Qualität, Fehlersuche und Inbetriebnahme: Wiederholung und Übungsaufgaben
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https://oer-informatik.de/qualitaet-fehlersuche-uebungsaufgaben
Qualitätsmanagement, PDCA-Zyklus, Prüfmittelüberwachung, Kalibrieren, Messunsicherheit, Inbetriebnahme, Fehlersuche, Instandhaltung, MTBF, DIN 31051, Übungsaufgaben, Prüfungsvorbereitung
tl/dr; (ca. 105 min Lese- und Bearbeitungszeit): Wiederholung und Übungsaufgaben zu Qualität, Fehlersuche und Inbetriebnahme – von PDCA, Zehnerregel und Prüfmittelüberwachung über Messprotokolle mit Messunsicherheit, Abgleich und Halbierungsmethode bis zu Instandhaltung und MTBF. Jeder der sieben Schritte wiederholt zuerst kurz die Grundlagen; zum Schluss wendest Du Prüfplan, Messunsicherheit und Potenzialmessung an der Temperaturregelung eines Lötbads an. Zu jeder der 19 Aufgaben lässt sich eine Lösung einblenden [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 13.11.2026)
Schon fit in diesem Thema? Nutze die Kann-Liste und die Leitfragen unter dem Artikel als Checkliste, ob Du die relevanten Kompetenzen bereits hast.
Als Grundlagen zu Qualität und Service kann ich nach Durcharbeiten des Artikels…
… die Teilaufgaben des Qualitätsmanagements, den PDCA-Zyklus und die Zehnerregel der Fehlerkosten erklären.
… Kalibrieren, Justieren und Eichen unterscheiden und das Vorgehen bei der Prüfmittelüberwachung beschreiben.
… die Schritte einer Inbetriebnahme und einer systematischen Fehlersuche in der richtigen Reihenfolge nennen.
… die Grundmaßnahmen der Instandhaltung nach DIN 31051 zuordnen.
… MTBF, Ausfallrate und Verfügbarkeit erklären.
Darüber hinaus kann ich als Expertenwissen…
… Kalibrierscheine und Messprotokolle mit Toleranz und Messunsicherheit auswerten und die Eignung eines Messgeräts beurteilen.
… den Einstellbereich eines Trimmers auch bei ungünstigen Toleranzen berechnen und eine Zweipunkt-Kalibrierung durchführen.
… Fehler mit Halbierungsmethode und Potenzialmessung eingrenzen und aus Messwerten auf die Fehlerursache schließen.
… die MTBF aus Felddaten und aus Bauteilangaben berechnen.
Ein Gerät ist erst fertig, wenn nachgewiesen ist, dass es die Anforderungen erfüllt, und wenn es auch nach Jahren noch zuverlässig läuft. Zum Kernwissen der Geräte- und Systemtechnik gehören dazu Begriffe des Qualitätsmanagements, Kalibrierscheine und Messprotokolle, Abgleich und Inbetriebnahme, die systematische Fehlersuche sowie Instandhaltung und Zuverlässigkeit. Die Bedienung der Messgeräte und ihre Fehlergrenzen behandeln die Artikel Strom, Spannung und Widerstand messen und Messfehler, Messunsicherheit und Kennlinienaufnahme.
Diese Übungsaufgaben gehören zu den Artikeln Qualitätsmanagement in der Elektrotechnik, Inbetriebnahme von Baugruppen und Geräten, Abgleich, Justage und Kalibrierung, Systematische Fehlersuche und Fehleranalyse und Instandhaltung, Reparatur und Service; dort findest Du die Grundlagen ausführlich erklärt.
Dieser Artikel ist in sieben Schritten aufgebaut. Schritt 7 verbindet alles an einer Anlage. Jeder Schritt beginnt mit einer kurzen Wiederholung, danach folgen Aufgaben:
gebundene Aufgaben (Auswahlaufgaben): Genau eine der fünf Antworten ist richtig.
ungebundene Aufgaben: Lösungsweg mit Ansatz und Ergebnis.
Kennzeichnung nach DIN EN 81346-2: −K Steuerungen und Mikrocontroller, −Q Transistoren, Relais und Schütze, −R Widerstände und Dioden, −T Messumformer, −B Sensoren, −P Meldeleuchten, −E Heizungen, −G Spannungsversorgung, −X Klemmen.
Hinweise zur Bearbeitung: Bei Auswahlaufgaben ist genau eine Antwort richtig. Die Lösung lässt sich unter jeder Aufgabe einblenden. Die Beispiellösungen sind immer gleich aufgebaut: Unter Geg. steht, was gegeben ist (bei mehreren Teilaufgaben gemeinsam in der ersten), unter Ges., was gesucht ist. Jede Formel steht zuerst in ihrer Grundform; Umstellungen sind Äquivalenzumformungen, deren Rechenschritt grau rechts neben dem senkrechten Strich steht. Ergebnisse stehen mit drei signifikanten Stellen doppelt unterstrichen, gerundete mit \approx. Rechne selbst ebenso mit Formel, eingesetzten Werten und Einheit. Werte aus Kennlinien und Diagrammen liest Du so genau ab, wie es das Raster zulässt; kleine Abweichungen sind kein Fehler. Bei „nennen“ genügen Stichworte, bei „beschreiben“, „erläutern“ und „begründen“ antwortest Du in ganzen Sätzen. Schreib Deine Lösung zuerst vollständig auf, bevor Du die Beispiellösung einblendest.
Du möchtest eigene Aufgaben zum Üben von einem KI-Sprachmodell generieren lassen?
Kopiere den Text in ein KI-Sprachmodell Deiner Wahl und passe Kompetenzstufe, Anzahl, Bearbeitungszeit und Szenario bei Bedarf an. Wie die Aufgaben aufgebaut sind, beschreibt der Artikel Wie sind die Aufgaben aufgebaut?. Prüfe die Ergebnisse mit dem Lehrartikel: KI-Sprachmodelle machen Fehler.
Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „Qualität, Fehlersuche und
Inbetriebnahme“.
Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.
Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/qualitaetsmanagement
- https://oer-informatik.de/inbetriebnahme
- https://oer-informatik.de/abgleich-messprotokoll
- https://oer-informatik.de/fehlersuche
- https://oer-informatik.de/instandhaltung-service
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/qualitaet-fehlersuche-uebungsaufgaben
Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Qualitätsmanagement
- PDCA-Zyklus
- Prüfmittelüberwachung
- Kalibrieren
- Messunsicherheit
- Inbetriebnahme
- Fehlersuche
- Instandhaltung
- MTBF
- DIN 31051
Kompetenzstufe: Kernkompetenz (alternativ: Basiskompetenz, Profilkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan
Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
danach frage.
1 Qualitätsmanagement
Grundlagen
Qualität ist der Grad, in dem ein Produkt die Anforderungen erfüllt. Ein Qualitätsmanagementsystem (QM-System, meist nach DIN EN ISO 9001) regelt, wie ein Unternehmen Qualität plant und sichert. Die Abläufe, Zuständigkeiten und Prüfungen werden im QM-Handbuch und in Verfahrens- und Arbeitsanweisungen beschrieben. Ein unabhängiges, akkreditiertes Unternehmen prüft das System in einem Audit und stellt ein Zertifikat aus (meist drei Jahre gültig, jährliche Überwachungsaudits).
| Teilaufgabe | Inhalt |
|---|---|
| Qualitätsplanung | Anforderungen festlegen, Prüfungen planen (Prüfplan) |
| Qualitätslenkung | Prozesse überwachen und steuern, damit die Anforderungen erfüllt werden |
| Qualitätssicherung | Vertrauen schaffen: Nachweise, Dokumentation, Audits |
| Qualitätsverbesserung | Fehlerursachen beseitigen, Abläufe verbessern |
- Kontinuierlicher Verbesserungsprozess (KVP), japanisch Kaizen: Verbesserung in vielen kleinen Schritten. Werkzeug ist der PDCA-Zyklus (Deming-Kreis). Das Erreichte wird als Standard festgeschrieben, damit es nicht wieder verloren geht (Keil im Bild).
Ein Qualitätszirkel ist eine kleine Gruppe von Mitarbeitenden, die sich regelmäßig trifft, um Probleme ihres Arbeitsbereichs zu lösen.
Zehnerregel der Fehlerkosten: Die Kosten, einen Fehler zu beseitigen, steigen von Phase zu Phase etwa um den Faktor 10. Etwa drei Viertel der Fehler entstehen in Entwicklung und Planung, entdeckt werden die meisten aber erst in Fertigung und Prüfung.
Aufgabe 1.1 (gebunden)
In der Bestückung einer Elektronikfirma füllt eine Mitarbeiterin an der Bestückungsmaschine eine neue Rolle Elektrolytkondensatoren nach. Auf dem Rollenetikett steht 47 µF, laut Rüstliste gehören an diesen Platz 470 µF. Der QM-Beauftragte ist diese Woche im Urlaub. Welche Reaktion ist richtig und richtig begründet?
Sie bestückt weiter und vermerkt die Rolle für den QM-Beauftragten, denn nur er darf über Abweichungen von der Rüstliste entscheiden.
Sie bestückt weiter, denn die Platinen laufen später durch die Endprüfung, die falsch bestückte Baugruppen zuverlässig aussortiert.
Sie bestückt weiter und reklamiert die Rolle beim Lieferanten, denn für falsch etikettiertes Material ist allein der Lieferant verantwortlich.
Sie setzt die Rolle nicht ein, kennzeichnet sie als gesperrt und meldet den Fund der Schichtleitung, denn für die Qualität ihres Arbeitsschritts ist sie selbst verantwortlich.
Sie hält die Maschine an und wartet auf eine Entscheidung der Geschäftsführung, denn Verantwortung für Qualität trägt im QM-System allein die oberste Leitung.
Richtige Antwort: 4
Geg.: Rolle mit falschem Kapazitätswert an der Bestückungsmaschine, QM-Beauftragter abwesend
Ges.: richtige Reaktion mit Begründung
Wer einen Fehler an seinem Arbeitsplatz bemerkt, muss selbst handeln: Ein Qualitätsmanagementsystem verteilt die Verantwortung auf alle Stellen, an denen Qualität entsteht. Die Mitarbeiterin verhindert, dass das falsche Bauteil verarbeitet wird, sperrt es nachvollziehbar und gibt die Meldung über den Dienstweg weiter: \underline{\underline{\text{Antwort 4}}}. Die Schichtleitung kann dann die richtige Rolle beschaffen und klären, ob schon Platinen betroffen sind. Antwort 1 und 2 lassen den Fehler wissentlich weiterlaufen; der QM-Beauftragte koordiniert das System, er ist aber nicht der Einzige, der handeln darf, und die Endprüfung kann einen falschen Kapazitätswert nicht sicher erkennen. Nach der Zehnerregel wird jeder spät gefundene Fehler teurer. Antwort 3 ist nur zur Hälfte richtig: Die Reklamation beim Lieferanten ist sinnvoll, entbindet aber nicht davon, die Verarbeitung sofort zu stoppen. Antwort 5 verwechselt die Gesamtverantwortung der Geschäftsführung für das QM-System mit der Verantwortung für den einzelnen Arbeitsschritt; die Geschäftsführung muss nicht über jede gesperrte Rolle entscheiden.
