Elektrische Messtechnik

Transkript

1 Springer-Lehrbuch Elektrische Messtechnik Analoge, digitale und computergestützte Verfahren von Reinhard Lerch überarbeitet Elektrische Messtechnik Lerch schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG Thematische Gliederung: Mess- und Automatisierungstechnik Springer 2007 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN

2 sverzeichnis fang und Bedeutung der Elektrischen Meßtechnik... 1 ZurHistorieundBedeutungderMeßtechnik... 1 DerBegriffdesMessens... 3 BegriffsdefinitioneninderMeßtechnik AllgemeineBegriffe MeßgerätundMeßeinrichtung Meßkette (Struktur einer elektrischen Meßeinrichtung) 5 VorschriftenundNormen... 6 KlassifizierungvonMeßmethoden Ausschlagmethode-Kompensationsmethode Analog-Digital Kontinuierlich-Diskontinuierlich Direkt-Indirekt... 9 Die InformationsträgerimMeßsignal... 9 Grundlagen des Messens Maßsysteme,Einheiten,Naturkonstanten Maßsysteme Naturkonstanten AbgeleiteteEinheiten Größen-undZahlenwertgleichungen gleichsvorgänge, Frequenz-Transformation und pol-übertragungsverhalten Fourier-Transformation AusgleichsvorgängeinlinearenNetzwerken... 21

3 3.5.1 Überlagerung Integration Differentiation ProduktzweierLaplace-Funktionen-Faltung Multiplikationssatz Verschiebung im Zeitbereich (Oberbereich) Verschiebung im Laplace-Bereich (Unterbereich) Dehnungbzw.Stauchung Anfangswert-Theorem Endwert-Theorem TabellemathematischerOperationen Analyse eines RC-Netzwerkes mittels Laplace-Transformation Die Rücktransformation von Laplace-Transformierten in den Zeitbereich Lösung von linearen Differentialgleichungen mit konstanten Koeffizienten Berechnung von Einschwingvorgängen in elektrischen Netzwerken mit konzentrierten linearen passiven Bauelementen Rücktransformation mittels Residuenmethode - HeavisidescherEntwicklungssatz Vierpol-Übertragungsfunktion im Zeit- und Frequenzbereich Beschreibung von linearen zeitinvarianten Netzwerken durch ihresprungantwort Bode-Diagramme Regeln für Bode-Diagramme (relle Pole und Nullstellen) Bode-Diagramme fürkomplexepolpaare ichtlineare elektrische Bauelemente, Schaltungen und ysteme Nichtlineare konzentrierte Bauelemente (R, L, C) Vorbemerkungen NichtlinearerWiderstand Nichtlineare Induktivität Nichtlineare Kapazität GesteuerteQuellen AnalysenichtlinearerelektrischerNetzwerke eßfehler SystematischeMeßfehler Zufällige Meßfehler...100

4 XVII Das Übertragungsverhaltenvon Meßsystemen DefinitiondesdynamischenMeßfehlers BestimmungdesdynamischenMeßfehlers MeßsystemmitTiefpaßverhalten loges Messen elektrischer Größen Elektromechanische Meßgeräte Drehspulmeßwerk Galvanometer ElektrodynamischesMeßwerk Dreheisenmeßwerk Drehspulquotientenmeßwerk(Kreuzspulmeßwerk) Drehmagnetmeßwerk ElektrostatischesMeßwerk Schaltzeichen für Meßgeräte MessungvonGleichstromundGleichspannung Messung von Gleichströmen MessungvonGleichspannungen GleichzeitigesMessenvonStromundSpannung MessungvonWechselstromundWechselspannung Begriffsdefinitionen Gleichrichtung Messung des Scheitelwertes (Spitzenwert, Peak Value) MessungdesGleichrichtwertes MessungdesEffektivwertes Meßwandler verstärker Operationsverstärker Idealer Operationsverstärker Realer Operationsverstärker Definitionen von Operationsverstärker-Kenngrößen Operationsverstärker-Grundschaltungen Spezielle Meßverstärker Differenzverstärker Instrumentenverstärker (Instrumentierungsverstärker) Zerhacker-Verstärker Ladungsverstärker Rauschen von Meßverstärkern...190

