Warum schwanken die Messwerte bei mehrmaliger Anwendung hintereinander?

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Dass Messwerte bei wiederholten Messungen schwanken, ist völlig normal und ein Grundgesetz der Physik und Technik. In der Messtechnik unterscheidet man dabei hauptsächlich zwischen zufälligen Fehlern und systematischen Veränderungen.

Hier sind die wichtigsten Gründe, warum Messwerte variieren:

1. Zufällige Messabweichungen (Rauschen)

Dies sind kleine, unvorhersehbare Schwankungen, die sich nicht ganz vermeiden lassen.

  • Elektronisches Rauschen: In digitalen Geräten verursachen kleinste Spannungsänderungen in den Schaltkreisen ein „Rauschen“, das die letzte Stelle der Anzeige springen lässt.
  • Mechanisches Spiel: Bei mechanischen Geräten (z. B. einer Schieblehre) gibt es minimalen Spielraum in den Gelenken oder Führungen.
  • Quantisierung: Digitale Geräte müssen einen analogen Wert in Stufen unterteilen. Ein Wert, der genau zwischen zwei Stufen liegt, springt mal zur einen, mal zur anderen Seite.

2. Umgebungsfaktoren

Die Umwelt beeinflusst sowohl das Messgerät als auch das Messobjekt:

  • Temperatur: Fast alle Materialien dehnen sich bei Wärme aus oder ziehen sich bei Kälte zusammen. Schon die Körperwärme der Hand am Messgerät kann den Wert verändern.
  • Luftfeuchtigkeit und Luftdruck: Diese können elektronische Sensoren oder das Gewicht von Objekten (durch Auftrieb) beeinflussen.
  • Erschütterungen: Mikrovibrationen im Boden (durch Verkehr, Maschinen oder Schritte) können besonders feine Waagen beeinflussen.

3. Der Faktor Mensch (Anwenderfehler)

Wenn ein Mensch die Messung durchführt, entstehen unbewusste Abweichungen:

  • Parallaxe: Man schaut jedes Mal aus einem minimal anderen Winkel auf eine Skala.
  • Unterschiedlicher Anpressdruck: Bei einer manuellen Messung (z. B. Blutdruckmanschette oder Mikrometerschraube) drückt man mal fester und mal lockerer auf.
  • Positionierung: Es ist fast unmöglich, ein Messgerät zweimal exakt an derselben Stelle mit derselben Ausrichtung anzusetzen.

4. Veränderungen am Messobjekt selbst

Manchmal verändert sich das, was man misst, durch die Messung selbst:

  • Erwärmung: Ein Sensor schickt Strom durch ein Bauteil, wodurch es sich leicht erwärmt und seinen Widerstand ändert.
  • Verformung: Ein harter Taster drückt in eine weiche Oberfläche ein.
  • Biologische Schwankungen: Wenn man den Puls oder Blutdruck misst, schwanken diese Werte von Sekunde zu Sekunde, weil der Körper ständig auf Reize (Atmen, Bewegen, Gedanken) reagiert.

5. Drift (Systematische Veränderung)

Wenn die Werte nicht wild hin- und herspringen, sondern langsam in eine Richtung wandern, spricht man von Drift.

  • Aufwärmphase: Viele Geräte benötigen Zeit, um eine stabile Betriebstemperatur zu erreichen.
  • Entladung: Bei batteriebetriebenen Geräten kann sinkende Spannung die Sensorik beeinflussen.

Wie gehen Profis damit um?

Da man die „perfekte“ Messung nicht erreichen kann, nutzt man in der Wissenschaft und Technik folgende Methoden:

  1. Wiederholspannung: Man misst z. B. 5- oder 10-mal.
  2. Mittelwertbildung: Man addiert alle Werte und teilt sie durch die Anzahl der Messungen. Der Durchschnitt ist meist näher am wahren Wert als eine Einzelmessung.
  3. Standardabweichung: Man berechnet, wie stark die Werte streuen, um die Messunsicherheit anzugeben (z. B. „10,0 mm ± 0,1 mm“).

Kurz gesagt: Die Schwankung ist kein Zeichen für ein „kaputtes“ Gerät, sondern zeigt lediglich die Grenzen der Präzision auf, die unter den gegebenen Bedingungen möglich ist.

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