzentrifuge, E/24 Schall, C/62 Schalldruck, C/62 Schallemission, F/258 Schallenergiedichte, C/62 Schallintensität, C/62 Schall-Leistung, C/62 Schallpegel, C/62 Schallschnelle, C/62 Schaltbefehl, D/211 Schalt-Diode, F/168, F/170 Schalter, F/130 Schaltformel, C/116 Schaltfunktion, G/48

SACHVERZEICHNIS Schaltlogik, G/56 Schaltung, Basis-, F/183 Schaltung, Brücken-, F/201 Schaltung, Delogarithmier-, F/225 Schaltung, digitale, G/48 Schaltung, Dreieck-, F/7, F/36, F/38 Schaltung, Emitter-, F/182 Schaltung, Gleichrichter-, F/236 Schaltung, Kollektor-, F/182 Schaltung, Logarithmier-, F/225 Schaltung, sequenzielle, C/115 Schaltung, Steinmetz-, F/40 Schaltung, Stern-, F/7, F/36, F/38 Schaltung, Tor-, G/48 Schaltung, Vierpol-, F/197 ff. Schaltung, Zweitor-, F/197 ff. Schaltungen, kombinatorische, G/59 Schaltzeichen, Logik-, G/52 Schattenwurfverfahren, C/71 Schätzwert, C/13 Schaum, Kunststoff-, B/71 Schaumtrennung, E/16 Scheibenbremse, D/100 Scheibenläufer, D/182 Scheinanteil, F/8 Scheitelfaktor, F/12 Scheren, D/214 Scherfestigkeit, B/3 Scherfestigkeit, H/28 Scherschneiden, D/214 Schicht, Anwendungs-, G/19

J/37

Schicht, Bitübertragungs-, G/15, G/24, G/36 Schicht, Darstellungs-, G/18 Schicht, Kommunikationssteuerungs-, G/17, G/36 Schicht, Sicherungs-, G/15, G/24, G/36 Schicht, Transport-, G/16 Schicht, Vermittlungs-, G/16, G/24, G/36 Schichtverbund, D/138 Schichtwiderstand, F/142 Schieber, H/75 Schirmmaßnahme, F/243 Schlackenviskosität, H/100 Schlagzahl, H/21 Schlankheit, D/23 Schleifen-Iterationsmethode, D/170 Schleifringläufer, D/181 Schleifringläufer, F/25 Schleifspindellagerung, D/199 Schlitz, F/243 Schlupf, D/166 Schmalbandstörer, F/239 Schmalprofilriemen, D/149 Schmelzkristallisation, E/39 Schmelzpunkt, B/3 Schmelzpunkt, D/27 Schmelzschweißung, D/61 Schmelzsicherung, F112, F/115 Schmelzsystem, F/111 Schmelztemperatur, D/27 Schmelzverhalten, H/100 Schmelzwärme, spezifische, D/27

J/38

SACHVERZEICHNIS

Schmitt-Trigger, F/224 Schnecke-Zahnstange-Trieb, D/189 Schneiden, D/214 Schneidkraft, D/220 Schneidkraft-Weg-Verlauf, D/222 Schneidplatte, D/227 Schneidspalt, D/226 Schneidvorgang, D/218 Schneiwerkzeug, D/224 Schnellarbeitsstahl, B/12 Schnellarbeitsstahl, B/27 Schnittflächenkenngröße, D/223 Schnittgrößenermittlung, H/40 Schnittlinie, D/214 Schnittstelle, Centronics, G/85 Schnittstelle, G/85 ff. Schnittstelle, grafische, GUI (Graphical User Interface), G/104 Schnittstelle, Joystick, G/96 Schnittstelle, parallele, G/85 Schnittstelle, S0-, G/42 Schnittstelle, serielle, G/86 Schnittstelle, Tastatur, G/96 Schnittstelle, V.24, G/90, G/92, G/93, G/94 Schnittstelle, Video, G/95 Schnittstelle, X., G/94 Schnittstelle, X.25-, G/24 Schnittstellenleitung, G/30 Schottky-Diode, F/168, F/173, F/174 Schraffur, D/44

