Elektrische Messtechnik

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1 Reinhard Lerch Elektrische Messtechnik Analoge, digitale und computergestützte Verfahren 3., neu bearbeitete und erweiterte Auflage Mit 564 Abbildungen und CD-ROM Springe]

2 1 Umfang und Bedeutung der Elektrischen Meßtechnik Zur Historie und Bedeutung der Meßtechnik Der Begriff des Messens Begriffsdefinitioncn in der Meßtechnik Allgemeine Begriffe Meßgerät und Meßeinrichtung Meßkette (StruktTir einer elektrischen Meßeinrichtung) Vorschriften und Normen Klassifizierung von Meßmethoden Ausschlagmcthode - Kompensationsmethode Analog - Digital Kontinuierlich - Diskontinuierlich Direkt - Indirekt Die Informationsträger im Mcßsignal 9 2 Die Grundlagen des Messens II 2.1 Maßsysteme, Einheiten. Naturkonstanten Maßsysteme Naturkonstanten Abgeleitete Einheiten Größen- und Zahlenwertgleichungen 13 3 Ausgleichsvorgänge, Frequenz-Transformation und Vierpol-Ubertragungsverhalten 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 XIV Inhaltsverzeichnis Überlagerung Integration Differentiation Produkt zweier Laplace-Funktionen - Faltung Multiplikationssatz Verschiebung im Zeitbereich (Oberbereich) Verschiebung im Laplace-Bereicli (Unterbereich) Dehnung bzw. Stauchung Anfangswert-Theorem Endwert-Theorem Analyse eines RC-Netzwerkes mittels Laplace-Transformation Die Rücktransformation von Laplace-Transformierten in den Zeitbercich Lösung von linearen Differentialgleichungen mit konstanten Koeffizienten Berechnung von Einscliwingvorgängen in elektrischen Netzwerken mit konzentrierten linearen passiven Bauelementen Rücktransformation mittels Residuenmethode - Hcavisidescher Entwicklungssatz Vierpol-Übertragungsfunktion im Zeit- und Frequenzbereich Beschreibung von linearen zeitinvarianten Netzwerken durch ihre Sprungantwort Bode-Diagranune Regeln für Bode-Diagramme 61 Nichtlineare Bauelemente, Schaltungen und Systeme Nichtlineare Bauelemente Nichtlinearer Widerstand Nichtlinearc Induktivität Messung von Hysteresekurven Nichtlineare Kapazität Gesteuerte Quellen Analyse nichtlincarer elektrischer Netzwerke 83 Meßfehler Systematische Meßfehler Zufällige Meßfehler Normalverteilung. Mittelwert, Standardabweichung Vertrauensbereich für den Schätzwert Fortpflanzung zufälliger Fehler Genauigkeitsklassen bei Meßgeräten Dynamische Meßfehler Das Ubertragungsverhalten von Meßsystemen Definition des dynamischen Meßfehlers Bestimmung des dynamischen Meßfehlers 105

4 XV Meßsystem mit Tiefpaßverhalten Analoges Messen elektrischer Größen Elektromechanische Meßgeräte Drehspulmeßwcrk Galvanometer Elektrodynamisches Meß werk Dreheisenmeßwerk Drehspulquotientenmeßwerk (Kreuzspulmeßwerk) Drehmagnetmeßwcrk 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 Begriffsdefmitionen 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 Differenz Verstärker Instrumentenverstärker (Instrumentierungsverstärker) Zerhacker-Verstärker Ladungsverstärker Rauschen von Meßverstärkern Messung der elektrischen Leistung Leistungsmessung im Glcichstromkreis Leistungsmessung im Wechselstromkreis Begriffsdefmitionen Leistungsmessung im Einphasennet^ Leistungsmessung in Drehstromsystemen Messung der elektrischen Arbeit 207

5 Messung von elektrischen Impedanzen Messung von ohmschen Widerständen Strom- und Spaimungsmessung Vergleich mit einem Referenz widerstand Verwendung einer Konstantstromquelle Verwendung eines Kreuzspulinstrumentes Kompensationsschaltungen Gleiehspannungskoinpcnsation Gleichstromkompensation Gleichstrom-Meßbrücken Gleichstrom- Ausschlagbrücken Gleichstrom-Abglcichbrücken Messung von Schein- und Blindwiderständen Wechselstrom-Meßbrücken Wechselstrom-Abgleichbrücken Einflüsse von Erd- und Streukapazitäten Halbautomatischer Brückenabgleich Wechselstrom-Ausschlagbrücken 233 Darstellung des Zeitverlaufes elektrischer Signale Analoges Elektronenstrahl-Oszilloskop Aufbau und Funktion der Elektroncnstrahl-Röhre Zeitablenkimg 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-Speicherosziltoskops Einsatz von Digital-Oszilloskopen in Verbindung mit Computern Vergleich Analog- und Digital-Oszilloskope Digital-Phosphor-Oszilloskop Stand der Technik bei Digital-Oszilloskopen 268 Digitale Meßtechnik Duales Zahlensystem und Binärcodes Dualzahlendarstcllung BCD-, Hexadezimal- und Gray-Code Fehlercrkenmmg und Fehlerkorrektur 272

