Elektrische Messtechnik
von: Elmar Schrüfer
Carl Hanser Fachbuchverlag, 2004
ISBN: 9783446402461
Sprache: Deutsch
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Format: PDF, auch als Online-Lesen
geeignet für:
| Aus dem Vorwort zur ersten Auflage | 5 | ||
| Vorwort zur achten Auflage | 6 | ||
| Inhaltsverzeichnis | 8 | ||
| 1 Grundlagen | 18 | ||
| 1.1 Umfang und Bedeutung der elektrischen Messtechnik | 18 | ||
| 1.2 Maßeinheiten | 20 | ||
| 1.2.1 Internationales Einheitensystem, SI-Einheiten | 21 | ||
| 1.2.2 Einheiten und Fundamentalkonstanten | 24 | ||
| 1.2.3 Darstellung der mechanischen Grundeinheiten | 26 | ||
| 1.2.4 Darstellung, Reproduzierung, Bewahrung und Weitergabe der elektrischen Einheiten | 27 | ||
| 1.2.5 Rückführbarkeit | 30 | ||
| 1.2.6 Größen- und Zahlenwertgleichungen | 31 | ||
| 1.3 Statisches Verhalten der Messgeräte | 32 | ||
| 1.4 Statische Messfehler und Messunsicherheiten | 34 | ||
| 1.4.1 Einführung Fehlerbetrachtung schon bei der Auslegung eines Messsystems. | 34 | ||
| 1.4.2 Bekannte Einflüsse | 35 | ||
| 1.4.3 Unbekannte Einflüsse | 37 | ||
| 1.4.3.2 Student’sche t-Verteilung | 49 | ||
| 1.4.3.3 Gleichverteilung | 50 | ||
| 1.4.3.4 Zusammenfassung | 51 | ||
| 1.5 Dynamisches Verhalten der Messgeräte | 52 | ||
| 1.5.1 Verzögerungsglied l. Ordnung | 53 | ||
| 1.5.2 Verzögerungsglied 2. Ordnung | 61 | ||
| 1.5.3 Weitere Beispiele für das Zeitverhalten | 70 | ||
| 1.6 Dynamische Messfehler | 72 | ||
| 1.6.1 Fehlermöglichkeiten | 72 | ||
| 1.6.2 Korrektur des dynamischen Fehlers | 75 | ||
| 1.7 Strukturen von Messeinrichtungen | 77 | ||
| 1.7.1 Kettenstruktur | 77 | ||
| 1.7.2 Parallelstruktur | 78 | ||
| 1.7.3 Kreisstruktur | 81 | ||
| 1.8 Die informationstragenden Parameter der Messsignale | 82 | ||
| 1.9 Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen | 85 | ||
| 1.9.1 Physikalische Effekte zum elektrischen Messen nichtelektrischer Größen | 85 | ||
| 1.9.2 Sensornahe Signalverarbeitung | 86 | ||
| 2 Messung von Strom und Spannung | 87 | ||
| 2.1 Elektromechanische Messgeräte und ihre Anwendung | 87 | ||
| 2.1.1 Messwerke | 87 | ||
| 2.1.2 Messung von Gleichstrom und Gleichspannung Strommessung | 93 | ||
| 2.1.3 Messung von Wechselstrom und Wechselspannung | 100 | ||
| 2.1.4 Messung der Leistung Leistungsmessung bei Gleichspannung | 106 | ||
| 2.1.5 Messung der elektrischen Arbeit | 113 | ||
| 2.1.6 Registrierende Messgeräte | 114 | ||
| 2.2 Elektronenstrahl-Oszilloskop | 117 | ||
| 2.2.1 Elektronenstrahl-Röhre | 117 | ||
| 2.2.2 Baugruppen Übersichtsschaltbild. | 120 | ||
| 2.2.3 Spezial-Oszilloskope | 125 | ||
| 2.2.4 Betriebsarten des Elektronenstrahl-Oszilloskops | 126 | ||
| 2.3 Messverstärker | 128 | ||
| 2.3.1 Einführung Aufgabe | 128 | ||
| 2.3.2 Nicht invertierender Spannungsverstärker | 134 | ||
| 2.3.3 Invertierender Stromverstärker | 141 | ||
| 2.3.4 Anwendungen des Spannungsverstärkers | 147 | ||
| 2.3.5 Anwendungen des Stromverstärkers | 149 | ||
