Messidee und Messrad

Das Prinzip der Messidee, die dem Messwertaufnehmer zugrunde liegt , kann überall dort verwendet werden, wo es gilt eine Längenmessung zu digitalisieren, und es ist heute (z. B. an CNC-Maschinen) weit verbreitet. Eine mit einer Stroboskopscheibe oder an der Peripherie mit Löchern versehene, sehr leichtgängige Schnurrolle dreht sich an zwei Reflexlichtschranken vorbei oder zwischen zwei Gabellichtschranken (s. Abb. 1). Wenn man den Abstand der Stroboskopfelder oder der Löcher kennt, lässt sich aus der Anzahl der Verdunklungen einer Lichtschranke die abgerollte Strecke bestimmen. Um Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen voneinander trennen zu können, arbeitet man mit zwei Lichtschranken. Dies hat außerdem den zusätzlichen Vorteil. dass sich die Messgenauigkeit auf ein Viertel der Größe L der Stroboskopfeldlänge bzw. des Lochabstandes reduzieren lässt, wenn man nur den Abstand der Lichtschranken d um ein Viertel kleiner als L wählt.

Abb. 1: Das Messrad

Am besten macht man sich den Sachverhalt mittels einer Skizze und einer Tabelle klar (s. Abb. 2). Dreht sich die Schnurrolle in die eine Richtung, so ergibt sich, wie man erkennt, eine andere Hell-Dunkel-Abfolge an den Lichtschranken, als wenn sich die Rolle in die andere Richtung dreht. Da sich für jede Strecke L an den beiden Lichtschranken vier unterscheidbare Hell-Dunkel-Zustände ergeben, lässt sich also die Ortsauflösung auf ein Viertel der Strecke L steigern. Der Computer muss während der Messung also Immer den Zustand der beiden Lichtschranken kontrollieren und jede Änderung des Zustands registrieren. der Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung zuordnen und einen entsprechenden Zähler erhöhen oder verringern. Der Zählerstand wird dann In vorgegebenen festen Zeitabständen (z.B. 1/100 s) abgelesen und In einer Tabelle gespeichert.
Natürlich braucht der Computer für die geschilderten Befehle etwas Zeit, während der er nicht in der Lage ist, weitere Lichtschrankenänderungen zu erfassen. Diese "Totzeit" liegt im Mittel bei etwa fünfzig Taktimpulsen, d.h. bei etwa 50 ms und begrenzt die Messzeitintervalldauer nach unten. Bei den im experimentellen Physikunterricht auftretenden kleinen Geschwindigkeiten. die selten 1 m/s überschreiten, entspricht dies einer Streckenänderung von selten mehr als 0,05 mm, was deutlich unterhalb der Ansprechgenauigkeit des Messrades von 2 mm bzw. 1 mm (s. Kap. 2.4) liegt, so dass hier keine Messwertverfälschungen zu erwarten sind. Dies wird auch durch die von uns gesammelten praktischen Erfahrungen mit dem Messwertaufnehmersystem voll bestätigt. Natürlich müsste man für Präzisionsmessungen auch Messwertverfälschungen berücksichtigen. die sich aus dem Mitantreiben des Messrades ergeben, (z.B. durch die Einführung einer Rollenersatzmasse). oder aus der Fertigungstoleranz des Rades (z. B. Unwucht oder Unregelmäßigkelten des Abstandes L). Diese Messfehler sind In der Regel jedoch so klein, dass man sie getrost vernachlässigen kann. In der Praxis zeigte es sich, dass die Toleranzen aller anderen Versuchskomponenten (z. B. die Unebenheiten In der Luftkissenfahrbahn) eher zu einem größeren Messfehler führen als der, der durch den Einsatz des Messrades entsteht. Nach unseren Erfahrungen liegt der Gesammtmessfehler bei Messungen mit diesem Messwertaufnehmersystem in der Regel bei unter 2%, was sicherlich deutlich unter den bisher im Schulbereich akzeptierten und möglichen Messfehlern bleibt. Durch die Vielzahl der Messwerte, die man jetzt erhält, lässt sich zudem auch eine statistische Auswertung durchführen, die zu einer weiteren Fehlerreduzierung führen kann.