6 XVII 11.2 Binäre Signale und ihre Verknüpfung Grundregeln bei der logischen Verknüpfung Digitale Grundschaltungen (Gatterschaltungen) Digitale Addierer Bistabile Kippschaltungen RS-Flip-Flop Taktzustandgestcuertes 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 DuaMhlcr BCD-Zähler Digital-Analog-Umsetzung Grundlagen und Kenngrößen Schaltungsteclmische Realisierungen Fehler bei der Digital-Arialog-Umsetzung Analog-Digital-UmseUung Abtastung (Sampling) Abtast-Halte-Schaltungen Direktverglcichende Analog-Digital-Umsetzer Analog-Digital-Umsctzung 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-Multimet er (DMM) Anzahl der Stellen und Genauigkeit Beispiel eines 4 l / 2 -stelligen Digital-Multimcters 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. 344

7 XVIII Inhaltsverzeichnis 12 Die Messung von Frequenz und Zeit Mechanische Frequcnzmessung Digitale Frequenzmessung Digitale Zeitmessung Zeitintervallmessung (Zeitdifferenzmessung) Periodendauermcssung Digitale Phasenwinkelmcssung Rechnender Zähler Zeit-Spannungs-Umsetzer (t/u-umsetzer) Frcquenz-Spamiungs-Umsetzer (f/u-umsetzer) Oszillatoren Grundlagen Harmonische Oszillatoren LC-Oszillator Rclaxationsoszillatoren Quarzoszillator Operationsverstärker-Schaltung eines Quarzoszillators Fehler von Schwingquarzen Fehler bei der digitalen Zeitintcrvall- bzw. Frequenzmessung Zeitzeichensender und Funknavigation DCF-77 Zeitzeichensender NAVSTAR/GPS-Satellitennavigation Gallleo-Satcllitemiavigation Meßsignalverarbeitung Aufgaben und Bedeutung Signalartcn und Analyseformen Multiplizieren, Dividieren, Quadrieren, Radizieren Ermittlung des Effektivwertes Bestimmung von Mittelungswerten Kenngrößen nicht-sinusförmiger periodischer Signale Messung von Sigiialeigenschafteii mittels Korrelatioiisfunktion 396 f 3.8 Äußere Störeinwirkungen Grundlagen der Rechnergestützten Meßdatenerfassung Grundstrukturen von rechnergestützten Meßsystemen Basis-Hardware zur Meßdatenerfassung Multifunktions-Einsteckkarten Multiplexer Störungen infolge Erdschleifen und Einkopphmgen Serielle Schnittstellen Parallelbussysteme Datenlogger Grundtypen des Datentransfers 423

8 XIX 15 Meßdatenerfassung im Labor Die serielle RS232C-Schnittstelle (V.24-Sctmitt.stelle) Übertragungsmedien Leitungsbclegung und Steckerverbindung der RS232C-Sehnittstelle ' Pegelfestlegung und deren logische Zuordnung Logikdefinition für Datcnlcitungen Logikdefinition für Steuer- und Meldeleitungen Synchronisicrung Handshake-Verfahren (Quittierangsvcrfahren) Software-Handshaking Hardware-Handshaking Hardware-Realisierung von seriellen Schnittstellen Kenngrößen der seriellen Datenübertragung Die RS485-Schnittstclle Twisted-Pair-Leitung Twisted-Pair-Leitungcn Die 20 ma-stromschleife Die USB-Schnittstelle Der IEC-Bus Historie des IEC-BUS Bezeichnungen des IEC-Bus IEC-Bus-Koraponcntcn Gerätegrundfunktionen IEC-Bus-Leitungen Bus-Logik Handshake-Verfahren (Dreidraht-Handshake) Nachrichtenartcn Schlußzeichen Statusabfrage IEC-Bus-Hardware VXI-Bns, PXI-Bus und MXI-Bus VXI-Bns Resource Manager (System Manager) Commander Servant Busgliederung/Tcilbusse VXI- und IEC-Bus PXI-Bus PCI-Express MXI-Bus Historie der bisher diskutierten Bus-Standards 466

9 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 lec-genormten SPS- Programmiersprachen Neue Entwicklungen bei Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) Vernetzung von Speicherprogrammierbarcn 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) Felilererkcnnung und Datensicherung Bitcodierung Schnittstellenkonverter 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-Schuittstelle (PrimSens) 514 Vernetzung von Meßdatenrechnern (Industrie-LAN, WAN) IP-Adressen Subnetzmasken Internet-Protokoll (IP) Transmission Control Protocol (TCP) Echtzeitfähigkeit des Ethernet Übergeordnete Kommunikationsebenen 523

10 XXI 17.7 Physikalische Ethernet-Übertragung Ethernet-Tclegrammstruktur Verbindung mehrerer lokaler Netze Standortübergreifende Vernetzung Breitband-ISDN Datex-P GSM L0.4 Powerline-Kommunikation (Power Line Communication, PLC) Satellitenkommunikation Metropolitan Area Network (MAN) Wide Area Network (WAN) Hochgeschwindigkeits-Glasfasernetz FDDI Rechnernetze zur Meßdatenübertragung Spezielle Bussystcmc zur Meßdatenerfassung Vernetzung von Meßdatenerfassungssystcmcn 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 LXFGeräten Triggcrung gemäß IEEE Die Situation des LXl-Gerätcmarktes 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 Komplettpakctc (Fertiglösungen) Modul-Bibliotheken Graphikorientierte Entwicklungssysteme (Programmgeneratoren) Systeme mit speziellen Kommandosprachen LabVIEW LabWindows MATLAB 567

11 XXII Inhaltsverzeichnis 19 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 Standortiibergreifendc Vernetzung Weltweite Vernetzung Software 581 Literaturverzeichnis 585 Index 591