Albert und Franz Haug Angewandte Elektrische Meßtechnik Grundlagen, Sensorik, Meßverarbeitung Mit 339 Bildern Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden
VI Inhaltsverzeichnis Grundlagen: Definitionen, Geräte, Verfahren 1 1 Strukturen der elektrischen Meßtechnik 1 1.1 Die Meßkette 1 1.2 Meßglied- und Meßketten-Koeffizient 3 1.3 Geeignete elektrische Größen 5 1.4 Parallel- und Kreisstruktur 7 1.5 Messen Steuern Regeln Rechnen 8 2 Fehler 9 2.1 Fehler-Definitionen 9 2.1.1 Systematische Fehler 9 2.1.2 Zufällige Fehler 10 2.2 Fehlerangabe in der Praxis 11 2.3 Fehler bei linearen Übertragungsgliedern 11 2.4 Fehlerfortpflanzung 14 2.4.1 Allgemeine Angaben 14 2.4.2 Einige Anwender-Regeln 15 3 Klassische Meßwerke 16 3.1 Prinzipieller Aufbau 16 3.2 Typische Betriebs-Verhaltensweisen 18 3.3 Allgemeine Angaben zu den Meßwerken 19 3.4 Drehspulsysteme 21 3.4.1 Das Drehspulmeßwerk 21 3.4.2 Drehspul-Integrations-Systeme 24 3.4.3 Sondertypen 25 3.5 Das Dreheisen-Meßwerk 26 3.6 Das elektrodynamische Meßwerk (Wattmeter) 28 3.7 Elektrizitätszähler 30 4 Schreiber 30 4.1 Linien-Schreiber 30 4.2 Punktdrucker 33 4.3 X-Y-Schreiber und Plotter 34 4.4 Matrix- und Kamm-Drucker 35
VII 5 Verstärker und Funktionsbausteine 38 5.1 Einfaches Verstärker-Ersatzbild 38 5.2 Operations-Verstärker 39 5.2.1 Eigenschaften und invertierende Grundschaltung 39 5.2.2 Nicht invertierende Grundschaltungen 42 5.2.3 Summier-und Differenz-Verstärker 42 5.2.4 Integrierer und Differenzierer 43 5.3 Einige Anwendungen für den Operationsverstärker 45 5.3.1 Instrumentierungsverstärker 45 5.3.2 Schreiben der Hystereseschleife 47 5.3.3 Spannungsgesteuerter Oszillator, Funktionsgenerator 48 5.4 Zur Praxis der Operationsverstärker 49 5.4.1 Frequenzgang und Anstiegszeit 49 5.4.2 Offset- und Eingangsgrößen 51 5.5 Multiplizierer- und Funktionsbausteine 52 5.5.1 Multiplizierer 52 5.2.2 Quadrierer 52 5.2.3 Radizierer 53 6 Elektronenstrahl-Oszilloskop 54 6.1 Gerätekonzept und Oszillographen-Röhre 54 6.2 Zustandekommen des Schriebs, Triggerung 55 6.3 Mehrkanal-y-Verstärker 57 6.4 Blockschaltbild zum Oszilloskop 59 6.5 Erweiterungen 60 6.5.1 Frequenzkompensierter Tastteiler 60 6.5.2 Verzögerte Zeitbasis/Doppel-Zeitbasis 61 6.5.3 Digital-Speicher 63 7 Analog-Digital-Umsetzung 65 7.1 Analoge und digitale Signaldarstellung 65 7.2 Grundprinzip der Digital-Analog-Umsetzer 66 7.3 Umsetzer-Netzwerke 68 7.4 Grundprinzip der Analog-Digital-Umsetzer 70 7.5 AD-Umsetzung über DA-Umsetzer 71 7.6 Integrierende AD-Umsetzer-Verfahren 74 7.6.1 Freilaufender Umsetzer 74 7.6.2 Das Dual-Slope-Verfahren 75 7.6.3 Getaktete Ladungsbilanz 77 7.7 Rasche AD-Umsetzer 78