Schrägkugellager, D/201 Schraubenberechnung, D/84 Schraubenlehre, C/23 Schraubenverdichter, H/92 Schraubgewinde, konisch, D/82 Schraubgewinde, metrisches, D/76, D/77 Schraubgewinde, zylindrisch, D/83 Schraubgewindesystem, D/76 Schraubverzahnung, D/161 Schreib-/Lesespeicher (RAM), C/118 Schriftart, D/43 Schriftgröße, D/43 Schrittmotor, D/182 Schrittmotor, F/27 Schrumpfmaß, D/86 Schrumpfverbindung, D/86 Schubgelenkgetriebe, D/169 Schubkurbel, D/171 Schublehre, C/22 Schubmodul, D/16 Schurf, H/12 Schütz, F/130 Schütz, Kontakt, Spulenantrieb, F/128 Schutzart, F/44, F/45 Schutzeinrichtung, H/92 Schutzgasschweißen, D/87 Schutzgrad (IP-Bezeichnung), F/106 Schutzklasse, F/252 Schutzklasse, Leiter, F/108 Schutzleiter, externer, F/256 Schutzschicht, B/48 Schutzsystem, D/130

SACHVERZEICHNIS Schwalbenschwanzführung, D/195 Schwefeldioxid, I/26 Schwefelgehalt, I/26 Schweißbarkeit, B/4 Schweißbezeichnung, D/61 Schweißen, D/87 Schweißnahtsymbol, D/62 Schwelen, H/96 Schwermetall, I/38 SchwimmbadwasserErwärmung, H/83 Schwimmer, H/76 Schwingkreis, F/227, F/228 Schwingungsmessung, C/77 Scroll-Verdichter, H/92 SCSI-Verbindung, G/113 Sedimentation, E/20 Seismischer Aufnehmer, C/28, C/62 Sekundärenergie, H/94 Sekunde, A/2 Selbsthilfeprinzip, D/125 Selbstinduktion, F/19 Selbstinduktion, F/50 Selektive Regelung, C/147 Selektivität, F/114 Selektivitätsfaktor, F/232 Sendeberechtigungsmarke, G/26, G/28 Sender, G/3 Senkwaage, C/32 Sensor, Faser-, Fiber-BraggGrating-, C/92 Sensor, faseroptischer, C/91 Sensor, magnetischer, F/191 Sequenz, F/12

J/39

Sequenzielle Schaltung, C/115 Serielle Schnittstelle (V.24), G/90, G/92, G/93 Serieller Bus, G/97 Servomotor, D/183 Session layer, G/17 Setzungsberechnung, H/24 SI, B/55 Sicherheit, Produkt-, F/245 ff. Sicherheitsbaugruppe, F/130 Sicherheitsbestimmung, D/207 Sicherheitsgerät, H/92 Sicherheitskonzept, H/32 Sicherheitstechnik, D/127 Sicherung, F/114, F/254 Sicherung, Überspannungsab, F/255 Sicherung, Überstromab-, F/255 Sicherungselement, F/254 Sicherungsschicht, G/15, G/24, G/36 Sieden, D/27 Siedepunkt, B/95 Siedepunkt, D/27 Siedepunkterhöhung, D/28 SI-Einheit, A/4 Siemens, A/4 Sievert, A/4 Signal, Test-, C/124 Signalausgabe, D/203 Signalbildung, D/203 Signaleingabe, D/203 Signalgenerator, F/232 ff. Signalisieren, G/9, G/7

J/40

SACHVERZEICHNIS

Signalrausch-Verhältnis (SNR), F/238 Signalübermittlung, G/3 Signalverarbeitung, D/203 Silicieren, B/9 Silicongummi (M..Q,Si), B/71 SIMM (Single Inline Memory Module), G/105 Simultaneous Engineering, D/122 Single-Chip-Mikrorechner (SBC: Single Board Computer), G/106 Sinter-Kondensator, F/147 Sinterprozess, B/73 Slotted Ring, G/30 Slotted-RingZugriffsverfahren, G/30 SMA, B/55 Smith-Diagramm, D/16 SNR (Signal to Noise Ratio), F/238 Solid-Liquid-Trennung, E/14 Sondergetriebe, D/178 Sonderschneidverfahren, D/227 Sondierspitzendruck, H/21 Sondierung, H/16 Sonnenkollektor, H/82 Sonnenrad, D/161 Sonnenuhr, C/38 Spalten, D/214 Spaltpolmotor, F/26 Spannbetonbau, H/36 Spannung, F/251 Spannung, fiktive, D/23 Spannung, induzierte, F/17

Spannung, magnetische, F/17, F/19 Spannung, Stör-, F/239 Spannung, Wechsel-, F/8 Spannung, zulässige, D/17 Spannungserhöhung, H/56 Spannungsermäßigung, H/56 Spannungsmessung, C/53 Spannungsoptisches Verfahren, C/90 Spannungsregler, F/237 Spannungsreihe, B/44, B/46 Spannungsstabilisator, F/237 Spannungsüberschreitung, elastische, D/13 Spannungsverstärker, C/60 Speckle-PatternInterferometer, C/81, C/89, C/90 Speicher, dynamischer, G/64 Speicher, EEPROM- (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory), G/103 Speicher, EPROM- (Erasable Programmable Read Only Memory), G/102 Speicher, G/102 ff. Speicher, Lese-Schreib(Random Access Memory), G/102 Speicher, löschbarer programmierbarer Nurlese(EPROM), G/102 Speicher, Nurlese- (Read Only Memory), G/102 Speicher, Nurlese-, (ROM), C/118