5 8.2.3 LeistungsmessunginDrehstromsystemen MessungderelektrischenArbeit essung von elektrischen Impedanzen Messung von ohmschen Widerständen Strom-undSpannungsmessung VergleichmiteinemReferenzwiderstand Verwendung einer Konstantstromquelle Verwendung eines Kreuzspulinstrumentes Kompensationsschaltungen Gleichspannungskompensation Gleichstromkompensation Gleichstrom-Meßbrücken Gleichstrom-Ausschlagbrücken Gleichstrom-Abgleichbrücken Messung von Schein- und Blindwiderständen Wechselstrom-Meßbrücken Wechselstrom-Abgleichbrücken Einflüsse von Erd- und Streukapazitäten Halbautomatischer Brückenabgleich Wechselstrom-Ausschlagbrücken arstellung des Zeitverlaufes elektrischer Signale Analoges Elektronenstrahl-Oszilloskop Aufbau und Funktion der Elektronenstrahl-Röhre ZeitablenkungundTriggerung Funktionsgruppen eines Analog-Oszilloskops Sampling-Oszilloskop Spannungsteiler in Elektronenstrahl-Oszilloskopen Fehler bei der analogen Elektronenstrahl-Oszilloskopie StatischeFehler(FehlerderAblenkkoeffizienten) Linearitätsfehler Dynamische Fehler des Oszilloskops Digital-Speicheroszilloskop PrinzipielleFunktionsweise Wiedergabe des aufgezeichneten Bildes Betriebsarten des Digital-Speicheroszilloskops Einsatz von Digital-Oszilloskopen in Verbindung mit Computern Vergleich Analog- und Digital-Oszilloskope

6 tale Meßtechnik Duales Zahlensystem und Binärcodes Dualzahlendarstellung BCD-,Hexadezimal-undGray-Code FehlererkennungundFehlerkorrektur Binäre Signale und ihre Verknüpfung Grundregeln bei der logischen Verknüpfung Digitale Grundschaltungen (Gatterschaltungen) DigitaleAddierer BistabileKippschaltungen RS-Flip-Flop TaktzustandgesteuertesRS-Flip-Flop TaktflankengesteuertesRS-Flip-Flop TaktzustandgesteuertesD-Flip-Flop(Data-Latch) TaktflankengesteuertesD-Flip-Flop TaktflankengesteuertesJK-Flip-Flop TaktflankengesteuertesT-Flip-Flop MonostabileKippstufe Zähler-Schaltungen Dualzähler BCD-Zähler Digital-Analog-Umsetzung Grundlagen und Kenngrößen SchaltungstechnischeRealisierungen FehlerbeiderDigital-Analog-Umsetzung Analog-Digital-Umsetzung Abtastung(Sampling) Abtast-Halte-Schaltungen DirektvergleichendeAnalog-Digital-Umsetzer Analog-Digital-Umsetzung mit Delta-Sigma-Modulator Time-Division-Multiplizierer (Impulsbreiten- Multiplizierer, Sägezahn-Multiplizierer) Analog-Digital-UmsetzungmitZeitoderFrequenz Vergleich der Grundprinzipien FehlerbeiderAnalog-Digital-Umsetzung Digital-Multimeter(DMM) AnzahlderStellenundGenauigkeit Beispiel eines 4 1 / 2 -stelligen Digital-Multimeters Messungen des echten Effektivwertes von Signalen mitgleichanteil Inhaltsverzeichnis XIX

7 ie Messung von Frequenz und Zeit MechanischeFrequenzmessung DigitaleFrequenzmessung DigitaleZeitmessung Zeitintervallmessung(Zeitdifferenzmessung) Periodendauermessung DigitalePhasenwinkelmessung Rechnender Zähler Zeit-Spannungs-Umsetzer(t/U-Umsetzer) Frequenz-Spannungs-Umsetzer(f/U-Umsetzer) Oszillatoren Grundlagen Harmonische Oszillatoren LC-Oszillator Relaxationsoszillatoren Quarzoszillator Operationsverstärker-Schaltung eines Quarzoszillators FehlervonSchwingquarzen Fehler bei der digitalen Zeitintervall- bzw. Frequenzmessung Atomuhren,ZeitzeichensenderundFunknavigation Atomuhren DCF-77Zeitzeichensender NAVSTAR/GPS-Satellitennavigation Galileo-Satellitennavigation Störfaktoren bei der Satellitennavigation eßsignalverarbeitung AufgabenundBedeutung SignalartenundAnalyseformen Multiplizieren,Dividieren,Quadrieren,Radizieren ErmittlungdesEffektivwertes BestimmungvonMittelungswerten Kenngrößen nicht-sinusförmiger periodischer Signale Messung von Signaleigenschaften mittels Korrelationsfunktion Äußere Störeinwirkungen Optimalfilter(Wiener-Filter) Übertragungsfunktion einesoptimalfilters Beispiel für ein Optimalfilter egression, lineare Korrelation und Hypothesen-

