Grundlagen der Meßtechnik

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1 Grundlagen der Meßtechnik herausgegeben von Professor em. Dr. Paul Profos ETH Zürich und Professor Dr.-Ing. Dr. hc. Tilo Pfeifer RWTH Aachen 4., verbesserte Auflage Mit 262 Bildern und 46 Tabellen R. Oldenbourg Verlag München Wien 1993

2 Vorwort zur 3. Auflage Vorwort zur 4. Auflage V VI A. Theoretische Grundlagen 1 1. Grundlegende Begriffe und Definitionen Wesen des Messens; Fundamental-Voraussetzungen Normale und deren Einheiten Idealisiertes Blockschema; allgemeine Begriffe Meßverfahren Direkte und indirekte Meßverfahren Analoge und digitale Verfahren Zeitlich kontinuierliche und diskontinuierliche Verfahren...' Ausschlags- und Kompensationsverfahren Meßfehler und Fehlerursachen Repräsentativität, Repräsentativitätsfehler Allgemeines Blockschema des fehlerbehafteten Meßsystems Fehler, Korrektion Rückwirkung des Meßvorganges auf die Meßgröße: Bürde Superponierende äußere Störeinflüsse Deformierende äußere Störeinflüsse Innere Störeinflüsse Fehler im Zusammenhang mit dem Meßvorgang Einfluß der Einsatzbedingungen der Meßeinrichtung Systematische und zufällige Fehler Statische und dynamische Fehler Fehler im Zusammenhang mit der Auswertung von Meßwerten Quantisierung der Meßwerte, Ablesefehler Zeitliche Diskretisierung durch die Auswertung Fehler bedingt durch die Auswertehypothese Fehlerfortpflanzung durch die Auswertung Fehlercharakteristiken von Meßgeräten Nullpunktsunempfindlichkeit, Ansprechwert, Anlaufwert ; Umkehrspanne, Hysterese, elastische Nachwirkung Auflösung Nullpunktsstabilität Meßunsicherheit, Fehlergrenzen Linearität, Toleranzbänder Güteklassen Statische Meßfehler Fehlerarten Fehlererfassung Zufällige Fehler der Einzelmessung Zufällige Fehler von Mittelwerten Systematische Fehler: Eichung 34 IX

3 3.3 Fehlerfortpflanzung Systematische Fehler Zufällige Fehler Fehlergrenzen Auswerteverfahren im Zusammenhang mit statistischen Fehlern Prüfung der Hypothese der Gauß-Verteilung Ausreißer Unterschiede von Mittelwerten Lineare Regression Lineare Korrelation v Möglichkeiten der automatischen Fehlerkorrektur Prinzip der Störgrößenabschirmung Prinzip der Fehlerkompensation Prinzip der Rückführung Prinzip der Signalfilterung < ; Dynamische Meßfehler Messen als Signalübertragungsprozeß :... : Signale und ihre mathematische Beschreibung Klassierung von Signalen : Beschreibung deterministischer Signale im Zeitbereich Beschreibung stochastischer Signale im Zeitbereich Beschreibung periodischer Signale im Frequenzbereich ; Beschreibung aperiodischer Signale im Frequenzbereich.:...' Beschreibung stochastischer Signale im Frequenzbereich.: Beschreibung von Signalen durch Impulsreihen Übertragungsverhalten des Meßsystems und seine mathematische Beschreibung Beschreibung des Übertragungsverhaltens durch die Differentialgleichung Beschreibung des Übertragungsverhaltens durch Antwortfunktionen s Beschreibung des Übertragungsverhaltens durch die Übertragungsfunktion bzw. den Frequenzgang...: Zusammenhang der Beschreibungsmittel des Übertragungsverhaltens Dynamische Eigenschaften fundamentaler Meßsysteme Meßsystem 1. Ordnung Meßsystem 2. Ordnung Meßsystem mit Totzeit Dynamische Meßfehler Definition des dynamischen Meßfehlers Berechnung des dynamischen Meßfehlers :' Dynamische Kenngrößen von Meßsystemen. '.-.* Korrektur dynamischer Meßfehler Dynamische Störwirkungen Berechnung der durch dynamische Störwirkungen hervorgerufenen Fehler Bekämpfung der dynamischen Störwirkungen.... : Gesetzliche Grundlagen des Meßwesens Einleitung Das Internationale Einheitensystem (SI) Basiseinheiten Abgeleitete SI-Einheiten Gesetzliche Vorschriften über Einheiten im Meßwesen Gesetzliche SI-Einheiten ;.....-: Weitere gesetzliche Einheiten 105 X

