Das Ingenieurwissen: Messtechnik

von: Hans-Rolf Tränkler, Gerhard Fischerauer

Springer Vieweg, 2014

ISBN: 9783662440308

Sprache: Deutsch

96 Seiten, Download: 3544 KB

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Das Ingenieurwissen: Messtechnik

	Vorwort	5
	Inhaltsverzeichnis	7
	Messtechnik	10
	1 Grundlagen der Messtechnik	10
	1.1 Übersicht	10
	1.1.1 Messsysteme und Messketten	10
	1.1.2 Anwendungsgebiete und Aufgabenstellungen der Messtechnik	10
	1.2 Übertragungseigenschaften von Messgliedern	11
	1.2.1 Statische Kennlinien von Messgliedern	11
	1.2.2 Dynamische Übertragungseigenschaften von Messgliedern	11
	1.2.3 Testfunktionen und Übergangsfunktionen für Übertragungsglieder	13
	1.2.4 Das Frequenzverhalten des Übertragungsgliedes 1. Ordnung	14
	1.2.5 Das Frequenzverhalten des Übertragungsgliedes 2. Ordnung	14
	1.2.6 Sprungantwort eines Übertragungsgliedes 2. Ordnung	15
	1.2.7 Frequenzgang eines Übertragungsgliedes 2. Ordnung	16
	1.2.8 Kenngrößen fürMessglieder höherer Ordnung	17
	1.3 Messfehler	18
	1.3.1 Zufällige und systematische Fehler	18
	1.3.2 Dešnition von Fehlern, Fehlerkurven und Fehleranteilen	18
	1.3.3 Linearitätsfehler und zulässige Fehlergrenzen	19
	1.3.4 Einflussgrößen und Einflusseffekt	20
	1.3.5 Diskrete Verteilungsfunktionen zufälligerMesswerte	21
	1.3.6 Die Normalverteilung	22
	1.3.7 Gauß’sche Fehlerwahrscheinlichkeit	22
	1.3.8 Wahrscheinlichkeitspapier	23
	1.3.9 Fehlerfortpflanzung zufälliger Fehler	23
	1.3.10 Fehlerfortpflanzung systematischer Fehler	24
	2 Strukturen der Messtechnik	24
	2.1 Messsignalverarbeitung durch strukturelle Maßnahmen	24
	2.1.1 Die Kettenstruktur	24
	2.1.2 Die Parallelstruktur (Di-erenzprinzip)	25
	2.1.3 Die Kreisstruktur	26
	2.2 Das Modulationsprinzip	27
	2.3 Struktur eines digitalen Instrumentierungssystems	28
	2.3.1 Erhöhung des nutzbaren Informationsgehalts	28
	2.3.2 Struktur vonMikroelektroniksystemen mit dezentraler Intelligenz	29
	3 Messgrößenaufnehmer (Sensoren)	30
	3.1 Sensoren und deren Umfeld	30
	3.1.1 Aufgabe der Sensoren	30
	3.1.2 Messeffekt und Einflusseffekt	30
	3.1.3 Anforderungen an Sensoren	30
	3.1.4 Signalform der Sensorsignale	31
	3.2 Sensoren für geometrische und kinematische Größen	31
	3.2.1 ResistiveWeg und Winkelaufnehmer	31
	3.2.2 InduktiveWeg und Längenaufnehmer	32
	3.2.3 Kapazitive Aufnehmer fürWeg und Füllstand	33
	3.2.4 Magnetische Aufnehmer	34
	3.2.5 CodierteWegundWinkelaufnehmer	35
	3.2.6 Inkrementale Aufnehmer	35
	3.2.7 Laser-Interferometer	36
	3.2.8 Drehzahlaufnehmer	36
	3.2.9 Beschleunigungsaufnehmer	38
	3.3 Sensoren für mechanische Beanspruchungen	40
	3.3.1 Dehnungsmessung mit Dehnungsmessstreifen	40
	3.3.2 Kraftmessungmit Dehnungsmessstreifen	41
	3.3.3 Druckmessungmit Dehnungsmessstreifen	41
