Elektrische Messung mechanischer Größen

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1 Elektrische Messung mechanischer Größen Von Dr.-Ing. Paul M. PHier Nürnberg Vierte neubearbeitete Auflage Mit 349 Abbildungen Springer-Verlag Berlin/Göttingen/Heidelberg 1956

2 ISBN ISBN (ebook) DOI / Alle Rechte, iiisbesondere das der übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) zu vervielfältigen Copyright 1940, 1943 and 1948 by Springer-Verlag OHG., by Springer-Verlag OHG., Berlin/Göttingen/Heidelberg 1956 Softcover reprint ofthe hardcover 4th edition 1956

3 Vorwort zur vierten Auflage Die vierte Auflage wurde völlig neu bearbeitet, dabei wurde versucht, das Grundsätzliche stärker als bisher zu betonen und Spezielles und damit Zeitbedingtes durch allgemein Gültiges zu ersetzen, um einem raschen Veralten vorzubeugen. Die Abschnitte über Dehnungsmeßstreifen und Strahlungsmeßtechnik wurden stark erweitert, weil diese Verfahren größere Bedeutung annahmen, dafür wurd~ weniger Wichtiges gekürzt. Die im Vorwort zur dritten Auflage ausgesprochene Befürchtung, es sei uns während der Zeit unserer Isolierung möglicherweise vieles über die Entwicklung in den angelsächsis_chen Ländern entgangen, erwies sich als unbegründet. In den Literaturhinweisen wurden ältere Arbeiten, soweit sie nicht grundlegender Natur sind, gestrichen und dafür Neuveröffentlichungen aufgenommen. Zahlreiche Firmen haben mir in liebenswürdigster Weise technische Unterlagen und neue Abbildungen zur Verfügung gestellt, und ich spreche ihnen hiermit meinen ergebensten Dank für ihre freundliche Hilfe aus; es sind dies die Firmen: AEG, Berlin und Heiligenhaus ; American Time Products incorp., New York; Askania Werke Berlin; Baldwin, Lima, Hamilton Corp. Philadelphia; Erlch Brosa, Meßgeräte, Freiburg (Breisgau) ; Brush Electronics Company, Cleveland 14, Ohio; Cerberus, GmbH., Bad Ragaz, (Elektronentechnik) ; Deutsche Glimmlampen Gesellschaft, Vakuumtechnik GmbH., Erlangen; Drello, Bau elektro Spezialgeräte, Lübeck Sch,1utup; Elektro Spezial GmbH., Hamburg; (Philips, Eindhoven); Favag, Fabrique d'appareils electriques S. A., Neuchätel; Frieseke & Höpfner GmbH., Erlangen-Bruck; Institut Dr. Förster, Reutlingen; Funke und Huster, Elektrizitäts GmbH., Kettwig (Ruhr); Hagenuk, vormals Neufeldt und Kuhnke GmbH., Kiel; Hahn und Kolb, Werkzeugmaschinen, Stuttgart; Hartmann & Braun, Frankfurt (Main); Gebr. Hofmann K.G., Darmstadt; Kemmler & Co., Universelle Elektronik, Stuttgart-Cannstatt; Gustav Klein, Elektro-Geräte, Schongau (Lech); Paul E. Klein, Stuttgart-Fellbach; Ernst Leitz Gm~H., Wetzlar;