4 5.3.3 Gesetzliche Einheiten mit eingeschränktem Anwendungsbereich Tabelle häufig verwendeter Einheiten Umrechnung angelsächsischer Einheiten Gesetzliche Vorschriften des Meß- und Eichwesens....' 118 B. Allgemeines zur Gerätetechnik 1. Funktionselemente und Strukturen von Meßsystemen Einleitung : Funktionselemente von Meßsystemen "Funktionsstrukturen von Meßsystemen Grundstrukturen Funktionsstrukturen klassischer" Meßsysteme Funktionsstrukturen komplexer Meßsysteme..., Funktionsstrukturen modellgestützter Meßsysteme Meßgrößenerfassung Begriff der Meßgrößenerfassung : Erfassung einer repräsentativen Meßgröße Möglichst fehlerfreie Erfassung dieser Meßgröße Primäre Umwandlung der Meßgröße Arten der Meßwerterfassung.: Primäre Umwandlungseffekte und Meßgrößenaufnehmer Aufnehmer mit mechanischem Ausgang Aufnehmer mit pneumatischem Ausgang ; Sensoren mit elektronischem Analogausgang Sensoren mit optischer Wirkung Sensoren mit integrierter Signalelektronik und Digitalausgang Meßgrößenumformung Grundlagen Zielsetzung und Bedeutung Begriffe Verknüpfung von Eingangs- und Ausgangsgröße eines Meßgrößenumformers durch physikalische und physikalisch-chemische Effekte Verknüpfungsmatrix Umkehr der Wandelungsrichtung Spezielle Anwendungen Umformung nichtelektrischer Signale in elektrische Mechanische Größen Thermische Größen <., Akustische Größen Umformung elektrischer Signale Umformung der Größenart elektrischer Signale Umformung eines elektrischen Signals in eine andere Signalart Rechenschaltungen Analoge Rechenschaltungen Addierer und Subtrahierer Multiplizierer und Dividierer. 189 XI

5 4.1.3 Radizierer und Potenzierer Differenzierer und Integrierer ; ' Digitale Rechenschaltungen Rechenoperationen mit Impulsfolgen und Frequenzsignalen Kombinatorische Logikschaltungen Rechenwerke Meßsignalverarbeitung Allgemeines ; :1 Aufgaben und Bedeutung der Meßsignalverarbeitung Entwicklungstrend Signalanpassung Getastete Signale und ihre Übertragung Auswirkungen der Abtastung Die Übertragungsfunktion digitaler Systeme Filter, / Analoge Filter Digitale Filter Signalverarbeitung durch Einzweckgeräte Übersicht über Aufgaben und Lösungsmöglichkeiten Geräte zur Messung von Amplitudenverteilungen Geräte zur Bestimmung von Mittelungswerten : Frequenzanalyse Meßsignal-Erfassung und-verarbeitung mit Digitalrechnern Übersicht Die Meßkette für digitale Meßsignal-Verarbeitung Prozeßrechner Programme für Prozeßrechner Möglichkeiten der Signalverarbeitung mit Prozeßrechnern Ausgabegeräte -: Übersicht Darstellung analoger Meßwerte Darstellung digitaler Meßwerte Mechanische Anzeigen Optische Anzeigen Optoelektronische Anzeigen Intelligente Anzeigen ' Datensichtgeräte : Informationsdarstellung durch Sichtgeräte..* Technologie der Bildschirme Meßwertausgabe durch Personal Computer (PC) Hardware-Benutzerschnittstelle: Grafikbildschirme Meßtechnische Hardware-Erweiterungen für PCs Software-Benutzerschnittstelle Meßwertausgabe in der industriellen Prozeßleittechnik.... ; Meßwertdrucker Typen- und Matrixdrucker Zeichen- und Zeilendrucker Anschlagende und nichtanschlagende Drucker Übersicht verschiedener Druckertypen Plotter Flachbettplotter 331 XII

6 6.8.2 Trommelplotter Schreiber Punkt- und Linienschreiber Kompensationsschreiber ' Übersicht der Schreibverfahren Schreiber als intelligente Registriergeräte Sprachausgabe " Die Zuverlässigkeit von Meßsystemen Die wichtigsten Größen der Zuverlässigkeitsrechnung und ihre Zusammenhänge Die Zuverlässigkeit von Bauelementen Die Ausfallrate Die exponentielle Verteilung der Überlebenswahrscheinlichkeit Ausfallkriterium Beanspruchungen Zuverlässigkeitsprüfungen Einige Grundlagen der Verknüpfung von Wahrscheinlichkeiten Zuverlässigkeit von Geräten und Systemen, Die Zuverlässigkeit einfacher Schaltungen Die Zuverlässigkeit redundanter Schaltungen Reparatur und Inspektion Methoden zur Berechnung der Zuverlässigkeit vermaschter Systeme Zuverlässigkeit von Rechnern Zuverlässigkeit der Hardware Zuverlässigkeit der Software 354 Register 361