Inhalt s Verzeichnis Umfang und B edeutung der Elektrischen M esstech n ik... D ie Grundlagen des M e s s e n s... 11

Transkript

1 Inhalt s Verzeichnis 1 Umfang und Bedeutung der Elektrischen M esstech n ik Zur Historie und Bedeutung der Messtechnik Der Begriff des Messens Begriffsdefinitionen in der Messtechnik Allgemeine Begriffe Messgerät und Messeinrichtung Messkette (Struktur einer elektrischen Messeinrichtung) Vorschriften und N orm en Klassifizierung von Messmethoden Ausschlagmethode - Kompensationsmethode Analog - Digital Kontinuierlich - Diskontinuierlich Direkt - Indirekt Die Informationsträger im Messsignal Die Grundlagen des M e sse n s Maßsysteme, Einheiten, Natur konstanten Maßsysteme Naturkonstanten Das Das künftige Abgeleitete Einheiten Größen- und Zahlenwertgleichungen Ausgleichs Vorgänge, Frequenz-Transformation und Vierpol-Ubertragungsverhalten Fourier-Transformation Ausgleichsvorgänge in linearen Netzwerken Die Laplace-Transformation Die Laplace-Transformierte elementarer Zeitfunktionen... 31

2 3.5 Die Eigenschaften der Laplace-Transformation Laplace-Transformation einfacher mathematischer Operationen Überlagerung Integration Differentiation Produkt zweier Laplace-Funktionen Faltung Multiplikationssatz Verschiebung im Zeitbereich (Oberbereich) Verschiebung im Laplace-Bereich (Unterbereich) Dehnung bzw. Stauchung Anfangswert-Theorem End wert-theorem Tabelle mathematischer Operationen 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 - Heavisidescher Entwicklungssatz Vierpol-Übertragungsfunktion im Zeit- und Frequenzbereich Beschreibung von linearen zeitinvarianten Netzwerken durch ihre Sprungantwort Bode-Diagramme Regeln für Bode-Diagramme (reelle Pole und Nullstellen) Regeln für Bode-Diagramme mit komplexen Polpaaren 72 4 Nicht lineare elektrische Bauelemente, Schaltungen und S y ste m e Nicht lineare konzentrierte Bauelemente (R,L,C) Vorbemerkungen Nicht linearer Widerstand Nicht lineare Induktivität Nicht lineare K apazität Gesteuerte Quellen Analyse nichtlinearer elektrischer Netzwerke M essfehler Systematische Messfehler Zufällige Messfehler Nor mal Verteilung, Mittelwert, Standardabweichung

3 5.2.2 Vertrauensbereich für den Schätzwert Fortpflanzung zufälliger Fehler Genauigkeitsklassen bei Messgeräten Dynamische Messfehler Das Übertragungsverhalten von Messsystemen Definition des dynamischen Messfehlers Bestimmung des dynamischen Messfehlers Messsystem mit Tiefpass verhalten Analoges M essen elektrischer G rö ß en Elektromechanische Messgeräte Drehspulmesswerk Galvanometer Elektrodynamisches Messwerk Dreheisenmess w erk Drehspulquotientenmesswerk (Kreuzspulmesswerk) Drehmagnet mess werk Elektrostatisches Messwerk Schaltzeichen für Messgeräte Messung von Gleichstrom und Gleichspannung Messung von Gleichströmen Messung von Gleichspannungen Gleichzeitiges Messen von Strom und Spannung Messung von Wechselstrom und Wechselspannung Begriffsdefinitionen Gleichrichtung Messung des Scheitelwertes (Spitzenwert, Peak Value) Messung des Gleichrichtwertes Messung des Effektivwertes Messwandler Strommesszange für Wechselstrom Hallelement (Galvanomagnetischer Effekt) Strommesszange für Gleichstrom Mess V erstärk er Operationsverstärker Idealer Operationsverstärker Realer Operationsverstärker Definitionen von Operationsverstärker-Kenngrößen Operationsverstärker-Grundschaltungen Operationsverstärker mit differentiellem Ausgang Spezielle Mess Verstärker Differenzverstärker Instrumentenverstärker (Instrumentierungsverstärker) Zerhacker-Verstärker...212