4 IV Aus dem Vorwort zur ersten Auflage Metrohm A.G., Elektronische Meßgeräte, Herisau (Schweiz); Omnia, K.G. Kraus, Weiß & Co, München (Vertreter von Baldwin-Lima-Hamilton Corp. Philadelphia); Philips, Eindhoven; G. Rau, DoubJefabrik, Pforzheim; Refac, Resources 'and facilities Corp., New Y ork; Reishauer Werkzeuge A.G., Zürich; Reno S. A., La Chaux de Fonds; Rohde & Schwarz, München; Dr. H. Rumpff, Bonn; Siemens & Halske-AG., Karlsruhe und München; Siemens Schuckertwerke-AG., Erlangen; Southern-Instruments-Ltd., Fernhill, England; (W. Brückel, Überlingen, Bodensee); Sperry products, Hoboken; Stabilovolt GmbH., Berlin; Dr. Staiger und Mohilo, Stuttgart-Cannstatt; Süddeutsche Appa,ratefabrik GmbH., Nürnberg; Dr. Steeg und Reuter, München 2; Steinlein, Regler und Verstärker, Düsseldorf. Nürnberg, im Juli 1956 P. M. PrIier Aus dem Vorwort zur ersten Auflage Die elektrischen Meßgeräte und Meßverfahren dienen nur in beschränktem Umfang der Messung elektrischer Größen als Selbstzweck, weitaus häufiger ist die elektrische Größe nur ein Maßstab für andere, niclitelektrische Werte. Die ungeheure Ausdehnung dieses Gebietes und die großen Vorzüge elektrischer Messung haben mich ermutigt, in einer besonderen Arbeit die Möglichkeiten der Umwandlung mechanischer Größen in elektrische und der mechanischen Beeinflussung elektrischer Stromkreise erschöpfend zu behandeln. Dabei habe ich mich bewußt auf die mechanischen Grundgrößen Weg, Kraft und Zeit sowie ihre Düferentialquotienten Geschwindigkeit und Beschleunigung beschränkt und die Sondergebiete der akustischen, hydraulischen, pneumatischen und wärmetechnischen Messungen, der Meteorologie, Ballistik, See- und Luftfahrt außer Betracht gelassen, da die Meßgrößen dieser Sondergebiete auf die fünf mechanischen Grundgrößen zurückgeführt werden können und die Anpassung der Meßwertgeber an besondere Anforderungen im allgemeinen wenig Schwierigkeiten macht. Berlin, im Januar 1940 P. M. Pllier

5 Inhaltsverzeichnis A. Grundlagen der elektrischen Messung.... I. Vorzüge elektrischer Meßverfahren.. Seite 1 1 H. Die Eigenschaften der elektrischen Meßgeräte 3 1. Allgemeines Grundbegriffe der Meßtechnik VDE Vorschriften a) Geltungsbereich S. 3; - b) Sicherheitsbestimmungen S. 4; - c) Genauigkeitsanforderungen S.4; - d) Einflüsse S Symbole und Schaltzeichen Meßfehler Empfindlichkeit Spannungseinfluß a) Nach einem Ausschlagverfahren S. 9; - b) Nach einem Null verfahren in Kompensationsschaltung S. 9; - c) Nach einem Null verfahren in einer Brückenschaltung S Spannungskonstanthalter a) Röhrenregler S. 10; - b) Glimmstabilisatoren S. 13; - c) Stabi lisierte Gleichrichter S. 17; - d) Thermische Gleichhalter S. 18; - e) Lichtelektrische Konstanthalter S.20; - f) Magnetische Konstanthalter S.20; - gj Neufeldt und Kuhnke Regler S Spannungsunabhängige Meßgeräte a) Drehspulquotientenmesser S. 25; - b) Drehmagnetquotienten messer S. 28; - c) Wechselstrom Kreuzspu} Instrumente S. 29; - d) Doppelspulinstrumente (Induktionsdynamometer) S. 29; - e) Dreheisenquotientenmesser S. 30; - f) Ferrarisquotientenmesser S Frequenzeinfluß Temperatureinfluß Schwingungseigenschaften des beweglichen Organs.' 13. Fernübertragung IH. Meßwerke und Me ßverfahren zum Durchführen von Rechen operationen Addition und Subtraktion mit dem Drehspulmeßwerk Multiplikation mit dem elektrodynamischen Meßwerk Multiplikation mit dem Halleffekt Division mit dem Kreuzspulinstrume~t IV. Elektrische Abbildung mathematischer Beziehungen Addition zweier Größen Subtraktionsschaltungen Addition und Subtraktion von Wechselspannungen und Strömen Divisionsschaltungen Multiplikationsschaltungen