	3.3.4 Drehmomentmessung mit Dehnungsmessstreifen	42
	3.3.5 Messung von Kräften über die Auslenkung von Federkörpern Parallelfeder	42
	3.3.6 Messung von Drücken über die Auslenkung von Federkörpern	43
	3.3.7 Kraftmessung über Schwingsaiten	43
	3.3.8 Waage mit elektrodynamischer Kraftkompensation	44
	3.3.9 Piezoelektrische Kraft- und Druckaufnehmer	44
	3.4 Sensoren für strömungstechnische Kenngrößen	45
	3.4.1 Durchflussmessung nach dem Wirkdruckverfahren	45
	3.4.2 Schwebekörper-Durchflussmessung	46
	3.4.3 Durchflussmessung übermagnetische Induktion	46
	3.4.4 Ultraschall-Durchflussmessung	47
	3.4.5 Turbinen-Durchflussmesser (mittelbare VolumenzählermitMessflügeln)	48
	3.4.6 Verdrängungszähler (unmittelbare Volumenzähler)	48
	3.5 Sensoren zur Temperaturmessung	48
	3.5.1 Platin-Widerstandsthermometer	48
	3.5.2 Andere Widerstandsthermometer	49
	3.5.3 Thermoelemente als Temperaturaufnehmer	50
	3.5.4 Strahlungsthermometer (Pyrometer) Physikalische Grundlagen	51
	3.6 Mikrosensorik	53
	3.6.1 Herstellungstechnologien	53
	3.6.2 Mikrosensoren fürmechanische Größen	54
	3.6.3 Mikrosensoren für Temperatur	54
	3.6.4 Mikrosensoren für (bio)chemische Größen	55
	3.6.5 Mikrosensoren fürmagnetische Größen	55
	3.7 Sensorspezišsche Messsignalverarbeitung	56
	3.7.1 Analoge Messsignalverarbeitung	56
	3.7.2 Inkrementale Messsignalverarbeitung	56
	3.7.3 Digitale Grundverknüpfungen und Grundfunktionen	56
	3.7.4 PhysikalischeModellfunktionen für einen Sensor	57
	3.7.5 Skalierung und Linearisierung von Sensorkennlinien durch Interpolation	57
	3.7.6 Interpolation von Sensorkennlinien mit kubischen Splines	58
	3.7.7 Ausgleichskriterien zur Approximation von Sensorkennlinien	59
	3.7.8 Korrektur von Einflusseffekten auf Sensorkennlinien	60
	3.7.9 Dynamische Korrektur von Sensoren	61
	4 Messschaltungen und Messverstärker	62
	4.1 Signalumformung mit verstärkerlosen Messschaltungen	62
	4.1.1 Strom-Spannungs-Umformung mit Messwiderstand	62
	4.1.2 Spannungsteiler und Stromteiler	63
	4.1.3 DirektanzeigendeWiderstandsmessung	64
	4.2 Messbrücken und Kompensatoren	65
	4.2.1 Qualitative Behandlung der Prinzipschaltungen	65
	4.2.2 Spannungs und Stromkompensation	65
	4.2.3 Messbrücken im Ausschlagverfahren (Teilkompensation)	65
	4.2.4 Wheatstone-Brücke im Abgleichverfahren	67
	4.2.5 Wechselstrombrücken Prinzip und Abgleichbedingungen	68
	4.3 Grundschaltungen von Messverstärkern	69
	4.3.1 Operationsverstärker	69
	4.3.2 Anwendung von Operationsverstärkern als reine Nullverstärker	69
	4.3.3 Das Prinzip der Gegenkopplung am Beispiel des reinen Spannungsverstärkers	70
	4.3.4 Die vier Grundschaltungen gegengekoppelter Messverstärker	71
	4.4 Ausgewählte Messverstärker-Schaltungen	72
	4.4.1 VomStromverstärker mit Spannungsausgang zum Invertierer	72