4 7.2.4 Ladungsverstärker Rauschen von Messverstärkern M essung der elektrischen L eistung Leistungsmessung im Gleichstromkreis Leistungsmessung im Wechselstromkreis Begriffsdefinitionen Leistungsmessung im Einphasennetz Leistungsmessung in Drehstromsystemen Messung der elektrischen A rb eit M essung von elektrischen Im pedanzen Messung von ohmschen Widerständen Strom- und Spannungsmessung Vergleich mit einem Referenz wider st and Verwendung einer Konstantst romquelle Verwendung eines Kreuzspulinstrumentes Kompensationsschaltungen Gleichspannungskompensation Gleichstromkompensation Gleichstrom-Messbrücken Gleichstrom-Ausschlagbrücken Gleichstrom-Abgleichbrücken Messung von Schein- und Blind widerständen Wechselstrom-Messbrücken Wechselstrom-Abgleichbrücken Einflüsse von Erd- und Streukapazitäten Halbautomatischer Brückenabgleich Wechselstrom-Ausschlagbrücken D arstellung des Zeitverlaufes elektrischer S ig n ale Analoges Elektronenstrahl-Oszilloskop Aufbau und Funktion der Elektronenstrahl-Röhre Zeitablenkung und Triggerung Funktionsgruppen eines Analog-Oszilloskops Sampling-Oszilloskop Spannungsteiler in Elektronenstrahl-Oszilloskopen Fehler bei der analogen Elektronenstrahl-Oszilloskopie Statische Fehler (Fehler der Ablenkkoeffizienten) Linearitätsfehler Dynamische Fehler des Oszilloskops Digital-Speicheroszilloskop Prinzipielle Funktionsweise Wiedergabe des aufgezeichneten Bildes Betriebsarten des Digital-Speicheroszilloskops...301

5 Einsatz von Digital-Oszilloskopen in Verbindung mit Computern Vergleich Analog- und Digital-Oszilloskope Digital-Phosphor-Oszilloskop Analoger und digitaler Trigger Mixed-Signal-Oszilloskope Stand der Technik bei Digital-Oszilloskopen Digitale M esstechnik Duales Zahlensystem und Binärcodes Dualzahlendarstellung BCD-, Hexadezimal- und Gray-Code Fehlererkennung und Fehlerkorrektur Binäre Signale und ihre Verknüpfung Grundregeln bei der logischen Verknüpfung Digitale Grundschaltungen (Gatterschaltungen) Digitale Addierer Bistabile Kippschaltungen RS-Flip-Flop Taktzustandgesteuertes RS-Flip-Flop Taktflankengesteuertes RS-Flip-Flop Taktzustandgesteuertes D-Flip-Flop (Data-Latch) Taktflankengesteuertes D-Flip-Flop Taktflankengesteuertes JK-Flip-Flop Taktflankengesteuertes T-Flip-Flop Monostabile Kippstufe Zähler-Schaltungen Dualzähler BCD-Zähler Digital-Analog-Umsetzung Grundlagen und Kenngrößen Schaltungstechnische Realisierungen Fehler bei der Digital-Analog-Umsetzung Analog-Digital-Umsetzung Abtastung (Sampling) Abtast-Halte-Schaltungen Direktvergleichende Analog-Digital-Umsetzer Analog-Digital-Umsetzung mit Delta-Sigma-Modulator Time-Division-Multiplizierer (Impulsbreiten- Multiplizierer, Sägezahn-Multiplizierer) Analog-Digital-Umsetzung mit Zeit oder Frequenz Vergleich der Grundprinzipien Fehler bei der Analog-Digital-Umsetzung Digital-Multimeter (DMM) Anzahl der Stellen und Genauigkeit