Aufgabe 1.2 (gebunden)
Deine Serviceabteilung hat innerhalb von drei Monaten 14 Steuergeräte mit demselben zugekauften Schaltnetzteil repariert. Das Fehlerbild war jedes Mal gleich: ein aufgeblähter Elektrolytkondensator am Ausgang, die Geräte waren zwischen 9 und 13 Monate im Einsatz. Welche Maßnahme ist im Sinne des Qualitätsmanagements am sinnvollsten?
Weiter defekte Netzteile tauschen, denn die Kosten trägt ohnehin die Gewährleistung des Lieferanten.
Ab sofort jedes gelieferte Netzteil in der Wareneingangsprüfung einschalten und die Ausgangsspannung messen.
Fehlerbild, Betriebsdauer, Seriennummern und Herstelldaten der Netzteile erfassen und als Reklamation an den Netzteilhersteller geben, damit er die Ursache sucht und abstellt.
Ohne Rückmeldung an den bisherigen Hersteller sofort ein Netzteil eines anderen Herstellers einbauen.
Die Kunden darauf hinweisen, dass Netzteile Verschleißteile sind und regelmäßig getauscht werden müssen.
Richtige Antwort: 3
Geg.: 14 gleiche Ausfälle eines Zukaufteils nach 9 bis 13 Monaten Betrieb
Ges.: sinnvollste Maßnahme
Gleiches Fehlerbild bei vielen Geräten spricht für einen systematischen Fehler des Zukaufteils (z. B. unterdimensionierter oder zu warm betriebener Kondensator). Abstellen kann ihn nur der Hersteller des Netzteils, und dazu braucht er auswertbare Felddaten: \underline{\underline{\text{Ausfälle dokumentieren und reklamieren}}}. Er sucht damit die Ursache, ändert sein Produkt, und die Wirksamkeit lässt sich an den weiteren Ausfallzahlen prüfen (Check- und Act-Stufe des PDCA-Zyklus): Antwort 3. Weiter tauschen (Antwort 1) verlagert nur Kosten, die Ursache bleibt, und der Imageschaden beim Kunden entsteht trotzdem. Eine Eingangsprüfung (Antwort 2) findet den Fehler nicht, weil er erst nach Monaten im Betrieb auftritt. Ein Wechsel ohne Rückmeldung (Antwort 4) kann sinnvoll werden, wenn der Hersteller nicht reagiert; zuerst aber fehlen ihm die Daten, und die bereits verbauten Netzteile bleiben ein Risiko. Ein Netzteil ist kein Verschleißteil mit einer Lebensdauer von einem Jahr (Antwort 5); der Hinweis verschleiert den Fehler.
Aufgabe 1.3 (ungebunden, 10 Punkte)
Von einer Steuerplatine werden 5000 Stück im Jahr gefertigt. 0,8 % der Platinen haben einen verpolt bestückten Elektrolytkondensator. Die Beseitigung eines Fehlers kostet nach der Zehnerregel 2 €, wenn er in der Fertigung direkt nach dem Bestücken entdeckt wird, 20 € in der Endprüfung und 200 € beim Kunden.
Berechne die Zahl der fehlerhaften Platinen und die jährlichen Fehlerkosten, wenn alle Fehler in der Fertigung, in der Endprüfung oder erst beim Kunden entdeckt werden. (3 Punkte)
Eine automatische optische Inspektion (AOI) direkt nach dem Bestücken kostet 3000 € im Jahr und findet alle verpolten Kondensatoren. Beurteile, ob sich die AOI lohnt, wenn die Fehler bisher beim Kunden bzw. bisher in der Endprüfung entdeckt wurden. (3 Punkte)
Beschreibe, wie das Problem mit dem PDCA-Zyklus dauerhaft gelöst wird. Nenne zu jeder Stufe eine konkrete Tätigkeit. (4 Punkte)
Geg.: n = 5000 Stück/Jahr; Fehleranteil q = 0{,}8\ \%; Kosten je Fehler: Fertigung 2 €, Endprüfung 20 €, Kunde 200 €; AOI 3000 €/Jahr
a) Ges.: Anzahl fehlerhafter Platinen n_\mathrm{F}; Fehlerkosten K
\begin{aligned} &\text{(I)} && n_\mathrm{F} = q \cdot n \\ &\text{(II)} && K = n_\mathrm{F} \cdot k \end{aligned}
n_\mathrm{F} = 0{,}008 \cdot 5000 = \underline{\underline{40\ \text{Platinen}}}
I in II:
K_\mathrm{Fertigung} = 40 \cdot 2\ \text{€} = \underline{\underline{80\ \text{€}}} \qquad K_\mathrm{Endpr\text{ü}fung} = 40 \cdot 20\ \text{€} = \underline{\underline{800\ \text{€}}} \qquad K_\mathrm{Kunde} = 40 \cdot 200\ \text{€} = \underline{\underline{8000\ \text{€}}}
b) Ges.: Wirtschaftlichkeit der AOI
Mit AOI werden alle Fehler in der Fertigung entdeckt; die Kosten betragen 3000\ \text{€} + 80\ \text{€} = 3080\ \text{€} im Jahr.
Bisher beim Kunden entdeckt: 8000\ \text{€} - 3080\ \text{€} = 4920\ \text{€} Einsparung, die AOI \underline{\underline{\text{lohnt sich}}}. Hinzu kommen Vorteile, die sich schwer in Geld ausdrücken lassen: kein Imageschaden, keine Reklamationen.
Bisher in der Endprüfung entdeckt: 3080\ \text{€} - 800\ \text{€} = 2280\ \text{€} Mehrkosten; allein für diesen Fehler \underline{\underline{\text{lohnt sich die AOI nicht}}}. Günstiger ist es, die Ursache abzustellen (siehe c); die AOI kann sich aber lohnen, wenn sie weitere Bestückungsfehler findet.
Das Diagramm stellt die jährlichen Fehlerkosten nach dem Ort der Entdeckung den Kosten mit AOI gegenüber.
c) Ges.: PDCA-Zyklus mit je einer Tätigkeit
Plan: Ursache analysieren (z. B. Polungsmarkierung im Bestückungsdruck fehlt, Bauteile falsch im Magazin) und eine Maßnahme planen (Markierung ergänzen, Bauteilgurt prüfen), Ziel festlegen (0 verpolte Kondensatoren).
Do: Maßnahme zunächst in einem Fertigungslos umsetzen.
Check: Fehleranteil im Los erfassen und mit dem Ziel vergleichen.
Act: Wirkt die Maßnahme, wird sie als Standard festgeschrieben (Arbeitsanweisung, Bestückungsprogramm, Schulung); sonst beginnt der Zyklus neu.
2 Prüfen und Prüfmittelüberwachung
Grundlagen
Prüfzeitpunkt: Wareneingangsprüfung (Zukaufteile), Zwischenprüfung (nach einzelnen Fertigungsschritten), Endprüfung (vor der Auslieferung).
Prüfumfang: Bei der 100-%-Prüfung wird jedes Teil geprüft (sicherheitsrelevante Merkmale, Kleinserien). Bei der Stichprobenprüfung wird aus einem Los eine Stichprobe gezogen; aus ihrem Ergebnis wird auf das ganze Los geschlossen. Sie spart Zeit und Kosten, findet aber nicht jedes fehlerhafte Teil.
Fehlerklassen: kritischer Fehler (Gefahr für Personen), Hauptfehler (Gerät unbrauchbar), Nebenfehler (Gebrauch kaum beeinträchtigt, z. B. Kratzer). Nach der Ursache unterscheidet man systematische Fehler (treten unter gleichen Bedingungen immer wieder auf, z. B. Konstruktionsfehler) und zufällige Fehler (treten unvorhersehbar auf, z. B. Bauteilausfall).
Fehleranteile werden in Prozent oder in ppm (parts per million, 1\ \text{ppm} = 10^{-6}) angegeben.
Prüfmittelüberwachung: Alle Mess- und Prüfmittel werden in festen Abständen (Kalibrierintervall, z. B. ein Jahr) überprüft, das Ergebnis wird dokumentiert, das Gerät erhält eine Prüfplakette mit dem nächsten Termin.
| Begriff | Bedeutung |
|---|---|
| Kalibrieren | Abweichung der Anzeige vom richtigen Wert feststellen und dokumentieren; kein Eingriff in das Gerät |
| Justieren (Abgleichen) | Gerät so einstellen, dass die Abweichung möglichst klein wird; Eingriff in das Gerät |
| Eichen | gesetzlich vorgeschriebene Prüfung durch eine Eichbehörde oder staatlich anerkannte Prüfstelle nach Mess- und Eichgesetz (z. B. Stromzähler, Waagen im Handel) |
- Das Vergleichsgerät (Normal, Kalibrator) muss deutlich genauer sein als das Prüfmittel und selbst über eine ununterbrochene Kette von Kalibrierungen auf ein nationales Normal (in Deutschland bei der PTB) zurückgeführt sein (Rückführbarkeit). Akkreditierte Kalibrierlabore (DAkkS) stellen dafür Kalibrierscheine aus.
Aufgabe 2.1 (gebunden)
Bei der Prüfmittelüberwachung stellt sich heraus, dass ein Multimeter außerhalb seiner Fehlergrenzen misst. Wie gehst Du richtig vor?
Das Multimeter weiter verwenden und die Abweichung im Kopf berücksichtigen
Das Multimeter sperren, justieren lassen und prüfen, welche Messungen seit der letzten Kalibrierung betroffen sein können
Die Prüfplakette entfernen und das Gerät ohne Plakette weiter benutzen
Das Kalibrierintervall verlängern, damit die nächste Prüfung später erfolgt
Nur die Batterie wechseln und das Gerät wieder freigeben
Richtige Antwort: 2
Geg.: Multimeter außerhalb der Fehlergrenzen
Ges.: richtiges Vorgehen
Das Gerät darf nicht weiter verwendet werden: \underline{\underline{\text{sperren, justieren lassen, erneut kalibrieren}}}. Außerdem muss geprüft werden, welche Messungen seit der letzten gültigen Kalibrierung mit dem Gerät gemacht wurden, denn diese Ergebnisse sind fraglich: Antwort 2. „Im Kopf berücksichtigen“ (Antwort 1) ist nicht nachvollziehbar und nicht dokumentiert. Ohne Plakette (Antwort 3) fehlt jeder Nachweis, das Gerät ist nicht freigegeben. Ein längeres Intervall (Antwort 4) wäre falsch herum: Bei einem Befund wird das Intervall eher verkürzt. Ein Batteriewechsel (Antwort 5) kann helfen, ersetzt aber nicht die erneute Kalibrierung vor der Freigabe.
Aufgabe 2.2 (gebunden)
In welchem der folgenden Fälle ist eine Stichprobenprüfung statt einer 100-%-Prüfung angemessen?
