Elektrische Meßtechnik

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1 Elmar Schrüfer Elektrische Meßtechnik Messung elektrischer und nichtelektrischer Größen mit 410 Bildern und 36 Tabellen 7., korrigierte Auflage HANSER

2 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen Umfang und Bedeutung der elektrischen Meßtechnik Maßeinheiten Internationales Einheitensystem, SI-Einheiten Einheiten und Naturkonstanten Darstellung der Grundeinheiten Größen-und Zahlenwertgleichungen Umrechnung nichtkohärenter Einheiten Statisches Verhalten der Meßgeräte Statische Meßfehler und Meßunsicherheiten Voraussetzungen für eine fehlerfreie Messung Systematische Meßfehler Zufällige Meßfehler Meßunsicherheit bei bekannten Garantiefehlergrenzen Dynamisches Verhalten der Meßgeräte Verzögerungsglied 1. 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 Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen Physikalische Effekte zum elektrischen Messen nichtelektrischer Größen Technologien zur Sensorfertigung Sensornahe Signalverarbeitung 67 2 Messung von Strom und Spannung; Spannung- 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 Kompensatoren Gleichspannungskompensation Gleichstromkompensation Servomultiplizierer und -dividierer Meßwerk- und Kompensationsschreiber Konstruktionsmerkmale 104

3 VIII Inhaltsverzeichnis Ausführungsformen Anwendungsbereiche der verschiedenen Systeme Elektronenstrahl-Oszilloskop Elektronenstrahl-Röhre Baugruppen Spezial-Oszilloskope Betriebsarten des Elektronenstrahl-Oszilloskops Meßverstärker Einführung Nichtinvertierender Spannungsverstärker Invertierender Stromverstärker Anwendungen des Spannungsverstärkers Anwendungen des Stromverstärkers Nullpunktfehler des realen Operationsverstärkers Modulationsverstärker Elektrodynamische spannungliefernde Aufnehmer Weg-und Winkelmessung Analoge Drehzahlmessung Hall-Sonde Induktions-Durchflußmesser Thermische spannungliefernde Aufnehmer Thermoelement Integrierter Sperrschicht-Temperatur-Sensor Chemische spannungliefernde Aufnehmer und Sensoren Galvanisches Element ph-meßkette mit Glaselektrode Ionensensitiver Feldeffekt-Transistor Gassensitiver Feldeffekt-Transistor Sauerstoffmessung mit Festkörper-Ionenleiter Piezo- und pyroelektrische ladungliefernde Aufnehmer Wirkungsweise und Werkstoffe Piezoelektrischer Kraftaufnehmer Pyroelektrischer Infrarot-Sensor Optische Aufnehmer und Sensoren Photoelement und Photodiode Photosensoren für Positionsmessungen und zur Bilderzeugung Photozelle Photovervielfacher Aufnehmer für ionisierende Strahlung Ionisationskammer Auslösezählrohr Szintillationszähler Halbleiter-Strahlungsdetektor Messung von ohmschen Widerständen; Widerstandsaufnehmer Strom- und Spannungsmessung Gleichzeitige Messung von Spannung und Strom Vergleich mit einem Referenzwiderstand Verwendung einer Konstantstromquelle 221

4 3.3 Brückenschaltungen Abgleich-Widerstandsmeßbrücke Ausschlag-Widerstandsmeßbrücke Verstärker für Brückenschaltungen Subtrahierer mit invertierendem Verstärker Subtrahierer mit Elektrometerverstärker Trägerfrequenz-Brücke und -Meßverstärker Widerstandsaufnehmer zur Längen- und Winkelmessung Widerstands-Temperaturfühler Metall-Widerstandsthermometer Heißleiter Kaltleiter Silizium-Widerstandstemperatursensor Fehlermöglichkeiten bei der Anwendung von elektrischen Berührungsthermometern Indirekte Anwendung der Widerstandsthermometer für Konzentrationsmessungen LiCl-Feuchtegeber Gasanalyse nach dem Wärmeleitverfahren Gasanalyse nach dem Wärmetönungsverfahren Thermomagnetische Sauerstoffanalyse Gasaufbereitung Gassensoren mit halbleitenden Metalloxiden Lichtempfindlicher Widerstand Magnetisch steuerbarer Widerstand Dehnungsmeßstreifen Prinzip Metall-Dehnungsmeßstreifen Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen Störgrößen Anwendung der DMS zur Spannungsanalyse Linearisieren der Widerstandsaufnehmer-Kennlinien Linearisieren durch einen Vor- und/oder Parallelwiderstand Messung des Spannungsabfalls an Differential- Widerstandsaufnehmern Differential-Widerstandsaufnehmer in einer Halbbrücke 281 Messung von Blind- und Scheinwiderständen; induktive und kapazitive Aufnehmer Strom- und Spannungsmessung Messung der Effektivwerte Vergleich mit Referenzelement Getrennte Ermittlung des Blind- und Wirkwiderstands Messung eines Phasenwinkels Strommessung in einem fremderregten Schwingkreis Wechselstrom-Abgleichbrücke Prinzip Kapazitätsmeßbrücke nach Wien Induktivitätsmeßbrücke nach Maxwell Induktivitätsmeßbrücke nach Maxwell-Wien Phasenschieberbrücke 293 IX

