Elektrische Messtechnik

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1 Elektrische Messtechnik Messung elektrischer und nichtelektrischer Größen von Elmar Schrüfer 8., neu bearbeitete Auflage Hanser München 2004 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN Zu Leseprobe schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG

2 CARL HANSER VERLAG Elmar Schrüfer, Leonhard M. Reindl Elektrische Messtechnik Messung elektrischer und nichtelektrischer Größen

3 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen Umfang und Bedeutung der elektrischen Messtechnik Maßeinheiten Internationales Einheitensystem, SI-Einheiten Einheiten und Fundamentalkonstanten Darstellung der mechanischen Grundeinheiten Darstellung, Reproduzierung, Bewahrung und Weitergabe der elektrischen Einheiten Rückführbarkeit; Deutscher Kalibrierdienst Größen- und Zahlenwertgleichungen Statisches Verhalten der Messgeräte Statische Messfehler und Messunsicherheiten Einführung Bekannte Einflüsse; systematische Messfehler Unbekannte Einflüsse; Messunsicherheit Dynamisches Verhalten der Messgeräte Verzögerungsglied l. Ordnung Verzögerungsglied 2. Ordnung Weitere Beispiele für das Zeitverhalten Dynamische Messfehler Fehlermöglichkeiten Korrektur des dynamischen Fehlers Strukturen von Messeinrichtungen Kettenstruktur Parallelstruktur Kreisstruktur Die informationstragenden Parameter der Messsignale

4 8 Inhaltsverzeichnis 1.9 Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen Physikalische Effekte zum elektrischen Messen nichtelektrischer Größen Sensornahe Signalverarbeitung Messung von Strom und Spannung; spannungs- und stromliefernde Aufnehmer Elektromechanische Messgeräte und ihre Anwendung Messwerke Messung von Gleichstrom und Gleichspannung Messung von Wechselstrom und Wechselspannung Messung der Leistung Messung der elektrischen Arbeit Registrierende Messgeräte Elektronenstrahl-Oszilloskop Elektronenstrahl-Röhre Baugruppen Spezial-Oszilloskope Betriebsarten des Elektronenstrahl-Oszilloskops Messverstärker Einführung Nicht invertierender Spannungsverstärker Invertierender Stromverstärker Anwendungen des Spannungsverstärkers Anwendungen des Stromverstärkers Nullpunktfehler des realen Operationsverstärkers Elektrodynamische spannungsliefernde Aufnehmer Weg- und Winkelmessung Analoge Drehzahlmessung Hall-Sonde Induktions-Durchflussmesser Thermische spannungsliefernde Aufnehmer

5 Inhaltsverzeichnis Thermoelement Integrierter Sperrschicht-Temperatur-Sensor Chemische spannungsliefernde Aufnehmer und Sensoren Galvanisches Element ph-messkette mit Glaselektrode Sauerstoffmessung mit Festkörper-Ionenleiter Piezo- und pyroelektrische ladungsliefernde Aufnehmer Wirkungsweise und Werkstoffe Piezoelektrischer Kraftaufnehmer Pyroelektrischer Infrarot-Sensor Optische Aufnehmer und Sensoren Fotoelement und Fotodiode Fotosensoren für Positionsmessungen und zur Bilderzeugung Fotozelle Fotovervielfacher Aufnehmer für ionisierende Strahlung Ionisationskammer Auslöse-Zählrohr Halbleiter-Strahlungsdetektor Messung von ohmschen Widerständen; Widerstandsaufnehmer Strom- und Spannungsmessung Gleichzeitige Messung von Spannung und Strom Vergleich mit einem Referenzwiderstand Anwendung einer Konstantstromquelle Brückenschaltungen Abgleich-Widerstandsmessbrücke Ausschlag-Widerstandsmessbrücke Verstärker für Brückenschaltungen Subtrahierer mit invertierendem Verstärker Subtrahierer mit Elektrometer-Verstärkern Trägerfrequenz-Brücke und -Messverstärker

