Rainer Parthier Messtechnik
Aus dem Programm Automatisierungstechnik Speicherprogrammierbare Steuerungen von W. Braun Mechatronik herausgegeben von B. Heinrich Kaspers/Küfner Messen Steuern Regeln herausgegeben von B. Heinrich Regelungstechnik für Ingenieure von M. Reuter und S. Zacher Regelungstechnik I Klassische Verfahren zur Analyse und Synthese linearer kontinuierlicher Regelsysteme, Fuzzy-Regelsysteme von H. Unbehauen Regelungstechnik II Zustandsregelungen, digitale und nichtlineare Regelsysteme von H. Unbehauen Automatisieren mit SPS Theorie und Praxis von G.Wellenreuther und D. Zastrow Automatisieren mit SPS Übersicht und Übungsaufgaben von G.Wellenreuther und D. Zastrow Übungsbuch Regelungstechnik von S. Zacher vieweg
Rainer Parthier Messtechnik Grundlagen und Anwendungen der elektrischen Messtechnik für alle technischen Fachrichtungen und Wirtschaftsingenieure 4., verbesserte Auflage Mit 121 Abbildungen und 30 Tabellen Studium Technik
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar. 1. Auflage Juli 2001 2., verbesserte Auflage Januar 2004 3., überarbeitete und ergänzte Auflage März 2006 4., verbesserte Auflage 2008 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlag GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2008 Lektorat: Thomas Zipsner Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. www.vieweg.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.corporatedesigngroup.de Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN 978-3-8348-0336-8
V Vorwort Automatisierung in der Industrie, wissenschaftliche Experimente im Labor, Erfassung von physikalischen Größen aus der Umwelt; nur einige Komplexe, in denen die Messtechnik die Voraussetzungen zur Umsetzung der geforderten Ziele schafft. Dabei stellt sich moderne Messtechnik in der heutigen Zeit vorrangig als elektronische, vorzugsweise digitale Messtechnik dar. Diese wenigen Bemerkungen zeigen schon, dass niemand in der produzierenden Wirtschaft oder in den technischen Wissenschaften tätig sein kann, der nicht über grundlegendes Wissen zur elektronischen Messtechnik verfügt. Als Professor an der Hochschule Mittweida bin ich u. a. mit der Vermittlung von Wissen zur elektronischen Messtechnik an Studenten betraut, für die dieses Wissensgebiet ein Nebenfach darstellt, wie z. B. Studenten des Wirtschaftsingenieurwesens, Studenten der Umwelttechnik usw. Trotz der zahlreich zur Messtechnik vorhandenen Literatur ließ sich keine uneingeschränkte Literaturempfehlung für diesen Hörerkreis geben, die einerseits möglichst straff und klar den zum Verständnis der Messtechnik erforderlichen Inhalt abdeckt, andererseits auch das Selbststudium fördernde Übungsaufgaben und Kontrollfragen, inklusive der Lösungen, zur Verfügung stellt. Die für die HFH Hamburger Fern-Hochschule als Co-Autor bzw. Autor entwickelten Studienbriefe Metrologische Grundlagen und Prozessmesstechnik, siehe Literaturverzeichnis [1] und [2], entsprachen den genannten Vorstellungen für eine studienbegleitende Literatur, so dass der Gedanke entstand, auf der Basis dieser Studienbriefe ein Lehrbuch zu erarbeiten. Mit der freundlichen Unterstützung der HFH Hamburger Fern-Hochschule, welche die genannten, von ihr herausgegebenen Studienbriefe für den Zweck der Veröffentlichung des Buches kostenlos zur Verfügung gestellt hat, war es möglich, diesen Gedanken kurzfristig umzusetzen. Im vorliegenden Buch werden ausgehend von den Grundbegriffen der Messtechnik und der Charakterisierung von Messsignalen grundsätzliche Verfahren zur Ermittlung von Messwerten behandelt und relevante Kenngrößen von Messeinrichtungen erläutert. Die möglichen Abweichungen bei Messungen, deren Ursachen und ihre Auswirkungen auf die Verwertbarkeit der erzielten Messergebnisse werden aufgezeigt. Damit wird dem Leser das notwendige Wissen an die Hand gegeben, vorhandene Messtechnik auf der Basis betrieblicher Qualitätsanforderungen auszuwählen und einzusetzen. Entsprechend ihrer Bedeutung ist ein angemessener Teil des Buches der Sensorik gewidmet, die an Hand ausgewählter Sensorprinzipien und ihrer praktischen messtechnischen Anwendung beschrieben wird. Zu allen angeführten Sensorprinzipien werden Beispiele für ihre praktische Umsetzung und erreichbare messtechnische Parameter genannt. Abgerundet wird das Lehrbuch durch eine einführende Vorstellung von grundsätzlichen Varianten zur Realisierung rechnergesteuerter Messsysteme. Aufgrund des Umfanges des Gebiets der elektronischen Messtechnik war eine gezielte Auswahl des Inhalts, aber auch dessen straffe Darstellung erforderlich, um den selbst vorgegebenen Umfang des Buches nicht zu sprengen. Das Lehrbuch wendet sich vorrangig an Studierende, die sich mit grundlegenden Problemen der Messtechnik vertraut machen wollen. Aber auch der Praktiker, der sich Basiswissen der Messtechnik wieder in Erinnerung rufen will, findet mit diesem Buch die geeignete Literatur. Das Selbststudium mit Hilfe dieses Buches wird gezielt durch praxisnahe Beispiele und Übungsaufgaben unterstützt.
