Elektrotechnik-Grundlagen Teil 2 Messtechnik

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1 Version Christoph Neuß

2 Inhalt 1. ZIEL DER VORLESUNG ALLGEMEINE HINWEISE ZU MESSAUFBAUTEN MESSUNG ELEMENTARER GRÖßEN GLEICHSTROMMESSUNG WECHSELSTROMMESSUNG MESSUNG VON ZEITLICHEN VORGÄNGEN MESSUNG VON FREQUENZGÄNGEN MESSUNG VON IMPULSANTWORTEN KLIRRFAKTORMESSUNG AKUSTISCHE MESSUNG AN GERÄTEN (LAUTSPRECHER U.A.) MESSEQUIPMENT...6 V Christoph Neuß 2

3 1. Ziel der Vorlesung Die Vorlesungseinheit soll Grundlagen Vermitteln, die eine korrekte Durchführung von Messungen und die Deutung der gewonnenen Ergebnisse ermöglichen. Sie ist vor allem im Hinblick auf theoretische Abschlussarbeiten an der SAE mit messtechnischem Hintergrund entstanden und soll für eventuell auftretende Probleme sensibilisieren. 2. Allgemeine Hinweise zu Messaufbauten Der wichtigste Lehrsatz der lautet: Wer misst, misst Mist. Damit hat man die wesentlichen Probleme schon auf den Punkt gebracht. Es ist praktisch nicht möglich, exakte Messungen vorzunehmen! Jeder Messaufbau beeinflusst immer auch die Messgröße und verfälscht damit das Ergebnis. Man sollte sich bei jeder Messung dieses Problems bewusst sein. Nur so kann man seine gewonnenen Ergebnisse richtig beurteilen. Ein Messergebnis liefert den tatsächlich vorhandenen Wert mit einer Messabweichung. Diese Messabweichung hängt vom benutzten Messgerät, der Kalibrierung des selbigen und der Einbindung des Gerätes in den Aufbau ab. Wenn man z.b. die Akustik eines Raumes beurteilen möchte, dann wird jedes Messgerät, das man in diesem Raum aufbaut, die Akustik selbst auch beeinflussen. Man misst in diesem Fall also die Akustik des Raumes mit einem Messaufbau und nicht die pure Akustik des Raumes. Das Ziel bei einer jeden Messung sollte sein, die Einflüsse des Messaufbaus festzustellen, so klein wie möglich zu halten und zu dokumentieren. Nur in diesem Fall ist es für Außenstehende möglich, die Messung zu beurteilen. 3. Messung elementarer Größen Elementare Größen bezeichnet hier Strom, Spannung, Widerstand und Leistung. Nichtelektrische Größen sollen in dieser Beschreibung nicht berücksichtigt werden. 3.1 Gleichstrommessung Alle hier beschriebenen Größen lassen sich mit einem einfachen Multimeter messen (wobei natürlich die Messgenauigkeit zu berücksichtigen ist). Strom: Zur Strommessung wird ein Messgerät mit möglichst kleinem Innenwiderstand (ideal 0 Ohm) in den zu messenden Weg geschaltet (Reihenschaltung). Damit wird das Messgerät von dem Strom durchflossen, der auch durch den Rest der Schaltung fließt. A Abbildung 1 Strommessung Probleme ergeben sich dadurch, dass ein reales Messgerät keinen 0 Ohm Eingang besitzt und daher den realen Stromfluss verändert. Zusätzlich misst das Gerät diesen Strom auch nicht genau. V Christoph Neuß 3

