Mechanische Größen elektrisch gemessen Dr.-Ing. W. Ecker Obering. K. Felgner Obering. K. Hoff mann Dipl.-Ing. J. Paetow Dr.-Ing. Chr. Rückauer expert vertag 7031 Grafenaul/Württ. VDE-VerlagGmbH- Berlin
Inhaltsverzeichnis Vorwort: Einleitung: Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz 1 Grundlagen des elektrischen Messens mechanischer Größen 15 1.1 Einführung 1 1.1.1 Grundsätzliches über das Messen 1 5 1.1.2 Vorteile des elektrischen Messens 16 1.1.3 Nachteile des elektrischen Messens 16 1.1.4 Allgemeine Eigenschaften von Meßgeräten 17 1.1.4.1 Empfindlichkeit 17 1.1.4.2 Umkehrspanne 17 1.1.4.3 Meßbereich 17 1.1.4.4 Meßfehler 17 a) Systematische Fehler 17 b) Zufällige Fehler 18 1.1.5 Meßeinrichtung oder Meßkette 19 1.1.6 Digitales Messen 21 1.1.6.1 Direkte digitale Messung 21 1.1.6.2 Umwandlung der Meßgröße in eine analoge Frequenz 22 1.2 Die wichtigsten Prinzipien zur Darstellung mechanischer Größen durch elektrische Signale 23 1.2.1 Ohmscher Widerstand 24 1.2.1.1 Potentiometergeber 24 1.2.1.2 Dehnungswiderstandseffekt 25 1.2.1.3 Änderung des Widerstandes durch Lichteinfall 28 1.2.1.4 Widerstandsänderung durch Abkühlung (Hitzdrahtanemometer) 29 1.2.2 Induktive Geber 30 1.2.2.1 Elektromagnetische Induktion 30 1.2.2.2 Selbstinduktion 31 1.2.3 Kapazitive Geber 32 1.2.4 Piezoelektrische Geber 32
1.2.5 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.3.1 1.3.3.2 1.3.4 1.3.4.1 1.3.4.2 1.3.4.3 1.3.4.4 1.3.5 1.3.5.1 1.3.5.2 1.3.6 Geber mit schwingender Saite Zwischenschaltungen Spannungsteilerschaltung Brückenschaltung Messung von AR mit der Brückenschaltung Null- oder Kompensationsmethode Aussch lag methode Eigenschaften der Brückenschaltung Viertelbrückenschaltung Halbbrückenschaltung Diagonalschaltung Vollbrückenschaltung Elimination unerwünschter Meßgrößen Temperaturkompensation bei Messungen mit Dehnungsmeßstreifen Schaltungen zur Messung von Zug-, Biege- und Torsionsdehnungen Konstantstromverfahren 33 35 35 37 38 38 39 40 40 40 43 2 Grundlagen und Anwendung der Dehnungsmeßstreifen-Technik 45 Obering. K. Hoffmann 2.1 Einleitung 45 2.2 Wirkungsweise 46 2.3 Grundlagen 47 2.3.1 Das Hookesche Gesetz 47 2.3.2 Die Dehnung 51 2.3.2.1 Definition 51 2.3.2.2 Maßeinheit 51 2.4 Ausführungsformen von DMS und deren Zweck 53 2.4.1 Gesichtspunkte zur Auswahl eines DMS-Typs 53 2.4.2 Der Zweck unterschiedlicher DMS-Abmessungen und -Formen 55 2.4.2.1 Die Meßgitterlänge 55 2.4.2.2 Rosetten zur Bestimmung zweiachsiger ebener Spannungszustände 58 2.4.2.3 Spezialausführungen 58 2.5 Die Applikation von DMS 59 2.6 Fehlermöglichkeiten und deren Verhinderung 61 2.6.1 Berücksichtigung des k-faktors 61 2.6.2 Temperatureinflüsse 63 2.6.2.1 Der Temperaturgang einer DMS-Meßstelle 63 2.6.2.2 Der Einfluß der Temperatur auf die Empfindlichkeit einer DMS-Meßstelle 70