Schutzleiterwiderstand und Isolationswiderstand bei jedem gefertigten Netzgerät der Schutzklasse I vor der Auslieferung
Funktionsprüfung von sechs Sonder-Messverstärkern, die für einen einzelnen Kunden gebaut wurden
Wareneingang von 40 Rollen mit je 5000 SMD-Widerständen eines bewährten Lieferanten: Prüfung von Widerstandswert und Bauform
Prüfung der Not-Halt-Funktion an jeder Maschinensteuerung, die das Werk verlässt
Abnahmeprüfung eines einzeln gebauten Schaltschranks für eine Kläranlage
Richtige Antwort: 3
Geg.: fünf Prüfsituationen
Ges.: Fall, in dem eine Stichprobe genügt
Eine Stichprobe lohnt sich bei großen Losen gleichartiger Teile, deren Merkmale nicht sicherheitskritisch sind und deren Lieferant stabil liefert. Bei 40 \cdot 5000 = 200\,000 Widerständen wäre eine 100-%-Prüfung unwirtschaftlich; aus einer Stichprobe je Rolle wird auf das Los geschlossen: \underline{\underline{\text{Wareneingang der SMD-Widerstände}}}, Antwort 3. Schutzleiter- und Isolationsprüfung (Antwort 1) sowie die Not-Halt-Funktion (Antwort 4) sind sicherheitsrelevant: Ein einziges fehlerhaftes Gerät kann Personen gefährden, deshalb wird jedes Stück geprüft. Bei sechs Sondergeräten (Antwort 2) und bei einem Einzelstück (Antwort 5) gibt es kein Los, aus dem eine Stichprobe gezogen werden könnte; hier wird jedes Gerät vollständig geprüft.
Aufgabe 2.3 (ungebunden, 10 Punkte)
Ein Digitalmultimeter (Fehlergrenze im Gleichspannungsbereich \pm(0{,}5\ \%\ \text{v. M.} + 2\ \text{Digit})) wird mit einem Kalibrator geprüft. Die Messunsicherheit des Kalibrators ist vernachlässigbar klein. Die Kalibrierung ergibt:
| Bereich | Auflösung | Sollwert (Kalibrator) | Anzeige |
|---|---|---|---|
| 2 V | 0,001 V | 1,000 V | 1,009 V |
| 20 V | 0,01 V | 10,000 V | 10,06 V |
| 200 V | 0,1 V | 100,0 V | 99,6 V |
Berechne für jeden Kalibrierpunkt die Abweichung und die zulässige Fehlergrenze und beurteile das Ergebnis. (6 Punkte)
Nenne die Maßnahmen, die aus dem Ergebnis folgen. (2 Punkte)
Begründe, warum der Kalibrator rückgeführt und deutlich genauer als das Multimeter sein muss. (2 Punkte)
Geg.: Fehlergrenze \pm(0{,}5\ \%\ \text{v. M.} + 2\ \text{Digit}); Kalibrierpunkte 1,000 V/1,009 V (Auflösung 0,001 V), 10,000 V/10,06 V (0,01 V), 100,0 V/99,6 V (0,1 V)
a) Ges.: Abweichung \Delta U, Fehlergrenze G, Bewertung
\begin{aligned} &\text{(I)} && \Delta U = U_\mathrm{Anz} - U_\mathrm{soll} \\ &\text{(II)} && G = 0{,}005 \cdot U_\mathrm{Anz} + 2 \cdot \text{Auflösung} \end{aligned}
2-V-Bereich:
\Delta U = 1{,}009\ \text{V} - 1{,}000\ \text{V} = \underline{\underline{+9\ \text{mV}}} \qquad G = 0{,}005 \cdot 1{,}009\ \text{V} + 2 \cdot 1\ \text{mV} \approx \underline{\underline{\pm 7{,}05\ \text{mV}}}
20-V-Bereich:
\Delta U = 10{,}06\ \text{V} - 10{,}000\ \text{V} = \underline{\underline{+60\ \text{mV}}} \qquad G = 0{,}005 \cdot 10{,}06\ \text{V} + 2 \cdot 10\ \text{mV} \approx \underline{\underline{\pm 70{,}3\ \text{mV}}}
200-V-Bereich:
\Delta U = 99{,}6\ \text{V} - 100{,}0\ \text{V} = \underline{\underline{-0{,}4\ \text{V}}} \qquad G = 0{,}005 \cdot 99{,}6\ \text{V} + 2 \cdot 0{,}1\ \text{V} \approx \underline{\underline{\pm 0{,}698\ \text{V}}}
| Bereich | \lvert \Delta U \rvert | G | Bewertung |
|---|---|---|---|
| 2 V | 9 mV | 7,05 mV | außerhalb, n. i. O. |
| 20 V | 60 mV | 70,3 mV | i. O. |
| 200 V | 0,4 V | 0,698 V | i. O. |
Weil ein Kalibrierpunkt außerhalb der Fehlergrenze liegt, \underline{\underline{\text{besteht das Multimeter die Kalibrierung nicht}}}.
b) Ges.: Maßnahmen
Multimeter \underline{\underline{\text{sperren}}} (Kennzeichnung „gesperrt“), justieren oder reparieren lassen und danach erneut kalibrieren; erst dann neue Prüfplakette.
Prüfen, welche Messungen im 2-V-Bereich seit der letzten Kalibrierung mit dem Gerät gemacht wurden, und deren Ergebnisse bewerten; das Ergebnis im Kalibrierschein und in der Prüfmittelkartei dokumentieren.
c) Ges.: Begründung Rückführung und Genauigkeit
Rückführung: Nur wenn der Kalibrator selbst über eine lückenlose Kette auf das nationale Normal zurückgeführt ist, ist sein Sollwert „richtig“ und das Ergebnis \underline{\underline{\text{nachweisbar und vergleichbar}}}.
Genauigkeit: Die Unsicherheit des Kalibrators geht in jede Bewertung ein. Ist er nicht deutlich genauer (Faustregel mindestens Faktor 4 … 10), lässt sich nicht entscheiden, ob eine Abweichung vom Multimeter oder vom Kalibrator stammt.
3 Messprotokoll, Toleranz und Messunsicherheit
Grundlagen
Im Prüfplan steht für jeden Prüfschritt, was mit welchem Prüfmittel geprüft wird, der Sollwert und die Toleranz (zulässige Abweichung). Daraus folgen der untere und der obere Grenzwert (UTG, OTG); ihr Abstand ist die Toleranzbreite T = \text{OTG} - \text{UTG}.
Im Messprotokoll werden Messwert, verwendetes Messgerät und Bewertung (i. O./n. i. O.) eingetragen, mit Datum und Unterschrift.
Jeder Messwert ist unsicher. Hier wird als Messunsicherheit U vereinfacht die Fehlergrenze des Messgeräts verwendet. Der wahre Wert liegt dann im Intervall x - U \ldots x + U.
Entscheidungsregel (nach DIN EN ISO 14253-1): Die Übereinstimmung mit der Toleranz ist nur nachgewiesen, wenn das ganze Unsicherheitsintervall innerhalb der Grenzwerte liegt. Liegt es ganz außerhalb, ist die Nichtübereinstimmung nachgewiesen. Überdeckt es einen Grenzwert, ist keine sichere Entscheidung möglich.
- Ein Messgerät ist für eine Prüfung nur geeignet, wenn seine Messunsicherheit klein gegenüber der Toleranz ist. Faustregel („goldene Regel der Messtechnik“): U \leq \dfrac{T}{10}.
Aufgabe 3.1 (ungebunden, 12 Punkte)
Bei der Endprüfung einer Netzteilbaugruppe werden vier Spannungen mit einem Multimeter im 20-V-Bereich gemessen (Auflösung 0,01 V, Fehlergrenze \pm(0{,}5\ \%\ \text{v. M.} + 2\ \text{Digit})).
| Messpunkt | Größe | Sollwert | Toleranz | Messwert |
|---|---|---|---|---|
| -MP1 | Versorgung | +12,0 V | ±5 % | 12,31 V |
| -MP2 | Logikspannung | +5,00 V | ±2 % | 5,07 V |
| -MP3 | Referenzspannung | +2,50 V | ±1 % | 2,49 V |
| -MP4 | negative Versorgung | −12,0 V | ±5 % | −11,25 V |
Berechne für jeden Messpunkt den unteren und den oberen Grenzwert. (4 Punkte)
Berechne für jeden Messwert die Messunsicherheit U. (3 Punkte)
Bewerte jeden Messwert mit der Entscheidungsregel. (4 Punkte)
Beschreibe das Vorgehen, wenn keine sichere Entscheidung möglich ist. (1 Punkt)
Geg.: Messwerte und Toleranzen nach Tabelle; Multimeter 20-V-Bereich, Auflösung 0,01 V, U = \pm(0{,}5\ \%\ \text{v. M.} + 2\ \text{Digit})
a) Ges.: UTG, OTG
\begin{aligned} &\text{(I)} && \text{UTG} = U_\mathrm{soll} - \lvert U_\mathrm{soll} \rvert \cdot t \\ &\text{(II)} && \text{OTG} = U_\mathrm{soll} + \lvert U_\mathrm{soll} \rvert \cdot t \end{aligned}
\text{MP1: } 12{,}0\ \text{V} \mp 0{,}05 \cdot 12{,}0\ \text{V} \Rightarrow \underline{\underline{11{,}4\ \text{V} \ldots 12{,}6\ \text{V}}}
\text{MP2: } 5{,}00\ \text{V} \mp 0{,}02 \cdot 5{,}00\ \text{V} \Rightarrow \underline{\underline{4{,}90\ \text{V} \ldots 5{,}10\ \text{V}}}
\text{MP3: } 2{,}50\ \text{V} \mp 0{,}01 \cdot 2{,}50\ \text{V} \Rightarrow \underline{\underline{2{,}475\ \text{V} \ldots 2{,}525\ \text{V}}}
\text{MP4: } -12{,}0\ \text{V} \mp 0{,}05 \cdot 12{,}0\ \text{V} \Rightarrow \underline{\underline{-12{,}6\ \text{V} \ldots -11{,}4\ \text{V}}}
b) Ges.: U je Messwert
U = 0{,}005 \cdot \lvert U_\mathrm{mess} \rvert + 2 \cdot 0{,}01\ \text{V}
\text{MP1: } U = 0{,}005 \cdot 12{,}31\ \text{V} + 0{,}02\ \text{V} \approx \underline{\underline{0{,}0816\ \text{V}}} \qquad \text{MP2: } U = 0{,}005 \cdot 5{,}07\ \text{V} + 0{,}02\ \text{V} \approx \underline{\underline{0{,}0454\ \text{V}}}
\text{MP3: } U = 0{,}005 \cdot 2{,}49\ \text{V} + 0{,}02\ \text{V} \approx \underline{\underline{0{,}0325\ \text{V}}} \qquad \text{MP4: } U = 0{,}005 \cdot 11{,}25\ \text{V} + 0{,}02\ \text{V} \approx \underline{\underline{0{,}0763\ \text{V}}}
c) Ges.: Bewertung
Das Unsicherheitsintervall x - U \ldots x + U wird mit den Grenzwerten verglichen:
| MP | Intervall in V | Grenzwerte in V | Bewertung |
|---|---|---|---|
| 1 | 12,23 … 12,39 | 11,4 … 12,6 | ganz innerhalb: i. O. |
| 2 | 5,025 … 5,115 | 4,90 … 5,10 | überdeckt OTG: nicht sicher entscheidbar |
| 3 | 2,458 … 2,522 | 2,475 … 2,525 | überdeckt UTG: nicht sicher entscheidbar |
| 4 | −11,33 … −11,17 | −12,6 … −11,4 | ganz oberhalb OTG: n. i. O. |
Bei MP4 ist die negative Versorgung \underline{\underline{\text{nachweislich zu klein im Betrag}}} (−11,33 V liegt oberhalb von −11,4 V). MP1 ist \underline{\underline{\text{i. O.}}}, MP2 und MP3 sind \underline{\underline{\text{nicht sicher entscheidbar}}}.
d) Ges.: Vorgehen bei unsicherem Ergebnis
Die Messung mit einem \underline{\underline{\text{genaueren Messgerät wiederholen}}} (kleinere Messunsicherheit). Ist das nicht möglich, gilt die im Prüfplan oder mit dem Kunden vereinbarte Regel; ein Hersteller darf ein Teil nur als i. O. ausliefern, wenn die Übereinstimmung nachgewiesen ist.