SACHVERZEICHNIS Speicher, programmierbarer Nurlese- (PROM), G/64, G/102 Speicher, RAM- (Random Access Memory), G/102, G/104 Speicher, ROM- (Read Only Memory), G/102 Speicher, Schreib-/Lese(RAM), C/118 Speicher, statischer, G/64 Speicherbauelement, G/64 Speicherkessel, H/81 Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), C/117 Speichervermittlung, G/12 Spektralfotometer, C/100 Spektralverfahren, C/98, C/100 Sperrschicht-FeldeffektTransistor (Junction FET), F/127, F/179 Spezifische elektrische Leitung, F/5 Spezifische Enthalpie, B/98 Spezifischer elektrischer Widerstand, F/5 Spezifischer Widerstand, B/3 Spezifisches Volumen, B/99 Spiegeleisen, B/7 Spindellagerung, D/188 Spindellagerung, D/200 Spiralverdichter, H/92 Spitzenbreite, F/231 Spitzenkopplung, F/230 Spitzenwert-Gleichrichter, F/225 Sprühprozess, E/9

J/41

Sprühtrocknen, E/9 Sprungtemperatur, B/84 SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung), C/117 Spule, F/149 Spule, Farbcode, F/155 Spule, Luft-, F/155 Spulenantrieb, Schütz, Kontakt, F/128 Spurenelement, I/40 Spurengas, I/23 Stabilisator, Spannungs-, F/237 Stabilitätslehre, D/14, D/23 Stabläufer, D/182 Stadt-Kommunikationsnetz (MAN: Metropolitan Area Network), G/44 Stadtmüll, H/97 Stahl, B/5 ff. Stahl, legierter, B/6, B/7, B/11, B/12 Stahl, Schnellarbeits-, B/12 Stahl, warmfester, B/22 Stahlbau, H/47 Stahlbetonbau, H/36 Stahlbezeichnungssystem, H/47 Stahleisen, B/7 Stahlgruppe, B/13 Stahlguss, B/30 Standardabweichung, Vergleichs-, C/8, C/12, C/13 StandardAsynchronmaschine, F/37 Standard-Beleuchtungsstärke, F/119, F/122 Standardbeton, H/43

J/42

SACHVERZEICHNIS

Ständer, D/190 Standleitung, G/6 Stangenzirkel, C/20 Starkstromleitung, Aderfarben, F/102 Statik, D/5 Statische Messung, C/8 Statischer Motorbetrieb, F/42, F/43 Statischer Speicher, G/64 Stauchschneiden, D/230 Steatit, B/75 Stecker, F/243 Steinart, H/58 Steinformat, H/59 Steinkohle, H/96 Steinkohlenasche, H/97 Steinmaß, H/58 Steinmetz-Schaltung, F/40 Stempelführung, D/227 Step-Recovery-Diode, F/169, F/172 Steradiant, A/3 Stern-DreieckTransformation, F/49 Stern-Netz, G/10, G/11, G/25 Sternschaltung, F/7, F/36, F/38 Steuerdatenverarbeitung, D/211 Steuern, C/1 ff. Steuerung, D/202 Steuerung, Mikroschritt-, F/27 Steuerung, numerisch, D/209 Steuerung, speicherprogrammierbar (SPS), C/117 Steuerung, speicherprogrammierbar, D/208

Steuerungseinteilung, D/205 Steuerungsmittel, D/207 Steuerungsprogramm, D/205 Steuerungstechnik, C/105 ff. Stickoxide, I/24 Stickoxidemission, I/22 Stillsetzen, F/249 Stirling-Prozess, D/32 Stirnrad, D/153 Stoff, Form-, B/52 Stoff, Füll-, B/52 Stoff, Natur-, B/51 Stoff, synthetischer, B/51 Stoff, Zusatz-, B/53 Stoffeintrag, I/36 Stoffhaushaltsmodell, I/43 Stoffrecycling, I/43 Stoffstrommanagement, I/43 Stoffübertragung, E/8 Stoffvereinigen, E/2 Stoffverwertung, I/46 Stoffzyklon, E/25 STOP-Kategorie, F/249 Störaussendung, F/245 Störer, F/239 Störfeldstärke, F/239 Störfestigkeit, F/244 Störgröße, C/144 Störgrößenaufschaltung, C/144 Störspannung, F/239 Störstrom, F/239 Störung, Breitband-, F/239 Störung, impulsförmig, F/239 Störung, Schmalband-, F/239 Störwirkung, D/111 Stoßfaktor, F/108, F/109