5 Inhaltsverzeichnis 4.3 Wechselstrom-Ausschlagbrücke Induktive 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 Dielektrizitätszahl durch Feuchtigkeit oder Temperatur Vergleich der induktiven und der kapazitiven Längenaufnehmer Energie des magnetischen und des elektrischen Feldes Größte der Brückenschaltung entnehmbare Leistung Steuerleistung zum Verstellen der Aufnehmer 312 Digitale Meßtechnik; kodierte und inkrementale Meßwertgeber Binäre Signale und ihre logischen Verknüpfungen Binäre Signale Logische Verknüpfungen binärer Signale Gatter Darstellung, Anzeige und Ausgabe numerischer Meßwerte Duales Zahlensystem Binärcodes für Dezimalzahlen Code-Umsetzer Ziffernanzeigen Vergleich der Ziffern- mit der Skalenanzeige Umsetzung eines digitalen Signals in eine Spannung; Digital/Analog- Umsetzer Bistabile Kippstufen Asynchrones RS-Speicherglied Taktgesteuertes RS-Speicherglied Taktflankengesteuertes D-Speicherglied Taktflankengesteuertes JK-Speicherglied Taktflankengesteuertes T-Speicherglied Zähler Asynchroner Vorwärts-Dualzähler Asynchroner Rückwärts-Dualzähler Umschaltung der Zählrichtung Synchroner Vorwärts-Dualzähler Synchroner Vorwärts-BCD-Zähler Synchroner Ringzähler Skalenanzeige einer Zählgröße Register Parallelregister Schieberegister zur Parallel/Serien-Umsetzung Schieberegister zur Serien/Parallel-Umsetzung 341

6 Inhaltsverzeichnis XI 5.6 Umschalter Multiplexer für binäre Signale Umschalter mit Relaiskontakten für analoge Signale Umschalter mit Feldeffekttransistoren für analoge Signale Abtast- und Haltekreis Direktvergleichende A/D-Umsetzer für elektrische Spannungen Komparator Komparator mit Hysterese A/D-Umsetzer mit parallelen Komparatoren Inkrementaler A/D-Stufenumsetzer Inkrementaler A/D-Nachlaufumsetzer A/D-Umsetzer mit sukzessiver Annäherung an den Meßwert A/D-Umsetzer für mechanische Größen; kodierte und inkrementale Längenund Winkelgeber Endlagenschalter Kodierte Längen- und Winkelgeber Inkrementale Längen-und Winkelgeber Vergleich der kodierten und inkrementalen Längengeber Zeit- und Frequenzmessung; frequenzanaloge Meßwertgeber und Wandler Digitale Zeitmessung Messung eines Zeitintervalls Messung einer Periodendauer Messung eines Phasenwinkels Normalfrequenz-und Zeitzeichensender Digitale Frequenzmessung Messung einer Frequenz oder Impulsrate Messung des Verhältnisses zweier Frequenzen oder Drehzahlen Messung der Differenz zweier Frequenzen oder Drehzahlen Universalzähler Analoge Messung eines Zeitintervalls oder einer Frequenz Messung eines Zeitintervalls; t/u-umformung Messung einer Frequenz oder Impulsrate; f/u-umformung Impulsbreiten-Multiplizierer Spannung/Zeit- und Spannung/Frequenz-Umsetzer u/t-impulsbreiten-umsetzer u/t-zweirampen-umsetzer u/f-sägezahn-umsetzer u/f-umsetzer nach dem Ladungsbilanzverfahren Synchroner u/f-umsetzer nach dem Ladungsbilanzverfahren Delta-Sigma-Umsetzer Kenngrößen für Analog/Digital-Umsetzer Messungen mit dem Analog/Digital-Umsetzer Zeitdiskrete Messung; Abtasttheorem Signalrauschen Digital-Multimeter Oszilloskop Meßwertverarbeitung mit dem Personal-Computer 399

7 XII Inhaltsverzeichnis 6.7 Astabile Kippschaltungen als Frequenzumsetzer Astabile Kippschaltung aus RC-Glied und Komparator Astabile Kippschaltung mit Integrationsverstärker und Komparator Kippschaltung mit Widerstandsmeßbrücke Kippschaltung mit stabilisierten Hilfsspannungen u/f-umsetzer für kleine Signale Harmonische Oszillatoren als Freqenzumsetzer Erzeugung ungedämpfter Schwingungen LC-Oszillator RC-Oszillator Frequenz-oder impulsratenliefernde Aufnehmer Schwingquarz als Frequenznormal Schwingquarz als Temperaturfühler Schwingsaiten-Frequenzumsetzer Stimmgabel-Frequenzumsetzer Drehzahlaufnehmer Messung mechanischer Größen Druck-und Differenzdruckmessung mit Federmeßwerken Direktanzeigende Manometer Federmeßwerke mit elektrischem Abgriff Differenzdruck-Meßumformer mit innenliegendem elektrischen Abgriff Anwendung der Druck- und Differenzdruckmeßgeräte zur Füllstandsmessung Durchflußmessung Durchflußmessung mit Drosselmeßgeräten Wirbelfrequenz-Durchflußmesser Thermischer Massenstrommesser Coriolis-Massenstrommesser Ultraschall-Durchflußmessung Schwingungsmessung Relative Schwingungsmessung Absolute Schwingungsmessung 464 Literaturverzeichnis 472 Sachwortverzeichnis 479