2.6.3 2.6.4 Der Einfluß der Leitungswiderstände Der Einfluß des Isolationswiderstandes 72 74 Induktive Meßwertaufnehmer 75 Obering. K. Felgner 3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3.2.8 3.3 Die wichtigsten induktiven Verfahren für analoge Meßwertaufnehmer Aktive Aufnehmer Passive Aufnehmer Technische Ausführungsformen induktiver Meßwertaufnehmer und Anwendungsgebiete Wegaufnehmer mit Tauchanker Wegtaster Berührungsfreie Wegaufnehmer Schwingungsaufnehmer Dehnungsaufnehmer Winkelaufnehmer Kraftaufnehmer Druckaufnehmer Zusammenfassung 75 75 76 78 78 79 79 82 85 86 86 88 89 4 Kapazitive Aufnehmer 90 Dr.-Ing. Chr. Rückauer 4.1 Einführung 90 4.2 Mögliche Bauformen 90 4.3 Zwischenschaltungen 93 4.4 Beispiele kapazitiver Aufnehmer 96 5 Piezoelektrische Aufnehmer 99 Dr.-Ing. W. Ecker 5.1 Einführung 99 5.2 Der piezoelektrische Effekt 99 5.3 Piezoelektrische Meßwertaufnehmer 103 5.3.1 Allgemeines 103 5.3.2 Piezoelektrische Kraftauf nehmer 104 5.3.3 Piezoelektrische Druckauf nehmer 109 5.3.4 Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer 111 5.3.5 Impedanzmeßkopf 113
5.4 Nachfolgeelektronik zum piezoelektrischen Meßwertaufnehmer 115 5.4.1 Elektrometerverstärker 115 5.4.2 Ladungsverstärker 115 5.5 Dynamisches Verhalten von piezoelektrischen Meßketten 117 6 Aufnehmer auf Dehnungsmeßstreifenbasis 119 Dipl.-Ing. J. Paetow 6.1 Allgemeines 119 6.2 Technologische Einzelheiten 122 6.3 Bauformen 124 6.4 Meßgenauigkeit 128 6.5 Einsatz und Anwendungsbeispiele 132 7 Temperatur als Störgröße beim elektrischen Messen mechanischer Größen 136 7.1 Kompensation des Temperatureinflusses 136 7.2 Temperaturmessung 139 7.2.1 Zeitverhalten eines Thermometers 1*0 7.2.2 Kontrolle der Geber 1 7.2.2.1 Fixpunkte 1 7.2.2.2 Normalthermometer 1 7.3 Elektrische Temperaturmeßverfahren 142 7.3.1 Thermoelemente 142 7.3.2 Widerstandsthermometer 143 7.3.3 Aufklebbare Widerstandstemperaturgeber 144 8 Meßverstärker 145 8.1 Allgemeines 145 8.2 Die Verstärkerarten 146 8.2.1 Wechselspannungsverstärker 146 8.2.2 Gleichspannungsverstärker 146 8.2.3 Operationsverstärker 147 8.2.4 Trägerfrequenzmeßverstärker 149 8.2.5 Chopperverstärker 153 8.2.6 Kompensationsverstärker 153
1 8.3 Anforderungen an Meßverstärker 154 8.4 Erdung und Abschirmung 160 Dynamisches Messen 162 9.1 9.2 9.3 9.3.1 9.3.2 9.4 9.4.1 9.4.1.1 9.4.1.2 9.4.1.3 9.5 9.5.1 9.5.2 9.6 Übertragungsverhalten der Meßkette, Frequenzgang Dynamische Anzeigefehler Geberdynamik Geber mit Tastspitze Geber mit seismischer Masse Auswertung von dynamischen Messungen Kenngrößen zur Analyse dynamischer Vorgänge Periodische Vorgänge Nichtperiodische transiente Vorgänge Stochastische Vorgänge Registrierung und Speicherung Registrierung Speicherung Vielstellenmeßtechnik 162 165 166 166 168 171 173 173 174 175 177 177 178 179 Literaturhinweise Autorenverzeichnis Stichwortverzeichnis 182 186 187