SACHVERZEICHNIS Strahlende Gefahrquellen, F/257 Strahler, H/69 Strahlplatte, H/74 Strahlplattenheizung, H/74 Strahlschneiden, D/231 Strahlungsenergiedichte, F/165 Strahlungsflussdichte, F/165 Strahlungsheizung, H/73 Strahlungsmesstechnik, C/101 Strahlungsthermometer, C/85 Strahlungswiderstand, F/165 Streckgrenze, B/9, B/16 Streifenprojektion, C/72 Streifenübertragungsstrecke, F/161 Streulichtverfahren, C/96 Strichcode, C/41 Strippen, E/16 Stroboskopische Messung, C/96 Strom, Anlauf-, F/34 Strom, Kurzschluss-, F/113 Strom, Stör-, F/239 Strom, Wechsel-, F/8 Strom, zulässiger, F/93 ff. StrombegrenzungsCharakteristik, F/113 Stromkreiskategorie, F/253 Stromleitung, F/5 ff. Strommessung, C/52 Stromstärke, elektrische, F/17 Stromsteuergesetz, I/8 Strömungsmessung, Ultraschall-, C/64 Stromverdrängungsläufer, F/26

J/43

Stromverstärker, C/60 Struktur-Stückliste, D/66 Stückliste, D/65 Stufenwirkungsgrad, E/36 Styrolbutadiengummi (SBG), B/69 Sublayer, PHY- (Physical Sublayer), G/33 Sublayer, PMD- (Physical Media Dependent), G/33 Sublimationspunkt, B/95 Sublimieren, D/28 Subtrahier-Verstärker, F/224 Supraleiter-Werkstoff, B/84 ff. Suspendieren, E/7 Suszeptibilität, magnetische, F/15 Symbol, elektrotechnisches, C/110 Symbol, hydraulisches, C/106 Symbol, pneumatisches, C/106 Symbol, Steuerungstechnik, C/105 ff. Synchronmaschine (SM), F/32 Synchronmotor, D/181 Synchronzähler, G/62 Synthetischer Stoff, B/51 System, Phasen-, C/130 Systematische Messabweichung, C/8, C/14 Systeme, technische, D/108 Systemgrenze, D/108 Systemzusammenhang, D/111

J/44

SACHVERZEICHNIS

T Tabelle, Zustands-, G/63 Tachogenerator, C/44 Tantal-ElektrolytKondensator (Ta-Elko), F/147 Taschenuhr, C/39 Tastatur-Schnittstelle, G/96 Tasterzirkel, C/22 Tauchankerprinzip, elektrodynamisches, C/44 Tauch-Heizkörper, H/81 Taupunkthygrometer, C/51 Technisches Zeichnen, D/36 Technologiedatenverarbeitung, D/213 Teilchenbeweglichkeit, F/5 Teilchenladung, F/5 Teilfunktion, D/108 Teilsicherheitsbeiwert, H/32 Teilsystem, D/108 Teledienst, G/3, G/40 Telegrafen-Gleichung, F/157 Tellerfeder, D/106 Temperatur, D/25 Temperatur, kritische, D/28 Temperaturausdehnung, D/25 Temperaturberechnung, H/67 Temperaturkoeffizient, F/5 Temperaturskala, D/25 Temperguss, B/29, B/100 Tera, A/17 Termperaturmessung, C/84 Tesla, A/4 Testsignal, C/124 Theodolit, C/22

Theodolit, H/3 Thermisches Rauschen, F/238 Thermistor, F/144 Thermodynamik, D/29 Thermoelement, C/49 Thermoelementwerkstoff, B/34 Thermografie, C/85, C/86, C/87 Thermometer, Gas-, C/33 Thermometer, Metall-, C/33 Thermometer, Strahlungs-, C/85 Thermopaar, C/50 Thermoplast, B/51, B/52, B/64 ff. Thermoplastisches Elastomer, B/71 Thermosonde, C/35 Thermostatventil, H/75 Thyristor, F/178 Tiefpass, F/210, F/226 Tiefpassfilter, F/204 Titan, B/32, B/39, B/40 T-Netzwerk, F/211 Token, G/26, G/28 Token-Bus-Zugriffsverfahren, G/29 Token-PassingZugriffsverfahren, G/28 Token-RingZugriffsverfahren, G/29 Toleranz, D/60, D/74 Toleranzklasse, D/61 Topologie, Netz, G/10, G/25 Tor, G/106 Torf, H/96 Tor-Schaltung, G/48