6 10 Inhaltsverzeichnis 3.5 Widerstandsaufnehmer zur Längen- und Winkelmessung Widerstandstemperaturfühler Metall-Widerstandsthermometer Heißleiter Kaltleiter Silizium-Widerstandstemperatursensor Fehlermöglichkeiten bei der Anwendung von elektrischen Berührungsthermometern Ermittlung verfahrenstechnischer Größen durch Temperaturmessungen Füllstandswächter Thermischer Massenstrommesser Messung der Luftfeuchte; Messung von Gaskonzentrationen Gassensoren mit halbleitenden Metalloxiden Lichtempfindlicher Widerstand Magnetisch steuerbarer Widerstand Dehnungsmessstreifen Prinzip Metall-Dehnungsmessstreifen Störgrößen Anwendung der DMS zur Spannungsanalyse Halbleiter-Dehnungsmessstreifen Linearisieren der Widerstandsaufnehmer-Kennlinien Linearisieren durch einen Vor- und/oder Parallelwiderstand Messung der Spannungsdifferenz bei Differenzial- Widerstandsaufnehmern Differenzial-Widerstandsaufnehmer in einer Halbbrücke Messung von Blind- und Scheinwiderständen; induktive und kapazitive Aufnehmer Strom- und Spannungsmessung Messung der Effektivwerte Vergleich mit Referenzelement Getrennte Ermittlung des Blind- und Wirkwiderstandes

7 Inhaltsverzeichnis Messung eines Phasenwinkels Strommessung in einem fremderregten Schwingkreis Wechselstrom-Abgleichbrücke Prinzip Kapazität-Mmessbrücke nach Wien Induktivitäts-Messbrücke nach Maxwell Induktivitäts-Messbrücke nach Maxwell-Wien Phasenschieber-Brücke Wechselspannungs-Ausschlagbrücke Induktive und kapazitive Aufnehmer Tauchanker-Aufnehmer zur Längen- und Winkelmessung Queranker-Aufnehmer zur Längen- und Winkelmessung Kurzschlussring-Sensor Anwendung der induktiven Längen- und Winkelgeber Induktiver Schleifendetektor zur Erfassung von Fahrzeugen Magnetoelastische Kraftmessdose Kapazitive Aufnehmer Änderung des Plattenabstands Änderung der Plattenfläche Geometrische Änderung des Dielektrikums Änderung der Permittivitätszahl durch Feuchtigkeit oder Temperatur Einsatz der induktiven und kapazitiven Abgriffe in Differenzdruck- Messumformern Vergleich der induktiven und der kapazitiven Längenaufnehmer Energie des magnetischen und des elektrischen Feldes Größte der Brückenschaltung entnehmbare Leistung Steuerleistung zum Verstellen der Aufnehmer

8 12 Inhaltsverzeichnis 5 Digitale Grundschaltungen; Zeit- und Frequenzmesstechnik Binäre Signale und ihre logischen Verknüpfungen Binäre Signale Logische Verknüpfungen binärer Signale Darstellung, Anzeige und Ausgabe numerischer Messwerte Duales Zahlensystem Binärcodes für Dezimalzahlen Ziffernanzeige; Vergleich mit Skalenanzeige Umsetzung eines digitalen Signals in eine Spannung Bistabile Kippstufen Asynchrones RS-Speicherglied Taktgesteuertes RS-Speicherglied Taktflankengesteuertes D-Speicherglied Taktflankengesteuertes JK -Speicherglied Taktflankengesteuertes T -Speicherglied Zähler Asynchroner Vorwärts-Dualzähler Synchroner Vorwärts-Dualzähler Synchroner Vorwärts-BCD-Zähler Register Parallelregister Schieberegister zur Parallel/Serien-Umsetzung Schieberegister zur Serien/Parallel-Umsetzung Multiplexer als Parallel/Serien-Umsetzer Digitale Zeitmessung Einführung Digitale Messung eines Zeitintervalls Messung einer Periodendauer Messung eines Phasenwinkels Digitale Frequenzmessung Digitale Messung einer Frequenz oder einer Impulsrate

