Elektrische Messtechnik

Transkript

1 Reinhard Lerch Elektrische Messtechnik Analoge, digitale und computergestützte Verfahren 4., neu bearbeitete Auflage Mit 510 Abbildungen und 62 Tabellen 4y Springer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Umfang und Bedeutung der Elektrischen Meßtechnik 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 Normen Klassifizierung von Meßmethoden Ausschlagmethode - Kompensationsmethode Analog - Digital Kontinuierlich - Diskontinuierlich Direkt - Indirekt Die Informationsträger im Meßsignal 9 2 Die Grundlagen des Messens Maßsysteme, Einheiten, Naturkonstanten Maßsysteme Naturkonstanten Abgeleitete Einheiten Größen- und Zahlenwertgleichungen 13 3 Ausgleichsvorgänge, Frequenz-Transformation und Vierpol-Übertragungsverhalten Fourier-Transformation Ausgleichsvorgänge in linearen Netzwerken Die Laplace-Transformation Die Laplace-Transformierte elementarer Zeitfunktionen Die Eigenschaften der Laplace-Transformation - Laplace-Transformation einfacher mathematischer Operationen 30

3 XVI Inhaltsverzeichnis Überlagerung Integration Differentiation Produkt zweier Laplace-Funktionen - Faltung Multiplikationssatz Verschiebung im Zeitbereich (Oberbereich) Verschiebung im Laplace-Bereich (Unterbereich) Dehnung bzw. Stauchung Anfangswert-Theorem Endwert-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 (relle Pole und Nullstellen) Bode-Diagramme für komplexe Polpaare 67 4 Nichtlineare elektrische Bauelemente, Schaltungen und Systeme Nichtlineare konzentrierte Bauelemente (R, L,C) Vorbemerkungen Nichtlinearer Widerstand Nichtlineare Induktivität Nichtlineare Kapazität Gesteuerte Quellen Analyse nichtlinearer elektrischer Netzwerke 91 5 Meßfehler Systematische Meßfehler Zufällige Meßfehler Normalverteilung, Mittelwert, Standardabweichung Vertrauensbereich für den Schätzwert Fortpflanzung zufälliger Fehler Genauigkeitsklassen bei Meßgeräten Dynamische Meßfehler 108

4 Inhaltsverzeichnis XVII Das Übertragungsverhalten von Meßsystemen Definition des dynamischen Meßfehlers Bestimmung des dynamischen Meßfehlers Meßsystem mit Tiefpaßverhalten Analoges Messen elektrischer Größen Elektromechanische Meßgeräte Drehspulmeßwerk Galvanometer Elektrodynamisches Meßwerk Dreheisenmeßwerk Drehspulquotientenmeßwerk (Kreuzspulmeßwerk) Drehmagnetmeßwerk 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 Meßverstärker Operationsverstärker Idealer Operationsverstärker Realer Operationsverstärker..' Definitionen von Operationsverstärker-Kenngrößen Operationsverstärker-Grundschaltungen Spezielle Meßverstärker Differenzverstärker Instrumentenverstärker (Instrumentierungsverstärker) Zerhacker-Verstärker Ladungsverstärker Rauschen von MeßVerstärkern Messung der elektrischen Leistung Leistungsmessung im Gleichstromkreis Leistungsmessung im Wechselstromkreis Begriffsdefinitionen Leistungsmessung im Einphasennetz 205

5 XVIII Inhaltsverzeichnis Leistungsmessung in Drehstromsystemen Messung der elektrischen Arbeit Messung von elektrischen Impedanzen Messung von ohmschen Widerständen Strom- und Spannungsmessung Vergleich mit einem-referenzwiderstand Verwendung einer Konstantstromquelle Verwendung eines Kreuzspulinstrumentes Kompensationsschaltungen Gleichspannungskompensation Gleichstromkompensation Gleichstrom-Meßbrücken Gleichstrom-Ausschlagbrücken Gleichstrom-Abgleichbrücken Messung von Schein- und Blind wider ständen Wechselstrom-Meßbrücken Wechselstrom-Abgleichbrücken Einflüsse von Erd- und Streukapazitäten Halbautomatischer Brückenabgleich Wechselstrom-Ausschlagbrücken Darstellung des Zeitverlaufes elektrischer Signale 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 Einsatz von Digital-Oszilloskopen in Verbindung mit Computern Vergleich Analog- und Digital-Oszilloskope Digital-Phosphor-Oszilloskop Stand der Technik bei Digital-Oszilloskopen 276