SACHVERZEICHNIS Torsionsstab, D105 Totlagenkonstruktion, D/174 Totzeit-Verhalten, C/132 Trägerüberstand, H/54 Trägheitsmoment, axiales, D/8 Trägheitsmoment, D/8 Trägheitsmoment, ebenes, D/8 Trägheitsmoment, F/34 Trägheitsmoment, lineares, D/18 Trägheitsmoment, polares, D/9 Trägheitsprodukt, D/8 Trägheitsradius, D/18 Tragwerkplanung, H/32 Transformations, Laplace-, C/125 Transformator, F/199 ff. Transformator, F/45 ff. Transformator, Norm-, F/48 Transil-Diode, F/254 Transistor, bipolarer, F/179, F/184 Transistor, Darlington-, F/184 Transistor, F/127 Transistor, F/179 ff. Transmissionsgrad, C/97 Transport layer, G/16 Transportschicht, G/16 Transputer, G/108 Trapezgewindespindel, D/188 Trapezschraubgewinde, D/78 Treibhausgas, I/18 Treibhausgas-Emission, I/19 Treibstoff, H/99 Trennprozess, E/14

J/45

Trennstelle, elektrische, F/253 Triac, F/178 Triangulation, C/65 Trimmer, F/147 Trinkwassernutzung, I/35 Trinkwasserversorgung, I/31 Trocknen, E/16 Trommelbremse, D/100 Troposphäre, I/24 Tsjebyajev-Näherung, F/207, F/208 Tunnel-Diode, F/169, F/174 Tür, F/243 Turboverdichter, H/92 TVSt (Teilnehmervermittlungsstelle), G/38 U Überflutungsbetrieb, H/92 Übergabestation, H/84 Überhitzter Dampf, B/98, B/99 Übermittlung, Nachrichten-, G/3 Übermittlung, Signal-, G/3 Übermittlungsdienst, G/39 Übernahme-Regelung, C/148 Überspannung, F/241 Überspannungsabsicherung, F/255 Überstromabsicherung, F/255 Übertragung, Daten-, G/21 Übertragung, G/4 ff. Übertragungsfunktion, C/125 Übertragungsglied, C/131 Übertragungskode, G/42 Übertragungsmedium, G/25

J/46

SACHVERZEICHNIS

Übertragungsschicht, Bit-, G/15, G/24, G/36 Übertragungsstrecke, F/157 Übertragungsstrecke, Streifen-, F/161 Übertragungsverfahren, G/25 Übertragungsverhalten, C/8 UF, B/55 UHMWPE, B/55 Uhr, C/38 Uhrzahl, F/47 Ulbrichtsche Kugel, C/98 Ultrafiltration, E/18 UltraschallStrömungsmessung, C/64 Umrichter, F/37 Umschaltbarer Motor, F/42 Umwälzpumpe, H/76 Umwandlungswirkungsgrad, H/93 Umweltbeauftragte, I/8, I/19 Umweltbelastung, I/41 Umweltbewertung, I/46 Umweltgesetzbuch (UGB), I/9 Umwelthaftungsgesetz (UmweltHG), I/8 Umweltindikator, I/47 Umweltindikatorensystem, I/5, I/49 Umweltmanagementsystem, I/5 Umweltrecht, I/9 Umweltschutz, I/5 Umweltschutzdirektor, I/10 Umweltschutztechnik, I/1 Umweltverträglichkeitsprüfungsgesetz (UVPG), I/7

Unabhängigkeitsprinzip, D/61 Unbestimmtheit, statische, D/14 UND, G/55 Underwood-Beziehung, E/35 Unie-Schraubgewinde, D/76, D81 Unlegierter Stahl, B/11 Untersuchung, geotechnische, H/8 UP, B/55 Urmeter, C/20 U-Rohr-Manometer, C/35 Ursprungskennzeichnung, Leitung, F/99 V V.24-Schnittstelle, G/90, G/92, G/93, G/94 Vakuum-Kristallisator, E/43 Van Laar-Gleichung, E/28 Van Laar-Konstanten, E/29 Varaktor, F/173 Variantenkonstruktion, D/123 Varistor, F/141 VBD (Vorzeichen-BetragsDarstellung), G/69 VDE 0410, F/125 VDR-Widerstand (Voltage Dependent Resistor, Varistor), F/141, F/144 Ventil, H/75 Ventilationsverlust, F/30 Venturirohr, C/37 Verarbeitung, Mess-Signal-, C/52

