Physikalische Meßtechnik mit Sensoren

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1 Physikalische Meßtechnik mit Sensoren von Professor a. D. Johannes Niebuhr und Professor Dr. Gerhard Lindner 5., überarbeitete Auflage Oldenbourg Industrieverlag München

2 Vorwort XI 1 Einleitung Einführung in die Meßtechnik Bedeutung der Meßtechnik Grundbegriffe der Meßtechnik Struktur einer Meßeinrichtung Beispiel für eine Meßeinrichtung Anwendungen von Sensoren im Kraftfahrzeug Eigenschaften von Meßgeräten Übertragungsverhalten Meßunsicherheit Betriebsverhalten Grundlagen aus der Elektrotechnik Spannungsquelle Stromquelle Spannungsteiler Tiefpaß Hochpaß Komplexe Impedanzen Bandpaß. Impulsformer 31 2 Analog-Meßgeräte Drehspulmeßgerät Drehspulmeßwerk Anwendungen des Drehspulmeßgeräts Operationsverstärker Arbeitsweise von Operationsverstärkern Elektrische Kenngrößen von Operationsverstärkern Dynamisches Verhalten von Operationsverstärkern Hersteller-Daten für Operationsverstärkern Einfache Meßschaltungen mit Operationsverstärkern Invertierende Schaltung zur Strom-und Spannungsmessung Nichtinvertierende Schaltung zur Spannungsmessung Spannungsausgang Verstärker als Integrator oder Tiefpaß 59

3 2.4 Verstärker für die Meßsignalverarbeitung Addierer. Subtrahierer Differenzverstärker. Instrumentenverstärker Spannungsgesteuerte Stromquelle Einfluß von Störgrößen auf das Meßsignal Rauschen Trägerfrequenz-Verfahren. Lock-in-Verstärker Übertragung von analogen Meßsignalen 82 3 Digital-Meßgeräte Grundschaltungen für die Digitaltechnik Bistabile Kippglieder (Flipflops) Komparator. Schwellenwertschalter Monostabile und astabile Kippschaltung Zähler für Ereignisse, Zeit oder Frequenz Meßglieder des Universalzählers Anwendungen elektronischer Zähler Analog-Digital-Umsetzer für zeitliche Mittelwerte AD-Umsetzer nach dem Dual-Slope-Verfahren Spannungs-Frequenz-Umformer. Frequenz-Spannungs-Umformer AD-Umsetzer nach dem Charge-Balancing-Verfahren Dämpfen von Störwechselspannungen durch Integration Analog-Digital-Umsetzer für den Augenblickswert Einführung Abtast-und Haltekreis. Sample and Hold DA-Umsetzer für die Rückführung AD-Umsetzer mit sukzessiver Approximation Sigma-Delta-AD-Umsetzer Kenngrößen von DA-und AD-Umsetzern Hersteller-Daten für AD-Umsetzern Mikrocomputer in der Sensor-Meßtechnik Aufbau und Funktionsweise von Mikrocomputern Anwendung von Mikrocontrollern in Meßsystemen Übertragung von digitalen Meßsignalen mittels Feldbus Aufnehmer aus passiven elektrischen Meßgliedern Anpassungsschaltungen für Widerstände Grundgleichungen für die Meßbrücke Abgleich-Meßbrücke Ausschlag-Meßbrücke Messen durch Stromeinprägen Widerstände als Sensoren Elektrische Leitung Abhängigkeit von der Kontaktstellung. Potentiometer Abhängigkeit von der Temperatur 158