Aufgabe 3.2 (ungebunden, 8 Punkte)
Verwende den Messpunkt -MP3 aus Aufgabe 3.1.
Berechne die Toleranzbreite und das Verhältnis U : T für das verwendete Multimeter. Beurteile die Eignung des Multimeters. (2 Punkte)
Berechne die größte Messunsicherheit, die nach der Faustregel zulässig ist. (1 Punkt)
Zur Verfügung steht ein Tischmultimeter mit 6-V-Bereich, Auflösung 0,1 mV, Fehlergrenze \pm(0{,}05\ \%\ \text{v. M.} + 3\ \text{Digit}). Es zeigt 2,4921 V an. Berechne die Messunsicherheit und prüfe die Eignung. (3 Punkte)
Bewerte den Messwert 2,4921 V. (2 Punkte)
Geg.: MP3: 2,50 V ± 1 %, U_\mathrm{A} = 0{,}0325\ \text{V} (aus 3.1); Tischmultimeter: 6-V-Bereich, Auflösung 0,1 mV, \pm(0{,}05\ \%\ \text{v. M.} + 3\ \text{Digit}), Anzeige 2,4921 V
a) Ges.: T, U : T, Eignung
T = \text{OTG} - \text{UTG} = 2{,}525\ \text{V} - 2{,}475\ \text{V} = \underline{\underline{0{,}0500\ \text{V}}}
\frac{U}{T} = \frac{0{,}0325\ \text{V}}{0{,}0500\ \text{V}} \approx \underline{\underline{65{,}0\ \%}}
Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: 0{,}0325 : 0{,}0500 = 65{,}0\ \%
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: 0{,}03245 : 0{,}0500 \approx 64{,}9\ \%
Das Multimeter ist \underline{\underline{\text{ungeeignet}}}. Weil 2 \cdot U = 0{,}065\ \text{V} größer als die Toleranzbreite ist, gibt es überhaupt keinen Messwert, bei dem die Übereinstimmung nachgewiesen wäre.
b) Ges.: U_\mathrm{max}
U_\mathrm{max} = \frac{T}{10} = \frac{0{,}0500\ \text{V}}{10} = \underline{\underline{5{,}00\ \text{mV}}}
c) Ges.: U_\mathrm{B}, Eignung
U_\mathrm{B} = 0{,}0005 \cdot 2{,}4921\ \text{V} + 3 \cdot 0{,}1\ \text{mV} \approx 1{,}25\ \text{mV} + 0{,}3\ \text{mV} = \underline{\underline{1{,}55\ \text{mV}}}
Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: 1{,}25\ \text{mV} + 0{,}3\ \text{mV} = 1{,}55\ \text{mV}
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: 1{,}246\ \text{mV} + 0{,}3\ \text{mV} \approx 1{,}55\ \text{mV}
\frac{U_\mathrm{B}}{T} = \frac{1{,}55\ \text{mV}}{50{,}0\ \text{mV}} = 3{,}10\ \% \leq 10\ \%
Das Tischmultimeter ist \underline{\underline{\text{geeignet}}} (1{,}55\ \text{mV} \leq 5{,}00\ \text{mV}).
d) Ges.: Bewertung von 2,4921 V
x - U = 2{,}4921\ \text{V} - 0{,}00155\ \text{V} \approx 2{,}4906\ \text{V} \qquad x + U \approx 2{,}4937\ \text{V}
Das Intervall liegt ganz innerhalb von 2,475 V … 2,525 V: \underline{\underline{\text{i. O.}}} Die Referenzspannung ist in Ordnung; das unsichere Ergebnis aus 3.1 lag am ungeeigneten Messgerät.
4 Inbetriebnahme, Abgleich und Kalibrierung
Grundlagen
Inbetriebnahme einer Baugruppe – vom spannungslosen Zustand zur Gesamtfunktion:
Sichtprüfung: Bestückung (Polung, Bauteilwerte), Lötstellen, Brücken, Fremdkörper.
Prüfung im spannungslosen Zustand: Durchgang, kein Kurzschluss zwischen den Versorgungsleitungen.
Versorgung über ein Labornetzteil mit Strombegrenzung einschalten, Stromaufnahme und Versorgungsspannungen prüfen.
Funktionsgruppen in Signalrichtung nacheinander in Betrieb nehmen; Signale mit Prüfadapter, Kalibrator oder Funktionsgenerator simulieren.
Abgleich, dann Gesamtfunktion prüfen, Werte im Inbetriebnahmeprotokoll festhalten.
Abgleich (Justage) mit Trimmern (Einstellwiderständen) gleicht Bauteiltoleranzen aus. Der Trimmer muss den Sollwert auch bei ungünstigen Toleranzen sicher erreichen, darf aber keinen zu großen Bereich überstreichen, sonst wird die Einstellung grob und empfindlich.
Bei einer linearen Kennlinie y = m \cdot x + b wird zuerst der Nullpunkt (Offset b) bei x = 0 eingestellt, dann die Spanne (Verstärkung m) bei einem Wert nahe dem Messbereichsende.
Zweipunkt-Kalibrierung in Software: Ein Mikrocontroller misst bei zwei bekannten Werten (z. B. 0 °C und 150 °C, mit einer Widerstandsdekade simuliert) die Rohwerte N_1 und N_2 des AD-Umsetzers und berechnet daraus Steigung und Nullpunkt. Die Kalibrierwerte werden nichtflüchtig gespeichert (EEPROM). Für einen Messwert gilt dann:
\vartheta = \vartheta_1 + \frac{\vartheta_2 - \vartheta_1}{N_2 - N_1} \cdot (N - N_1)
Aufgabe 4.1 (gebunden)
Eine neu bestückte Leiterplatte soll erstmals in Betrieb genommen werden. Welcher Schritt steht am Anfang?
Sofort die Nennspannung anlegen und die Ausgangssignale mit dem Oszilloskop prüfen
Sichtprüfung und Prüfung der Versorgungsleitungen auf Kurzschluss im spannungslosen Zustand
Alle Trimmer auf Rechtsanschlag drehen und anschließend einschalten
Das Programm in den Mikrocontroller laden und die Gesamtfunktion testen
Die Strombegrenzung des Labornetzteils auf den Höchstwert stellen
Richtige Antwort: 2
Geg.: neu bestückte Leiterplatte, erste Inbetriebnahme
Ges.: erster Schritt
Zuerst wird ohne Spannung geprüft: \underline{\underline{\text{Sichtprüfung und Kurzschlussprüfung der Versorgung}}}. So werden Bestückungsfehler gefunden, bevor beim Einschalten Bauteile zerstört werden: Antwort 2. Sofort die Nennspannung anzulegen (Antwort 1) riskiert bei einem Kurzschluss oder verpolten Bauteil Schäden. Trimmer auf Anschlag (Antwort 3) können Ausgangsstufen übersteuern; sie werden üblicherweise in Mittelstellung gebracht und erst nach dem Einschalten abgeglichen. Das Programm (Antwort 4) wird erst geladen, wenn die Versorgung geprüft ist. Die Strombegrenzung (Antwort 5) wird knapp über der erwarteten Stromaufnahme eingestellt, nicht auf den Höchstwert, damit sie im Fehlerfall schützt.
Aufgabe 4.2 (ungebunden, 10 Punkte)
An -MP1 soll eine Referenzspannung von 2,80 V eingestellt werden.
Berechne die kleinste und die größte Spannung, die sich an -MP1 einstellen lässt (Nennwerte). (4 Punkte)
Berechne den Widerstand zwischen dem Schleifer von -R2 und dem Anschluss zu -R3, bei dem 2,80 V erreicht werden. (3 Punkte)
-R1 und -R3 haben eine Toleranz von ±5 %, der Trimmer -R2 von ±20 %. Prüfe, ob 2,80 V in jedem Fall eingestellt werden können, und schlage eine Änderung vor. (3 Punkte)
Geg.: U = 5{,}00\ \text{V}; R_1 = 2{,}2\ \text{k}\Omega; R_2 = 1\ \text{k}\Omega (Trimmer); R_3 = 2{,}2\ \text{k}\Omega; Sollwert 2,80 V
a) Ges.: U_\mathrm{min}, U_\mathrm{max}
Der Strom durch die Reihenschaltung hängt nicht von der Schleiferstellung ab. Schleifer unten: nur R_3 liegt unter dem Abgriff; Schleifer oben: R_2 + R_3.
\begin{aligned} &\text{(I)} && U_\mathrm{min} = U \cdot \dfrac{R_3}{R_1 + R_2 + R_3} \\ &\text{(II)} && U_\mathrm{max} = U \cdot \dfrac{R_2 + R_3}{R_1 + R_2 + R_3} \end{aligned}
U_\mathrm{min} = 5{,}00\ \text{V} \cdot \frac{2{,}2\ \text{k}\Omega}{5{,}4\ \text{k}\Omega} \approx \underline{\underline{2{,}04\ \text{V}}} \qquad U_\mathrm{max} = 5{,}00\ \text{V} \cdot \frac{3{,}2\ \text{k}\Omega}{5{,}4\ \text{k}\Omega} \approx \underline{\underline{2{,}96\ \text{V}}}
b) Ges.: R_\mathrm{x} zwischen Schleifer und -R3
\begin{aligned} &\text{(I)} && R_\mathrm{ges} = R_1 + R_2 + R_3 = 5{,}4\ \text{k}\Omega \\ &\text{(II)} && U_\mathrm{MP1} = U \cdot \dfrac{R_3 + R_\mathrm{x}}{R_\mathrm{ges}} \end{aligned}
I in II und nach R_\mathrm{x} umstellen:
\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} U_\mathrm{MP1} & = & U \cdot \dfrac{R_3 + R_\mathrm{x}}{R_\mathrm{ges}} & \color{gray}{\cdot R_\mathrm{ges} : U} \\ \dfrac{U_\mathrm{MP1} \cdot R_\mathrm{ges}}{U} & = & R_3 + R_\mathrm{x} & \color{gray}{-R_3} \\ R_\mathrm{x} & = & \dfrac{2{,}80\ \text{V} \cdot 5{,}4\ \text{k}\Omega}{5{,}00\ \text{V}} - 2{,}2\ \text{k}\Omega = 3{,}024\ \text{k}\Omega - 2{,}2\ \text{k}\Omega \approx \underline{\underline{824\ \Omega}} & \end{array}
Der Schleifer steht bei etwa 82 % des Trimmerwegs von unten.
c) Ges.: U_\mathrm{max} im ungünstigsten Fall; Änderungsvorschlag
U_\mathrm{max} wird am kleinsten, wenn R_1 möglichst groß, R_2 und R_3 möglichst klein sind:
R_1 = 2{,}31\ \text{k}\Omega \qquad R_2 = 0{,}800\ \text{k}\Omega \qquad R_3 = 2{,}09\ \text{k}\Omega
U_\mathrm{max,min} = 5{,}00\ \text{V} \cdot \frac{0{,}800\ \text{k}\Omega + 2{,}09\ \text{k}\Omega}{2{,}31\ \text{k}\Omega + 0{,}800\ \text{k}\Omega + 2{,}09\ \text{k}\Omega} = 5{,}00\ \text{V} \cdot \frac{2{,}89\ \text{k}\Omega}{5{,}20\ \text{k}\Omega} \approx \underline{\underline{2{,}78\ \text{V}}}
Das ist weniger als 2,80 V: Der Sollwert ist \underline{\underline{\text{nicht in jedem Fall erreichbar}}}. Vorschlag: -R1 verkleinern, z. B. auf 2,0 kΩ (E24). Dann gilt im ungünstigsten Fall U_\mathrm{max,min} = 5{,}00\ \text{V} \cdot 2{,}89 : 4{,}99 \approx 2{,}90\ \text{V}; auch die Gegenprobe passt, denn die größte untere Grenze ist U_\mathrm{min,max} = 5{,}00\ \text{V} \cdot 2{,}31 : 5{,}01 \approx 2{,}31\ \text{V} < 2{,}80\ \text{V}. Im Nennbereich 2,12 … 3,08 V liegen 2,80 V jetzt mit Reserve bei etwa 71 % des Trimmerwegs (vorher 82 %). Möglich ist auch, -R3 zu vergrößern.