6 Inhaltsverzeichnis XIX 11 Digitale Meßtechnik 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 Beispiel eines 4 1 / 2 -stelligen Digital-Multimeters Messungen des echten Effektivwertes von Signalen mit Gleichanteil Totaler Fehler infolge Scheitelfaktor Strom-/Spannungsquellen mit Rückmeßfunktion (Source. Measure Units) Source Measure Units in automatischen Testsystemen Messung kleiner Ströme bzw. Spannungen mit SMUs. 352

7 XX Inhaltsverzeichnis 12 Die Messung von Frequenz und Zeit 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 Galileo-Satellitennavigation Störfaktoren bei der Satellitennavigation Meßsignalverarbeitung Aufgaben und Bedeutung Signalarten und Analyseformen Multiplizieren, Dividieren, Quadrieren, Radizieren Ermittlung des Effektivwertes Bestimmung von Mittelungswerten Kenngrößen nicht-sinusförmiger periodischer Signale Messung von Signaleigenschaften mittels Korrelationsfunktion Äußere Störeinwirkungen Optimalfilter (Wiener-Filter) Übertragungsfunktion eines Optimalfilters Beispiel für ein Optimalfilter Regression, lineare Korrelation und Hypothesen- Testverfahren Regressionsverfahren Ausgleichsgerade (lineare Regression) 434

8 Inhaltsverzeichnis XXI Güte der Anpassung bei der linearen Regression (Varianz, Kovarianz, Restvarianz und Korrelationskoeffizient) Ausgleichspolynome Mehrfache lineare Regression Lineare Korrelation Testverfahren (Hypothesen-Testverfahren) 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 Meßdatenerfassung im Labor > Die serielle RS232C-Schnittstelle (V.24-Schnittstelle) Übertragungsmedien 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 Die USB-Schnittstelle Der IEC-Bus Historie des IEC-Bus Bezeichnungen des IEC-Bus IEC-Bus-Komponenten Gerätegrundfunktionen 494

9 XXII Inhaltsverzeichnis 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 PXI-Bus PCI-Express MXI-Bus Historie der bisher diskutierten Bus-Standards Meßdatenerfassung im Feld 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- Programmiersprachen Neue Entwicklungen bei Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) Vernetzung von Speicherprogrammierbaren Steuerungen Visualisierung von SPS-Daten und -Prozessen Hierarchie industrieller Bussysteme Vorschrift für eine einheitliche Kommunikation: Das ISO-Schichtenmodell Netzwerktopologien Bus-Zugriffsverfahren Klassifizierung der Bus-Zugriffsverfahren Modulationsverfahren und Bitcodierung Alternierende Puls Modulation (APM) Fehlererkennung und Datensicherung Bitcodierung Schnittstellenkonverter 545

10 Inhaltsverzeichnis XXIII 17.9 Der Feldbus (FAN) ASI-Bus CAN PROFIBUS-DP FIP-Bus INTERBUS-S BITBUS EIB (European Installation Bus) LON (Local Operating Network) DIN-Meßbus Primäre Sensorelement-Schnittstelle (PrimSens)..., Vernetzung von Meßdatenrechnern (Industrie-LAN, WAN) IP-Adressen Subnetzmasken Internet-Protokoll (IP) Transmission Control Protocol (TCP) Echtzeitfähigkeit des Ethernet Übergeordnete Kommunikationsebenen Physikalische Ethernet-Übertragung Ethernet-Telegrammstruktur Verbindung mehrerer lokaler Netze Standortübergreifende Vernetzung Breitband-ISDN Datex-P GSM : Powerline-Kommunikation (Power Line Communication, PLC) Satellitenkommunikation Metropolitan Area Network (MAN) Wide Area Network (WAN) Hochgeschwindigkeits-Glasfasernetz FDDI 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 LXI Die 3 Geräteklassen A, B und C des LXI-Standards Triggermöglichkeiten von LXI-Geräten Triggerung gemäß IEEE

11 XXIV Inhaltsverzeichnis Die Situation des LXI-Gerätemarktes VPN - Virtual Private Network Programmierung von Meßdatenerfassungssystemen Allgemeine Bemerkungen IEC- und VXI-Bus-Kommunikation, SCPI-Standard Syntax der SCPI-Sprache SCPI-Datenformate Einsatz kommerzieller Software, Kategorien von Softwarelösungen, Dialoggeführte Komplettpakete (Fertiglösungen) Modul-Bibliotheken Graphikorientierte Entwicklungssysteme (Programmgeneratoren) Systeme mit speziellen Kommandosprachen LabVIEW LabWindows MATLAB Gebäudeautomatisierung (Smart Home) 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 631 Literaturverzeichnis 635 Index :.641