VIII Inhaltsverzeichnis Messen elektrischer Größen 80 8 Messen von Spannung und Strom 80 8.1 Einfluß der Innenwiderstände 80 8.2 Meßbereichserweiterung 81 8.2.1 Spannungsbereiche 81 8.2.2 Strombereiche 82 8.2.3 Angezapfte Vorwiderstände und Nebenschlüsse 82 8.3 Gleichspannungskompensation 85 8.4 Selbstabgleichende Verfahren 87 8.4.1 Motor-Kompensatoren 87 8.4.2 Elektronische Kompensatoren 88 8.5 Messen bei Wechselspannung 89 8.5.1 Einfache Gleichrichterschaltungen 89 8.5.2 Gleichrichter mit Operationsverstärker 92 8.5.3 Kalibrieren von Meßwerken bei Wechselspannung 92 8.6 Sonderverfahren der Strommessung 93 8.6.1 Stromwandler und Stromzangen 93 8.6.2 Messen mit Hall-Wandlern 95 8.7 Digital-Multimeter 96 9 Messen von Leistung und Arbeit 97 9.1 Elektronische Wattmeter und Elektrizitätszähler 97 9.2 Leistungsmessung im Drehstromsystem 98 9.3 Blindleistungsmessung 100 10 Messen von Ohmwiderständen und Impedanzen 101 10.1 Verfahren mit Volt- und Amperemeter 101 10.2 Ohmmeter mit Operationsverstärker 102 10.3 Die Brückenschaltung 102 10.4 Einengungswiderstände und Universalbrücke 104 10.5 Brückenverstärker 106 10.6 Messen von Impedanzen. 106 10.6.1 Brückenabgleich bei Wechselspannung 106 10.6.2 Einfache kapazitive Brücke 107 10.6.3 Induktive Brücken 108 10.6.4 Eine Vergleichsbrücke 109 11 Messen von Frequenz, Zeit und Phasenlage 111 11.1 Umsetzen zwischen Sinus- und Rechteck 111 11.2 Direktzeigende Frequenzmessung " 112 11.3 Zählende Frequenz- und Zeitmessung 115 11.4 Bausteine zur elektronischen Phasenmessung 117 11.4.1 Direktzeigende Phasenmessung 117 11.4.2 Digitale Phasenmessung 119 11.4.3 Die phase locked loop, PLL 120 11.5 Verfahren mit Oszilloskop 122
IX Messen nicht-elektrischer Größen: BASIS-Sensoren 126 12 Die elektrischen Zweipole als Sensoren 126 12.1 Widerstände als Sensoren 126 12.1.1 Potentiometer 126 12.1.2 Sondereinrichtungen 128 12.1.3 Mechanisch beanspruchte elektrische Leiter 129 12.1.4 Dehnungsmeßstreifen DMS 130 12.2 Zur Auswertung von Widerstandssensoren 132 12.2.1 Grundsätzliche Möglichkeiten 132 12.2.2 DMS in Brücken 133 12.2.3 Gegenbrückenschaltung 134 12.2.4 Elektronisch abgleichbare Brücke 136 12.2.5 Eine verstärkerentkoppelte Brücke 137 12.3 Spulen und Kondensatoren als Sensoren 138 12.3.1 Induktive Aufnehmer 138 12.3.2 Auswerte-Schaltungen 140 12.3.3 Die trägerfrequente Meßkette 140 12.3.4 Kapazitive Aufnehmer 142 12.3.5 Auswerteschaltungen für Kapazitäten 144 13 Einige weitere Basis-Sensoren 145 13.1 Piezoelektrischer Effekt 145 13.2 Schwingende Saiten 147 13.3 Taktile Sensoren 149 14 Magnetische Sensoren 152 14.1 Galvanomagnetische Effekte 152 14.1.1 Hall-Sensoren 154 14.1.2 Feldplatten 155 14.2 Magnetoresistive Sensoren 156 14.3 Wiegand-Effekt 159 Messen nicht-elektrischer Größen: Messen mechanischer Gröfcen 162 15 Messen mechanischer Größen mit Federkörpern 162 15.1 Spannung und Dehnung 162 15.1.1 Darstellen von Spannungszuständen 162 15.1.2 Dehnungszustände 166 15.1.3 Hauptspannungsmessung mit DMS-Rosetten 167 15.2 Federkörper zum Messen von Kraft und Druck 169
