Weiterentwickelte Version Stand 13.03.2017

An dieser Stelle möchte ich auf die Rolle von Messergebnissen für die Lösung technischer Probleme eingehen. Genauer gesagt: auf die Zuverlässigkeit der Messqualität. Als Entwickler von Messtechnik sinniere ich bereits ein Leben lang über diese Frage nach. Angefangen bei der Ideenentwicklung und ihrer Umsetzung. Bis hin zu Fragen der Beweissicherung und dem praktischen Einsatz vor Ort.

Der Status Quo und seine Gefahren

In der Vergangenheit hielten Firmen an althergebrachten Grundsätzen fest.  Dieser Status Quo verlangt nach Daten zu technischen Parametern: Genauigkeit, Auflösung, Reproduzierbarkeit, Temperatur- und Langzeit-Drift, Hysteresis, und weitere. Technische Daten sollen dem Anwender Sicherheit vermitteln. Doch die Zuverlässigkeit von Messdaten ist damit noch nicht bewiesen.

Beispiel 1: FE-Rechenmodelle und bunte Diagramme

FE-Rechenmodelle gelten als etablierte Methode der Messtechnik.  Allerdings besitzen sie eine gefährliche Unzulänglichkeit. Sie nutzen beschränkte Informationen für ein flächendeckendes Ergebnis. Was genau bedeutet das? Zur Bewertung einer Fläche benötigt man drei Messpunkte, deren Ergebnisse den Zustand eines Bauwerks in einer Ebene beschreiben. Daraus leiten FE-Modelle Grafiken und Diagramme ab. Wenn wir Glück haben, befinden sich die Messpunkte nah genug an einer Störung, dass sie einen Großteil der Deformation aufnehmen. Wenn wir Pech haben, liegt dieser „nahe“ Sensor weit weg und zeigt nur einen Anteil der eigentlichen Verformung an. Im schlimmsten Fall wissen wir weniger als zuvor oder treffen schwerwiegende Entscheidungen aufgrund von fehlerhaft visualisierten Tatsachen. Die Anzahl der Messpunkte jedoch zu erhöhen oder gar die Wirksamkeit der Messung infrage zu stellen – dies wäre mit Mehraufwendungen zu verbunden, weswegen vielfach darauf verzichtet wird.

Beispiel 2: „In situ“ und Buzzwords

In situ ist eine lateinische Phrase, die etwa so viel bedeutet wie „am Ort“ oder „vor Ort“. Nebenbei: Der Messtechnik-Markt hat verdächtig viel „in situ“ zu bieten – obwohl der Begriff simpler und eingängiger auch auf Deutsch ausgedrückt werden könnte. Ganz davon abgesehen: In meiner messtechnischen Weltanschauung bedeutet „in situ“ das Messen direkt am Ort des Geschehens. Das ist der Ort der Veränderung. „Wir messen in situ“ muss bedeuten: „Wir messen genau da, wo eine Veränderung eintritt und nirgendwo anders oder gar daneben“. Und jetzt gehen wir mal im Internet die Kollegen  besuchen und schauen, wieviel „insitu“ auf Grundlage dieser Erkenntnis in der Brache übriggeblieben ist. Sie werden staunen.

Unsicherheiten über Unsicherheiten

Wir sind Ingenieure: Wir können rechnen, und wir verstehen, was wir gerechnet haben. Aber: Wir können auch Unstimmigkeiten verrechnen und mathematisch in der Bedeutungslosigkeit verschwinden lassen – zulasten der Aktualität oder der Amplitude einer Bewegungskennlinie. Und wenn wir das nicht tun: Wie bewerten wir diese Unstimmigkeiten? Etwa mit einer Fehlerbetrachtung? Und wer klassifiziert diese Fehler? Ein Datenblatt des Herstellers? Oder sind wir in der Lage, den Fehler zu selbständig erkennen und in seiner Wertigkeit zu bestimmen? Wo kommt dieser Fehler her? Aus der Produktion, dem Einbau, der Umwelt, dem Bauwerk? Oder aus wissenschaftlichen Annahmen über die Zusammenhänge eines Ergebnisses oder unbestätigten Konstanten? Wir brauchen eine kohärentes Wissen messtechnischen Denkens, um solchen Fragen stellen zu können.

Grundlagen von Messsystemen

Folgende Thesen stellen die Basis meiner philosophischen Betrachtung der Messtechnik dar.

„Ein Messwert ist kein Messwert.“

Das bedeutet, dass man den Glauben an ein Messergebnis nicht verlieren soll, aber stets in Frage stellen muss, solange dieses Ergebnis für sich alleinsteht. Redundanz ist eines der Zauberworte, um Sicherheit zu schaffen.

„Die Wahrheit liegt irgendwo dazwischen.“

Viele Ergebnisse repräsentieren nur das Umfeld einer Situation, und in jeder Aussage steckt eine eigene Wahrheit. Die Wahrscheinlichkeit der Richtigkeit einer Aussage liegt im statistischen Mittel. Nur so kommen wir dem faktischen Ergebnis so nahe, wie möglich.

„Die Intelligenz vieler steht im Ergebnis über der Erkenntnis des Einzelnen.“

So funktioniert auch unsere Gesellschaft. Beispiel Makroebene: die Demokratie. Beispiel Mikroebene: die Baustelle. Auf einer Baustelle arbeiten viele Menschen – und jeder hat etwas zu sagen. Aber wer trägt hier die Verantwortung? Letztendlich entscheidet nur einer: Der, von dem ich die Visitenkarte erhalten habe. Ich nenne ihn den Schwarmintelligenz-Koordinator – oder Ingenieur. Er nimmt sich analytisch und statistisch einer Problemstellung an, sammelt die Fakten, mittelt sie aus und vertritt das Ergebnis mit seiner Person. Das Chaos erhält eine Ordnung. Das kann man auch aus technischer Sicht verwirklichen, und wer hätte das gedacht? Es funktioniert tatsächlich: in Form von dynamischen Messmethoden und mit verteilter Sensortechnik.

