Reinhard Lerch Elektrische Meßtechnik Analoge, digitale und computergestützte Verfahren Mit 311 Abbildungen Springer
Inhaltsverzeichnis 1 Umfang und Bedeutung der Elektrischen Meßtechnik 1 1.1 Zur Historie und Bedeutung der Meßtechnik 1 1.2 Der Begriff des Messens 3 1.3 Begriffsdefinitionen in der Meßtechnik 4 1.3.1 Allgemeine Begriffe 4 1.3.2 Meßgerät und Meßeinrichtung 5 1.3.3 Meßkette (Struktur einer elektrischen Meßeinrichtung). 5 1.4 Vorschriften und Normen 6 1.5 Klassifizierung von Meßmethoden 7 1.5.1 Ausschlagmethode - Kompensationsmethode 7 1.5.2 Analog - Digital 8 1.5.3 Kontinuierlich - Diskontinuierlich 8 1.5.4 Direkt - Indirekt 9 1.6 Die Informationsträger im Meßsignal 9 2 Die Grundlagen des Messens 11 2.1 Maßsysteme, Einheiten, Naturkonstanten 11 2.1.1 Maßsysteme 11 2.1.2 Naturkonstanten 12 2.1.3 Abgeleitete Einheiten 12 2.2 Größen- und Zahlenwertgleichungen 14 3 Meßfehler 15 3.1 Systematische Meßfehler 16 3.2 Zufällige Meßfehler 17 3.2.1 Normalverteilung, Mittelwert, Standardabweichung... 17 3.2.2 Vertrauensbereich für den Schätzwert 20 3.2.3 Fortpflanzung zufälliger Fehler 24 3.3 Genauigkeitsklassen bei Meßgeräten 25 3.4 Dynamische Meßfehler 26 3.4.1 Das Ubertragungsverhalten von Meßsystemen 26 3.4.2 Definition des dynamischen Meßfehlers 31 3.4.3 Bestimmung des dynamischen Meßfehlers 32 4 Analoges Messen elektrischer Größen 34 4.1 Elektromechanische Meßgeräte 34 4.1.1 Drehspulmeßwerk 35
Inhaltsverzeichnis IX 4.1.2 Galvanometer 40 4.1.3 Elektrodynamisches Meßwerk 44 4.1.4 Dreheisenmeßwerk 47 4.1.5 Drehspulquotientenmeßwerk (Kreuzspulmeßwerk)... 48 4.1.6 Drehmagnetmeßwerk 50 4.1.7 Elektrostatisches Meßwerk 51 4.1.8 Schaltzeichen für Meßgeräte 53 4.2 Messung von Gleichstrom und Gleichspannung 54 4.2.1 Messung von Gleichströmen 54 4.2.2 Messung von Gleichspannungen 58 4.2.3 Gleichzeitiges Messen von Strom und Spannung 60 4.3 Messung von Wechselstrom und Wechselspannung 61 4.3.1 Begriffsdefinitionen 61 4.3.2 Gleichrichtung 63 4.3.3 Messung des Scheitelwertes (Spitzenwert, Peak Value).. 64 4.3.4 Messung des Gleichrichtwertes 67 4.3.5 Messung des Effektivwertes 68 4.3.6 Meßwandler 69 5 Meßverstärker 76 5.1 Operationsverstärker 77 5.1.1 Idealer Operationsverstärker 77 5.1.2 Realer Operationsverstärker 78 5.1.3 Definitionen von Operationsverstärker-Kenngrößen... 81 5.1.4 Operationsverstärker-Grundschaltungen 86 5.2 Spezielle Meßverstärker 101 5.2.1 Instrumentenverstärker 101 5.2.2 Zerhacker-Verstärker 102 5.2.3 Ladungsverstärker 104 5.3 Rauschen von Meßverstärkern 105 6 Messung der elektrischen Leistung 116 6.1 Leistungsmessung im Gleichstromkreis 116 6.2 Leistungsmessung im Wechselstromkreis 118 6.2.1 Begriffsdefinitionen 118 6.2.2 Leistungsmessung im Einphasennetz 119 6.2.3 Leistungsmessung in Drehstromsystemen 120 6.3 Messung der elektrischen Arbeit 129 7 Messung von elektrischen Impedanzen 133 7.1 Messung von ohmschen Widerständen 133 7.1.1 Strom- und Spannungsmessung 133 7.1.2 Vergleich mit einem Referenzwiderstand 134 7.1.3 Verwendung einer Konstantstromquelle 136 7.1.4 Verwendung eines Kreuzspulinstrumentes 137
X Inhaltsverzeichnis 7.2 Kompensationsschaltungen 138 7.2.1 Gleichspannungskompensation 139 7.2.2 Gleichstromkompensation 139 7.3 Gleichstrom-Meßbrücken 140 7.3.1 Gleichstrom-Ausschlagbrücken 141 7.3.2 Gleichstrom-Abgleichbrücken 144 7.4 Messung von Schein- und Blindwiderständen 144 7.5 Wechselstrom-Meßbrücken 148 7.5.1 Wechselstrom-Abgleichbrücken 148 7.5.2 Halbautomatischer Brückenabgleich 152 7.5.3 Wechselstrom-Ausschlagbrücken 156 8 Darstellung des Zeitverlaufes elektrischer Signale 159 8.1 Analoges Elektronenstrahl-Oszilloskop 159 8.1.1 Aufbau und Funktion der Elektronenstrahl-Röhre... 