4 VII Messen der Temperatur mit Widerständen Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke. Photowiderstand Abhängigkeit von Dehnung oder Druck Messen mit Dehnungsmeßstreifen Abhängigkeit von der magnetischen Flußdichte. Magnetowiderstand Abhängigkeit von der Ionenkonzentration in Elektrolyten. Konduktometrie Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung der Umgebung Kondensatoren als Sensoren Anpassungsschaltungen für Kapazitäten Abhängigkeit von der Elektrodenfläche Abhängigkeit vom Dielektrikum Abhängigkeit vom Elektrodenabstand Drosselspulen als Sensoren Magnetischer Kreis Drosselspulen, Differentialdrosseln Anpassungsschaltungen für Drosselspulen Aufnehmer mit Spannung als Meßsignal Thermoelektrische Effekte Seebeck-Effekt. Peltier-Effekt Temperaturmessung mit Thermoelementen Diode als Temperatursensor Elektrochemische Spannung. Potentiometrie ph-meßkette Ionenselektive Elektroden Redox-Elektroden Gassensitive Elektroden. Lambda-Sonde Ionensensitive Feldeffekt-Transistoren Effekte im Magnetfeld Lorentz-Kraft. Induktionsgesetz Impulsgeber. Tachogenerator Magnetisch-induktiver Durchflußmesser Hall-Sensor Differentialtransformator Magnetoelastischer Kraftmesser Anwendungen der Tauchspule Aufnehmer mit Strom oder Ladung als Meßsignal Photoelektrischer Effekt Grundlagen Photoelement Photodiode Phototransistor CCD-Anordnungen (Charge-Coupled Devices) Photozelle 273

5 VIII Inhalt Photovervielfacher Ionisation durch energiereiche Strahlung Ionisierende Strahlung, Radioaktivität Wechselwirkung von ionisierender Strahlung mit Materie Ionisationskammer. Zählrohr Szintillationsdetektor Halbleiter-Detektor für ionisierende Strahlung Konzentrationsbestimmung durch den Grenzstrom. Amperometrie Flammen-Ionisations-Detektor Amperometrie mit flüssigen Elektrolyten Amperometrie mit Festkörper-Ionenleitern Piezoelektrischer und pyroelektrischer Effekt Piezoelektrische Sensoren Pyroelektrische Sensoren Meßumformung in nichtelektrischen Systemen Optische Meßverfahren Grundlagen der spektralen Extinktionsmessung Messen der Ionenkonzentration in Wasser Messen von Stoffkonzentrationen in Luft Lichtwellenleiter als Sensoren Ultraschall-Meßverfahren Grundlagen Abstandsmessung. Wegmessung Geschwindigkeitsmessung Ultraschall-Strömungsmessung Messung der Zusammensetzung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen Thermische Meßverfahren Wärmeleitung in Gasen Wärmetönung bei katalytischer Verbrennung Resonatoren als Meßaufnehmer Harmonisch schwingende Systeme Abhängigkeit von der Masse Abhängigkeit von der Federkonstanten Abhängigkeit von der Dämpfung Abhängigkeit von einer äußeren Kraft Resonatoren zur Messung von kinematischen Größen Coriolis-Sensoren zur Massendurchfluß-Messung Coriolis-Sensor als Gyrometer im Kraftfahrzeug Messen mechanischer und thermischer Größen Länge. Dicke. Winkel Messung von Abstand, Weg und Winkel Dickenmessung Schichtdickenmessung 387

6 IX 8.2 Dehnung. Kraft. Druck. Drehmoment Dehnungsmessung Messung von Kraft, Masse und Drehmoment Druckmessung im Bereich über 1 mbar Druckmessung im Vakuumbereich Kinematische Größen Messen von Schwingbewegungen und Beschleunigung Messen von Drehzahl und Geschwindigkeit Durchfluß. Viskosität. Füllstand Messen von Durchfluß und Strömungsgeschwindigkeit Viskositätsmessung Füllstandsmessung Temperatur. Luftfeuchte Grundlagen der Temperaturmessung Berührungsthermometer Strahlungsgesetze Strahlungsthermometer Besondere Temperaturmeßverfahren Luftfeuchte-Messung Messen von Stoffkonzentrationen Stoffkonzentrationen in Luft Regelungen zur Begrenzung luftfremder Stoffe Meßverfahren für Fremdgase aus dem VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft" Weitere Verfahren für die Gasanalyse Staubmessung Stoffbezogenes Verzeichnis von Gasanalyse-Verfahren Stoffkonzentrationen in Wasser Regelungen zur Begrenzung von Wasserinhaltsstoffen Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung Verfahren zur Prozeßanalyse von wässrigen Lösungen Stoffkonzentrationen in biologischen Flüssigkeiten Funktionsweise und Aufbau von Biosensoren Ausführungsformen und Anwendungen von Biosensoren 464 Literaturverzeichnis 467 Firmenverzeichnis 477 Sachwortverzeichnis 486