„Die Erkenntnis kommt nicht von irgendwo her.“

Wenn Sie ein Messgerät entwickeln wollen, das mit hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit Aussagen über den Zustand eines Bauwerkes vermittelt, muss dieses Messgerät nach meinen Erfahrungen folgenden 10 Grundsätzen gerecht werden:

  1. IN SITU – Das Messgerät muss unmittelbar dort, wo eine Veränderung auftritt, messen. Standortwahl und Anbindung sind wichtig.
  2. DIREKT – Der Messwert muss durch den erfassten Einfluss direkt erzeugt werden und darf nur zweitrangig aus anderen physikalischen Größen hergeleitet werden, da jede Umrechnung eigene Fehler und Einflussgrößen erzeugt.
  3. UMFASSEND – Die Erfassung muss durchgängig repräsentativ in möglichst hoher Anzahl erfolgen.
  4. INTELLIGENT – Der einzelne Messwert ist in der Gesamtheit einer Installation zu vergleichen, um Fehlmessungen auszuschließen.
  5. REDUNDANT – Das Messsystem sollteunabhängig erfassen können, um einen unabhängigen Vergleich zu ermöglichen.
  6. ERNEUERBAR – Das Messsystem muss erneuerbar sein, um die Entwicklungen der Zukunft in Revisionen berücksichtigen zu können.
  7. PRÜFBAR – Ein Messsystem muss jederzeit extern prüfbar sein. Hierfür steht die Qualitätssicherheitsnorm.
  8. UNABHÄNGIG – Es muss von Einflussgrößen der Umwelt, des Bauwerkes oder mechanischen und elektrischen Fehlern unabhängig sein.
  9. LANGLEBIG – Es muss der Ausfallwahrscheinlichkeit entsprechend optimiert sein.
  10. SICHER – Es muss an unzugänglichen Orten im Idealfall passiv und risikolos anwendbar sein.

Die Nähe des Messgeräts zu diesen 10 Vorgaben ist das wichtigste Qualitätsmerkmal, das aus meiner Sicht möglich ist. Die logische Konsequenz aus diesen 10 Vorgaben ist eine passiv ausgestattete Messlösung mit örtlich verteilten und dynamisch messenden Eigenschaften, die sich selbst überwacht. Nach erfolgreicher informationstechnischer Auswertung sollte sie ein visuell aufbereitetes Ergebnis liefern, das verlässlich, nachvollziehbar und vor allem auskunftsstark ist.

Das gibt es nicht? Doch, das gibt es. Wir haben in den vergangenen Jahrzehnten konsequent an dieser Lösung gearbeitet und bieten diese mit unseren Partnerunternehmen auf dem Markt an.

Beispiel „Dynamische Messmethoden“

Konventionelle Neigungsmesssysteme erfassen mit hochauflösenden und teuren Sensorelementen in einzelnen Messungen (Meterschritten) Neigungswerte und zeichnen sie in einem Polygonzug auf. Wir dagegen messen mit einer geregelten Drahtseiltrommel den Bohrlochverlauf tiefer Bohrungen mit 400 Messungen pro Sekunde und einer Befahrungsgeschwindigkeit von 20m pro Minute. Dafür verwenden wir konventionelle MEMS-Sensorelektronik und messen ein Bohrloch genauer und schneller als jede Neigungsmessung.

Beispiel „Verteilte faseroptische Messtechnik“

Durch einfache und lückenlose Verlegung passiver Messelemente (Glasfaserkabel) mit integrierten Kraftschluss zur Ummantelung messen wir mit hoher Ortsauflösung durchgängig das Dehnungsverhalten und die Temperaturen am und im Bauwerk. Die Ortsauflösung bezeichnet die Grenzen der punktuellen Definition unzähliger Messdaten, die im Zusammenhang der im unmittelbaren Umfeld gemessenen Daten auf einen Punkt im Koordinatensystem zusammengefasst und verrechnet werden. Sie gibt Aufschluss über den Ort der Deformation im Rahmen der derzeit technischen Möglichkeiten.

Beispiel „Intelligente Erfassung und Meldung“

Das Ergebnis einer Messung resultiert aus einer umfänglichen Bewertung verschiedenster Zusammenhänge und Erkenntnisse über das Bauwerk selbst. Niemand kann erwarten, dass ein einziger Messwert nach Installation und Inbetriebnahme einen Zustand des Bauwerks darstellt. Vielmehr führen eine Reihe von klimatischen und mechanischen Einflussgrößen dazu, dass Kompensationsverfahren angewendet werden müssen.

Ein typisches Messszenario ist die Anwendung von Schlauchwaagen-Messsystemen zur Gebäudeüberwachung und Erfassungen von Setzungen. Die Herleitungsverfahren sind so umfangreich, dass eine direkte Betrachtung der Messwerte zu mehr Unsicherheit führt, weswegen eine einfache Installation wenig zweckmäßig ist. Auch das Erkenntnisinteresse eines Gutachters muss in die Auswertung einfließen, um Zustände definieren und melden zu können. Aus diesem Grund setzen wir auf Auswertungsverfahren, die vor Ort eine differenzierte Meldung und Alarmierung möglich machen. Hierzu haben wireigene Entwicklungen durchgeführt, die die Realisierung dieses Anspruches ert möglich gemacht haben.

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