Einführung in die elektrische Messtechnik: Grundlagen, Messverfahren, Anwendungen

303 Pages·2014·9.5 MB·German

by  Thomas Mühl (auth.)

Thomas Mühl
Einführung in
die elektrische
Messtechnik
Grundlagen · Messverfahren ·
Anwendungen
4. Auflage
Einführung in die elektrische Messtechnik
Thomas Mühl
Einführung in die elektrische
Messtechnik
Grundlagen, Messverfahren,
Anwendungen
4., aktualisierte und erweiterte Auflage
ThomasMühl
FBElektrotechnikundInformationstechnik
FachhochschuleAachen
Aachen,Deutschland
ISBN978-3-8348-0899-8 ISBN978-3-8348-2063-1(eBook)
DOI10.1007/978-3-8348-2063-1
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Vorwort zur 4. Auflage
InderviertenAuflagesindeinigeKapitelunddasLiteraturverzeichnisergänztundaktua-
lisiert worden. Die Aufgabenteile zum Abschluss der Kapitel wurden deutlich erweitert
unddieMusterlösungenamEndedesBuchesentsprechendvervollständigt.
Ich dankeallen, die mit Anregungenzur vierten Auflage beigetragen und beider Er-
stellungmitgewirkthaben.
Aachen,imApril2014 ThomasMühl
V
Vorwort zur 3. Auflage
Für die dritte Auflage wurde der Buchinhaltder aktuellen Entwicklung der elektrischen
MesstechnikangepasstundineinigenKapitelndeutlicherweitert,umdemTrendinRich-
tungdigitaleMessverfahrenRechnungzutragen.DiesbetrifftvorallemdiedigitalenLeis-
tungsanalysatoren, Impedanzmessgeräte und die Fast-Fourier-Transformation zur Spek-
trumanalyse.
ZusätzlichwurdenzumAbschlussderKap.2,3,5,6,7,9und10typischeAufgaben
angefügt,zu denenam EndedesBuchesnachdemLiteraturverzeichnisMusterlösungen
angegeben sind. Dies soll zum einen die praxisnahe Anwendung wiedergeben und zum
andereneineLernkontrolledesDargestelltenermöglichen.
Dankenmöchteichallen,diemichbeiderÜberarbeitungunterstützthaben,deninter-
essiertenLesernfürihremitgeteiltenAnregungenundHerrnMartinFeuchtevomTeubner
VerlagfürdiesehrguteKooperation.
Aachen,imSeptember2007 ThomasMühl
VII
Vorwort zur 1. Auflage
DasvorliegendeBuch„EinführungindieelektrischeMesstechnik“behandeltdieGrund-
lagen, Verfahrensweisen und Anwendungen der elektrischen Messtechnik. Nach einer
Einführung in grundlegende Begriffe und einer allgemeinen Beschreibung der Eigen-
schaften elektrischer Messgeräte werdendieanalogenunddigitalen Messprinzipien und
Verfahren zur Messung der wichtigsten elektrischen Größen erläutert. Im Vordergrund
stehtdabeidiepraxisnaheAnwendung,dieabervoraussetzt, dass diewichtigsten Mess-
verfahren verstanden werden und so eine geeignete Auswahl und der richtige Einsatz
erfolgenkann.ErstdieKenntnisderZusammenhängederEinstellparameterunddieAb-
schätzung möglicher Rückwirkung auf die Messgröße ermöglicht sinnvolle Messungen,
undvermeidetsomanche,aufwendigeMessreihe,diekeinverwertbaresErgebnisliefert.
Die in diesem Buch behandeltenThemen und Problemstellungen decken diewesent-
lichenInhalteeinerVorlesungüberdieGrundlagenderelektrischenMesstechnikab,wie
sie beispielsweise Studenten im Grundstudium der Elektrotechnik als Einzelfach oder
im Rahmender GrundgebietederElektrotechnikhören.DarüberhinauswerdenStuden-
ten anderer Fachrichtungen und praktisch tätige Naturwissenschaftler oder Ingenieure
angesprochen,diesichindieAufgabenundLösungsmöglichkeitenderelektrischenMess-
technikeinarbeitenundpraktischeAnregungenerhaltenwollen.
DasBuchistin zehnKapitelunterteilt. Dieersten viergrundlegendenbehandelnBe-
griffe,EinheitenundNormale,dieDarlegungderMessabweichungundMessunsicherheit
sowie die allgemeinen Eigenschaften elektrischer Messgeräte, wie das statische und dy-
namischeVerhalten,dieGenauigkeitsangabenunddenAufbauelektromechanischerund
digitaler Messgeräte. In den nachfolgenden sechs Kapiteln werden die Messprinzipien
und Verfahrenzur Messung von Strom und Spannung,Widerstandund Impedanz,Leis-
tung und Arbeit, Zeit, Frequenz und Spektrum sowie die Oszilloskope erläutert. Durch
die schnelle Entwicklung und den zunehmenden Einsatz der Digitaltechnik werden ne-
bendenanalogenvorallemdiedigitalenVerfahrenunddiespezifischenBesonderheiten,
MöglichkeitenundEinsatzbereichederaktuellenMessgerätevorgestellt.
Ichmöchtehiermitallen danken,dieeinenBeitrag zurEntstehungdieses Buchesge-
leistethaben.InbesondererLiniebinichHerrnDipl.-Ing.WilfriedBockfürseinKorrek-
turlesen des Manuskriptes und Anregungen zur Verbesserung zu Dank verpflichtet. Der
IX
X Vorwortzur1.Auflage
Dank gilt auchHerrn Dipl.-Ing.Bela Kazay undmeiner Frau Ruth für dieMitarbeit bei
derKorrektur.
HerzlichbedankenmöchteichmichbeiallenandiesemWerkbeteiligtenMitarbeitern
des Teubner Verlags, insbesondere Herrn Dr. Jens Schlembach, der die Anregung zum
SchreibendiesesWerkesgab,sowieHerrnAndreasMeißnerfürdieUnterstützungbeider
ErstellungderdruckreifenVorlage.
Aachen,imAugust2001 ThomasMühl
Inhaltsverzeichnis