6 Beispiel eines 4 y 2-stelligen Digital-Multimeters Messungen des echten Effektivwertes von Signalen mit Gleichanteil Gesamtfehler infolge Scheitelfaktor Strom-/ Spannungsquellen mit Rückmessfunktion (Source Measure Units) Source Measure Units in automatischen Testsystemen Messung kleiner Ströme bzw. Spannungen mit SMUs Elektronische Leistungsmesser Leistungsmessung mit Hallelement Integrierte Schaltkreise zur Leistungsmessung Smart Meter für die Messung des Verbrauchs an elektrischer Energie Leistungsmessungs-IC für HF-Anwendungen HF-Leistungsmessung mit kaskadiertem logarithmischem Verstärker HF-Leistungsmessung mittels thermoelektrischem Wandler Thermoelement (Seebeck-Effekt) Bolometer HF-Leistungsmessung mit Diodengleichrichter Die M essung von Frequenz und Z e it Mechanische Frequenzmessung Digitale Frequenzmessung Digitale Zeitmessung Zeitintervallmessung (Zeitdifferenzmessung) Periodendauermessung Digitale Phasenwinkelmessung 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 Fehler von Schwingquarzen Fehler bei der digitalen Zeitintervall- bzw. Frequenzmessung Atomuhren, Zeitzeichensender und Funknavigation Atomuhren DCF-77 Zeitzeichensender NAVSTAR/GPS-Satellitennavigation

7 Galileo-Satellitennavigation Störfaktoren bei der Satellitennavigation Messsignalverarbeitung Aufgaben und Bedeutung Signalarten und Analyseformen Multiplizieren, Dividieren, Quadrieren, Radizieren Ermittlung des Effektivwertes Messung des Effektivwertes für beliebige Signalverläufe Bestimmung von Mittelungswerten Kenngrößen nicht-sinusförmiger periodischer Signale Messung von Signaleigenschaften mittels Korrelationsfunktion Außere Störeinwirkungen Optimalfilter (Wiener-Filter) Übertragungsfunktion eines Optimalfilters Beispiel für ein Optimalfilter Regression, lineare Korrelation und Hypothesen- Test verfahren Regressions verfahren Ausgleichsgerade (lineare Regression) Güte der Anpassung bei der linearen Regression (Varianz, Kovarianz, Restvarianz und Korrelationskoeffizient) Ausgleichspolynome Mehrfache lineare Regression Lineare Korrelation Test verfahren (Hypothesen-Test verfahren) Testen von Hypothesen, Entscheidungen Beispiele für Tests Grundlagen der Rechnergestützten Messdatenerfassung Grundstrukturen von rechnergestützten Messsystemen Basis-Hardware zur Messdatenerfassung Multifunktions-Einsteckkarten Multiplexer Störungen infolge Erdschleifen und Einkopplungen Serielle Schnittstellen Parallelbussysteme Datenlogger Grundtypen des Datentransfers

8 16 M essdatenerfassung im Labor Die serielle RS232C-Schnittstelle (V.24-Schnittstelle) Ubertragungsmedien Leitungsbelegung und Steckerverbindung der RS232C-Schnittstelle Pegelfestlegung und deren logische Zuordnung Logikdefinition für Datenleitungen Logikdefinition für Steuer- und Meldeleitungen Synchronisierung Handshake-Verfahren (Quittierungsverfahren) Software-Handshaking Hardware-Handshaking Hardware-Realisierung von seriellen Schnittstellen Kenngrößen der seriellen Datenübertragung Die RS485-Schnittstelle Eine Twisted-Pair-Leitung Zwei Twisted-Pair-Leitungen Die 20 ma-stromschleife Inter Integrated Circuit (I2C ) Die USB-Schnittstelle Der IEC-Bus Historie des IEC-Bus Bezeichnungen des IEC-B us IEC-Bus-Komponenten Gerätegrundfunktionen IEC-Bus-Leitungen Bus-Logik Handshake-Verfahren (Dreidraht-Handshake) Nachrichtenarten Schlusszeichen Statusabfrage IEC-Bus-Hardware VXI-Bus, PXI-Bus und MXI-Bus VXI-Bus Resource Manager (System Manager) Commander Servant Busgliederung/ Teilbusse VXI- und IEC-Bus PX I-Bus PCI-Express PXI-Express (PX Ie) MXI-Bus PXI MultiComputing (PXImc) Historie der bisher diskutierten Bus-Standards...581