6 VI Inhaltsverzeichnis Seite 6. Differentiation Integration Brückenschaltungen 47 B. Die Möglichkeiten, mechanische Größen elektrisch zu messen. 1. Energieumformer 1. Allgemeines Induktionsprinzip a) Relativbewegung zwischen Induktionsspule und konstantem Magnetfeld S.50; - b) Konstantes Magnetfeld und ruhende Wicklung S Piezoelektrizität Strömungselektrizität.. 5. Thermoelektrische Umformer 6. Lichtelektrische Umformer. a) Alkaliphotozellen S. 57; - b) Sperrschicht-Photoelemente S. 59; - c) Germaniumphotoelemente S Induktive Umformer.... a) Induktiver Wechselstromumformer mit ruhenden Wicklungen S. 61; - b) Induktiver Wechselstromumformer mit einer ruhenden und einer verstellbaren Wicklung S. 62. H. Phys.ikalische Zusammenhänge zwischennichtelektrischen und elektrischen Größen Allgemeines Beeinflussung des Widerstandes eines Leiters a) Abmessungen und Widerstand eines Leiters S. 63; - b) Temperatur und Widerstand eines Leiters S. 72; - c) Elastischer Spannungszustand und spezifischer Widerstand S. 74; - d) Härte und spezifischer Widerstand S. 75; - e~ Druck und Übergangswiderstand S. 79; - f) Belichtung und Widerstand eines Leiters S Steuerung der. Kapazität eines Kondensators a) Abmessungen und Kapazität S. 81; - b) Dielektrikum und Kapazität S. 83; - c) Temperatur und Dielektrizitätskonstante S.84; - d) Kapazitätsmeßschaltu,ngen S Mechanische Steuerung der Induktivität einer Spule a) Windungszahl und Induktivität S. 88; - b) Permeabilität und Induktivität S. 89; - c) Feldstärke und Permeabilität S. 91; - d) Temperatur und Permeabilität S.92; - e) Elastischer Spannungszustand und Permeabilität S. 92; - f) Härte und Permeabilität S.94; - g) Messung und Induktivität S Zeit und EIektrizitätsmenge.... a) AmperestundenzWer S. 99; - b) Synchronmotor S. 100; c) Drehspulgalvanometer S. 100; - d) Ladung oder Entladung eines Kondensators S Elastische Beanspruchung und Eigenfrequenz IH. WeIlenausbreitungund Bestrahlung 1. Allgemeines Radioaktive und Röntgenstrahler a) Beta-Strahler S. 107; - b) Gamma-Strahler S. 112; - c) Röntgenstrahler S

7 Inhaltsverzeichnis Seite 3. Strahlungsmeßgeräte a) Ionisationskammer S. 115; - b) Geiger.Müller-Zähler S.116; - c) Der SZintillationszähler S Ultraschallbestrahlung Lichtdurchstrahlung (Photoelastisches Verfahren) IV. Mechanische Steuerung eines elektrischen Kreises Allgemeines Kontinuierlich arbeitende Verfahren a) Stetige Amplitudenmodulation S. 122; - b) Stetige Frequenz modulation S. 122; - c) Stetige Phasenmodulation S Impulsverfahren a) Impulsamplitudenmodulation S. 123; - b) Modulation der Impulsdauer S. 123; - c) Modulation des Impulsrhythmus S. 123; - d) Impulsabstandverfahren S. 124; - e) Frequenzmodulation S.124; - f) Phasenmodulation S.124; - g) Modulation der gegenseitigen Lage zweier Impulsreihen S. 124; - Impulskombination S C. Meßverfahren....., I. Längenmessung Stellungsanzeige und Wegmessung 126 a) Stellungsanzeige mit Widerstandsendern S. 128; - b) Induktive Stellungsanzeige S. 129; - c) Schraubenlageanzeiger S. 133; - d) Frequenzmodulationsverfahren S. 134; - e) Kapazitive Stellungsanzeige S. 135; - f) Drehwinkel- und Kolbenwegübertrager S. 136; - g) Impulstelegrammverfahren S. 138; - h) Behälterstandanzeige mit Schrittschaltverfahren S. 141; - i) Behälterstandanzeige mit Ultraschall S. 144; - k) Behälterstandanzeige durch Druckmessung S. 144; - 1) Behälterstandanzeige durch Strahlungsmessung S Elektrische Mikrometer a) Bolometerlehre (Widerstandsmikrometer) S. 146; - b) Induktive Mikrometer S. 146; - c) Kapazitive Mikrometer S. 148; - d) Lichtelektrische Mikrometer S. 150; - e) Piezoelektrische Mikrometer S Dickenmessung a) Widerstandsverfahren S. 153; - b) Induktives Verfahren und Wirbelstromverfahren S. 157; - c) Kapazitives Verfahren S. 163; - d) Magnetische Verfahren S. 163; - e) Ultraschallverfahren S. 165; - f) Dickenmessung mit Strahlen S.165. H. Kraftmessung Dehnungsmessung a) Widerstandsender S. 169; - b) Induktive Dehnungsmesser S. 172; - c) Lichtelektrische Dehnungsmesser S Kraftmeßdosen a) Kohledruckdosen S. 178; - b) Magnetoelastische Kraftmeßdosen S. 178; - c) Piezoelektrische Kraftmeßdosen S Elektrische Waagen Bandzugmesser Schnittkraftmesser Gasdruckmesser a) Gasdruckmesser mit Widerstandsgebern S.186; - b) Induktive Gasdruckmesser S. 188; - c) Elektrodynamische Druckmeßdosen VII