15.3 Drehmomentmessung 173 15.3.1 Drehmomentmessung mit DMS 174 15.3.2 Berührungslose Übertragung 176 16 Messen von Länge und Winkel 177 16.1 Inkrementale Verfahren 177 16.2 Codierte Verfahren 179 16.3 Drehmelder 182 16.3.1 Grundprinzip 182 16.3.2 Momenten-Drehmelder 184 16.3.3 Steuer-Drehmelder 184 16.3.4 Linear-Induktosyn 185 16.3.5 Resolver-Digital-Umsetzer 186 16.4 Initiatoren 187 16.4.1 Induktive Näherungsschalter 187 16.4.2 Lichtschranken 191 16.4.3 Weitere Initiatoren 194 17 Messen von Geschwindigkeit und Beschleunigung 194 17.1 Drehzahlmessung 194 17.2 Erfassen der Drehrichtung 198 17.3 Geschwindigkeitsmessung 199 17.4 Messen von Beschleunigungen 200 Messen verfahrenstechnischer Größen 205 18 Temperaturmessung 205 18.1 Widerstandsthermometer 205 18.2 Thermoelemente 207 18.2.1 Thermoeffekt 207 18.2.2 Das Vergleichsstellen-Problem 210 18.3 NTC-Widerstände 211 18.4 PTC-Widerstände 214 18.5 Silizium-Temperatursensoren (spreading resistance) 215 18.6 PTAT-Sensoren 216 18.7 Quarz-Temperatur-Sensoren 217 18.8 Dynamik und Linearisierung 218 19 Füllstandsmessung 221 19.1 Messen mit Schwimmern 221 19.2 Füllstandsmessung über Druck-Kriterium 223 19.3 Messen mit Sonden 224 19.4 Laufzeitmessungen 227
XI 20 Durchflußmessung 230 20.1 Das Wirkdruckverfahren 230 20.2 Durchflußturbinen 232 20.3 Durchflußmessung mit Ultraschall 235 20.4 Magnetisch-induktive Strömungsmessung 236 20.5 Weitere Meßverfahren für Durchfluß 238 21 Feuchte-Messung 238 21.1 Feuchte und Feuchte-Meßmethoden 238 21.2 Fadenhygrometer 240 21.3 Lithium-Chlorid-Feuchtefühler 241 21.4 Feuchtemessung über Impedanzen 242 21.4.1 Kapazitive Feuchtesensoren 242 21.4.2 Resistive Feuchtefühler 243 Meßpraxis 245 22 Störungen 245 22.1 Offset, Drift, Rauschen 245 22.2 Störungen von außen 247 22.3 Schirmung und Guard-Technik 250 22.4 Erdschleifen 252 23 Meßwert-Aufbereitung und Auswertung 254 23.1 Hardware-Konfigurationen 254 23.1.1 Messen - Speichern - Rechnen 254 23.1.2 Signalabtastung 257 23.2 Linearisierung 259 23.2.1 Zum Prinzip 259 23.2.2 Analoge Linearisierung 260 23.2.3 Digitale Linearisierung 263 23.3 Glättung und Filterung 265 23.3.1 Darstellung und Interpolation 265 23.3.2 Ausgleich und Glättung 268 23.3.3 Filterung 272 Literaturverzeichnis 278 Sachwortverzeichnis 279