Elektrische Meßtechnik

ISBN-13: 9783211828731 / Niemiecki / Miękka / 1996 / 464 str.

Rupert Patzelt; Herbert Schweinzer

Opis

Die zweite, neubearbeitete Auflage des Buches "Elektrische Messtechnik" stellt eine teilweise erhebliche Umgestaltung und Erweiterung der ersten Auflage, die in kurzer Zeit grossen Anklang gefunden hat, dar. Auch sie entspricht in ihren Schwerpunkten und in der Darstellung der dreistundigen Vorlesung "Elektrische Messtechnik," die im 4. Semester des Elektrotechnikstudiums an der Technischen Universitat Wien abgehalten wird. Als stark praxisbezogene Wissenschaft stellt die Messtechnik eine Bruckenfunktion zwischen physikalischer Realitat einerseits und den abstrakten Zahlenwerten der "Messergebnisse" andererseits dar. In der Aufbereitung des Stoffes wird angestrebt, diese Aufgabe von verschiedenen Positionen aus zu beleuchten: neben einer Einfuhrung in die grundlegenden Begriffe und Definitionen werden sowohl fundamentale Messprinzipien und Messverfahren, als auch konstruktive Grundlagen, Eigenschaften und Moglichkeiten zeitgemasser Messgerate behandelt. Damit unterscheidet sich diese Darstellung in vielen Fallen wesentlich von anderen. Als wichtige Erganzung ist eine umfassende Behandlung der Abtastung und darauf beruhender Messdaten-Erfassungs- und Darstellungsmoglichkeiten, z.B. beim Digitalspeicheroszilloskop, angefuhrt. Neue Kapitel uber Sensorprinzipien, digitale Zahler und Diskriminatoren sowie spezielle Erganzungen runden das Buch ab."

Spis treści

1. Meßtechnische Grundlagen.- 1.1 Meßtechnik-Übersicht.- 1.1.1 Einleitung.- 1.1.2 Definition des Begriffes Messung.- 1.1.3 Arten der Messung.- 1.1.4 Maßsystem, technische Einheiten.- 1.1.5 Maßverkörperungen, Meßnormale.- 1.1.5.1 Spannungsnormale.- 1.1.5.2 Normalwiderstände.- 1.1.6 Messung elektrischer Größen.- 1.1.7 Literatur.- 1.2 Netzwerkberechnung.- 1.2.1 Einführung.- 1.2.1.1 Allgemeines.- 1.2.1.2 Grundgesetze.- 1.2.1.3 Methoden der Netzwerkberechnung.- 1.2.2 Ersatzschaltungen.- 1.2.2.1 Ideale und reale Spannungsquellen.- 1.2.2.2 Ideale und reale Stromquellen.- 1.2.2.3 Ersatzschaltungen linearer Netzwerke.- 1.2.3 Grafische Netzwerkanalyse und -konstruktion.- 1.2.3.1 Parallel- und Serienschaltung von Bauelementen.- 1.2.3.2 Kombinationen von Widerstand und nichtlinearem Bauelement.- 1.2.3.3 Kombinationen von zwei nichtlinearen Bauelementen.- 1.2.3.4 Kenngrößen nichtlinearer Bauelemente in Ersatzschaltungen.- 1.2.4 Dynamisches Verhalten linearer Netzwerke.- 1.2.5 Literatur.- 1.3 Signale, Kenngrößen und Kennwerte.- 1.3.1 Signalklassen und ihre Merkmale.- 1.3.1.1 Deterministische Signale.- 1.3.1.2 Stochastische Signale.- 1.3.2 Kenngrößen von Signalen.- 1.3.2.1 Lineare Kenngrößen.