Aufgabe 4.3 (ungebunden, 10 Punkte)
Ein Temperaturmessgerät (0 … 150 °C) hat einen 12-Bit-AD-Umsetzer (0 … 4095). Bei der Kalibrierung wird der Pt1000 durch eine Widerstandsdekade ersetzt. Bei 0 °C liefert der AD-Umsetzer den Rohwert 205, bei 150 °C den Rohwert 3891.
Berechne die Steigung in K/Digit und gib die Gleichung für die Temperatur an. (3 Punkte)
Berechne die Temperatur beim Rohwert 2600. (2 Punkte)
Ohne Kalibrierung würde die Software 0 … 4095 linear auf 0 … 150 °C abbilden. Berechne die Anzeige beim Rohwert 2600 und die Abweichung gegenüber b). (3 Punkte)
Begründe, warum die Kalibrierwerte im EEPROM gespeichert werden und warum ein einziger Kalibrierpunkt nicht ausreicht. (2 Punkte)
Geg.: \vartheta_1 = 0\ \text{°C}, N_1 = 205; \vartheta_2 = 150\ \text{°C}, N_2 = 3891; 12 Bit (0 … 4095)
a) Ges.: Steigung m; Gleichung
m = \frac{\vartheta_2 - \vartheta_1}{N_2 - N_1} = \frac{150\ \text{K}}{3891 - 205} = \frac{150\ \text{K}}{3686} \approx \underline{\underline{0{,}0407\ \text{K/Digit}}}
\underline{\underline{\vartheta = \frac{150\ \text{K}}{3686\ \text{Digit}} \cdot (N - 205) \approx 0{,}0407\ \tfrac{\text{K}}{\text{Digit}} \cdot (N - 205)}} \quad (\text{in °C})
b) Ges.: \vartheta bei N = 2600
\vartheta = 0{,}0407\ \tfrac{\text{K}}{\text{Digit}} \cdot (2600 - 205) = 0{,}0407\ \text{K} \cdot 2395 \approx \underline{\underline{97{,}5\ \text{°C}}}
Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: 0{,}0407 \cdot 2395 \approx 97{,}5\ \text{°C}
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: 150 \cdot 2395 : 3686 \approx 97{,}5\ \text{°C}
c) Ges.: \vartheta_\mathrm{unkal}, Abweichung
\vartheta_\mathrm{unkal} = \frac{150\ \text{K}}{4095} \cdot 2600 \approx \underline{\underline{95{,}2\ \text{°C}}}
Abweichung = Anzeige ohne Kalibrierung − richtiger Wert:
\Delta\vartheta = \vartheta_\mathrm{unkal} - \vartheta = 95{,}24\ \text{°C} - 97{,}46\ \text{°C} \approx \underline{\underline{-2{,}23\ \text{K}}}
Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: 95{,}2\ \text{°C} - 97{,}5\ \text{°C} = -2{,}3\ \text{K}
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: 95{,}238\ \text{°C} - 97{,}463\ \text{°C} \approx -2{,}23\ \text{K}
Ohne Kalibrierung würde das Gerät um rund 2,2 K zu wenig anzeigen.
d) Ges.: Begründungen
Das EEPROM ist \underline{\underline{\text{nichtflüchtig}}}: Die Kalibrierwerte bleiben nach dem Abschalten erhalten, und das Programm kann für alle Geräte gleich sein, während jedes Gerät seine eigenen Werte speichert.
Eine lineare Kennlinie hat zwei Unbekannte, Nullpunkt und Steigung. Mit einem Punkt ließe sich nur eine davon (z. B. der Offset) korrigieren; \underline{\underline{\text{für beide sind zwei Punkte nötig}}}.
5 Systematische Fehlersuche
Grundlagen
Wer ohne Plan Bauteile tauscht, verliert Zeit und verursacht neue Fehler. Die systematische Fehlersuche läuft in vier Schritten ab:
Ist-Zustand ermitteln: Fehlerbild beschreiben, Kunden befragen, Anzeigen und Meldungen ablesen, Sichtprüfung (Geruch, Verfärbung).
Suchgebiet eingrenzen: Mit Stromlaufplan und Blockschaltbild überlegen, welche Funktionsgruppen den Fehler verursachen können und welche nicht.
Hypothese bilden: Eine überprüfbare Vermutung aufschreiben, also vermutete Ursache, erwarteten Messwert an einem Messpunkt und die Messung dazu.
Hypothese überprüfen: Gezielt messen und mit dem Sollwert vergleichen. Erst wenn die Vermutung bestätigt ist, wird das Bauteil getauscht; danach folgen Funktionsprüfung und Dokumentation. Wird die Vermutung widerlegt, grenzt Du das Suchgebiet weiter ein.
Methoden zum Eingrenzen:
Signalverfolgung: Das Signal wird vom Eingang zum Ausgang (oder umgekehrt) Stufe für Stufe gemessen und mit dem Sollwert verglichen.
Halbierungsmethode: In einer Kette aus n Stufen wird zuerst in der Mitte gemessen. Je nach Ergebnis wird die vordere oder die hintere Hälfte weiter halbiert. Nach höchstens \log_2 n Messungen ist die fehlerhafte Stufe gefunden (aufgerundet).
Potenzialmessung gegen einen festen Bezugspunkt (Masse, 0 V): Entlang eines Stromkreises zeigt der Sprung des Potenzials, wo die Unterbrechung liegt; eine Spannung über einem geschlossenen Schalter oder einer Leitung zeigt eine Unterbrechung oder einen Übergangswiderstand.
Typische Fehler: Unterbrechung (Leitung, Lötstelle, Bauteil hochohmig), Kurzschluss, falsches oder verpolt bestücktes Bauteil, fehlende Versorgung, Programmfehler. Fehler, die nur bei Wärme oder Erschütterung auftreten, deuten auf Wackelkontakte, kalte Lötstellen oder Haarrisse hin.
Aufgabe 5.1 (gebunden)
Nach einem Gewitter läuft die Umwälzpumpe einer Heizungsregelung nicht mehr an. Ein Kollege hat die Reparatur so in seinem Fehlerprotokoll festgehalten:
08:10 Uhr: Display zeigt „Pumpe Aus“, Betreiberin befragt (Ausfall seit dem Gewitter), keine Brand- oder Schmorspuren.
08:15 Uhr: Vermutung „Relaiskontakt durch Überspannung verschweißt oder verschmort“.
08:20 Uhr: Relais der Pumpenansteuerung gegen ein neues getauscht.
08:35 Uhr: Regelung eingeschaltet, Pumpe läuft weiterhin nicht.
Welche Aussage beschreibt den Fehler in seinem Vorgehen zutreffend?
Er hat zu früh mit der Betreiberin gesprochen; ihre Angaben sind subjektiv, das Fehlerbild hätte er nur aus Messwerten ableiten dürfen.
Er hat nach dem Tausch die Funktion geprüft; ein neues Relais ist werksgeprüft, der Probelauf war überflüssig.
Er hat das Suchgebiet nicht mit den Schaltungsunterlagen eingegrenzt und seine Vermutung vor dem Tausch nicht durch eine Messung geprüft.
Er hätte das Gerät vor dem Ablesen des Displays spannungsfrei schalten müssen; die Meldung „Pumpe Aus“ ist deshalb wertlos.
Sein Vorgehen war richtig; dass die Pumpe weiterhin steht, kann nur an einem neuen, beim Tausch entstandenen Fehler liegen.
Richtige Antwort: 3
Geg.: Fehlerprotokoll des Kollegen mit vier Einträgen
Ges.: Fehler im Vorgehen
Der erste Eintrag ist in Ordnung: Fehlerbild, Befragung und Sichtprüfung gehören zum Ist-Zustand. Danach fehlen zwei Schritte. Der Kollege hat nicht anhand von Blockschaltbild und Stromlaufplan überlegt, welche Funktionsgruppen infrage kommen; nach einem Gewitter sind das neben dem Relais z. B. auch die Netzteilsicherung, der Ausgangstreiber des Reglers, die Zuleitung und die Pumpe selbst. Außerdem hat er seine Vermutung nicht überprüft: Eine Spannungsmessung an den Pumpenklemmen bei angesteuertem Relais hätte gezeigt, ob der Fehler vor oder hinter dem Relais liegt. So hat er auf Verdacht getauscht: \underline{\underline{\text{Antwort 3}}}. Antwort 1 ist falsch, denn die Befragung gehört ausdrücklich zum Ist-Zustand. Antwort 2 ist falsch, denn die Funktionsprüfung nach dem Tausch ist der Abschluss jeder Reparatur, und hier hat sie den Fehler im Vorgehen erst sichtbar gemacht. Antwort 4 verwechselt die Sichtprüfung im spannungsfreien Zustand mit dem Ablesen von Meldungen, das nur im Betrieb möglich ist. Antwort 5 übersieht, dass die Ursache nie nachgewiesen wurde; dass das alte Relais defekt war, ist nicht belegt.
Aufgabe 5.2 (gebunden)
Ein Gerät fällt sporadisch aus, und zwar nur, wenn es sich nach längerer Betriebszeit erwärmt hat. Wie gehst Du sinnvoll vor?
Alle Elektrolytkondensatoren vorsorglich tauschen
Das Gerät nur noch in kühlen Räumen betreiben
Die Baugruppe abschnittsweise gezielt erwärmen oder mit Kältespray abkühlen und dabei das Signal beobachten
Die Firmware neu aufspielen
Die Betriebsspannung um 10 % erhöhen, damit der Fehler dauerhaft auftritt
Richtige Antwort: 3
Geg.: sporadischer Ausfall nur im warmen Zustand
Ges.: sinnvolles Vorgehen
Temperaturabhängige Fehler deuten auf kalte Lötstellen, Haarrisse oder ein grenzwertiges Bauteil hin. Mit \underline{\underline{\text{gezieltem Erwärmen oder Abkühlen einzelner Bereiche}}} (Heißluft, Kältespray) bei gleichzeitiger Signalbeobachtung lässt sich die Stelle eingrenzen: Antwort 3. Vorsorglicher Tausch aller Elkos (Antwort 1) ist teuer und trifft die Ursache nur zufällig. Kühle Räume (Antwort 2) umgehen den Fehler, beheben ihn aber nicht. Firmware (Antwort 4) ist nicht temperaturabhängig. Eine höhere Betriebsspannung (Antwort 5) kann Bauteile schädigen und ist keine Suchmethode.
