Messgerät

Begriff und Grundlagen

Messgeräte, auch Messinstrumente genannt, bestimmen geometrische oder physikalische Größen. Meist liefern sie über eine Skalen- oder Ziffernanzeige eine quantitative Aussage. Der Messwert wird als Produkt aus Zahlenwert und Einheit angegeben. Statt einer Anzeige kann ein Gerät auch ein Signal, vorzugsweise ein elektrisches Signal, ausgeben oder Daten elektronisch beziehungsweise auf Papier speichern, etwa als Messschreiber.

Eine Messeinrichtung ist nach DIN 1319 die „Gesamtheit aller Messgeräte und zusätzlicher Einrichtungen zur Erzielung eines Messergebnisses“. Im einfachsten Fall besteht sie aus einem einzigen Messgerät. Messgeräte gehören allgemein zu den Messmitteln; werden sie zur Prüfung eingesetzt, heißen sie nach DIN 1319-2 auch Prüfmittel.

Messwerte können Messabweichungen enthalten, weil ein Gerät fehlerhaft arbeitet oder die Messung durch äußere Bedingungen beeinflusst wird. Abweichungen müssen herausgerechnet oder abgeschätzt werden. Besonders genaue Geräte können zur Kalibrierung, Justierung oder Eichung anderer Geräte dienen. Für ermittelte Werte kann zusätzlich eine Messunsicherheit angegeben werden.

Die grundlegenden Messgeräte erfassen Zeit, Länge und Anzahl. Diese Größen werden benötigt, um andere Messgrößen abzuleiten oder Messgeräte zu bestimmen. Bei der Längenmessung unterscheidet man Strichmaße, bei denen der Abstand zwischen zwei Strichen das Maß verkörpert, und Endmaße, bei denen der Abstand zwischen zwei Flächen maßgeblich ist. Beim Zählen wird die Anzahl von Objekten oder Ereignissen bestimmt. Beispiele sind Handzähler, Umdrehungszähler, Geigerzähler und Zählwaagen; letztere ersetzen das Zählen gleicher Gegenstände durch Wägung bei bekanntem Stückgewicht.

Elementare und abgeleitete Größen

Zeit wird mit unterschiedlichen Uhren gemessen. Pendeluhren nutzen die Schwingungsdauer eines Pendels, Räderuhren die Bewegung mechanischer Teile, Quarzuhren einen schwingquarzgesteuerten Oszillator und Atomuhren die hohe Konstanz atomarer Schwingungen. Funkuhren empfangen das Zeitsignal einer Atomuhr. Chronografen messen und zeichnen Zeitverläufe auf, während Intervallzähler Frequenzen und Zeitintervalle bestimmen.

Zur Längenmessung dienen unter anderem Messschrauben mit einer Auflösung bis 0,01 mm, Messuhren bis 0,001 mm, Messschieber bis 0,02 mm, Lineale mit einer Auflösung von ½ bis ¼ mm, Gliedermaßstäbe bis 1,0 mm und Messräder mit einer relativen Messabweichung je nach Aufbau bis 1 ‰. Maßbänder reichen für Vermessungen bis 50 m, maximal 100 m, bei einer Messabweichung von 1 bis 3 cm. Elektronische Distanzmesser arbeiten mit Laserlicht, Infrarot oder Mikrowellen und erreichen terrestrisch eine Messabweichung bis etwa 10−7, also etwa 1 mm auf 10 km. Satellite Laser Ranging erreicht bis 10−9.