- 1.3.2.2 Quadratische Kenngrößen und andere Kenngrößen 2.Ordnung.- 1.3.2.3 Kennwertfaktoren.- 1.3.2.4 Impulskenngrößen.- 1.3.3 Literatur.- 1.4 Eigenschaften von Meßgeräten.- 1.4.1 Einleitung.- 1.4.2 Begriffsbestimmungen und meßtechnische Eigenschaften.- 1.4.2.1 Meßgröße, Ergebnisgröße, Bewertung, Meßergebnis.- 1.4.2.2 Meßcharakteristik, Meßkoeffizient.- 1.4.2.3 Meßcharakteristik digitaler Meßgeräte, Quantisierung.- 1.4.2.4 Meßbereich.- 1.4.2.5 Auflösung, Genauigkeit, Bewertungsunsicherheit, Intervallgrenzen.- 1.4.2.6 Meßempfindlichkeit.- 1.4.3 Abweichungen und Fehler.- 1.4.3.1 Meßabweichung, Meßunsicherheit.- 1.4.3.2 Systematische Abweichungen.- 1.4.3.3 Einflußgrößen.- 1.4.3.4 Fehlerklassen.- 1.4.3.5 Zufällige Abweichungen, Meßwertverteilungen.- 1.4.3.6 Wiederholbedingungen, Vergleichsbedingungen.- 1.4.3.7 Eichung, Kalibrierung.- 1.4.4 Zeitliche Änderungen des Meßsignals.- 1.4.4.1 Behandlung der Zeit, Darstellung von Meßwerten über der Zeit.- 1.4.4.2 Probleme der Meßwertbildung bei dynamischen Meßgrößen.- 1.4.5 Fehler abgeleiteter Meßergebnisse.- 1.4.5.1 Fehlerfortpflanzung statistischer Größen.- 1.4.5.2 Fehlerfortpflanzung bei Summen- und Produktfunktionen.- 1.4.5.3 Sicherer Fehler, Garantiefehler.- 1.4.5.4 Wahrscheinlicher Fehler.- 1.4.6 Literatur.- 1.5 Digitale Darstellung von Meßwerten.- 1.5.1 Einleitung.- 1.5.2 Zifferndarstellung.- 1.5.3 Zahlendarstellung.- 1.5.3.1 Singuläre Codierung.- 1.5.3.2 Duale Codes für unipolare Meßwerte.- 1.5.3.3 Duale Codes für bipolare Meßwerte.- 1.5.3.4 Einschrittige Codes (Gray Code).- 1.5.4 Literatur.- 1.6 Abtastung und Rekonstruktion.- 1.6.1 Einleitung und Überblick.- 1.6.2 Abtastung und Aliasing.- 1.6.2.1 Ideale Abtastung eines zeitkontinuierlichen Signals, Abtasttheorem.- 1.6.2.2 Reale Abtastung.- 1.6.2.3 Auftreten von Aliasing.- 1.6.3 Quantisierung.- 1.6.4 Digitale Signalverarbeitung.- 1.6.5 Rekonstruktion.- 1.6.5.1 Ideale Rekonstruktion.- 1.6.5.2 Reale Rekonstruktion.- 1.6.6 Literatur.- 2. Funktionsgruppen, Meßelektronik.- 2.1 Meßtechnische Bauelemente.- 2.1.1 Einleitung.- 2.1.2 Widerstände.- 2.1.2.1 Kenngrößen und Einflußparameter.- 2.1.2.2 Ausführungsformen von Festwiderständen.- 2.1.2.3 Ausführungsformen von Regelwiderständen.- 2.1.3 Kondensatoren.- 2.1.3.1 Kenngrößen und Einflußparameter.- 2.1.3.2 Ausführungsformen von Kondensatoren.- 2.1.4 Meßspannungsteiler.- 2.1.4.1 Einfache Potentiometerkombinationen.- 2.1.4.2 Mehrbereichsstufenschalter.- 2.1.5 Referenzspannungsquellen.- 2.1.5.1 Spannungsquellen mit Zener-Dioden.- 2.1.5.2 Band-Gap-Referenz.- 2.1.6 Schwingquarze.- 2.1.7 Schalter.- 2.1.8 Batterien und Akkumulatoren.- 2.1.9 Literatur.- 2.2 Meßgrößenaufnehmer, Sensoren.- 2.2.1 Einleitung.