| 2.3.6 Nullpunktfehler des realen Operationsverstärkers | 155 | ||
| 2.4 Elektrodynamische spannungsliefernde Aufnehmer | 161 | ||
| 2.4.1 Weg- und Winkelmessung Differenzial- Transformator | 162 | ||
| 2.4.2 Analoge Drehzahlmessung | 162 | ||
| 2.4.3 Hall-Sonde | 163 | ||
| 2.4.4 Induktions-Durchflussmesser | 167 | ||
| 2.5 Thermische spannungsliefernde Aufnehmer | 169 | ||
| 2.5.1 Thermoelement | 169 | ||
| 2.5.2 Integrierter Sperrschicht-Temperatur-Sensor | 177 | ||
| 2.6 Chemische spannungsliefernde Aufnehmer und Sensoren | 178 | ||
| 2.6.1 Galvanisches Element | 178 | ||
| 2.6.2 pH-Messkette mit Glaselektrode | 179 | ||
| 2.6.3 Sauerstoffmessung mit Festkörper-Ionenleiter | 181 | ||
| 2.7 Piezo- und pyroelektrische ladungsliefernde Aufnehmer | 184 | ||
| 2.7.1 Wirkungsweise und Werkstoffe | 184 | ||
| 2.7.2 Piezoelektrischer Kraftaufnehmer | 187 | ||
| 2.7.3 Pyroelektrischer Infrarot-Sensor | 192 | ||
| 2.8 Optische Aufnehmer und Sensoren | 195 | ||
| 2.8.1 Fotoelement und Fotodiode Wirkungsweise des Fotoelements. | 197 | ||
| 2.8.2 Fotosensoren für Positionsmessungen und zur Bilderzeugung | 199 | ||
| 2.8.3 Fotozelle | 201 | ||
| 2.8.4 Fotovervielfacher | 202 | ||
| 2.9 Aufnehmer für ionisierende Strahlung | 203 | ||
| 2.9.1 Ionisationskammer | 203 | ||
| 2.9.2 Auslöse-Zählrohr | 205 | ||
| 2.9.3 Halbleiter-Strahlungsdetektor | 207 | ||
| 3 Messung von ohmschen Widerständen | 209 | ||
| 3.1 Strom- und Spannungsmessung | 209 | ||
| 3.1.1 Gleichzeitige Messung von Spannung und Strom | 209 | ||
| 3.1.2 Vergleich mit einem Referenzwiderstand | 210 | ||
| 3.2 Anwendung einer Konstantstromquelle | 211 | ||
| 3.3 Brückenschaltungen | 216 | ||
| 3.3.1 Abgleich-Widerstandsmessbrücke | 216 | ||
| 3.3.2 Ausschlag-Widerstandsmessbrücke Wirkungsweise | 218 | ||
| 3.4 Verstärker für Brückenschaltungen | 224 | ||
| 3.4.1 Subtrahierer mit invertierendem Verstärker | 224 | ||
| 3.4.2 Subtrahierer mit Elektrometer-Verstärkern | 225 | ||
| 3.4.3 Trägerfrequenz-Brücke und -Messverstärker | 227 | ||
| 3.5 Widerstandsaufnehmer zur Längen- und Winkelmessung | 231 | ||
| 3.6 Widerstandstemperaturfühler | 232 | ||
| 3.6.1 Metall-Widerstandsthermometer | 232 | ||
| 3.6.2 Heißleiter | 237 | ||
| 3.6.3 Kaltleiter Wirkungsweise. | 239 | ||
| 3.6.4 Silizium-Widerstandstemperatursensor | 241 | ||
| 3.6.5 Fehlermöglichkeiten bei der Anwendung von elektrischen Berührungsthermometern | 242 | ||
| 3.7 Ermittlung verfahrenstechnischer Größen durch Temperaturmessungen | 244 | ||
| 3.7.1 Füllstandswächter | 244 | ||
| 3.7.2 Thermischer Massenstrommesser | 245 | ||
| 3.7.3 Messung der Luftfeuchte | 247 | ||
| 3.8 Gassensoren mit halbleitenden Metalloxiden | 248 | ||
| 3.9 Lichtempfindlicher Widerstand | 250 | ||
| 3.10 Magnetisch steuerbarer Widerstand | 251 | ||
| 3.11 Dehnungsmessstreifen | 252 | ||
| 3.11.1 Prinzip | 252 | ||
| 3.11.2 Metall-Dehnungsmessstreifen | 254 | ||
| 3.11.3 Störgrößen | 256 | ||
| 3.11.4 Anwendung der DMS zur Spannungsanalyse | 256 | ||