4 Spannung: Für die Spannungsmessung wird ein Messgerät parallel zu dem Schaltungteil (im einfachsten Fall ein Widerstand), über dem die Spannung gemessen werden soll, geschaltet. Damit der Strom nicht die Abkürzung über das Messgerät nimmt, sollte der Innenwiderstand des Messgerätes möglichst groß sein (ideal ). V Abbildung 2 Spannungsmessung Widerstand: Der Widerstand kann innerhalb einer Schaltung am besten aus Strom und Spannung errechnet werden. Für einzelne Bauteile kann auch die Widerstands-Messfunktion eines Multimeters genutzt werden. Leistung: Die Leistung wird, wie auch der Widerstand, aus Strom und Spannung berechnet. Es gibt Messgeräte, die diese Aufgabe bereits übernehmen. 3.2 Wechselstrommessung Bei Wechselstrommessungen sollte als erstes das Ziel der Messung ermittelt werden. Wenn die zeitlichen Abläufe von Interesse sind, werden Verfahren benutzt, wie sie unter 4. beschrieben sind. Häufig genügt bei Wechselstromsignalen aber auch eine Messung von Spitzenwerten oder von so genannten Effektivwerten. Dies ist immer dann sinnvoll, wenn sich ein Signal periodisch wiederholt und die eigentliche Signalform nicht von Interesse ist. Die Spitzenwertmessung kann zum Beispiel mit einem Oszilloskop vorgenommen werden und gibt die Amplitude entweder nur in der positiven Richtung oder in beiden Richtungen (peak-to-peak) an. Multimeter messen normalerweise Effektivwerte für sinusförmige Signale. Dies sind zeitliche Mittelwerte, die auf Sinussignale bezogen werden. Für andere Signalformen stimmen die Messergebnisse dann nicht! 4. Messung von zeitlichen Vorgängen Die Messung von zeitlichen Vorgängen betrifft in der Tontechnik normalerweise Änderungen im Spannungsverlauf. Abbildung 3 - Oszillogramm aus WaveLab V Christoph Neuß 4

5 In der Elektrotechnik benutzt man Oszilloskope. Wenn relativ langsame Spannungsverläufe (z.b. Audio-Signale) dargestellt werden sollen, bietet sich für Tontechniker die Verwendung von Harddisk-Programmen (z.b. WaveLab) an. Eine beispielhafte Darstellung zeigt Abbildung 3. In der Praxis wird man z.b. die Attack- und Release-Zeiten von Regelverstärkern über solche Darstellungen auswerten. 5. Messung von Frequenzgängen Frequenzgänge werden in der gewöhnlich über die Discrete Fourier Transformation (DFT) ermittelt. Aus Geschwindigkeitsgründen benutzt man eine schnellere Variante davon, die Fast Fourier Transformation (FFT). Abbildung 4 - FFT aus WaveLab Man kann die Frequenzbestandteile eines Signals oder den Frequenzgang eines Gerätes/Raumes ermitteln. Zur Gerätemessung/Raummessung wird ein Eingangssignal benutzt, dass möglichst alle Frequenzen enthält, z.b. weißes Rauschen. Die Abweichungen von einem idealen Frequenzgang lassen sich dann auf das Messobjekt zurückführen. Da die Fourier-Transformation nur für periodische Signale definiert ist, muss man über eine Fenster-Funktion dafür sorgen, dass eine Vervielfältigung des Signalausschnittes möglichst wenige Nebeneffekte erzeugt (tontechnisch ausgedrückt: man muss einen sauberen Loop erzeugen). 6. Messung von Impulsantworten Impulsantworten können mit verschiedenen Signalen gemessen werden. Dirac-Impuls Ideales Messsignal (unendlich kurzer Impuls mit unendlich hohem Pegel) In der Praxis nur als (relativ schlechte) Annäherung zu erzeugen MLS - Maximum Length Sequences Spektrum ähnelt dem eines Dirac-Impulses V Christoph Neuß 5