- 2.2.2 Überblick.- 2.2.2.1 Sensoren für wichtige nicht-elektrische Größen.- 2.2.2.2 Signalanpassung und -vorverarbeitung.- 2.2.2.3 Ausgangssignale.- 2.2.3 Temperatursensoren.- 2.2.3.1 Widerstandsthermometer.- 2.2.3.2 Thermoelemente.- 2.2.3.3 Integrierte Si-Temperatursensoren mit pn-Übergang.- 2.2.3.4 Schwingquarzthermometer.- 2.2.4 Magnetfeldsensoren.- 2.2.4.1 Hall-Sonde.- 2.2.4.2 Feldplatte.- 2.2.5 Dehnungssensoren.- 2.2.5.1 Dehnmeßstreifen.- 2.2.6 Kraft- und Drucksensoren.- 2.2.6.1 Piezoelektrischer Kraftsensor.- 2.2.6.2 Sensoren nach dem magnetoelastischen Prinzip.- 2.2.7 Positionssensoren.- 2.2.7.1 Potentiometer.- 2.2.7.2 Induktive Sensoren.- 2.2.7.3 Kapazitive Sensoren.- 2.2.7.4 Inkrementalgeber und Absolutgeber.- 2.2.8 Geschwindigkeitssensoren.- 2.2.9 Optische Sensoren.- 2.2.9.1 Photoelemente.- 2.2.9.2 Photodiode.- 2.2.9.3 Phototransistor.- 2.2.9.4 Photowiderstand.- 2.2.10 Literatur.- 2.3 Meßverstärker.- 2.3.1 Einleitung.- 2.3.2 Operationsverstärker.- 2.3.3 Gegengekoppelte OPV-Schaltungen.- 2.3.4 Der ideale Operationsverstärker.- 2.3.4.1 Eigenschaften des idealen Operationsverstärkers.- 2.3.5 Der idealisierte (linearisierte) Operationsverstärker.- 2.3.5.1 Eigenschaften des idealisierten Operationsverstärkers.- 2.3.5.2 Eingangs Störgrößen.- 2.3.6 Der reale Operationsverstärker.- 2.3.6.1 Prinzipieller Aufbau von Operationsverstärkern.- 2.3.7 Das dynamische Verhalten des Operationsverstärkers.- 2.3.7.1 Frequenzkompensation.- 2.3.7.2 Der Einfluß von Anstiegsgeschwindigkeit und Verzögerungszeit.- 2.3.8 OPV-Grundschaltungen.- 2.3.8.1 Die nichtinvertierende Grundschaltung (Elektrometerverstärker).- 2.3.8.2 Die invertierende Grundschaltung.- 2.3.8.3 Vergleich Elektrometer- und invertierender Verstärker.- 2.3.8.4 Die Additionsschaltung (Summierverstärker).- 2.3.8.5 Die Subtraktionsschaltung.- 2.3.8.6 Der Integrator.- 2.3.8.7 Der Differentiator.- 2.3.9 Präzisionsverstärker für niederfrequente Spannungen.- 2.3.9.1 Der Zerhackerverstärker (Chopper-Verstärker).- 2.3.9.2 Der Auto-Zero-Verstärker.- 2.3.10 Breitbandmeßverstärker.- 2.3.10.1 Breitbanddifferenzverstärker.- 2.3.10.2 Current-Feedback-Verstärker.- 2.3.11 Split-Band-Amplifier.- 2.3.12 Literatur.- 2.4 Analoge Meßschaltungen.- 2.4.1 Einleitung.- 2.4.2 Meßverstärker für Spannung und Strom.- 2.4.2.1 Spannungspuffer.- 2.4.2.2 Strompuffer.- 2.4.2.3 Spannungsmeßverstärker-Schaltungen.- 2.4.2.4 Ladungsverstärker.- 2.4.2.5 Instrumentationsverstärker.- 2.4.3 Trennverstärker (Isolationsverstärker).- 2.4.4 Probleme bei Meßverstärkern.- 2.4.4.1 Fehler durch Eingangsstörgrößen.- 2.4.4.2 Die Eingangsimpedanz.- 2.4.4.3 Rauschen.- 2.4.5 Präzisions-Spannungsquellen.- 2.4.5.1 Spannungsquelle mit Leistungsendstufe.