Aufgabe 5.3 (ungebunden, 10 Punkte)
Eine Signalaufbereitung besteht aus acht Stufen A bis H. Der Sensor liefert an -MP0 50 mV (Gleichspannung). An -MP8 wird 0,01 V statt des Sollwerts gemessen.
Berechne die Sollwerte an -MP1 bis -MP8. (3 Punkte)
Gehe nach der Halbierungsmethode vor: Gib an, an welchen Messpunkten Du in welcher Reihenfolge misst, und bestimme die fehlerhafte Stufe. Würdest Du an allen Messpunkten messen, ergäben sich die Werte der Tabelle. (4 Punkte)
| Messpunkt | -MP1 | -MP2 | -MP3 | -MP4 | -MP5 | -MP6 | -MP7 | -MP8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Messwert in V | 0,50 | 0,50 | 2,01 | 2,01 | 3,02 | 0,02 | 0,01 | 0,01 |
Vergleiche die Zahl der Messungen mit einer Signalverfolgung ab -MP1. (1 Punkt)
Nenne zwei mögliche Ursachen und den nächsten Prüfschritt. (2 Punkte)
Geg.: U_\mathrm{MP0} = 50\ \text{mV}; A: V = 10; B: V = 1; C: V = 4; D: V = 1; E: +1{,}0\ \text{V}; F: V = 2; G: 1 : 2; H: V = 1; Messwerte nach Tabelle
a) Ges.: Sollwerte -MP1 … -MP8
| MP1 | MP2 | MP3 | MP4 | MP5 | MP6 | MP7 | MP8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0,500 V | 0,500 V | 2,00 V | 2,00 V | 3,00 V | 6,00 V | 3,00 V | 3,00 V |
Rechenweg: 50\ \text{mV} \cdot 10 = 0{,}500\ \text{V}; \cdot 1; \cdot 4 = 2{,}00\ \text{V}; \cdot 1; +1{,}0\ \text{V} = 3{,}00\ \text{V}; \cdot 2 = 6{,}00\ \text{V}; : 2 = 3{,}00\ \text{V}; \cdot 1.
b) Ges.: Messreihenfolge, fehlerhafte Stufe
Mitte der Kette (nach Stufe D): -MP4 = 2,01 V ≈ Soll 2,00 V → A … D in Ordnung, Fehler in E … H.
Mitte von E … H (nach Stufe F): -MP6 = 0,02 V statt 6,00 V → Fehler in E oder F.
Nach Stufe E: -MP5 = 3,02 V ≈ Soll 3,00 V → E in Ordnung.
Fehlerhaft ist \underline{\underline{\text{Stufe F (Treiber)}}}, gefunden mit \underline{\underline{\text{3 Messungen}}} (\log_2 8 = 3).
c) Ges.: Vergleich mit Signalverfolgung
Ab -MP1 wären -MP1 bis -MP6 nötig, also \underline{\underline{6\ \text{Messungen}}} statt 3. Je länger die Kette, desto größer ist der Vorteil der Halbierung.
d) Ges.: zwei Ursachen, nächster Prüfschritt
Stufe F defekt, z. B. \underline{\underline{\text{fehlende Versorgungsspannung}}} des Treiber-Operationsverstärkers oder ein defekter Operationsverstärker bzw. Widerstand.
\underline{\underline{\text{Kurzschluss am Ausgang von F}}}, z. B. Lötbrücke nach Masse oder defekter Eingang von G, der -MP6 auf 0 V zieht.
Nächster Schritt: Versorgungsspannungen von F messen; danach die Verbindung F → G auftrennen und -MP6 ohne Last messen. Ist der Wert dann richtig, liegt der Fehler in G.
Aufgabe 5.4 (ungebunden, 10 Punkte)
Ein Mikrocontroller schaltet über einen Transistor ein Relais. Der Transistor hat eine Stromverstärkung von mindestens B = 150, U_\mathrm{BE} = 0{,}7\ \text{V}, U_\mathrm{CE,sat} \approx 0{,}1\ \text{V}. Alle Spannungen werden gegen -MP0 (0 V) gemessen.
Berechne für den eingeschalteten Zustand den Spulenstrom, den Basisstrom und den Übersteuerungsfaktor und beurteile das Ergebnis. (4 Punkte)
Das Relais zieht nicht an, obwohl der Mikrocontroller einschalten soll. Bestimme für jeden Fall die wahrscheinliche Fehlerursache. (4 Punkte)
| Fall | -MP1 | -MP2 | -MP3 | -MP4 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 5,0 V | 0 V | 12,0 V | 12,0 V |
| 2 | 5,0 V | 0,72 V | 12,0 V | 12,0 V |
| 3 | 5,0 V | 0,72 V | 0,02 V | 12,0 V |
| 4 | 5,0 V | 0,72 V | 0,00 V | 0,00 V |
- Begründe, welche Folge eine verpolt eingebaute Freilaufdiode -R2 hat. (2 Punkte)
Geg.: U_\text{µC} = 5{,}0\ \text{V}; R_1 = 4{,}7\ \text{k}\Omega; U_\mathrm{BE} = 0{,}7\ \text{V}; B_\mathrm{min} = 150; U_\mathrm{CE,sat} \approx 0{,}1\ \text{V}; U_\mathrm{B} = 12\ \text{V}; R_\mathrm{Sp} = 400\ \Omega
a) Ges.: I_\mathrm{C}, I_\mathrm{B}, Übersteuerungsfaktor \text{ü}
\begin{aligned} &\text{(I)} && I_\mathrm{C} = \dfrac{U_\mathrm{B} - U_\mathrm{CE,sat}}{R_\mathrm{Sp}} \\ &\text{(II)} && I_\mathrm{B} = \dfrac{U_\text{µC} - U_\mathrm{BE}}{R_1} \\ &\text{(III)} && \text{ü} = \dfrac{I_\mathrm{B}}{I_\mathrm{C} : B_\mathrm{min}} \end{aligned}
I_\mathrm{C} = \frac{12\ \text{V} - 0{,}1\ \text{V}}{400\ \Omega} \approx \underline{\underline{29{,}8\ \text{mA}}} \qquad I_\mathrm{B} = \frac{5{,}0\ \text{V} - 0{,}7\ \text{V}}{4{,}7\ \text{k}\Omega} \approx \underline{\underline{0{,}915\ \text{mA}}}
I und II in III:
\text{ü} = \frac{0{,}915\ \text{mA}}{29{,}8\ \text{mA} : 150} \approx \frac{0{,}915\ \text{mA}}{0{,}199\ \text{mA}} \approx \underline{\underline{4{,}60}}
Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: 0{,}915 : 0{,}199 \approx 4{,}60
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: 0{,}9149 : 0{,}19833 \approx 4{,}61
Der Basisstrom ist rund 4,6-mal so groß wie nötig: Der Transistor ist \underline{\underline{\text{sicher übersteuert}}} und schaltet auch bei Exemplarstreuung voll durch (üblich ist ein Faktor 2 … 5).
b) Ges.: Fehlerursache je Fall
Fall 1: Am Ausgang liegen 5 V, an der Basis 0 V, der Transistor sperrt (-MP3 = 12 V, kein Spulenstrom). Über -R1 fallen 5 V ab: -R1 ist \underline{\underline{\text{unterbrochen}}} (oder Lötstelle an -R1 offen). Auch ein Kurzschluss der Basis-Emitter-Strecke ergäbe 0 V an -MP2; unterscheiden lässt sich das durch Messen des Basisstroms oder von -R1 im ausgebauten Zustand.
Fall 2: Basis-Emitter-Strecke leitet (0,72 V), es fließt Basisstrom, trotzdem liegt am Kollektor die volle Spannung, es fließt also kein Kollektorstrom: \underline{\underline{\text{Kollektor-Emitter-Strecke unterbrochen}}} (Transistor -Q1 defekt oder Kollektor-Lötstelle offen).
Fall 3: Transistor schaltet durch (-MP3 ≈ 0 V), über der Spule liegen 12 V, das Relais zieht aber nicht an: \underline{\underline{\text{Relaisspule unterbrochen}}} (-Q2 defekt oder Relais mechanisch blockiert). Dafür spricht auch U_\mathrm{CE} = 0{,}02\ \text{V}, deutlich unter U_\mathrm{CE,sat} \approx 0{,}1\ \text{V}: Durch den Transistor fließt praktisch kein Kollektorstrom. Wäre die Spule in Ordnung, würde das Relais bei 12 V anziehen.
Fall 4: -MP4 = 0 V: \underline{\underline{\text{12-V-Versorgung fehlt}}} (Sicherung, Netzteil, Leitung). Die Ansteuerung arbeitet, aber an der Spule liegt keine Spannung.
c) Ges.: Folge einer verpolten Freilaufdiode
Verpolt liegt -R2 in Durchlassrichtung parallel zur Spule. Schaltet -Q1 durch, fließt der Strom über die Diode an der Spule vorbei: \underline{\underline{\text{Das Relais zieht nicht an.}}} Der Strom wird nur noch durch den Transistor begrenzt, der Transistor arbeitet im aktiven Bereich:
I_\mathrm{C} \approx B \cdot I_\mathrm{B} = 150 \cdot 0{,}915\ \text{mA} \approx 137\ \text{mA} \qquad U_\mathrm{CE} \approx 12\ \text{V} - 0{,}7\ \text{V} = 11{,}3\ \text{V}
P_\mathrm{V} \approx U_\mathrm{CE} \cdot I_\mathrm{C} = 11{,}3\ \text{V} \cdot 0{,}137\ \text{A} \approx 1{,}55\ \text{W}
Diese Verlustleistung (bei größerem B noch mehr) kann -Q1 oder -R2 \underline{\underline{\text{zerstören}}}.
6 Instandhaltung und Zuverlässigkeit
Grundlagen
Die Instandhaltung (DIN 31051) soll den funktionsfähigen Zustand einer Anlage erhalten oder wiederherstellen. Sie besteht aus vier Grundmaßnahmen:
| Grundmaßnahme | Ziel | Beispiel |
|---|---|---|
| Wartung | Abnutzung verzögern (Sollzustand bewahren) | Filter reinigen, Lüfter säubern, Schmieren |
| Inspektion | Istzustand feststellen und beurteilen | Sichtkontrolle, Messen, Thermografie |
| Instandsetzung | Sollzustand wiederherstellen | defekte Baugruppe tauschen |
| Verbesserung | Zuverlässigkeit erhöhen, ohne die Funktion zu ändern | besseres Bauteil einsetzen |
Strategien: Bei der ausfallbedingten (störungsbedingten) Instandhaltung wird erst nach einem Ausfall repariert. Die vorbeugende Instandhaltung arbeitet nach festen Intervallen (Wartungsplan), die zustandsorientierte nach gemessenen Zustandswerten (z. B. Temperatur, Schwingung). Vorbeugend und zustandsorientiert lohnt sich bei Anlagen, deren Ausfall teuer oder gefährlich ist.