| 3.11.5 Halbleiter-Dehnungsmessstreifen | 260 | ||
| 3.12 Linearisieren der Widerstandsaufnehmer-Kennlinien | 261 | ||
| 3.12.1 Linearisieren durch einen Vor- und/oder Parallelwiderstand | 262 | ||
| 3.12.2 Messung der Spannungsdifferenz bei Differenzial- Widerstandsaufnehmern | 265 | ||
| 3.12.3 Differenzial-Widerstandsaufnehmer in einer Halbbrücke | 266 | ||
| 4 Messung von Blind- und Scheinwiderständen | 267 | ||
| 4.1 Strom- und Spannungsmessung | 268 | ||
| 4.1.1 Messung der Effektivwerte | 268 | ||
| 4.1.2 Vergleich mit Referenzelement | 269 | ||
| 4.1.3 Getrennte Ermittlung des Blind- und Wirkwiderstandes | 270 | ||
| 4.1.4 Messung eines Phasenwinkels | 272 | ||
| 4.1.5 Strommessung in einem fremderregten Schwingkreis | 273 | ||
| 4.2 Wechselstrom-Abgleichbrücke | 274 | ||
| 4.2.1 Prinzip | 274 | ||
| 4.2.2 Kapazität-Mmessbrücke nach Wien | 276 | ||
| 4.2.3 Induktivitäts-Messbrücke nach Maxwell | 277 | ||
| 4.2.4 Induktivitäts-Messbrücke nach Maxwell-Wien | 277 | ||
| 4.2.5 Phasenschieber-Brücke | 278 | ||
| 4.3 Wechselspannungs-Ausschlagbrücke | 278 | ||
| 4.4 Induktive und kapazitive Aufnehmer | 280 | ||
| 4.4.1 Tauchanker-Aufnehmer zur Längen- und Winkelmessung | 280 | ||
| 4.4.2 Queranker-Aufnehmer zur Längen- und Winkelmessung | 283 | ||
| 4.4.3 Kurzschlussring-Sensor | 285 | ||
| 4.4.4 Anwendung der induktiven Längen- und Winkelgeber | 285 | ||
| 4.4.5 Induktiver Schleifendetektor zur Erfassung von Fahrzeugen | 287 | ||
| 4.4.6 Magnetoelastische Kraftmessdose | 287 | ||
| 4.5 Kapazitive Aufnehmer | 288 | ||
| 4.5.1 Änderung des Plattenabstands | 288 | ||
| 4.5.2 Änderung der Plattenfläche | 290 | ||
| 4.5.3 Geometrische Änderung des Dielektrikums | 291 | ||
| 4.5.4 Änderung der Permittivitätszahl durch Feuchtigkeit oder Temperatur | 293 | ||
| 4.6 Einsatz der induktiven und kapazitiven Abgriffe in Differenzdruck- Messumformern | 293 | ||
| 4.7 Vergleich der induktiven und der kapazitiven Längenaufnehmer | 296 | ||
| 4.7.1 Energie des magnetischen und des elektrischen Feldes | 297 | ||
| 4.7.2 Größte der Brückenschaltung entnehmbare Leistung | 298 | ||
| 4.7.3 Steuerleistung zum Verstellen der Aufnehmer | 299 | ||
| 5 Digitale Grundschaltungen | 301 | ||
| 5.1 Binäre Signale und ihre logischen Verknüpfungen | 301 | ||
| 5.1.1 Binäre Signale | 301 | ||
| 5.1.2 Logische Verknüpfungen binärer Signale | 301 | ||
| 5.2 Darstellung, Anzeige und Ausgabe numerischer Messwerte | 305 | ||
| 5.2.1 Duales Zahlensystem | 305 | ||
| 5.2.2 Binärcodes für Dezimalzahlen | 306 | ||
| 5.2.3 Zi.ernanzeige | 307 | ||
| 5.2.4 Umsetzung eines digitalen Signals in eine Spannung | 308 | ||
| 5.3 Bistabile Kippstufen | 310 | ||
| 5.3.1 Asynchrones | 310 | ||
| 5.3.2 Taktgesteuertes | 311 | ||
| 5.3.3 Taktflankengesteuertes | 312 | ||
| 5.3.4 Taktflankengesteuertes | 313 | ||
| 5.3.5 Taktflankengesteuertes | 314 | ||
| 5.4 Zähler | 314 | ||
| 5.4.1 Asynchroner Vorwärts-Dualzähler | 315 | ||