8 VIII Inhaltsverzeichnis Seite S. 189; - d) Kapazitive Druckmeßdosen S. 190; - e) Piezoelektrische Druckmeßdosen S Drehmomentmesser a) Induktiver Drehmomentmesser S.192; - b) Kapazitiver Drehmomentmesser S. 195; - c) Lichtelektrische Drehmomentmesser S.197. III. Geschwindigkeitsmessung Drehzahlmesser a) Tachometerdynamos S. 198; - b) Wirbelstromdrehzahlmesser S. 200; - c) Impulsdrehzahlmesser S. 201; - d) Lichtelektrische Drehzahlmesser S. 204; - e)kompensationsverfahren S. 205; - f) Messung des Ungleichförmigkeitsgrades S Drehzahldifferenz- und Schlupfmessung " a) Spannungsdifferenzmessung S.206; - b) Frequenzdifferenzmessung S. 207; - c) Schlupfmessung bei Asynchronmaschinen S Messung von Fahrzeuggeschwindigkeiten a) Räderfahrzeuge S.209; - b) Gleitfahrzeuge S Strömungsmesser a) Rotierende Strömungsmesser S.21O; - b) Thermische Strömungsmesser S. 210; - c) Staudruckströmungsmesser S. 212; - d) Elektromagnetischer Strömungsmesser S.213. IV. Beschleunigungs-, Schwingu ngs- und Erschütterungsmessung Allgemeines Drehbeschleunigungsmesser a) Kraftmessung S.215; - b) Geschwindigkeitsmessung S.215; - c) Elektrodynamischer Drehbeschleunigungsmesser S Beschleunigungsmesser a) Beschleunigungsmesser nach dem Widerstandsverfahren S.219; b) Elektrodynamische Beschleunigungsmesser S. 221; - c) Induktive Beschleunigungsmesser S.223; - d) Kapazitive Beschleunigungsmesser S. 225; - e) Piezoelektrische Beschleunigungsmesser S.225. V. Zeitmes.sung Langzeitmesser a) Synchronuhren S. 228; - b) Stoppuhren S. 229; - c) Zeitzähler S. 231; - d) Normalfrequenzgeber S Zeitschreiber a) Chronographen mit Liniendiagramm S.234; - b) Chronographen mit Punktdiagramm S.236; - c) Stückzeitschreiber S.238; - d) Funkenchronographen S.239; - e) Oszillographen S Elektronische Zeitmesser a) Kondensatorladeverfahren S. 242; - b) Zählröhrenverfahren S.246; - c) Kathodenoszillographen S Zeitwaagen 249 Uteraturverzeichnis 252 Namenverzeichnis. 268 Sachverzeichnis