Weitere elementare Messungen betreffen Fläche, Volumen, Ort, Winkel, Richtung, Masse und Temperatur. Planimeter bestimmen ebene Flächen in Karten oder Zeichnungen. Messzylinder messen Volumen durch Verdrängung; Pipetten dosieren Flüssigkeiten. Theodolite, Tachymeter, Nivelliergeräte, Wasserwaagen, Kompasse und GPS-Satellitennavigation dienen der Winkel-, Höhen-, Richtungs- oder Ortsbestimmung. Waagen bestimmen Massen; Balkenwaagen vergleichen mit kalibrierten Gewichtsstücken, Federwaagen bestimmen die Masse aus der Gewichtskraft. Pyknometer ermitteln durch Abwiegen das spezifische Gewicht oder die Dichte. Thermometer nutzen unter anderem Flüssigkeits- oder Metallausdehnung, Bimetalle, elektrische Widerstandsänderungen, Thermoelemente oder Wärmestrahlung. Thermografie ermöglicht eine berührungslose Flächen-Temperaturmessung mit Infrarotstrahlung.

Abgeleitete Messgeräte bestimmen Größen aus grundlegenden Messgrößen. Die Geschwindigkeit ist der Quotient aus Weg und Zeit. Tachometer zeigen sie an, Tachografen zeichnen sie auf; Radar nutzt den Dopplereffekt reflektierter Radarwellen. Die Beschleunigung ist die Geschwindigkeitsänderung pro Zeitspanne. Beschleunigungssensoren messen meist die Krafteinwirkung auf einen Probekörper im beschleunigten System (K = mb). Drehzahlmessgeräte bestimmen die Umdrehungsfrequenz eines Aggregats. Bei bekannter Übersetzung lassen sich daraus auch Geschwindigkeit und, unter Einbeziehung der Zeit, der Weg ermitteln. Leistungsmesser arbeiten nach mechanischen oder elektrischen Prinzipien.

Elektrische, magnetische und analytische Messungen

Elektrische Messgeräte erfassen beispielsweise Spannung, Stromstärke, Widerstand, Leistung, elektrische Arbeit, Frequenz und Leitfähigkeit. Ein Voltmeter misst die Spannung zwischen zwei Punkten, ein Amperemeter die Stromstärke und ein Ohmmeter den Widerstand. Ein Oszilloskop stellt den zeitlichen Verlauf einer Spannung als Graph dar. Wheatstonesche Messbrücken bestimmen ohmsche Widerstände durch Vergleich oder Ausschlag; Wechselspannungsbrücken messen Wechselstromwiderstand sowie Kapazität oder Induktivität. Multimeter vereinen mehrere Messfunktionen.

Magnetfeldmessgeräte umfassen Kompasse, Hall-Sonden, Protonenmagnetometer, Förster-Sonden, Fluxmeter und Magnetometer. Magnetometer messen die magnetische Feldstärke in Tesla beziehungsweise Gauss. SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) können sehr kleine Magnetfelder messen, etwa bei der Magnetoenzephalographie zur Untersuchung magnetischer Gehirnaktivität.

Bei Radioaktivität und Strahlung messen Spektrometer die Intensitätsverteilung oder Absorption elektromagnetischer Strahlung. Dosimeter erfassen die Strahlendosis als zeitliches Integral der Dosisleistung. Geiger-Müller-Zählrohre registrieren ionisierende Strahlung, Szintillationszähler je nach Aufbau Alpha-, Beta-, Gamma- oder Neutronenstrahlung; Röntgengeräte messen den Strahlungsdurchgang durch Objekte.

Analytische Messgeräte untersuchen Stoffe und Stoffgemische. Chromatographen trennen Stoffgemische beziehungsweise bestimmen relative Wanderungsgeschwindigkeiten. Massenspektrometer bestimmen die molaren Massen der Bestandteile eines Gemischs, Polarimeter die Drehung der Lichtebene optisch aktiver Stoffe, Refraktometer den Brechungsindex und Kalorimeter den Heizwert. Spektrometer untersuchen meist die Intensitätsverteilung verschiedener Wellenlängen. Interferometer werden unter anderem zur Untersuchung der Beugung des Lichts eingesetzt; Dilatometer messen Längenänderungen einer Probe in Abhängigkeit von der Temperatur.