1 AllgemeineGrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 AufgabenderMesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 NormenundBegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 NormenundVorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Begriffsdefinitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.3 MesstechnischeTätigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.4 Messmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 EinheitenundNormale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1 Maßsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2 DasEinheitensystemSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.3 DarstellungderEinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.4 NormaleundKalibrierkette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 MessabweichungundMessunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 ArtenvonMessabweichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 SystematischeMessabweichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.1 BekannteundunbekanntesystematischeAbweichungen . . . . . 22
2.2.2 FortpflanzungsystematischerMessabweichungen . . . . . . . . . 22
2.3 ZufälligeMessabweichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 BeschreibungstatistischerGrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.2 StichprobeeinerMessgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.3 FortpflanzungzufälligerAbweichungen . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 MessunsicherheitundvollständigesMessergebnis . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5 AufgabenzurToleranz,MessunsicherheitundFehlerfortpflanzung . . . 36
3 EigenschaftenelektrischerMessgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 StatischesVerhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 DynamischesVerhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1 BeschreibungdynamischerSysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2 Messsystem1.Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.3 Messsystem2.Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
XI
XII Inhaltsverzeichnis
3.2.4 Mehrgliedrige,lineareSysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 AngabenzurGenauigkeitelektrischerMessgeräte . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.1 FehlergrenzeundGrenzwertederMessabweichungen . . . . . . . 57
3.3.2 AngabederFehlergrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4 AufgabenzustatischenunddynamischenEigenschaftenvonMessgeräten 60
4 ElektromechanischeunddigitaleMessgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1 ElektromechanischeMessgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.1 Drehspulmesswerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.2 Dreheisenmesswerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1.3 ElektrodynamischesMesswerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.4 WeitereelektromechanischeMesswerke . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1.5 Symbolefürdirektwirkende,elektrischeMessgeräte . . . . . . . 72
4.2 DigitaleMessgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.1 AbtastungundQuantisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.2 DigitalvoltmeterundallgemeinesdigitalesMessgerät . . . . . . . 75
5 MessungvonStromundSpannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.1 Gleichstrom-undGleichspannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.1.1 Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.1.2 Messbereichserweiterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.1.3 Überlastschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2 Wechselstrom-undWechselspannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.2.1 BeschreibungperiodischzeitabhängigerGrößen . . . . . . . . . . 92
5.2.2 Messgleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2.3 Effektivwertmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2.4 Messwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.3 Multimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.4 AufgabenzuStrom-undSpannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6 MessungvonohmschenWiderständenundImpedanzmessung . . . . . . . 115
6.1 OhmscheWiderstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.1.1 Strom-undSpannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.1.2 VerwendungeinerKonstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.1.3 Abgleich-Widerstandsmessbrücken . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.1.4 Ausschlag-Widerstandsmessbrücken . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.2 Impedanzmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2.1 BeschreibungrealerpassiverBauelemente . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2.2 Strom-undSpannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.2.3 MessungvonStrom,SpannungundPhasenwinkel . . . . . . . . . 137
6.2.4 Wechselspannungs-Messbrücken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.2.5 Resonanzverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147