8 XXI Güte der Anpassung bei der linearen Regression (Varianz, Kovarianz, Restvarianz und Korrelationskoeffizient) Ausgleichspolynome MehrfachelineareRegression LineareKorrelation Testverfahren(Hypothesen-Testverfahren) Testen von Hypothesen, Entscheidungen Beispiele für Tests ndlagen der Rechnergestützten Meßdatenerfassung Grundstrukturen von rechnergestützten Meßsystemen Basis-HardwarezurMeßdatenerfassung Multifunktions-Einsteckkarten Multiplexer Störungen infolge Erdschleifen und Einkopplungen SerielleSchnittstellen Parallelbussysteme Datenlogger Grundtypen des Datentransfers datenerfassung im Labor Die serielle RS232C-Schnittstelle (V.24-Schnittstelle) Übertragungsmedien Leitungsbelegung und Steckerverbindung der RS232C-Schnittstelle PegelfestlegungundderenlogischeZuordnung Logikdefinition für Datenleitungen Logikdefinition für Steuer-und Meldeleitungen Synchronisierung Handshake-Verfahren(Quittierungsverfahren) Software-Handshaking Hardware-Handshaking Hardware-RealisierungvonseriellenSchnittstellen Kenngrößen der seriellen Datenübertragung Die RS485-Schnittstelle EineTwisted-Pair-Leitung ZweiTwisted-Pair-Leitungen Die20mA-Stromschleife DieUSB-Schnittstelle...491

9 IEC-Bus-Leitungen Bus-Logik Handshake-Verfahren(Dreidraht-Handshake) Nachrichtenarten Schlußzeichen Statusabfrage IEC-Bus-Hardware VXI-Bus,PXI-BusundMXI-Bus VXI-Bus ResourceManager(SystemManager) Commander Servant Busgliederung/Teilbusse VXI-undIEC-Bus PXI-Bus PCI-Express MXI-Bus HistoriederbisherdiskutiertenBus-Standards eßdatenerfassung im Feld DiespeicherprogrammierbareSteuerung(SPS) AufbaueinerSPS Programmstruktur Permanent-zyklischerBetrieb Ausnahmenvompermanent-zyklischenBetrieb BesonderheitenderProgrammierung Programmiersprachen für SPS nach IEC Beispiele für die IEC-genormten SPS- Programmiersprachen Neue Entwicklungen bei Speicherprogrammierbaren Steuerungen(SPS) Vernetzung von Speicherprogrammierbaren Steuerungen VisualisierungvonSPS-Datenund-Prozessen Hierarchie industrieller Bussysteme Vorschrift für eine einheitliche Kommunikation: Das ISO-Schichtenmodell Netzwerktopologien Bus-Zugriffsverfahren KlassifizierungderBus-Zugriffsverfahren...541

10 XXIII Der Feldbus (FAN) ASI-Bus CAN PROFIBUS-DP FIP-Bus INTERBUS-S BITBUS EIB(EuropeanInstallationBus) LON(LocalOperatingNetwork) DIN-Meßbus PrimäreSensorelement-Schnittstelle(PrimSens) etzung von Meßdatenrechnern (Industrie-LAN, WAN) 569 IP-Adressen Subnetzmasken Internet-Protokoll(IP) TransmissionControlProtocol(TCP) EchtzeitfähigkeitdesEthernet ÜbergeordneteKommunikationsebenen Physikalische Ethernet-Übertragung Ethernet-Telegrammstruktur Verbindung mehrerer lokaler Netze StandortübergreifendeVernetzung Breitband-ISDN Datex-P GSM Powerline-Kommunikation (Power Line Communication,PLC) Satellitenkommunikation MetropolitanAreaNetwork(MAN) WideAreaNetwork(WAN) Hochgeschwindigkeits-GlasfasernetzFDDI Rechnernetze zur Meßdatenübertragung SpezielleBussystemezurMeßdatenerfassung Vernetzung von Meßdatenerfassungssystemen mittels Ethernet Virtuelle Instrumentierung auf der Basis von USB-Meßmodulen Funktionsprinzip Beispiele für USB-Meßgeräte Ethernet-NutzungzurMeßdatenerfassung...591

11 Die Situation des LXI-Gerätemarktes VPN-VirtualPrivateNetwork rogrammierung von Meßdatenerfassungssystemen AllgemeineBemerkungen IEC-undVXI-Bus-Kommunikation,SCPI-Standard SyntaxderSCPI-Sprache SCPI-Datenformate EinsatzkommerziellerSoftware Kategorien von Softwarelösungen Dialoggeführte Komplettpakete (Fertiglösungen) Modul-Bibliotheken Graphikorientierte Entwicklungssysteme (Programmgeneratoren) SystememitspeziellenKommandosprachen LabVIEW LabWindows MATLAB ebäudeautomatisierung (Smart Home) StrukturdesGesamtsystems DatenerfassungmitfrequenzanalogerSchnittstelle DatenerfassungmitdigitalerSchnittstelle Datenerfassung mit energieautarker digitaler Funkschnittstelle LokaleundweltweiteVernetzung LAN-lokalesNetzwerk Standortübergreifende Vernetzung WeltweiteVernetzung Software aturverzeichnis x...641