Technische, Umwelt- und Materialmessungen

Bei Flüssigkeiten und Gasen messen Durchflussmesser den Massenstrom oder Volumenstrom. Magnetisch-induktive Durchflussmesser berechnen den Durchfluss elektrisch leitfähiger Medien aus einer durch Induktion erzeugten Spannung. Coriolis-Massendurchflussmesser nutzen die Corioliskraft, Hitzdrahtanemometer die Abkühlung eines beheizten Drahtes. Druckmessgeräte, Manometer genannt, bestimmen den Druck; Vakuummeter messen den Gasdruck im Vakuum. Aräometer bestimmen die Dichte von Flüssigkeiten, Rheometer das Fließ- und Verformungsverhalten, Viskosimeter die Viskosität. Pegelmessgeräte bestimmen den Füllstand. Weitere Beispiele sind pH-Meter, Tensiometer, Transmissometer, Nephelometer und Explosimeter.

Bei Feststoffen werden Längen-, Dichte-, Gewichts- und Härtemessgeräte sowie Röntgengeräte eingesetzt. Grindometer messen Korngrößen, Feuchteabsolutbestimmer die Materialfeuchte, SRT-Pendel die Griffigkeit von Fahrbahnoberflächen und Farinographen die rheologischen Eigenschaften von Weizenmehlen. Bei der Härteprüfung führt eine definierte Kraft zu einer bleibenden Verformung oder zum Eindringen einer Prüfgeometrie. Beim Brinell-Verfahren wird der Durchmesser eines Kugeleindrucks als Härtewert HB bestimmt. Beim Rockwell-Verfahren wird die bleibende Eindringtiefe einer Kugel oder eines Diamantkegels gemessen und daraus HRx abgeleitet. Beim Vickers-Verfahren werden die Diagonalen des Eindrucks einer vierseitigen Pyramide gemessen, aus denen sich HV berechnen lässt.

Meteorologische Instrumente messen unter anderem Luftdruck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit, Strahlung, Sichtweite, Verdunstung, Wolkenbedeckung und Niederschlag. Dafür dienen Barometer, Thermometer, Hygrometer, Anemometer, Transmissometer, Evaporimeter, Ceilometer und Ombrometer. Photometrische Geräte bestimmen lichttechnische Größen: Luxmeter messen die Beleuchtungsstärke, Densitometer Farbtonwerte von Oberflächen. Schallpegelmessgeräte messen meist den Schalldruckpegel. Sie enthalten ein präzises Mikrofon, eine Verstärkerschaltung und eine logarithmische Anzeige und müssen regelmäßig kalibriert werden, unter anderem wegen Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck.

Kombinierte Geräte verbinden mehrere Messaufgaben, etwa Thermohygrographen oder Multifunktions-Umweltmessgeräte. Industrielle Messgeräte dienen der Herstellung, Qualitätssicherung oder Abrechnung. Beispiele sind Koordinatenmessmaschinen, Schichtdickenmessgeräte, Perthometer zur Rauheitsmessung, Tribometer zur Reibungsmessung und Universalprüfmaschinen zur Untersuchung von Elastizitätsmodul, Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung oder maximaler Druckkraft.

Messqualität, Normen und rechtliche Anforderungen

Bei analogen elektrischen Messgeräten werden Fehlergrenzen häufig in Prozent vom Endwert (% v.E.) oder durch ein Klassenzeichen angegeben. Ein Messgerät mit Messbereichsendwert 100 V und Klasse 1,5 darf im günstigsten Fall bis zu 1,5 % · 100 V = 1,5 V vom richtigen Wert abweichen. Bei einem Messwert von 19 V ergibt sich daher 19 V ± 1,5 V = 19 V · (1 ± 8 %) im 100-V-Bereich. Im 30-V-Bereich beträgt die relative Fehlergrenze 2,4 %. Die relative Fehlergrenze ist die absolute Fehlergrenze geteilt durch den richtigen Wert und wird bei kleinen Messwerten größer. Deshalb soll bei umschaltbaren Geräten der Messbereich mit dem größtmöglichen Ausschlag gewählt werden. Weitere Abweichungen, etwa durch Eigenverbrauch oder nicht sinusförmige Wechselgrößen, müssen gesondert bestimmt werden.