| 5.4.2 Synchroner Vorwärts-Dualzähler | 316 | ||
| 5.4.3 Synchroner Vorwärts-BCD-Zähler | 316 | ||
| 5.5 Register | 318 | ||
| 5.5.1 Parallelregister | 318 | ||
| 5.5.2 Schieberegister zur Parallel/Serien-Umsetzung | 319 | ||
| 5.5.3 Schieberegister zur Serien/Parallel-Umsetzung | 320 | ||
| 5.5.4 Multiplexer als Parallel/Serien-Umsetzer | 322 | ||
| 5.6 Digitale Zeitmessung | 322 | ||
| 5.6.1 Einführung | 322 | ||
| 5.6.2 Digitale Messung eines Zeitintervalls | 323 | ||
| 5.6.3 Messung einer Periodendauer | 324 | ||
| 5.6.4 Messung eines Phasenwinkels | 324 | ||
| 5.7 Digitale Frequenzmessung | 326 | ||
| 5.7.1 Digitale Messung einer Frequenz oder einer Impulsrate | 326 | ||
| 5.7.2 Messung des Verhältnisses zweier Frequenzen oder Drehzahlen | 327 | ||
| 5.7.3 Messung der Differenz zweier Frequenzen oder Drehzahlen | 327 | ||
| 5.7.4 Universalzähler | 327 | ||
| 5.8 Analoge Messung eines Zeitintervalls oder einer Frequenz | 328 | ||
| 5.8.1 Analoge Messung eines Zeitintervalls | 329 | ||
| 5.8.2 Analoge Messung einer Frequenz oder Impulsrate | 329 | ||
| 5.9 Drehzahlaufnehmer | 331 | ||
| 6 Analog/Digital-Umsetzer für elektrische und mechanische Größen | 333 | ||
| 6.1 Abtast- und Halteglied mit Multiplexer | 333 | ||
| 6.2 Direkt vergleichende A/D-Umsetzer | 334 | ||
| 6.2.1 Komparator | 334 | ||
| 6.2.2 Komparator mit Hysterese | 335 | ||
| 6.2.3 A/D-Umsetzer mit parallelen Komparatoren | 336 | ||
| 6.2.4 Kaskaden-Parallel-Umsetzer | 338 | ||
| 6.2.5 A/D-Umsetzer mit sukzessiver Annäherung an den Messwert | 339 | ||
| 6.3 Spannung/Zeit- und Spannung/Frequenz-Umsetzer | 341 | ||
| 6.3.1 u/t-Zweirampen-Umsetzer | 341 | ||
| 6.3.2 u/f -Umsetzer nach dem Ladungsbilanzverfahren | 344 | ||
| 6.3.3 Synchroner | 346 | ||
| 6.3.4 Delta-Sigma-Umsetzer | 347 | ||
| 6.4 Kenngrößen der Analog/Digital-Umsetzer | 350 | ||
| 6.4.1 Kennlinie | 350 | ||
| 6.4.2 Abtasttheorem | 352 | ||
| 6.4.3 Umsetzrate und Au.ösung | 353 | ||
| 6.4.4 Quantisierungsrauschen, Zahl der effektiven Bit | 354 | ||
| 6.5 Analog/Digital-Umsetzer in Messgeräten | 357 | ||
| 6.5.1 Digital-Multimeter | 357 | ||
| 6.5.2 Digitales Speicher-Oszilloskop | 358 | ||
| 6.5.3 Logikanalysator | 360 | ||
| 6.6 A/D-Umsetzer für mechanische Größen | 361 | ||
| 6.6.1 Endlagenschalter | 362 | ||
| 6.6.2 Codierte Längen- und Winkelgeber | 363 | ||
| 6.6.3 Inkrementale Längen- und Winkelgeber | 364 | ||
| 6.6.4 Vergleich der codierten und inkrementalen Längengeber | 368 | ||
| 7 Schwingungsmessungen | 369 | ||
| 7.1 Astabile Kippschaltungen als Frequenzumsetzer | 369 | ||
| 7.1.1 Kippschaltung mit Verstärker und Komparator | 369 | ||
| 7.1.2 Kippschaltung mit stabilisierten Hilfsspannungen | 373 | ||
| 7.2 Harmonische Oszillatoren | 374 | ||
| 7.2.1 Erzeugung ungedämpfter Schwingungen | 375 | ||
| 7.2.2 LC-Oszillator | 376 | ||
| 7.3 Piezoelektrische Resonatoren | 382 | ||
| 7.3.1 Volumenschwingende Quarze | 382 | ||
| 7.3.2 Ober.ächenwellen OFW in Quarzen | 390 | ||