9 Inhaltsverzeichnis Messung des Verhältnisses zweier Frequenzen oder Drehzahlen Messung der Differenz zweier Frequenzen oder Drehzahlen Universalzähler Analoge Messung eines Zeitintervalls oder einer Frequenz Analoge Messung eines Zeitintervalls; t/u -Umformung Analoge Messung einer Frequenz oder Impulsrate; f/u -Umformung Drehzahlaufnehmer Analog/Digital-Umsetzer für elektrische und mechanische Größen Abtast- und Halteglied mit Multiplexer Direkt vergleichende A/D-Umsetzer Komparator Komparator mit Hysterese A/D-Umsetzer mit parallelen Komparatoren Kaskaden-Parallel-Umsetzer A/D-Umsetzer mit sukzessiver Annäherung an den Messwert Spannung/Zeit- und Spannung/Frequenz-Umsetzer u/t-zweirampen-umsetzer u/f -Umsetzer nach dem Ladungsbilanzverfahren Synchroner u/f -Umsetzer nach dem Ladungsbilanzverfahren Delta-Sigma-Umsetzer Kenngrößen der Analog/Digital-Umsetzer Kennlinie Abtasttheorem Umsetzrate und Auflösung Quantisierungsrauschen, Zahl der effektiven Bit Analog/Digital-Umsetzer in Messgeräten Digital-Multimeter Digitales Speicher-Oszilloskop Logikanalysator A/D-Umsetzer für mechanische Größen

10 14 Inhaltsverzeichnis Endlagenschalter Codierte Längen- und Winkelgeber Inkrementale Längen- und Winkelgeber Vergleich der codierten und inkrementalen Längengeber Schwingungsmessungen Astabile Kippschaltungen als Frequenzumsetzer Kippschaltung mit Verstärker und Komparator Kippschaltung mit stabilisierten Hilfsspannungen Harmonische Oszillatoren Erzeugung ungedämpfter Schwingungen LC-Oszillator RC-Oszillator Piezoelektrische Resonatoren Volumenschwingende Quarze Oberflächenwellen OFW in Quarzen Funkabfragbare Sensoren Ultraschall-Durchflussmesser Mechanische Schwingungen Charakteristische Größen Relative Schwingungsmessung Absolute Schwingungsmessung Monolithisch integrierter Beschleunigungssensor Schwingsaiten-Frequenzumsetzer Stimmgabel-Frequenzumsetzer Coriolis-Massendurchflussmesser Spektralanalyse Aufgabenstellung FTC eines zeitkontinuierlichen Signals FTD eines zeitdiskreten Signals Übergang vom zeitkontinuierlichen zum zeitdiskreten Signal.. 414

11 Inhaltsverzeichnis Unterschiede bei der Transformation eines zeitkontinuierlichen und eines zeitdiskreten Signals Abtasttheorem DFT eines abgetasteten, zeitbegrenzten Signals Datensatz mit endlich vielen Werten; diskrete Spektralfunktion Zusammenhang zwischen FTD und DFT; Anhängen von Nullen Wahl der Abtastfrequenz Inverse Diskrete Fouriertransformation IDFT DFT eines abgetasteten, nicht zeitbegrenzten Signals Konstantes Signal Periodisches Signal Anhängen von Nullen, Abtastfrequenz und Messzeit Inverse Diskrete Fouriertransformation IDFT Fensterfunktionen Kriterien zur Beurteilung Fensterfunktionen und ihre Spektren Fensterung bei transienten Signalen Anwendungen der DFT Leistungsmessung im Zeit- und Frequenzbereich Rechnerunterstützte Messsysteme Einführung Aufbau eines Personal Computers Gerätetechnik Software Schnittstellen und Bussysteme Einführung Serielle RS-232-Schnittstelle und abgeleitete Schnittstellen Universal Serial Bus USB Paralleler IEC-Bus Funknetz mit Bluetooth- und WLAN-Schnittstellen Messgeräte mit integrierter digitaler Schnittstelle

12 16 Inhaltsverzeichnis Anschluss Steuerung Messgeräte ohne integrierte Schnittstelle Prinzip Aufbau einer Messkarte Anschluss einer Messkarte an einen Rechner Messprogramme Aufgaben der Messprogramme Ablauf eines rechnergestützten Messprozesses Virtuelles Messgerät LabVIEW MATLAB Beispiel: Messung des linearen Frequenzgangs Literaturverzeichnis Tabellenverzeichnis Sachwortverzeichnis