- 2.4.6 Präzisions-Stromquellen.- 2.4.7 Nichtlineare Verstärkerschaltungen.- 2.4.7.1 Meßgleichrichter.- 2.4.7.2 Nichtlineare Verstärker mit Knick-Kennlinie.- 2.4.7.3 Logarithmierer.- 2.4.7.4 Exponentierer.- 2.4.8 Analoge Multiplikation und Effektivwertbildung.- 2.4.8.1 Multiplizierer mit Logarithmierern und Exponentierer.- 2.4.8.2 Multiplizierer mit Stromverteilungssteuerung.- 2.4.8.3 Dividierer und Radizierer.- 2.4.8.4 Effektivwert-Gleichspannungs-Konverter.- 2.4.9 Abtast-Halte-Verstärker.- 2.4.10 Phasenselektiver Gleichrichter.- 2.4.11 Literatur.- 2.5 Meßgrößen-Bewertung, Diskriminator, Schwellwertschalter, Schwellwertverstärker.- 2.5.1 Bewertung einer Meßgröße.- 2.5.2 Bezeichnungsweise, Definitionen.- 2.5.3 Zeitkontinuierlich arbeitende Diskriminatoren.- 2.5.3.1 Invertierender Diskriminator.- 2.5.3.2 Nicht-invertierender Diskriminator.- 2.5.3.3 Dynamisches Verhalten.- 2.5.4 Taktgesteuerte Diskriminatoren.- 2.5.5 Literatur.- 2.6 Digitale Zählerbausteine.- 2.6.1 Einleitung.- 2.6.2 Asynchrone Zähler.- 2.6.3 Synchrone Zähler.- 2.7 Digital-Analog-Konverter.- 2.7.1 Grundlagen.- 2.7.2 Kenngrößen von Digital-Analog-Konvertern.- 2.7.3 Ausführungsformen von Digital-Analog-Konvertern.- 2.7.3.1 DAC mit gewichtetem Widerstandsnetzwerk.- 2.7.3.2 DAC mit Widerstands-Kettenleiter.- 2.7.3.3 DAC mit gewichteten Stromquellen.- 2.7.3.4 DAC mit Zwischengröße.- 2.7.4 Literatur.- 2.8 Analog-Digital-Konverter.- 2.8.1 Eigenschaften von Analog-Digital-Konvertern.- 2.8.1.1 Funktionsprinzip.- 2.8.1.2 Arten der Erfassung des Eingangssignals.- 2.8.1.3 Übersicht über ADC-Verfahren.- 2.8.2 Schaltungstechnische Ausführungen wichtiger ADC.- 2.8.2.1 Direkte Konversionsverfahren ohne Rückkopplung.- 2.8.2.2 Kompensationsverfahren mit Rückkopplung.- 2.8.2.3 Indirekte Konversionsverfahren mit Zeit als Zwischengröße.- 2.8.2.4 Indirekte Konversionsverfahren mit Frequenz als Zwischengröße.- 2.8.2.5 Sigma-Delta-Modulator.- 2.8.2.6 Tastverhältnis-Multiplikator ADC (Time-Division-Multiplikator).- 2.8.3 Literatur.- 2.9 Meßwandler.- 2.9.1 Übersicht.- 2.9.1.1 Idealer Wandler.- 2.9.1.2 Verlustbehafteter Wandler.- 2.9.2 Stromwandler.- 2.9.2.1 Eigenschaften.- 2.9.2.2 Kenngrößen.- 2.9.2.3 Kompensierter Stromwandler.- 2.9.3 Spannungswandler.- 2.9.3.1 Eigenschaften.- 2.9.3.2 Kenngrößen.- 2.9.4 Literatur.- 3. Meßgeräte, Meßmethoden.- 3.1 Direkte Messung elektrischer Größen.- 3.1.1 Einleitung.- 3.1.2 Rückwirkungen, Belastungsfehler.- 3.1.3 Spannungsmessung, Grundschaltungen.- 3.1.4 Mehrbereichs-Spannungsmessung.- 3.1.4.1 Mehrbereichs-Spannungsmessung mit Spannungsmeßwerk.- 3.1.4.2 Mehrbereichs-Spannungsmessung mit Strommeßwerk.- 3.1.5 Messung sehr großer oder sehr kleiner Spannungen.- 3.1.6 Überlastschutz.