Normmessgeräte führen eine in einer Norm festgelegte Reihe von Messungen durch und protokollieren sie häufig. Normale sind Maßverkörperungen, Messgeräte, Referenzmaterialien oder Messeinrichtungen, die Einheiten oder Größenwerte festlegen, verkörpern, bewahren oder reproduzieren und durch Vergleich an andere Geräte weitergeben. Gebrauchsnormale werden routinemäßig eingesetzt; Bezugsnormale dienen der gelegentlichen Kalibrierung. Über Normale höherer Ordnung werden sie auf ein Primärnormal zurückgeführt. Prüfstände kontrollieren Fehler, sichern Qualität oder dienen der Eichung.

Eichpflichtige Messgeräte werden verwendet, wenn Messergebnisse zur Berechnung gewerblicher Leistungen dienen, etwa Waagen, Wasser-, Gas-, Strom- und Wärmezähler, Kraftstoffzähler oder Durchflussmesser. Ihre Bauart muss von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zugelassen sein; die Geräte müssen geeicht und nach einer bestimmten Zeit durch staatlich anerkannte Prüfstellen erneut geprüft werden. Das Eichgesetz legt Eichfehlergrenzen für verschiedene Lastbereiche fest. Heizkostenverteiler sind ein Beispiel für ein ausnahmsweise nicht eichpflichtiges Messgerät.

Die EU-Richtlinie 2004/22/EG über Messgeräte wurde durch die Richtlinie 2014/32/EU aufgehoben; die Umsetzung der früheren Richtlinie in nationales Recht musste bis zum 20. Oktober 2006 erfolgen. Für nichtselbsttätige Waagen gilt die Richtlinie 2014/31/EU. MID-konforme Messgeräte benötigen vor der ersten Inbetriebnahme keine Eichung, müssen aber die CE-Kennzeichnung, das zusätzliche Metrologiezeichen M und die letzten beiden Ziffern des Kennzeichnungsjahres tragen. In Deutschland gelten Mess- und Eichgesetz sowie Mess- und Eichverordnung, in Österreich das Maß- und Eichgesetz. Eigensichere beziehungsweise explosionsgeschützte Messgeräte müssen zusätzlich Anforderungen der ATEX-Richtlinien erfüllen; ein Zertifikat einer zugelassenen Prüfstelle ist Voraussetzung für ihren Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen.

Medizinische Messgeräte und Hilfsmittel

Für medizinische Messgeräte gelten besondere Vorschriften der Medizin-Geräte-Verordnung (MedGV), wenn sie als medizinische Geräte eingestuft und in der anerkannten Medizin verwendet werden. Beispiele sind Aktometer zur Erfassung der Bewegungsaktivität, Ergometer zur Messung körperlicher Arbeit oder Leistung, Blutdruckmessgeräte, Blutzuckermessgeräte, EKG- und EEG-Geräte, Fieberthermometer, Kapnometer, Körperfettwaagen, Skoliometer und Spirometer.

Blutdruckmessgeräte bestimmen den Blutdruck heute meist oszillometrisch mit digitaler Anzeige; daneben gibt es klinische Verfahren mit direkter Messung in einem Blutgefäß über einen Druckwandler. Blutzuckermessgeräte bestimmen den Glucose-Spiegel im Blut, klassisch mit einem Tropfen Blut, teilweise auch unblutig. EKG-Geräte zeigen und zeichnen die Summe der elektrischen Aktivitäten der Herzmuskelfasern auf, EEG-Geräte die von außen messbaren elektrischen Aktivitäten des Gehirns. Kapnometer und Kapnographen überwachen den Kohlenstoffdioxidgehalt der Ausatemluft.

Technische Hilfsmittel wie Mikroskope, medizinische Kameras, Ultraschall- und Röntgengeräte sind eigentlich keine Messgeräte, werden aber für medizinische Messungen und Diagnostik verwendet. Parallelometer dienen bei der Herstellung von Zahnersatz der Messung von Disparallelitäten.