	4.4.2 Aktive Brückenschaltung	72
	4.4.3 Addierund Subtrahierverstärker	73
	4.4.4 Der Elektrometerverstärker (Instrumentation Amplišer)	73
	4.4.5 Präzisionsgleichrichtung	74
	4.4.6 Aktive Filter	74
	4.4.7 Ladungsverstärker	75
	4.4.8 Integrationsverstärker für Spannungen	75
	5 Analoge Messtechnik	76
	5.1 AnalogeMesswerke	76
	5.1.1 Prinzip des linearen Drehspulmesswerks	76
	5.1.2 Statische Eigenschaften des linearen Drehspulmesswerks	77
	5.2 Funktionsbildung und Verknüpfung mit Messwerken	78
	5.2.1 Kernmagnetmesswerk mit radialem Sinusfeld	78
	5.2.2 Quotientenbestimmung mit Kreuzspulmesswerken	79
	5.2.3 Bildung von linearen Mittelwerten und Extremwerten Linearer Mittelwert	79
	5.2.4 Bildung von quadratischenMittelwerten	81
	5.2.5 Multiplikation mit elektrodynamischen Messwerken	82
	5.2.6 Integralwertbestimmung mit Induktionszählern	83
	5.3 Prinzip und Anwendung des Elektronenstrahloszilloskops	84
	5.3.1 Elektronenstrahlröhre. Ablenkempšndlichkeit	84
	5.3.2 Darstellung des zeitlichen Verlaufs periodischerMesssignale	85
	5.3.3 Blockschaltbild eines Oszilloskops in Standardausführung	86
	5.3.4 Anwendung eines Oszilloskops im x,y-Betrieb	87
	5.3.5 Frequenzkompensierter Eingangsteiler	87
	6 Digitale Messtechnik	88
	6.1 Quantisierung und digitale Signaldarstellung	88
	6.1.1 Informationsverlust durch Quantisierung	88
	6.1.2 Der relative Quantisierungsfehler	88
	6.2 Abtasttheorem und Abtastfehler	89
	6.2.1 Das Shannon’sche Abtasttheorem	89
	6.2.2 Frequenzgang bei Extrapolation nullter Ordnung	90
	6.2.3 Abtastfehler eines Haltekreises	91
	6.3 Digitale Zeit- und Frequenzmessung	91
	6.3.1 Prinzip der digitalen Zeit-und Frequenzmessung	91
	6.3.2 Der Quarzoszillator	92
	6.3.3 Digitale Zeitmessung	93
	6.3.4 Digitale Frequenzmessung	93
	6.3.5 Au¦ösung und Messzeit bei der Periodendauerbzw. Frequenzmessung	94
	6.3.6 Reziprokwertbildung undMultiperiodendauermessung	95
	6.4 Analog-Digital-Umsetzung über Zeit oder Frequenz als Zwischengrößen	95
	6.4.1 Charge-balancing-Umsetzer	96
	6.4.2 Dual-slope-Umsetzer	96
	6.4.3 Integrierende Filterung bei integrierenden Umsetzern	97
	6.5 Analog-Digital-Umsetzung nach dem Kompensationsprinzip	98
	6.5.1 Prinzip	98
	6.5.2 Digital-Analog-Umsetzer mit bewerteten Leitwerten	99
	6.5.3 Digital-Analog-Umsetzer mitWiderstandskettenleiter	99
	6.5.4 Nachlaufumsetzer mit Zweirichtungszähler	100
	6.5.5 Analog-Digital-Umsetzer mit sukzessiver Approximation	101
	6.6 Schnelle Analog-Digital-Umsetzung und Transientenspeicherung	102
	6.6.1 Parallele Analog-Digital-Umsetzer (Flash-Converter)	102
	6.6.2 Transientenspeicherung	103
	Literatur	104
	Kapitel 1	104
	Kapitel 2	104
	Kapitel 3	104
	Kapitel 4	104
	Kapitel 5	105
	Kapitel 6	105

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