Mit der Thermografie (Wärmebildkamera) werden im Betrieb erwärmte Klemmstellen, überlastete Leitungen und Bauteile berührungslos erkannt.
Nach einer Instandsetzung werden Fehlerbild, Ursache, getauschte Teile, Prüfergebnisse und Arbeitszeit dokumentiert. Elektrische Geräte werden nach einer Reparatur vor der Rückgabe geprüft (siehe „Elektrische Sicherheit und Prüfung“).
Zuverlässigkeitskenngrößen (für die Zeit konstanter Ausfallrate):
MTBF (Mean Time Between Failures): mittlere Betriebszeit zwischen zwei Ausfällen; aus Felddaten: \text{MTBF} = \dfrac{\text{gesamte Betriebszeit aller Geräte}}{\text{Anzahl der Ausfälle}}
Ausfallrate \lambda = \dfrac{1}{\text{MTBF}}; bei Bauteilen, deren Ausfall jeweils das ganze Gerät ausfallen lässt, addieren sich die Ausfallraten: \lambda_\mathrm{ges} = \lambda_1 + \lambda_2 + \dots
MTTR (Mean Time To Repair): mittlere Reparaturdauer. Verfügbarkeit A = \dfrac{\text{MTBF}}{\text{MTBF} + \text{MTTR}}
Aufgabe 6.1 (gebunden)
Die Klemmstellen eines Schaltschranks werden im laufenden Betrieb mit einer Wärmebildkamera untersucht. Zu welcher Grundmaßnahme der Instandhaltung gehört diese Tätigkeit?
Wartung
Inspektion
Instandsetzung
Verbesserung
Ausfallbedingte Instandhaltung
Richtige Antwort: 2
Geg.: Thermografie der Klemmstellen im Betrieb
Ges.: Grundmaßnahme nach DIN 31051
Die Wärmebildkamera stellt den Istzustand fest; daraus wird beurteilt, ob gehandelt werden muss: \underline{\underline{\text{Inspektion}}}, Antwort 2. Wartung (Antwort 1) verzögert den Abbau des Abnutzungsvorrats (Reinigen, Nachziehen). Instandsetzung (Antwort 3) wäre das Erneuern einer überhitzten Klemme. Verbesserung (Antwort 4) erhöht die Zuverlässigkeit durch Änderungen. Ausfallbedingte Instandhaltung (Antwort 5) ist eine Strategie, die erst nach einem Ausfall reagiert; die Thermografie wird gerade vorbeugend eingesetzt.
Aufgabe 6.2 (ungebunden, 12 Punkte)
Ein Hersteller wertet die Felddaten eines Steuergeräts aus: 40 Geräte liefen ein Jahr im Dauerbetrieb (8760 h); dabei traten 6 Ausfälle auf. Eine Reparatur dauert im Mittel 4 h.
Berechne die MTBF aus den Felddaten. (2 Punkte)
Berechne die Ausfallrate. (1 Punkt)
Berechne die Verfügbarkeit eines Geräts. (2 Punkte)
Das Gerät besteht aus einem Netzteil (MTBF 100 000 h), einer Steuerplatine (250 000 h) und einem Lüfter (50 000 h). Fällt eine Komponente aus, fällt das Gerät aus. Berechne die MTBF des Geräts aus den Herstellerangaben. (3 Punkte)
Der Lüfter wird durch einen Typ mit 200 000 h ersetzt. Berechne die neue MTBF und benenne die Grundmaßnahme der Instandhaltung. (2 Punkte)
Benenne die drei Bereiche der Badewannenkurve und nenne zu Bereich I und Bereich III je eine geeignete Maßnahme. (2 Punkte)
Geg.: 40 Geräte; t = 8760\ \text{h}; 6 Ausfälle; MTTR = 4 h; Netzteil 100 000 h, Steuerplatine 250 000 h, Lüfter 50 000 h bzw. 200 000 h
a) Ges.: MTBF
\text{MTBF} = \frac{40 \cdot 8760\ \text{h}}{6} = \frac{350\,400\ \text{h}}{6} = \underline{\underline{58\,400\ \text{h}}}
b) Ges.: \lambda
\lambda = \frac{1}{\text{MTBF}} = \frac{1}{58\,400\ \text{h}} \approx \underline{\underline{1{,}71 \cdot 10^{-5}\ \tfrac{1}{\text{h}}}}
c) Ges.: Verfügbarkeit A
A = \frac{\text{MTBF}}{\text{MTBF} + \text{MTTR}} = \frac{58\,400\ \text{h}}{58\,404\ \text{h}} \approx \underline{\underline{0{,}99993 = 99{,}993\ \%}}
Die Angabe ist mit mehr als drei Stellen sinnvoll, weil sich die Verfügbarkeit nur in den hinteren Stellen von 100 % unterscheidet.
d) Ges.: \text{MTBF}_\mathrm{ges}
\begin{aligned} &\text{(I)} && \lambda_\mathrm{ges} = \lambda_1 + \lambda_2 + \lambda_3 \\ &\text{(II)} && \text{MTBF}_\mathrm{ges} = \dfrac{1}{\lambda_\mathrm{ges}} \end{aligned}
\lambda_\mathrm{ges} = \frac{1}{100\,000\ \text{h}} + \frac{1}{250\,000\ \text{h}} + \frac{1}{50\,000\ \text{h}} = (10 + 4 + 20) \cdot 10^{-6}\ \tfrac{1}{\text{h}} = 34{,}0 \cdot 10^{-6}\ \tfrac{1}{\text{h}}
I in II:
\text{MTBF}_\mathrm{ges} = \frac{1}{34{,}0 \cdot 10^{-6}\ \tfrac{1}{\text{h}}} \approx \underline{\underline{29\,400\ \text{h}}}
Der Lüfter verursacht allein 20 von 34 Teilen der Ausfallrate.
e) Ges.: neue \text{MTBF}_\mathrm{ges}; Grundmaßnahme
\lambda_\mathrm{ges} = (10 + 4 + 5) \cdot 10^{-6}\ \tfrac{1}{\text{h}} = 19{,}0 \cdot 10^{-6}\ \tfrac{1}{\text{h}} \qquad \text{MTBF}_\mathrm{ges} = \frac{1}{19{,}0 \cdot 10^{-6}\ \tfrac{1}{\text{h}}} \approx \underline{\underline{52\,600\ \text{h}}}
Die MTBF steigt auf fast das 1,8-Fache. Es handelt sich um eine \underline{\underline{\text{Verbesserung}}}: Die Zuverlässigkeit wird erhöht, die Funktion bleibt gleich.
f) Ges.: Bereiche, Maßnahmen
Bereich I: \underline{\underline{\text{Frühausfälle}}} (Fertigungsfehler, schwache Bauteile). Maßnahme: Voralterung (Burn-in) bzw. Dauerlauf vor der Auslieferung, sorgfältige Endprüfung.
Bereich II: \underline{\underline{\text{Zufallsausfälle}}} mit etwa konstanter Ausfallrate; nur hier gilt \lambda = 1 : \text{MTBF}.
Bereich III: \underline{\underline{\text{Verschleiß- und Alterungsausfälle}}} (Lüfter, Elkos, Relais). Maßnahme: vorbeugender Austausch nach Wartungsplan, bevor der Bereich erreicht wird.
7 Anwendung: Temperaturregelung eines Lötbads
Grundlagen
Bei der Inbetriebnahme einer Anlage wird ein Prüfplan abgearbeitet, der festlegt, in welcher Reihenfolge welche Werte geprüft werden. Die Ergebnisse werden im Inbetriebnahmeprotokoll festgehalten. Mit der Übergabe geht die Anlage in die Verantwortung des Kunden über.
Daten zu Anlage 1:
-B1: Pt1000, R_\vartheta = 1000\ \Omega \cdot (1 + 3{,}85 \cdot 10^{-3}\ \text{1/K} \cdot \vartheta)
-T1: Messumformer 0 … 300 °C → 0 … 10 V, Genauigkeit ±0,5 % der Spanne; Trimmer -R1 (Nullpunkt) und -R2 (Spanne)
-K1: SPS mit Analogeingang AI0 (0 … 10 V), Ausgang Q0.0 für das Heizschütz -Q1, Ausgang Q0.1 für die Störleuchte -P1
-G1: 24 V DC; Heizung -E1: 230 V AC
Multimeter A: Auflösung 0,01 V, \pm(0{,}5\ \%\ \text{v. M.} + 2\ \text{Digit}); Multimeter B: Auflösung 0,001 V, \pm(0{,}05\ \%\ \text{v. M.} + 3\ \text{Digit})
Aufgabe 7.1 (ungebunden, 12 Punkte)
- Bringe die folgenden Inbetriebnahmeschritte in eine sinnvolle Reihenfolge und begründe die Stellung des Schritts E. (4 Punkte)
A: -B1 durch eine Widerstandsdekade ersetzen und den Analogwert prüfen
B: Sichtprüfung der Verdrahtung nach Stromlaufplan
C: Steuerspannung 24 V einschalten und an L+/M der SPS messen
D: Ausgänge Q0.0 und Q0.1 im Testbetrieb einzeln ansteuern (-E1 noch spannungsfrei)
E: Heizstromkreis 230 V zuschalten und die Regelung im Automatikbetrieb prüfen
F: Steuerleitungen im spannungslosen Zustand auf Durchgang und Kurzschluss prüfen
Die Widerstandsdekade wird auf 1385 Ω eingestellt. Berechne die simulierte Temperatur, die Sollspannung an AI0 und die Grenzwerte, die sich aus der Genauigkeit von -T1 ergeben. (3 Punkte)
Mit Multimeter A werden an AI0 3,36 V gemessen. Bewerte den Messwert. (3 Punkte)
Mit Multimeter B werden 3,371 V gemessen. Bewerte den Messwert. (2 Punkte)
Geg.: Pt1000: R_0 = 1000\ \Omega, \alpha = 3{,}85 \cdot 10^{-3}\ \text{1/K}; Dekade R_\vartheta = 1385\ \Omega; Messwerte 3,36 V (A) und 3,371 V (B); -T1: 0 … 300 °C → 0 … 10 V, ±0,5 % der Spanne; Multimeter A: Auflösung 0,01 V, \pm(0{,}5\ \% + 2\ \text{Digit}); Multimeter B: Auflösung 0,001 V, \pm(0{,}05\ \% + 3\ \text{Digit})
a) Ges.: Reihenfolge; Begründung für E
\underline{\underline{\text{B} \rightarrow \text{F} \rightarrow \text{C} \rightarrow \text{A} \rightarrow \text{D} \rightarrow \text{E}}}
Zuerst wird spannungslos geprüft (B, F), dann die Steuerspannung zugeschaltet (C). A und D dürfen auch vertauscht werden, beide prüfen Teile der Steuerung bei abgeschalteter Heizung. Der Heizstromkreis (E) kommt \underline{\underline{\text{zuletzt}}}: Erst wenn Messwert und Ausgänge nachweislich richtig arbeiten, darf die 230-V-Heizung zugeschaltet werden. Sonst könnte ein Fehler (z. B. Drahtbruch, falscher Messwert, klebender Ausgang) das Lot überhitzen und Personen gefährden.