- 3.1.7 Strommessung, Grundschaltungen.- 3.1.8 Mehrbereichs-Strommessung.- 3.1.8.1 Mehrbereichs-Strommessung mit Spannungsmeßwerk.- 3.1.8.2 Mehrbereichs-Strommessung mit Strommeßwerk.- 3.1.9 Messung sehr kleiner oder sehr großer Ströme.- 3.1.10 Messung von Wechselstrom und Wechselspannung.- 3.1.10.1 Möglichkeiten der Messung.- 3.1.10.2 Störeinflüsse.- 3.1.10.3 Kompensierter Spannungsteiler.- 3.1.10.4 Tastkopf.- 3.1.11 Temperaturabhängigkeit.- 3.1.12 Direkte Messung von Ohmschen Widerständen.- 3.1.12.1 Getrennte Messung von Strom und Spannung.- 3.1.12.2 Lineare Ohmmessung.- 3.1.12.3 Ratiometrische Widerstandsmessung.- 3.1.12.4 Nichtlineare Ohmmessung.- 3.1.13 Messung extrem großer und extrem kleiner Widerstände.- 3.1.14 Direkte Messung von Kapazität und Induktivität.- 3.1.14.1 Vektorielle Impedanzmessung durch Multiplikation.- 3.1.14.2 Vektorielle Impedanzmessung mit phasenselektiver Gleichrichtung.- 3.1.14.3 Impedanzmessung in der Sensortechnik.- 3.1.15 Messung extrem großer und extrem kleiner L- und C-Werte.- 3.1.15.1 Messung großer Kapazitäten.- 3.1.15.2 Messung großer Induktivitäten.- 3.1.15.3 Messung kleiner Kapazitäten.- 3.1.15.4 Messung kleiner Induktivitäten.- 3.1.16 Literatur.- 3.2 Leistungs- und Energiemessung.- 3.2.1 Leistungsmessung bei Gleichstrom.- 3.2.2 Leistungsmessung bei Wechselstrom.- 3.2.2.1 Wirkleistung.- 3.2.2.2 Blindleistung.- 3.2.3 Leistungsmessung im Drehstromnetz.- 3.2.3.1 Wirkleistung.- 3.2.3.2 Blindleistung.- 3.2.4 Leistungsmessung bei hohen Frequenzen.- 3.2.4.1 Sensoren.- 3.2.4.2 Meßverfahren.- 3.2.5 Energiemessung.- 3.2.6 Literatur.- 3.3 Kompensation und Meßbrücken.- 3.3.1 Meßprinzip und Grundschaltungen.- 3.3.2 Vollständige und teilweise Kompensation von Spannung und Strom.- 3.3.2.1 Vollständige Kompensation von Gleichspannungen.- 3.3.2.2 Teilweise Kompensation von Gleichspannungen.- 3.3.2.3 Die Kompensation von Gleichströmen.- 3.3.3 Gleichspannungsbrücken.- 3.3.3.1 Die Wheatstone-Brücke und ihr Abgleich.- 3.3.3.2 Die Thomson-Brücke.- 3.3.3.3 Ausschlagbrücken.- 3.3.4 Wechselspannungsbrücken.- 3.3.4.1 Allgemeine Behandlung der Wechselspannungsbrücke.- 3.3.4.2 Brücken zur Kapazitäts- und Induktivitätsmessung.- 3.3.4.3 Berücksichtigung von kapazitiven Störeinflüssen.- 3.3.4.4 Zur Konvergenz des Abgleichvorganges.- 3.3.5 Selbstabgleichende Brücken und Kompensatoren.- 3.3.5.1 Selbstabgleichende Präzisionsmeßbrücken.- 3.3.5.2 Selbstabgleichende Kompensatoren.- 3.3.6 Literatur.- 3.4 Zeit- und Frequenzmessung.- 3.4.1 Einleitung.- 3.4.2 Meßmethoden.- 3.4.2.1 Frequenzmessung.- 3.4.2.2 Messung eines Frequenzverhältnisses.- 3.4.2.3 Zeitintervallmessung, Periodendauermessung.- 3.4.2.4 Messung von Phasenverschiebung und Zeitdifferenz.