Geheimnisse der Messgenauigkeit

Im folgenden Beitrag werden wir wichtige Einflüsse zum Erreichen einer hohen Messgenauigkeit näher betrachten.

Die gewählte Versuchsanordnung lässt dabei interessante Rückschlüsse zu, weil mit mehreren Laserentfernungsmessern Ziele aus unterschiedlichen Materialien in jeweils gleicher Entfernung anvisiert wurden. Damit kann die Versuchsreihe wertvolle Hinweise zur Genauigkeit der verwendeten Laserentfernungsmesser liefern. Ausserdem kann so der Einfluss des Ziels hinsichtlich des Materials und der Oberfläche auf die Messgenauigkeit untersucht werden.

Im Versuch eingesetzte Laserentfernungsmesser

Eingesetzt wurde ein Laserentfernungsmesser (Gerät 1), der von einem No-Name-Hersteller stammt und den es vermutlich baugleich auch von anderen Herstellern Vertriebsfirmen gibt.

Daneben wurden zwei weitere Distanzmesser (Geräte 2 und 3) eingesetzt: Je ein Entfernungsmesser von Bosch und Leica, die beide die ISO 16331-1 Norm erfüllen. Damit sollten diese Geräte besonders hohe Anforderungen an die Genauigkeit erreichen.

Die genauen Typen der Entfernungsmesser spielen hier keine zentrale Rolle, weil die Messungen bei einfachen Bedingungen und einer geringen Distanz erfolgen, so dass zwischen den beiden Markengeräten kein relevanter Unterschied auftreten sollte. Weil die Genauigkeit zwischen einzelnen Geräten einer Serie in einem gewissen Bereich streuen kann, werden die einzelnen Typen hier nicht genau genannt. Die Ergebnisse könnten eventuell nicht zu 100 Prozent auf die Geräte des gleichen Typs übertragen werden. Aufgrund der ISO 16331-1 Zertifizierung der beiden Markengeräte wird die Streuung der Messgenauigkeit innerhalb dieser Serien wohl geringer ausfallen, als beim günstigeren Gerät.

Material der Zielfläche

Aufgrund physikalischer Effekte kann nicht ausgeschlossen werden, dass es beim Messen auf verschiedenen Oberflächen zu Fehlmessungen kommt. Dazu zählen:

• transparente Oberflächen (z. B. Glas, Wasser), spiegelnde Oberflächen (z. B. poliertes Metall, Glas),
• poröse Oberflächen (z. B. Dämmmaterialien)
• strukturierte Oberflächen (z. B. Rauputz, Naturstein)

Im Versuch wurden die folgenden Materialen als Zielfläche eingesetzt:

• Styropor glatt grosse Blasen; die Messfläche ist glatt und nicht geschnitten, die grossen Blasen sind daher nicht offen.
• Holz gehobelt, glatte Oberfläche
• Kunststoff weiss glatt
• Sandpapier Körnung 50
• Terrakotta Fliese
• Styropor glatt mittlere Blasen; die Messfläche ist glatt und nicht geschnitten, die grossen Blasen sind daher nicht offen.

Versuchsablauf

Mit jedem Laserentfernungsmesser und zu jedem Material der Oberfläche wurden fünf Messungen vorgenommen, um die Streuung abhängig von Gerät und Material zu ermitteln. Dabei wurde jeweils ein minimal abweichendes Ziel anvisiert, um zum Beispiel bei Styropor nicht bei jeder Messung die gleiche Blase im Material anzuzielen.

Gerät 1 – nicht zertifiziert

Es fällt bei Gerät 1 auf, dass der Einfluss des Materials der Zielfläche eine wichtige Rolle spielt.

Unterschiede der Mittelwerte abhängig vom Material
Die Mittelwerte je nach Material unterscheiden sich stark. Zwischen den Mittelwerten von Sandpapier und Styropor mit grossen Blasen liegen 5.4 mm.

Wenn hier davon ausgegangen wird, dass in der Praxis nicht 5 Messungen gemacht werden und dann gemittelt wird, so könnte die Differenz in einem ungünstigen Fall zwischen dem Minimum für Sandpapier und dem Maximum für Styropor liegen und dann ganze 12 mm betragen. Bei einer gemessenen Distanz von unter 3 m ist das ein recht grosser Anteil.

Unterschiede zwischen den einzelnen Messungen – Standardabweichung
Die Standardabweichung für Styropor mit grossen Blasen ist mehr als doppelt so gross als bei den anderen Geräten im Versuch. Die Differenz zwischen Minimum und Maximum liegt bei 7 mm.

Gerät 2 – zertifiziert nach ISO 16331-1

Gerät 2 wurde mit der gleichen Einstellung zur Genauigkeit betrieben wie Gerät 1, das heisst es wurden 3 Nachkommastellen bezogen auf die Einheit Meter ausgegeben. Mit anderen Worten zeigte das Display die Entfernung mit Millimetergenauigkeit an.