| 7.3.3 Funkabfragbare Sensoren | 394 | ||
| 7.4 Mechanische Schwingungen | 400 | ||
| 7.4.1 Charakteristische Größen | 400 | ||
| 7.4.2 Relative Schwingungsmessung | 401 | ||
| 7.4.3 Absolute Schwingungsmessung | 404 | ||
| 7.4.5 Schwingsaiten-Frequenzumsetzer | 408 | ||
| 7.4.6 Stimmgabel-Frequenzumsetzer | 409 | ||
| 7.4.7 Coriolis-Massendurchflussmesser | 411 | ||
| 8 Spektralanalyse | 414 | ||
| 8.1 Aufgabenstellung | 414 | ||
| 8.2 FTC eines zeitkontinuierlichen Signals | 414 | ||
| 8.3 FTD eines zeitdiskreten Signals | 415 | ||
| 8.3.1 Übergang vom zeitkontinuierlichen zum zeitdiskreten Signal | 415 | ||
| 8.3.2 Unterschiede bei der Transformation eines zeitkontinuierlichen und eines zeitdiskreten Signals | 417 | ||
| 8.3.3 Abtasttheorem | 418 | ||
| 8.4 DFT eines abgetasteten, zeitbegrenzten Signals | 419 | ||
| 8.4.1 Datensatz mit endlich vielen Werten | 419 | ||
| 8.4.2 Zusammenhang zwischen FTD und DFT | 423 | ||
| 8.4.3 Wahl der Abtastfrequenz | 426 | ||
| 8.4.4 Inverse Diskrete Fouriertransformation IDFT | 427 | ||
| 8.5 DFT eines abgetasteten, nicht zeitbegrenzten Signals | 429 | ||
| 8.5.1 Konstantes Signal | 430 | ||
| 8.5.2 Periodisches Signal | 433 | ||
| 8.5.3 Anhängen von Nullen, Abtastfrequenz und Messzeit | 439 | ||
| 8.5.4 Inverse Diskrete Fouriertransformation IDFT | 439 | ||
| 8.6 Fensterfunktionen | 441 | ||
| 8.6.1 Kriterien zur Beurteilung | 441 | ||
| 8.6.2 Fensterfunktionen und ihre Spektren | 442 | ||
| 8.6.3 Fensterung bei transienten Signalen | 446 | ||
| 8.7 Anwendungen der DFT | 447 | ||
| 8.8 Leistungsmessung im Zeit- und Frequenzbereich | 448 | ||
| 9 Rechnerunterstützte Messsysteme | 453 | ||
| 9.1 Einführung | 453 | ||
| 9.2 Aufbau eines Personal Computers | 453 | ||
| 9.2.1 Gerätetechnik | 453 | ||
| 9.2.2 Software | 455 | ||
| 9.3 Schnittstellen und Bussysteme | 457 | ||
| 9.3.1 Einführung | 457 | ||
| 9.3.2 Serielle RS-232-Schnittstelle und abgeleitete Schnittstellen | 461 | ||
| 9.3.3 Universal Serial Bus USB | 464 | ||
| 9.3.4 Paralleler IEC-Bus | 465 | ||
| 9.3.5 Funknetz mit Bluetooth- und WLAN-Schnittstellen | 469 | ||
| 9.4 Messgeräte mit integrierter digitaler Schnittstelle | 470 | ||
| 9.4.1 Anschluss | 470 | ||
| 9.4.2 Steuerung | 471 | ||
| 9.5 Messgeräte ohne integrierte Schnittstelle | 473 | ||
| 9.5.1 Prinzip | 473 | ||
| 9.5.2 Aufbau einer Messkarte | 473 | ||
| 9.5.3 Anschluss einer Messkarte an einen Rechner | 477 | ||
| 9.6 Messprogramme | 479 | ||
| 9.6.1 Aufgaben der Messprogramme | 479 | ||
| 9.6.2 Ablauf eines rechnergestützten Messprozesses | 480 | ||
| 9.6.3 Virtuelles Messgerät | 484 | ||
| 9.6.4 LabVIEW | 485 | ||
| 9.6.5 MATLAB | 487 | ||
| 9.7 Beispiel: Messung des linearen Frequenzgangs | 490 | ||
| Literaturverzeichnis | 494 | ||
| Kapitelübergreifende Literatur | 494 | ||
| Literatur zu den einzelnen Kapiteln | 496 | ||
| Tabellenverzeichnis | 504 | ||
| Sachwortverzeichnis | 506 | ||
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