- 3.4.2.5 Messung der Impulsrate, Ereigniszählung.- 3.4.2.6 Auflösung und Meßzeit.- 3.4.3 Funktion und Eigenschaften elektronischer Zähler.- 3.4.3.1 Eingangsstufe.- 3.4.3.2 Referenztaktgenerator.- 3.4.3.3 Einstellbarer Teiler.- 3.4.3.4 Zähler, Anzeige.- 3.4.3.5 Steuerlogik.- 3.4.4 Literatur.- 4. Meßdatenerfassung und Darstellung.- 4.1 Übersicht und Einführung.- 4.1.1 Allgemeine Struktur der Meßdatenerfassung und Darstellung.- 4.1.2 Gegenüberstellung analoger und digitaler Ausführungsformen.- 4.1.3 Weiterführende Behandlung der Digitalisierung.- 4.1.3.1 Abtastung.- 4.1.3.2 Quantisierung.- 4.1.3.3 Alternative Aufzeichnungsarten.- 4.1.4 Gegenüberstellung der Auswertungen im Zeit- und Frequenzbereich.- 4.2 Analogoszilloskopie.- 4.2.1 Grundlagen.- 4.2.2 Kathodenstrahlröhre.- 4.2.3 Horizontalteil.- 4.2.3.1 Zeitbasis.- 4.2.3.2 Triggerung.- 4.2.3.3 Kombinierte Zeitbasis mit einstellbarer Verzögerung.- 4.2.4 Vertikalteil.- 4.2.4.1 Signalverzögerung.- 4.2.4.2 Mehrkanaldarstellung.- 4.2.5 Meßanwendungen und Meßmethoden.- 4.2.5.1 Darstellung zeitabhängiger Vorgänge.- 4.2.5.2 Messung der Phasenverschiebung zweier periodischer Sinus-Signale.- 4.2.5.3 Darstellung von Kennlinien.- 4.2.5.4 Erfassung des Frequenzgangs (Filterkurven, Bode-Diagramm).- 4.2.6 Sampling-Oszilloskop, Äquivalentzeit-Abtasten.- 4.2.6.1 Grundlagen.- 4.2.6.2 Sequentielles (Triggered) Sampling.- 4.2.6.3 Zufällig gesteuertes (Random) Sampling.- 4.2.6.4 Verfahrensgrenzen.- 4.2.7 Literatur.- 4.3 Digitalspeicheroszilloskop.- 4.3.1 Einleitung.- 4.3.2 Arbeitsweise und Funktionsgruppen.- 4.3.2.1 Analoger Teil der Signalerfassung.- 4.3.2.2 Echtzeitverarbeitung und Aufzeichnung.- 4.3.2.3 Auswertung und Visualisierung.- 4.3.2.4 Trigger.- 4.3.3 Meßwertverarbeitung und Visualisierung.- 4.3.3.1 Darstellung des Signalverlaufes.- 4.3.3.2 Meßfunktionen.- 4.3.3.3 Mathematische Operationen.- 4.3.4 Literatur.- 4.4 Frequenzanalyse.- 4.4.1 Überblick.- 4.4.2 Spektrumanalysator.- 4.4.2.1 Funktionsprinzipien.- 4.4.2.2 Spektralanalyse nach dem Prinzip des Überlagerungsempfängers.- 4.4.3 FFT-Analysator.- 4.4.3.1 Funktionsweise.- 4.4.3.2 Erfassung des Eingangssignals.- 4.4.3.3 Aufbereitung und Ausweitung.- 4.4.3.4 Einfluß der Länge der Fensterfunktion.- 4.4.3.5 Synchrone und asynchrone Aufzeichnung.- 4.4.3.6 Die Form der Fensterfunktion und analytische Korrekturen.- 4.4.4 Literatur.- 4.5 Computergestützte Meßtechnik.- 4.5.1 Einleitung.- 4.5.2 Hardware.- 4.5.3 Schnittstellen.- 4.5.3.1 Analoge Schnittstellen.- 4.5.3.2 Digitale Schnittstellen.- 4.5.4 Software.- 4.5.4.1 Funktionen der Software.- 4.5.4.2 Möglichkeiten der Erstellung.- 4.5.5 Literatur.- Wichtigste Formelzeichen und Abkürzungen.- Symbole und Schreibweisen.