9 17 M essdatenerfassung im F e ld Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) Aufbau einer SPS Programmstruktur Permanent-zyklischer Betrieb Ausnahmen vom permanent-zyklischen Betrieb Besonderheiten der Programmierung Programmiersprachen für SPS nach IEC Beispiele für die IEC-genormten SPS- P rogr ammierspr achen Neue Entwicklungen bei Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) Vernetzung von Speicherprogrammierbaren Steuerungen Visualisierung von SPS-Daten und -Prozessen Linux-basierte Speicherprogrammierbare Steuerungen SPS-Spezialklemmen EnOcean-Funkempfänger-Busklemmen Einplatinen-Computer Einplatinen-Computer in der Mess- und Automatisierungstechnik Hierarchie industrieller Bussysteme Vorschrift für eine einheitliche Kommunikation: Das ISO-Schichtenmodell Netzwerktopologien Bus-Zugriffs verfahren Klassifizierung der Bus-Zugriffsverfahren Modulationsverfahren und Bitcodierung Alternierende Puls Modulation (APM ) Fehlererkennung und Datensicherung Bitcodierung Schnittstellenkonverter Der Feldbus (FAN) ASI-Bus CAN Flex R ay PROFIBUS-DP FIP-Bus INTERBUS-S BITBUS KNX LON (Local Operating Network) HDIN-Messbus

10 18 V ernetzung von M essdatenrechnern (Industrie-L A N, W AN) IP-Adressen Subnetzmasken Internet-Protokoll (IP) Transmission Control Protocol (T C P ) Echtzeitfähigkeit des E thernet Übergeordnete Kommunikationsebenen Physikalische Ethernet-Übertragung Ethernet-Telegrammstruktur Verbindung mehrerer lokaler Netze Standortübergreifende Vernetzung Breitband-ISDN Datex-P GSM Powerline-Kommunikation (Power Line Communication, P L C ) Satellitenkommunikation Metropolitan Area Network (MAN) Wide Area Network (WAN) Hochgeschwindigkeits-Glasfasernetz FD D I Rechnernetze zur Messdatenübertragung Spezielle Bussysteme zur Messdatenerfassung Vernetzung von Messdatenerfassungssystemen mittels Ethernet Virtuelle Instrumentierung auf der Basis von USB- Messmodulen Funktionsprinzip Beispiele für USB-Messgeräte Ethernet-Nutzung zur Messdatenerfassung LXI - Ein neuer Standard für die Messtechnik Die technische Basis von L X I Die 3 Geräteklassen A, B und C des LXI-Standards Triggermöglichkeiten von LXI-Geräten Triggerung gemäß IEEE Die aktuelle Situation des LXI-Standards EtherCAT VPN - Virtual Private Network Program m ierung von M essdatenerfassungssystem en Allgemeine Bemerkungen IEC- und VXI-Bus-Kommunikation, SCPI-Standard Syntax der SCPI-Sprache SCPI-Datenformate Einsatz kommerzieller Software Kategorien von Softwarelösungen

11 Dialoggeführte Komplettpakete (Fertiglösungen) Modul-Bibliotheken Graphikorientierte Entwicklungssysteme (Programmgeneratoren) Systeme mit speziellen Kommandosprachen LabVIEW Lab Windows MATLAB Gebäudeautomatisierung (Smart H om e) Struktur des Gesamtsystems Datenerfassung mit frequenzanaloger Schnittstelle Datenerfassung mit digitaler Schnittstelle Datenerfassung mit energieautarker digitaler Funkschnittstelle Lokale und weltweite Vernetzung LAN - lokales Netzwerk Standortübergreifende Vernetzung Weltweite Vernetzung Software Literaturverzeichnis Index 723