6 Sinus-Sweep Gefärbtes Spektrum (betonter Bassbereich) Leichter zu handhaben als eine MLS Alle Messsignale müssen aus der Messung eliminiert werden (über inverse Faltung, Kreuzkorrelation u.ä.) 7. Klirrfaktormessung Der Klirrfaktor wird nach folgender Formel über Spannungs-Effektivwerte ermittelt: U Obertöne k = 100% U Gesamtsignal Der prinzipielle Messvorgang ist in Abbildung 5 dargestellt. In der Praxis wird man ein Messgerät verwenden, welches die Klirrfaktormessung mehr oder weniger automatisch durchführt (z.b. Klirrfaktormessbrücke). Messung des Gesamtsignals 1KHz Sinus Gerät X V Messung der Obertöne 1KHz Sinus Gerät X + V -1 Abbildung 5 - Klirrfaktormessung 8. Akustische Messung an Geräten (Lautsprecher u.a.) Eine direkte Messung von akustischen Eigenschaften ist heutzutage nicht möglich. Man wird diese in der Praxis immer in elektrische Signale umwandeln. Dies geschieht in der Regel über Messmikrofone. Um den Raum aus der Messung auszuschließen werden entweder Freifeldmessungen oder Messungen in einem Reflexionsarmen Raum durchgeführt. Bei beiden Varianten gilt es herauszufinden, für welche Frequenzbereiche die Bedingungen akzeptabel sind. Bei der Messung von Mikrofonen stellt sich nicht das Problem der Wandlung von akustischen Signalen in elektrische Signale (das erledigt ja das Mikrofon), sondern der umgekehrte Fall. Die Messsignale müssen möglichst unverfälscht an das Mikrofon gelangen. Lautsprecher zur Widergabe dieser Signale sollten also möglichst ideal sein. 9. Messequipment Aus Abschnitt 2 lässt sich für das zu verwendende Messequipment ein wichtiger Schluss ziehen: Man sollte immer das beste erhältliche Messequipment benutzen. Kein schlechteres, aber auch kein besseres!. Mit diesem Equipment (und sei es noch so gut oder schlecht) führt man die Messung durch und dokumentiert, welche Fehler sich aus dem Equipment ergeben. V Christoph Neuß 6

7 Eine gut dokumentierte Messung mit schlechtem Equipment ist viel aussagekräftiger, als eine schlecht dokumentierte Messung mit sehr teurem Spitzen-Equipment! Studenten unterliegen bei Ihren Arbeiten häufig der Wahnvorstellung, eine Messung mit billigen Messgeräten würde zu Abzügen in der Benotung führen. Dies ist allerdings keineswegs der Fall. Zu Abzügen in der Benotung führt in der Regel ein falscher Umgang mit dem vorhandenen Equipment. Zu einer messtechnischen Arbeit gehören genaue Angaben über die benutzten Messgeräte. Zu jedem Messgerät sollte (wenn möglich) eine Angabe der relevanten Ungenauigkeiten geliefert werden. Bei einem Messmikrofon sollte z.b. der Frequenzgang angegeben werden. Die Fehler einer Messkette lassen sich oft durch einfache Mittel weitestgehend aus der Messung eliminieren. Dies soll hier am Beispiel einer Frequenzgangmessung an einem Equalizer kurz erläutert werden: PC DAC ADC EQ PC DAC ADC Abbildung 6 - Messkette und Referenz-Messkette Bei der Messung an einem analogen Equalizer soll hier ein Messsystem auf einem PC zum Einsatz kommen. Dazu ist es nötig, Eine Messkette aus PC, D/A-Umsetzer, EQ und A/D- Umsetzer aufzubauen. Wie allgemein bekannt sein dürfte, werden aber vor allem die Umsetzer einiges an Fehlern erzeugen. Um diese Fehler nicht auf den Equalizer zu schieben, sollte die ganze Kette auch einmal ohne den Equalizer gemessen werden (siehe Abbildung). Diese Referenzmessung liefert die Ungenauigkeiten des Systems, die bei der Messung mit dem Equalizer einfach abgezogen werden können. Selbst einfache Messsoftware bietet normalerweise diese Möglichkeit an. V Christoph Neuß 7