SACHVERZEICHNIS Verbesserung, Blindleistung, F/117 Verbindung, D/76 Verbindung, DIE-, G/113 Verbindung, EIDE-, G/113 Verbindung, Nachrichten, G/6 Verbindung, SCSI-, G/113 Verbindung, virtuelle Nachrichten-, G/7, G/223 Verbindungsmerkmal, G/40 Verbundnummer, D/66 Verdampfen, E/41 Verdampfer, H/92 Verdampfer-Kristallisator, E/41 Verdampfung, E/16 Verdampfung, trockene, H/92 Verdampfungswärme, spezifische, D/28 Verdunstungsprinzip, H/87 Verdüsen, E/9 Verfahren, CSMA/CA- (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), G/27 Verfahren, CSMA/CD- (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), G/27 Verfahren, Dreibereichs-, C/83, C/98, C/99 Verfahren, kollisionsbehaftetes, G/27 Verfahren, Kondensator-, C/40 Verfahren, Kopplungs-, G/34 Verfahren, Raummultiplex-, G/12

J/47

Verfahren, Schattenwurf, C/71 Verfahren, spannungsoptisches, C/90 Verfahren, Spektral, C/98, C/100 Verfahren, Streulicht-, C/96 Verfahren, Übertragungs-, G/25 Verfahren, volumetrisches, C/35 Verfahren, Wirkdruck-, C/35, C/36 Verfahren, Zeitmultiplex-, G/12 Verfahren, Zugriffs-, G/25, G/26 Verformbarkeit, Kalt-, B/4 Verformbarkeit, Warm-, B/4 Verformung, D/13 Verformung, elastische, D/16 Verformungsberechnung, H/40 Verformungsmessung, C/88 Vergleichbedingung, C/4 Vergleichsstandardabweichung, C/8 Vergüten, B/18 Vergütungsstahl, B/8, B/15 Verhalten, differenziales, C/134 Verhalten, integrales, C/134 Verhalten, Totzeit-, C/132 Verhältnisregelung, C/146 Verknüpfung, binäre, G/55 Verknüpfungssteuerung, D/203 Verkoken, H/96

J/48

SACHVERZEICHNIS

Vermessung, H/2 Vermittlung, Durchschalte-, G/11 Vermittlung, Leitungs-, G/11, G/22 Vermittlung, Paket-, G/22 Vermittlung, Speicher-, G/12, G/13 Vermittlungsart, G/44 Vermittlungsprinzip, G/11 Vermittlungsschicht, G/16, G/24, G/36 Vermittlungsstelle, Teilnehmer (TVSt), G/38 Vermittlungstechnik, digitale Fern- (DIVO), G/38 Vermittlungstechnik, digitale Orts- (DIVO), G/38 Versagen, D/13 Versagensbelastung, D/22 Versagensmoment, D/22 Versauerung, I/37 Verschiebungsdichte, F/17 Verschmutzungseinfluss, H/100 Verschmutzungsfaktor, H/91 Versorgung elektrischer Geräte, F/106 Verstärker, Differenz-, F/184 Verstärker, F/214 ff. Verstärker, Mess-, C/57 Verstärker, Operations-, C/58 Verstärker, Spannungs-, C/60 Verstärker, Strom-, C/60 Verstärkung, Betriebs-, C/59 Verstellreibradgetriebe, D/166 Verstopfungsfiltration, E/26 Verteilungskoeffizient, E/28

Verträglichkeit, elektromagnetische, F/239 Verweilzeitstreuung, E/45 Verweilzeitverteilung, E/45 Verzahnung, D/154 Verzinken, B/48 Verzögertes Verhalten (P-TVerhalten), C/135, C/136, C/137, C/139 Verzugszeit, C/139 Vibrationsmesswerk, F/126 Vibrationssensor, C/81 Vibrometer, C/81 Vickers-Härte, B/2 Videodrucker, C/41 Video-Schnittstelle, G/95 Vielfache, dezimale, A/17 Vielfachnutzung, G/4 Viergelenkgetriebe, D/175 Vierpolfilter, F/204 Vierpolschaltung, F/197 ff. Viertaktmotor, D/32 Virtuelle Nachrichtenverbindung, G/7, G/223 VLPE, B/55 Vollholzspannung, H/52 Vollkonjunktion, G/60 Volt, A/4 Voltametrie, C/52 Voltmeter, C/53 Volumen, kritisches, D/28 Volumen, spezifisches, B/99 Volumenzähler, C/36 Volumetrisches Verfahren, C/35 Vorhaltglied (D-T-Glied), C/135 Vorhaltzeit, C/134