Unterschiede der Mittelwerte abhängig vom Material
Die Unterschiede zwischen den einzelnen Materialien sind äusserst gering. Beim Styropor mit grossen Blasen ist der Mittelwert aus den 5 Messungen gleich wie bei den anderen Materialien. Beim Styropor mit mittleren Blasen liegt der Mittelwert 1 mm über dem Mittelwert für Kunststoff weiss. Die Mittelwerte aller anderen Materialien liegen innerhalb dieses Intervalls von 1 mm.
Das ist eine enorme Genauigkeit!

Unterschiede zwischen den einzelnen Messungen – Standardabweichung
Die Standardabweichung gibt Hinweise zu den Unterschieden in den 5 Messungen. Hier zeigt sich, dass bei Styropor (vor allem bei dem mit den grossen Blasen) eine Streuung zwischen einzelnen Messungen besteht. Zwischen Minimum und Maximum liegen 3 mm Differenz.

Mehr als erwähnenswert ist die Tatsache, dass bei Holz, Sandpapier und der Terrakotta-Fliese jeweils alle 5 Messungen den exakt gleichen Wert geliefert haben. Daher ist die Standardabweichung in diesen Fällen Null!

Gerät 3 – zertifiziert nach ISO 16331-1

Der als Gerät 3 bezeichnete Laserentfernungsmesser wurde mit höherer Genauigkeit bei der Ausgabe der Distanzen betrieben. Bezogen auf die Einheit Meter wurden 4 Nachkommastellen ausgegeben. Dies entspricht einer Ausgabe von 1/10-Millimetern.

Unterschiede der Mittelwerte abhängig vom Material
Die Differenz zwischen den Mittelwerten der einzelnen Materialien ist bei Gerät 3 grösser als bei Gerät 2. Der grösste Unterschied liegt zwischen Kunststoff weiss glatt und Styropor glatt grosse Blasen; er beträgt 2.5 mm.

Unterschiede zwischen den einzelnen Messungen – Standardabweichung
Die Standardabweichungen sind bei Gerät 3 noch geringer als bei Gerät 2. Aufgrund der zusätzlichen Nachkommastelle tritt bei Gerät 3 die glatte Null nicht auf. Hier wurde ja auf 1/10 mm gemessen, während bei Gerät 2 auf 1 mm gemessen wurde.

Die grössten Differenzen zwischen Minimum und Maximum treten bei Styropor auf und beträgt maximal 1.8 mm.

Erkenntnisse aus den Versuchen

Fazit zu den Laserentfernungsmessern im Test

Es zeigt sich klar und eindeutig, dass Distanzmesser, die gemäss ISO 16331-1 zertifiziert sind und von Markenhersteller stammen, eine höhere Genauigkeit erreichen.

Die höhere Genauigkeit zeigt sich in zwei verschiedenen Punkten:

• Wenn eine Messung mehrfach wiederholt wird, erreichen die zertifizierten Geräte immer wieder den (fast) gleichen Wert, das heisst die Streuung zwischen den einzelnen Messungen ist bei solchen Laserentfernungsmessern deutlich kleiner.
• Die Abhängigkeit der Messergebnisse von der Oberfläche des anvisierten Ziels ist geringer. Damit wird der Fehler, der zum Beispiel beim Messen auf Styropor auftritt, bei zertifizierten Geräten kleiner.

Was wir mit dem Test nicht untersucht haben, ist der Einfluss der Messbedingungen aus der Umwelt, also Parameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Staub in der Luft oder ähnliches. Für die ISO-Zertifizierung werden solch schwankende Einflüsse auch berücksichtigt. Deshalb muss davon ausgegangen werden, dass die zertifizierten Distanzmesser auch bei schwankenden Parametern genauere Resultate liefern.

Welche Laserentfernungsmesser sind ISO 16331-1 zertifiziert?

• Alle aktuellen, blauen Bosch „GLM“ Geräte (ausser GLM 250 VF)
• Alle Leica DISTO Geräte

Fazit zu den Materialien der Zielflächen

Die Oberfläche des anvisierten Ziels wirkt sich auf die Messung aus, weil der Laserstrahl genau betrachtet nicht punktförmig auftrifft, sondern einen Durchmesser hat, der mit zunehmendem Abstand vom Entfernungsmesser zunimmt. Damit beeinflussen die Oberflächenbeschaffenheit (Diffusion) und -farbe (Absorption) das Messergebnis. Dunklere Flächen absorbieren das eingestrahlte Licht, während helle Oberflächen einen grösseren Anteil des Lichts reflektieren. Besonders hohe (bis 99%) Reflektionswerte haben glatte Oberflächen. Wenn die Oberfläche nicht senkrecht vom Strahl getroffen wird, wird das Signal einfach «wegreflektiert». Für Entfernungsmessungen reicht im Allgemeinen eine Signalstärke von 1% aus.

Konkrete Vorsicht ist gemäss dem Versuch bei Styropor geboten. Hier kann man sich mit einem Trick weiterhelfen: Verwende auf diesen Oberflächen eine Laser-Zieltafel oder klebe Post-It Zettel auf das Ziel.

Ergebnisse zu weiteren Materialien inklusiv der reflektierten Signalstärke finden sich im Buch Laserentfernungsmesser – Optimal einsetzen und genau messen.