VI Vorwort Nach dem Durcharbeiten dieses Buches sollte der Leser in der Lage sein, die Bedeutung der Messtechnik in seinem Arbeitsgebiet einschätzen zu können. Er ist dem Messtechnikspezialisten ein kompetenter Gesprächspartner und kann an Entscheidungsfindungsprozessen in der betrieblichen Praxis, in denen die Messtechnik eine Rolle spielt, fundiert mitwirken. Die Erarbeitung von speziellen, hier nicht abgehandelten messtechnischen Wissensgebieten sollte wesentlich erleichtert sein nach der Durcharbeitung dieses Lehrbuches. Mittlerweile liegt die 4. Auflage des Lehrbuches vor. Das Grundkonzept des Buches wurde aufgrund der Akzeptanz der Idee für dieses Buch nicht verändert. Es galt Hinweise von Fachkollegen einzuarbeiten und neue Literatur zum Thema zu berücksichtigen. Auf Seiten des Verlages Vieweg möchte ich insbesondere Herrn Zipsner danken. Durch seine stetige Unterstützung und seine Hinweise als Lektor hat er wesentlich zur Realisierung und Veröffentlichung des vorliegenden Buches beigetragen. Mein Dank gilt den Fachkollegen, die mit Bemerkungen und Hinweisen die Verbesserung dieses Lehrbuchs beförderten. Ich verbinde diesen Dank mit der Bitte, auch weiterhin das Buch mit Hinweisen, Anregungen und Ergänzungen zu begleiten. Mittweida, im August 2007 Rainer Parthier
VII Inhaltsverzeichnis 1 Messen; Voraussetzungen und Durchführung... 1 1.1 Messgrößen, Maßeinheiten... 1 1.2 SI-Einheitensystem... 2 1.3 Normale... 4 1.4 Kontrollfragen und Übungsaufgaben... 5 2 Messsignale... 6 2.1 Klassifizierung von Messsignalen... 6 2.2 Wandlung von Messsignalen... 8 2.3 Analog-Digital-Wandlung... 11 2.4 Kontrollfragen und Übungsaufgaben... 13 3 Charakterisierung von Messsignalen... 14 3.1 Signalformen von Messsignalen... 14 3.2 Kenngrößen von Einzelimpulsen und periodischen sinusförmigen Signalverläufen... 16 3.3 Mittelwerte periodischer Signale... 18 3.4 Kenngrößen von nichtsinusförmigen periodischen Signalen... 23 3.5 Logarithmische Übertragungsverhältnisse... 25 3.6 Kontrollfragen und Übungsaufgaben... 28 4 Messmethoden... 30 4.1 Ausschlagmethode... 30 4.2 Differenzmethode (Methode der unvollständigen Kompensation)... 31 4.3 Kompensationsmethode... 32 4.4 Kontrollfragen... 33 5 Messeinrichtung... 34 5.1 Wechselwirkung zwischen Grundfunktion und Grundstruktur einer Messeinrichtung... 34 5.2 Statische und dynamische Kenngrößen von Messeinrichtungen... 35 5.2.1 Statische Kenngrößen von Messeinrichtungen... 35 5.2.2 Dynamische Kenngrößen von Messeinrichtungen... 37 5.3 Kontrollfragen und Übungsaufgaben... 46 6 Bewertung von Messergebnissen... 47 6.1 Grundbegriffe... 47 6.2 Fortpflanzung bekannter systematischer Abweichungen... 52