SACHVERZEICHNIS Vorlaufthermometer, H/81 Vorprodukt, B/53 Vorschubgetriebe, D/189 Vorschubspindellagerung, D/198 Vorschub-Übertragungselement, D/187 Vorsorgeprinzip, I/2 Vorspannkraft, D/84 Vorsteuerung, C/143 V-Paarung, D/157, D/158 W Wägezelle, C/31 Wägung, C/31 Wahrer Wert (Messgröße), C/8 Wahrheitstabelle, G/49 Wahrscheinlichkeitsverteilung, C/13 Wälzführung, D/197 Wälzgetriebe, D/162, D/164 Wälzlager, D/96 Wälzlagergestaltung, D/200 Wälzpressung, D/162 Wälzprüfung, C/25 Wandheizfläche, H/73 Wandsteckdosen, Anzahl, F/105 Warmarbeitsstahl, B/27 Wärme, D/25 Wärme, spezifische, D/26, D/33 Wärmebehandlung, B/4, B/9, B/18 Wärmebehandlungszustand, B/19 Wärmebewegung, H/61

J/49

Wärmedurchgangskoeffizient, H/64 Wärmedurchgangswiderstand, H/64 Wärmedurchlasswiderstand, H/63 Wärmeerzeugung, bivalent, H/82 Wärmeerzeugung, H/71, H/78, H/86 Wärmekapazität, D/26 Wärmeleitfähigkeit, H/63 Wärmemessung, C/32 Wärmemotor, D/31 Wärmepumpe, H/71, H/81 Wärmeschutz, H/61 Wärmestrom, H/66 Wärmestromdichte, H/66 Wärmetauscher, H/91 Wärmetransport, D/34 Wärmeübergangswiderstand, H/63 Wärmeübertragungskoeffizient, B/99 Wärmeverbrauchsermittlung, H/87 Wärmeverhältnis, spezifisches, D/26 Wärmeverteilung, H/86 Wärmewiderstandskoeffizient, F/78 Wärmezählung, H/87 Warmfester Stahl, B/22 Warmverformbarkeit, B/4 Warmwasserheizanlage, H/70 Warmwasserheizung, H/70 Wasserbeschaffenheit, I/27 Wasserdampf, I/20

J/50

SACHVERZEICHNIS

Wassergehalt, H/41 Wasserheizung, H/71 Wasserkühlanlage, H/88 Wasserkühlsatz, H/88 Wassermarktliberalisierung, I/32 Wasserrohrnetz, H/74 Wasserstoff/Kohlenstoffverhältnis , I/21 Wasserstrahlschneiden, D/231 Wasserumwälzung, H/86 Wasserverbrauch, I/36 Wasserzementwert, H/41 Watt, A/4 Weber, A/4 Wechselrichter, F/37 Wechselspannung, F/8 Wechselstrom, F/7 ff. Wechselstrommaschine, F/32 Wechselstromverlust, F/30 Wegaufnehmer, induktiver, C/42 Wegaufnehmer, kapazitiver, C/42 Wegaufnehmer, magnetischer C/43 Wegaufnehmer, resisitiver, C/41 Weg-Signal-Zeit (W-S-T)Diagramm, C/115 Weibull-Modul, B/74 Weichglühen, B/18 Weich-Löten, D/88 Weißes Gusseisen, B/28 Weisslichtinterferometer, C/75 Weitenmessung, C/22

Welle, D/94 Wellenkupplung, D/95 Wellenlänge, Abschneid-, F/163 Wellenleiter, F/162 Wellen-Messtechnik, C/62 ff. Wellenrohr, F/163 Wellenverbindung, D/92 Wellenwiderstand, F/165 Weltklimakonferenz, I/18 Wendelleitung, Kennzeichnung, F/99 Werkstoff, ferroelektrischer, keramischer, B/78 Werkstoff, Halbleiter-, B/81 ff. Werkstoff, hitzebeständiger, B/38 Werkstoff, magnetischer, keramischer, B/78 Werkstoff, oxidkeramischer, B/77 Werkstoff, Supraleiter-, B/84 ff. Werkstoff, Thermoelement-, B/34 Werkstoff, Widerstands-, B/34 Werkstoffausnutzung, D/220 Werkzeugmaschinenelement, D/179 Werkzeugmaschinenständer, D/192 Werkzeugstahl, B/13, B/14 Werkzeugstahl, B/24 Wert, wahrer (Messgröße), C/8 Wertanalyse, D/116

SACHVERZEICHNIS Wertschöpfungskette, I/42 Wertschöpfungsschritt, I/42 Wertsteigerung, I/41 Wheatstone-Brücke, C/46, F/201 Whitworth-Schraubgewinde, D/76 Wickeltechnik, D/139 Widerholbedingung, C/9 Widerstand, Differenzial-, F/172 Widerstand, elektrischer, F/5, F/9 Widerstand, F/127, F/138 ff. Widerstand, Farbcode, F/143 Widerstand, komplexer, F/9 Widerstand, Leiter-, F/50 Widerstand, magnetischer, F/19 Widerstand, ohmscher, F/9 Widerstand, Schicht-, F/142 Widerstand, spezifischer elektrischer, F/5 Widerstand, Strahlungs-, F/165 Widerstand, Wellen-, F/165 Widerstandsmessung, C/54 Widerstandsmoment, D/18 Widerstandspressschweißen, D/87 Widerstandsschweißen, D/87 Widerstandstemperaturkoeffizient, B/3 Widerstandsthermometer, C/49 Widerstandswerkstoff, B/34 Wien-Oszillator, F/232