b) Ges.: \vartheta; U_\mathrm{soll}; Grenzwerte
\begin{aligned} &\text{(I)} && R_\vartheta = R_0 \cdot (1 + \alpha \cdot \vartheta) \\ &\text{(II)} && U_\mathrm{soll} = 10\ \text{V} \cdot \dfrac{\vartheta}{300\ \text{°C}} \end{aligned}
\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} R_\vartheta & = & R_0 \cdot (1 + \alpha \cdot \vartheta) & \color{gray}{:R_0} \\ \dfrac{R_\vartheta}{R_0} & = & 1 + \alpha \cdot \vartheta & \color{gray}{-1} \\ \dfrac{R_\vartheta}{R_0} - 1 & = & \alpha \cdot \vartheta & \color{gray}{:\alpha} \\ \vartheta & = & \dfrac{1385\ \Omega : 1000\ \Omega - 1}{3{,}85 \cdot 10^{-3}\ \tfrac{1}{\text{K}}} = \dfrac{0{,}385}{3{,}85 \cdot 10^{-3}\ \tfrac{1}{\text{K}}} = \underline{\underline{100\ \text{°C}}} & \end{array}
I in II:
U_\mathrm{soll} = 10\ \text{V} \cdot \frac{100\ \text{°C}}{300\ \text{°C}} \approx \underline{\underline{3{,}33\ \text{V}}} \quad (3{,}333\ \text{V})
\Delta U_\mathrm{zul} = \pm 0{,}005 \cdot 10\ \text{V} = \pm 0{,}05\ \text{V} \qquad \underline{\underline{\text{UTG} \approx 3{,}283\ \text{V}, \ \text{OTG} \approx 3{,}383\ \text{V}}}
c) Ges.: Bewertung von 3,36 V (Multimeter A)
U_\mathrm{A} = 0{,}005 \cdot 3{,}36\ \text{V} + 2 \cdot 0{,}01\ \text{V} \approx \underline{\underline{0{,}0368\ \text{V}}}
x - U \approx 3{,}323\ \text{V} \qquad x + U \approx 3{,}397\ \text{V}
Das Intervall überdeckt den oberen Grenzwert 3,383 V: \underline{\underline{\text{nicht sicher entscheidbar}}}. Multimeter A ist für diese Prüfung zu ungenau (U : T = 0{,}0368 : 0{,}100 \approx 37\ \%).
d) Ges.: Bewertung von 3,371 V (Multimeter B)
U_\mathrm{B} = 0{,}0005 \cdot 3{,}371\ \text{V} + 3 \cdot 0{,}001\ \text{V} \approx \underline{\underline{0{,}00469\ \text{V}}}
x - U \approx 3{,}366\ \text{V} \qquad x + U \approx 3{,}376\ \text{V} < 3{,}383\ \text{V}
Das Intervall liegt ganz innerhalb der Grenzwerte: \underline{\underline{\text{i. O.}}} Die Abweichung von etwa +38 mV (≈ +1,1 K) liegt innerhalb der Toleranz von ±50 mV; ein Nachgleich ist nicht erforderlich. Soll trotzdem nachgeglichen werden, zuerst den Nullpunkt mit -R1 bei 1000 Ω (0 °C → 0 V), dann die Spanne mit -R2 bei 2155 Ω (300 °C → 10 V).
Aufgabe 7.2 (ungebunden, 12 Punkte)
Beim Schritt D leuchtet die Status-LED von Q0.0, das Heizschütz -Q1 zieht aber nicht an. Gegen M (0 V) werden gemessen: -X1:3 24,1 V; -Q1:A1 24,1 V; -Q1:A2 24,1 V; -X1:4 0,0 V.
Bestimme den Fehlerort und begründe Deine Antwort. (4 Punkte)
Begründe, warum eine einzelne Messung zwischen A1 und A2 hier nicht ausreicht, um den Fehler zu finden. (2 Punkte)
Nenne sechs Angaben, die ins Inbetriebnahmeprotokoll gehören. (3 Punkte)
Nenne vier Unterlagen, die der Kunde bei der Übergabe erhält, und eine weitere Tätigkeit bei der Übergabe. (3 Punkte)
Geg.: Q0.0 aktiv; gegen M: -X1:3 24,1 V; A1 24,1 V; A2 24,1 V; -X1:4 0,0 V
a) Ges.: Fehlerort mit Begründung
Das Potenzial von 24,1 V reicht über die Spule hinweg bis A2; zwischen A1 und A2 liegt also keine Spannung, es fließt kein Strom. Erst an -X1:4 ist das Potenzial 0 V. Die Spule selbst leitet (sonst läge A2 nicht auf 24,1 V, ein hochohmiges Messgerät „sieht“ das Potenzial über die Spule hindurch). Der Sprung liegt zwischen A2 und -X1:4: \underline{\underline{\text{Unterbrechung der Leitung zwischen A2 und X1:4}}}, z. B. Ader nicht angeklemmt, Klemme lose oder Ader gebrochen.
b) Ges.: Begründung
Zwischen A1 und A2 würde man 0 V messen. Das gleiche Ergebnis ergäbe sich, wenn der Ausgang nicht schaltet oder die Zuleitung zu A1 unterbrochen ist. Die Messung zeigt nur, \underline{\underline{\text{dass}}} keine Spannung an der Spule liegt, nicht \underline{\underline{\text{wo}}} der Stromkreis unterbrochen ist. Erst die Potenzialmessung gegen den festen Bezugspunkt M grenzt den Fehlerort ein.
c) Ges.: sechs Angaben im Inbetriebnahmeprotokoll
Anlage, Auftrag bzw. Kunde, Standort
Datum, Name und Unterschrift der prüfenden Person
Prüfschritte nach Prüfplan mit Sollwert und Toleranz
Messwerte und Bewertung (i. O./n. i. O.)
verwendete Messgeräte mit Kalibrierstatus (Prüfmittelnummer)
Einstellwerte (z. B. Abgleich -T1), festgestellte Mängel und ihre Beseitigung (hier: Ader A2 nachgeklemmt)
d) Ges.: vier Unterlagen; weitere Tätigkeit
Unterlagen: \underline{\underline{\text{Inbetriebnahme- und Prüfprotokolle}}}, aktualisierte Stromlaufpläne (Revisionsstand), Bedienungs- und Wartungsanleitung mit Wartungsplan, SPS-Programm als Sicherungskopie mit Dokumentation, Datenblätter, Konformitätserklärung.
Weitere Tätigkeit: \underline{\underline{\text{Einweisung des Bedienpersonals}}} und Übergabeprotokoll von Kunde und Errichter unterschreiben lassen.
Leitfragen
- Welche Teilaufgaben hat das Qualitätsmanagement, und wie läuft der PDCA-Zyklus ab?
Das Qualitätsmanagement umfasst Qualitätsplanung (Anforderungen und Prüfungen festlegen), Qualitätslenkung (Prozesse überwachen und steuern), Qualitätssicherung (Nachweise, Dokumentation, Audits) und Qualitätsverbesserung. Der PDCA-Zyklus läuft in vier Stufen: Plan (Ursache analysieren, Maßnahme planen), Do (Maßnahme erproben), Check (Ergebnis mit dem Ziel vergleichen), Act (als Standard festschreiben oder neu beginnen). Siehe Abschnitt „1 Qualitätsmanagement“ und Aufgabe 1.3.
- Warum lohnt es sich, Fehler früh zu finden (Zehnerregel)?
Nach der Zehnerregel steigen die Kosten, einen Fehler zu beseitigen, von Phase zu Phase etwa um den Faktor 10. Im Beispiel kosten 40 fehlerhafte Platinen in der Fertigung 80 €, in der Endprüfung 800 € und beim Kunden 8000 € – frühes Finden spart also viel Geld und Imageschaden. Siehe Abschnitt „1 Qualitätsmanagement“ und Aufgabe 1.3.
- Was ist der Unterschied zwischen Kalibrieren, Justieren und Eichen, und was passiert mit einem Prüfmittel außerhalb der Fehlergrenzen?
Beim Kalibrieren wird die Abweichung festgestellt und dokumentiert, ohne Eingriff ins Gerät; beim Justieren wird das Gerät so eingestellt, dass die Abweichung möglichst klein wird; Eichen ist die gesetzlich vorgeschriebene Prüfung durch eine Eichbehörde. Ein Prüfmittel außerhalb der Fehlergrenzen wird gesperrt, justiert und neu kalibriert, und Du prüfst, welche Messungen seit der letzten Kalibrierung betroffen sein können. Siehe Abschnitt „2 Prüfen und Prüfmittelüberwachung“ und Aufgabe 2.1.
- Wann ist ein Messwert mit Messunsicherheit sicher innerhalb der Toleranz, und wann ist ein Messgerät für eine Prüfung geeignet?
Die Übereinstimmung ist nur nachgewiesen, wenn das ganze Intervall x - U \ldots x + U innerhalb der Grenzwerte liegt; überdeckt es einen Grenzwert, ist keine sichere Entscheidung möglich. Geeignet ist ein Messgerät nach der Faustregel, wenn seine Messunsicherheit höchstens ein Zehntel der Toleranzbreite beträgt (U \leq T/10). Siehe Abschnitt „3 Messprotokoll, Toleranz und Messunsicherheit“ und Aufgabe 3.2.
- In welcher Reihenfolge wird eine Baugruppe in Betrieb genommen, und wie wird abgeglichen?
Zuerst Sichtprüfung und Prüfung im spannungslosen Zustand auf Durchgang und Kurzschluss, dann Versorgung über ein Labornetzteil mit Strombegrenzung, danach die Funktionsgruppen in Signalrichtung, zuletzt Abgleich und Gesamtfunktion. Beim Abgleich einer linearen Kennlinie stellst Du zuerst den Nullpunkt, dann die Spanne nahe dem Messbereichsende ein; per Software geht das als Zweipunkt-Kalibrierung. Siehe Abschnitt „4 Inbetriebnahme, Abgleich und Kalibrierung“ und Aufgabe 4.3.
- Wie läuft eine systematische Fehlersuche ab, und wie hilft die Halbierungsmethode?
Zuerst ermittelst Du den Ist-Zustand (Fehlerbild, Befragung, Sichtprüfung), dann grenzt Du mit Blockschaltbild und Stromlaufplan das Suchgebiet ein, bildest eine überprüfbare Vermutung mit erwartetem Messwert und prüfst sie durch eine gezielte Messung; erst danach wird getauscht. Bei der Halbierungsmethode misst Du in einer Kette aus n Stufen zuerst in der Mitte und halbierst dann den fehlerhaften Teil weiter; so findest Du die Stufe nach höchstens \log_2 n Messungen, bei acht Stufen also nach 3 statt 6 Messungen. Siehe Abschnitt „5 Systematische Fehlersuche“ und Aufgabe 5.3.
- Welche Grundmaßnahmen der Instandhaltung gibt es, und was sagen MTBF und Verfügbarkeit aus?
Nach DIN 31051 gibt es Wartung, Inspektion, Instandsetzung und Verbesserung. Die MTBF ist die mittlere Betriebszeit zwischen zwei Ausfällen (gesamte Betriebszeit geteilt durch Zahl der Ausfälle), die Verfügbarkeit A = \text{MTBF} / (\text{MTBF} + \text{MTTR}) gibt den Anteil der Zeit an, in der das Gerät betriebsbereit ist. Siehe Abschnitt „6 Instandhaltung und Zuverlässigkeit“ und Aufgabe 6.2.
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