159 8.1.2 Zeitablenkung und Triggerung 163 8.1.3 Funktionsgruppen eines Analog-Oszilloskops 166 8.1.4 Analog-Speicheroszilloskop 169 8.1.5 Sampling-Oszilloskop 170 8.2 Spannungsteiler in Elektronenstrahl-Oszilloskopen 174 8.3 Fehler bei der analogen Elektronenstrahl-Oszilloskopie 176 8.3.1 Statische Fehler (Fehler der Ablenkkoeffizienten) 176 8.3.2 Linearitätsfehler 177 8.3.3 Dynamische Fehler des Oszilloskops 178 8.4 Digital-Speicheroszilloskop 185 8.4.1 Prinzipielle Funktionsweise 186 8.4.2 Wiedergabe des aufgezeichneten Bildes 188 8.4.3 Betriebsarten des Digital-Speicheroszilloskops 190 9 Digitale Meßtechnik 191 9.1 Duales Zahlensystem und Binärcodes 191 9.1.1 Dualzahlendarstellung 191 9.1.2 BCD-, Hexadezimal- und Gray-Code 192 9.1.3 Fehlererkennung und Fehler korrekt ur 192 9.2 Binäre Signale und ihre Verknüpfung 193 9.2.1 Grundregeln bei der logischen Verknüpfung 193 9.2.2 Digitale Grundschaltungen (Gatterschaltungen) 194 9.2.3 Digitale Addierer 197 9.3 Bistabile Kippschaltungen 199 9.3.1 RS-Flip-Flop 199 9.3.2 Taktzustandgesteuertes RS-Flip-Flop 201 9.3.3 Taktflankengesteuertes RS-Flip-Flop 201 9.3.4 Taktzustandgesteuertes D-Flip-Flop (Data-Latch)... 202 9.3.5 Taktflankengesteuertes D-Flip-Flop 203 9.3.6 Taktflankengesteuertes JK-Flip-Flop 204
Inhaltsverzeichnis XI 9.3.7 Taktflankengesteuertes T-Flip-Flop 206 9.4 Monostabile Kippstufe 207 9.5 Zähler-Schaltungen 209 9.5.1 Dualzähler 209 9.5.2 BCD-Zähler 211 9.6 Digital-Analog-Umsetzung 213 9.6.1 Grundlagen und Kenngrößen 213 9.6.2 Schaltungstechnische Realisierungen 215 9.6.3 Fehler bei der Digital-Analog-Umsetzung 220 9.7 Analog-Digital-Umsetzung 222 9.7.1 Abtastung (Sampling) 224 9.7.2 Abtast-Halte-Schaltungen 226 9.7.3 Direktvergleichende Analog-Digital-Umsetzer 229 9.7.4 Analog-Digital-Umsetzung mit Zeit oder Frequenz... 241 9.7.5 Vergleich der Grundprinzipien 249 9.7.6 Fehler bei der Analog-Digital-Umsetzung 250 9.8 Digital-Multimeter (DMM) 254 10 Die Messung von Frequenz und Zeit 257 10.1 Mechanische Frequenzmessung 258 10.2 Digitale Frequenzmessung 259 10.3 Digitale Zeitmessung 260 10.3.1 Zeitintervallmessung (Zeitdifferenzmessung) 260 10.3.2 Periodendauermessung 263 10.4 Digitale Phasenwinkelmessung 265 10.5 Rechnender Zähler 267 10.6 Zeit-Spannungs-Umsetzer (t/u-umsetzer) 267 10.7 Frequenz-Spannungs-Umsetzer (f/u-umsetzer) 268 10.8 Oszillatoren 269 10.8.1 Grundlagen 269 10.8.2 Harmonische Oszillatoren 271 10.8.3 LC-Oszillator 272 10.8.4 Relaxationsoszillatoren 274 10.8.5 Quarzoszillator 277 10.9 Fehler bei der digitalen Zeitintervall- bzw. Frequenzmessung.. 284 10.10Frequenznormale und Zeitzeichensender 287 10.10.1 DCF-77 Zeitzeichensender 287 10.10.2 NAVSTAR/GPS-Satellitennavigation 288 11 Meßsignalverarbeitung 292 11.1 Aufgaben und Bedeutung 292 11.2 Multiplizieren, Dividieren, Quadrieren, Radizieren 294 11.3 Ermittlung des Effektivwertes 296 11.4 Bestimmung von Mittelungswerten 299 11.5 Kenngrößen nicht-sinusförmiger periodischer Signale 301
XII Inhaltsverzeichnis 11.6 Messung von Signaleigenschaften mittels Korrelationsfunktion. 304 11.7 Äußere Störeinwirkungen 311 12 Rechnergestützte Meßdatenerfassung 316 12.1 Grundstrukturen von rechnergestützten Meßsystemen 316 12.2 Hardware zur Meßdatenerfassung 323 12.2.1 Grundstrukturen. 323 12.2.2 Grundtypen des Datentransfers 326 12.3 Datenübertragung, serielle Schnittstellen und Bussysteme... 327 12.3.1 Die serielle RS232C-Schnittstelle (V.24-Schnittstelle).. 328 12.3.2 Kenngrößen der seriellen Datenübertragung 339 12.3.3 Die IEC-Bus-Schnittstelle 340 12.3.4 VME-Bus und VXI-Bus 355 12.3.5 Feldbus 359 12.4 Software zur rechnergestützten Meßdatenerfassung 361 12.4.1 Allgemeine Bemerkungen 361 12.4.2 Softwarelösungen im Bereich der Meßdatenerfassung... 363 12.4.3 Virtuelle Meßgeräte 366 12.4.4 Software-Schnittstellen 367 Literaturverzeichnis 369 Sachverzeichnis 374