J/51

Wiensche Brücke, C/57, F/202 Winde, D/11 Winkelabweichung, H/4 Winkelfehler, D/223 Winkelgeschwindigkeit, C/43 Winter-Wärmeschutz, H/68 Wirkanteil, F/8 Wirkbewegung, D/110 Wirkbewegung, D/179 Wirkdruckverfahren, C/35, C/36 Wirkfläche, D/110 Wirkgeometrie, D/110 Wirkort, D/110 Wirkpaar, D/179 Wirkprinzip, physikalisches, D/110 Wirkstruktur, D/111 Wirkungsgrad, F/28 Wirkzusammenhang, D/110 Wolfram, B/32 Wolfram-Karbid-Hartmetall, B/78 X X.25-Schnittstelle, G/24 X.Schnittstelle, G/94 XLPE-Isolationsmaterial, F/67, F/69, F/76, F/77

J/52

SACHVERZEICHNIS

Y Yokto, A/17 Yotta, A/17 Z Zählen, C/9 Zahlensystem, G/66, G/67 Zähler, Dezimal- (BCD: Binary Code Decimal), G/62 Zähler, G/61 ff. Zähler, Synchron-, G/62 Zähler, Volumen-, C/36 Zahnkonstruktion, D/154 Zahnrad, D/153 Zahnradmesstechnik, C/25 Zahnradübersetzungen, D/153 Zahnriemen, D/152 Z-Diode, F/168, F/170 Zehnpunkthöhe, D/59 Zeichenorientiertes Protokoll, G/15 Zeichnen, elektrotechnisches, F/124 Zeichnen, werkzeugbauliches, D/58 ZeichnungsfolgeRechenmethode, D/170 Zeiger-Diagramm, F/8 Zeitantwort, C/125 Zeitmessung, C/37 ff. Zeitmultiplex-Verfahren, G/12 Zeitrelais, F/135, F/136 Zellensteuerungsebene, D/206 Zellenverdichter, H/92 Zement, H/41

Zementart, H/44 Zementgehalt, H/44 Zementit, B/7 Zementsackfarbe, H/43 Zener-Diode, F/173, F/254 Zenitwinkel, H/3 Zenti, A/17 Zentraleinheit, C/117 Zentralheizung, H/70, H/86 Zentrifugalmoment, D/8 Zentrifugen-Zerstäuber, E/12 Zentrifugieren, E/23 Zepto, A/17 Zerspanbarkeit, B/4 Zerstäuben, E/9 Zerstäubertyp, E/10 Zerteilen, D/215 Zetta, A/17 Z-Format, D/39 Zieltrias, I/5 Zink, B/32, B/41 Zinn, B/32, B/40, B/101 Zirkel, Gelenk-, C/21 Zirkel, Stangen-, C/20 ZK (Zweierkomplement), G/70 Zonenschmelzen, E/18 Zufällige Messabweichung, C/9 Zug, D/21 Zugang, Netz-ISDN-, G/41 Zugfestigkeit, B/2, B/16 Zugmesser, H/81 Zugriffsverfahren, G/25, G/26 Zugriffsverfahren, SlottedRing-, G/30 Zugriffsverfahren, TokenBus-, G/29

SACHVERZEICHNIS Zugriffsverfahren, TokenRing-, G/29 Zugzone, D/22 Zulässiger Strom, F/93 ff. Zunderbeständigkeit, B/23 Zündtemperatur, H/96 Zusatzmittel, H/41 Zusatzstoff, B/53 Zusatzstoff, H/41 Zustand, chemischer, I/31 Zustand, ökologischer, I/30 Zustandstabelle, G/63 Zweckwirkung, D/111 Zweidraht-Leiter, F/160 Zweikreiskessel, H/79 Zweileiternetz, H/85 Zweiphasen-Zerstäuber, E/12 Zwei-Punkt-Vibrometer, C/81 Zweirohranlage, H/75 Zweirohrsystem, H/74 Zweitorschaltung, F/197 ff. Zweiweg-Gleichrichter, F/225 Zwietering-Beziehung, E/7 Zyklonparameter, E/25 Zylinderrollenlager, D/201

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