Angewandte Elektrische Meßtechnik

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1 Albert und Franz Haug Angewandte Elektrische Meßtechnik Grundlagen, Sensorik, Meßverarbeitung Mit 339 Bildern Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden

2 VI Inhaltsverzeichnis Grundlagen: Definitionen, Geräte, Verfahren 1 1 Strukturen der elektrischen Meßtechnik Die Meßkette Meßglied- und Meßketten-Koeffizient Geeignete elektrische Größen Parallel- und Kreisstruktur Messen Steuern Regeln Rechnen 8 2 Fehler Fehler-Definitionen Systematische Fehler Zufällige Fehler Fehlerangabe in der Praxis Fehler bei linearen Übertragungsgliedern Fehlerfortpflanzung Allgemeine Angaben Einige Anwender-Regeln 15 3 Klassische Meßwerke Prinzipieller Aufbau Typische Betriebs-Verhaltensweisen Allgemeine Angaben zu den Meßwerken Drehspulsysteme Das Drehspulmeßwerk Drehspul-Integrations-Systeme Sondertypen Das Dreheisen-Meßwerk Das elektrodynamische Meßwerk (Wattmeter) Elektrizitätszähler 30 4 Schreiber Linien-Schreiber Punktdrucker X-Y-Schreiber und Plotter Matrix- und Kamm-Drucker 35

3 VII 5 Verstärker und Funktionsbausteine Einfaches Verstärker-Ersatzbild Operations-Verstärker Eigenschaften und invertierende Grundschaltung Nicht invertierende Grundschaltungen Summier-und Differenz-Verstärker Integrierer und Differenzierer Einige Anwendungen für den Operationsverstärker Instrumentierungsverstärker Schreiben der Hystereseschleife Spannungsgesteuerter Oszillator, Funktionsgenerator Zur Praxis der Operationsverstärker Frequenzgang und Anstiegszeit Offset- und Eingangsgrößen Multiplizierer- und Funktionsbausteine Multiplizierer Quadrierer Radizierer 53 6 Elektronenstrahl-Oszilloskop Gerätekonzept und Oszillographen-Röhre Zustandekommen des Schriebs, Triggerung Mehrkanal-y-Verstärker Blockschaltbild zum Oszilloskop Erweiterungen Frequenzkompensierter Tastteiler Verzögerte Zeitbasis/Doppel-Zeitbasis Digital-Speicher 63 7 Analog-Digital-Umsetzung Analoge und digitale Signaldarstellung Grundprinzip der Digital-Analog-Umsetzer Umsetzer-Netzwerke Grundprinzip der Analog-Digital-Umsetzer AD-Umsetzung über DA-Umsetzer Integrierende AD-Umsetzer-Verfahren Freilaufender Umsetzer Das Dual-Slope-Verfahren Getaktete Ladungsbilanz Rasche AD-Umsetzer 78

4 VIII Inhaltsverzeichnis Messen elektrischer Größen 80 8 Messen von Spannung und Strom Einfluß der Innenwiderstände Meßbereichserweiterung Spannungsbereiche Strombereiche Angezapfte Vorwiderstände und Nebenschlüsse Gleichspannungskompensation Selbstabgleichende Verfahren Motor-Kompensatoren Elektronische Kompensatoren Messen bei Wechselspannung Einfache Gleichrichterschaltungen Gleichrichter mit Operationsverstärker Kalibrieren von Meßwerken bei Wechselspannung Sonderverfahren der Strommessung Stromwandler und Stromzangen Messen mit Hall-Wandlern Digital-Multimeter 96 9 Messen von Leistung und Arbeit Elektronische Wattmeter und Elektrizitätszähler Leistungsmessung im Drehstromsystem Blindleistungsmessung Messen von Ohmwiderständen und Impedanzen Verfahren mit Volt- und Amperemeter Ohmmeter mit Operationsverstärker Die Brückenschaltung Einengungswiderstände und Universalbrücke Brückenverstärker Messen von Impedanzen Brückenabgleich bei Wechselspannung Einfache kapazitive Brücke Induktive Brücken Eine Vergleichsbrücke Messen von Frequenz, Zeit und Phasenlage Umsetzen zwischen Sinus- und Rechteck Direktzeigende Frequenzmessung " Zählende Frequenz- und Zeitmessung Bausteine zur elektronischen Phasenmessung Direktzeigende Phasenmessung Digitale Phasenmessung Die phase locked loop, PLL Verfahren mit Oszilloskop 122