VIII Inhaltsverzeichnis 6.3 Behandlung unbekannter systematischer Abweichungen... 55 6.4 Behandlung zufälliger Abweichungen... 55 6.4.1 Aufnahme und Analyse einer Messreihe... 56 6.4.2 Analyse normalverteilter Messreihen... 60 6.4.3 Auswertung von endlichen Messreihen... 65 6.4.4 Fortpflanzung von Unsicherheiten... 70 6.4.5 Bericht des Messergebnisses... 73 6.5 Messgeräteabweichungen... 74 6.5.1 Fehlergrenzen... 75 6.5.2 Fortpflanzung von Abweichungen von Messgeräten... 76 6.6 Kontrollfragen... 78 7 Fehlertypen für Messeinrichtungen... 79 7.1 Die Auswirkung des additiven und multiplikativen Fehlers... 79 7.2 Abweichung infolge der Quantisierung... 81 7.3 Angabe der Genauigkeit bei Messgeräten... 84 7.4 Kontrollfragen und Übungsaufgaben... 86 8 Messung elektrischer Größen... 87 8.1 Erreichbare Messgenauigkeiten... 87 8.2 Messung von Stromstärke und Spannung... 88 8.3 Leistungsmessung... 92 8.4 Messung von Wirkwiderständen (ohmsche Widerstände)... 97 8.4.1 Messung mittels Strom-/Spannungsmessung... 97 8.4.2 Messung mittels Brückenschaltung... 99 8.5 Messung an Kondensator und Spule... 101 8.5.1 Bestimmung der Kapazität eines Kondensators mittels Strom-/Spannungsmessung... 102 8.5.2 Bestimmung der Induktivität einer Spule mittels Strom-Spannungsmessung... 104 8.5.3 Bestimmung von Kapazität und Induktivität mittels einer Brückenschaltung... 106 8.6 Frequenz- und Zeitmessung... 108 8.6.1 Frequenzmessung... 108 8.6.2 Zeitmessung... 109 8.7 Kontrollfragen und Übungsaufgaben... 110 9 Messung nichtelektrischer physikalischer Größen... 111 9.1 Messkette... 111 9.1.1 Messsignalaufnahme... 112 9.1.2 Multiplexen... 113
Inhaltsverzeichnis IX 9.1.3 Verstärken... 115 9.1.4 Analog-Digital-Wandlung... 116 9.2 Verarbeitung und Ausgeben... 122 9.3 Kontrollfragen... 124 10 Sensoren... 125 10.1 Klassifizierung und Grundstruktur von Sensoren... 125 10.2 Sensoren zur Messung geometrischer Größen... 128 10.2.1 Inkrementale Sensoren... 128 10.2.2 Code-Lineale... 132 10.2.3 Potentiometrische Sensoren... 135 10.2.4 Induktive Sensoren... 137 10.2.5 Transformatorische induktive Sensoren zur Winkelmessung... 139 10.2.6 Kapazitive Sensoren... 142 10.3 Sensoren zur Kraftmessung... 148 10.3.1 Kraftmessung mit Dehnungsmessstreifen... 148 10.3.2 Piezoelektrische Kraftsensoren (Piezosensoren)... 154 10.4 Messung mechanischer Schwingungen... 158 10.5 Sensoren zur Temperaturmessung... 161 10.5.1 Temperaturmessung mit Widerstandssensoren... 161 10.5.2 Thermoelementsensoren... 165 10.6 Feuchtemessung... 169 10.6.1 Fadenhygrometer... 170 10.6.2 Kapazitiver Feuchtemesser... 171 10.6.3 Resistiver Feuchtesensor... 171 10.7 Kontrollfragen und Übungsaufgaben... 172 11 Automatisierte Messsysteme... 173 11.1 Hardwarekonfigurationen von automatisierten Messsystemen... 173 11.1.1 Instrumentierte Computer... 173 11.1.2 Messsysteme mit Busschnittstelle... 176 11.2 Software zur Steuerung und Visualisierung... 186 11.3 Kontrollfragen... 188 Antworten und Lösungen zu den Kontrollfragen und Übungsaufgaben... 189 Symbole und Abkürzungen... 199 Literaturverzeichnis... 202 Sachwortverzeichnis... 204