5 IX Messen nicht-elektrischer Größen: BASIS-Sensoren Die elektrischen Zweipole als Sensoren Widerstände als Sensoren Potentiometer Sondereinrichtungen Mechanisch beanspruchte elektrische Leiter Dehnungsmeßstreifen DMS Zur Auswertung von Widerstandssensoren Grundsätzliche Möglichkeiten DMS in Brücken Gegenbrückenschaltung Elektronisch abgleichbare Brücke Eine verstärkerentkoppelte Brücke Spulen und Kondensatoren als Sensoren Induktive Aufnehmer Auswerte-Schaltungen Die trägerfrequente Meßkette Kapazitive Aufnehmer Auswerteschaltungen für Kapazitäten Einige weitere Basis-Sensoren Piezoelektrischer Effekt Schwingende Saiten Taktile Sensoren Magnetische Sensoren Galvanomagnetische Effekte Hall-Sensoren Feldplatten Magnetoresistive Sensoren Wiegand-Effekt 159 Messen nicht-elektrischer Größen: Messen mechanischer Gröfcen Messen mechanischer Größen mit Federkörpern Spannung und Dehnung Darstellen von Spannungszuständen Dehnungszustände Hauptspannungsmessung mit DMS-Rosetten Federkörper zum Messen von Kraft und Druck 169

6 15.3 Drehmomentmessung Drehmomentmessung mit DMS Berührungslose Übertragung Messen von Länge und Winkel Inkrementale Verfahren Codierte Verfahren Drehmelder Grundprinzip Momenten-Drehmelder Steuer-Drehmelder Linear-Induktosyn Resolver-Digital-Umsetzer Initiatoren Induktive Näherungsschalter Lichtschranken Weitere Initiatoren Messen von Geschwindigkeit und Beschleunigung Drehzahlmessung Erfassen der Drehrichtung Geschwindigkeitsmessung Messen von Beschleunigungen 200 Messen verfahrenstechnischer Größen Temperaturmessung Widerstandsthermometer Thermoelemente Thermoeffekt Das Vergleichsstellen-Problem NTC-Widerstände PTC-Widerstände Silizium-Temperatursensoren (spreading resistance) PTAT-Sensoren Quarz-Temperatur-Sensoren Dynamik und Linearisierung Füllstandsmessung Messen mit Schwimmern Füllstandsmessung über Druck-Kriterium Messen mit Sonden Laufzeitmessungen 227

7 XI 20 Durchflußmessung Das Wirkdruckverfahren Durchflußturbinen Durchflußmessung mit Ultraschall Magnetisch-induktive Strömungsmessung Weitere Meßverfahren für Durchfluß Feuchte-Messung Feuchte und Feuchte-Meßmethoden Fadenhygrometer Lithium-Chlorid-Feuchtefühler Feuchtemessung über Impedanzen Kapazitive Feuchtesensoren Resistive Feuchtefühler 243 Meßpraxis Störungen Offset, Drift, Rauschen Störungen von außen Schirmung und Guard-Technik Erdschleifen Meßwert-Aufbereitung und Auswertung Hardware-Konfigurationen Messen - Speichern - Rechnen Signalabtastung Linearisierung Zum Prinzip Analoge Linearisierung Digitale Linearisierung Glättung und Filterung Darstellung und Interpolation Ausgleich und Glättung Filterung 272 Literaturverzeichnis 278 Sachwortverzeichnis 279