Table Of ContentRaiher Parthier
Messtechnik
Aus dem Programm ______________
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Automatisierungstechnik
Elektrische Messtechnik
von K. Bergmann
Speicberprogrammierbare Steuerungen
in der Praxis
von W. Braun
Kaspers/Küfner Messen - Steuern - Regeln
von B. Heinrich (Hrsg.), B. Berling, W. Thrun und W. Vogt
Messtechnik
von R. Parthier
Regelungstechnik für Ingenieure
von M. Reuter und S. Zacher
Automatisieren mit SPS Theorie und Praxis
von G. Wellenreuther und D. Zastrow
Automatisieren mit SPS
Übersicht und Übungsaufgaben
von G. Wellenreuther und D. Zastrow
Steuerungstechnik mit SPS
von G. Wellenreuther und D. Zastrow
Bussysteme in der Automatisierungs
und Prozesstechnik
herausgegeben von G. Schnell
vieweg _________________
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Rainer Parthier
Messtechnik
Grundlagen für alle technischen
Fachrichtungen und Wirtschaftsingenieure
2., verbesserte Auflage
Mit 118 Abbildungen und 28 Tabellen
~
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH vleweg
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet iiber <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
ISBN 978-3-528-13941-4 ISBN 978-3-663-10782-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-10782-8
1. Auflage Juli 2001
2., verbesserte Auflage Januar 2004
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2004
Urspriinglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2004.
www.vieweg.de
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Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fur
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rung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
v
Vorwort
Automatisierung in der Industrie, wissenschaftliche Experimente im Labor, Erfassung von
physikalischen Größen aus der Umwelt; nur einige Komplexe, in denen die Messtechnik die
Voraussetzungen zur Umsetzung der gestellten Ziele schafft. Dabei stellt sich modeme Mess
technik in der heutigen Zeit vorrangig als elektronische, vorzugsweise digitale Messtechnik
dar. Diese wenigen Bemerkungen zeigen schon, dass niemand in der produzierenden Wirt
schaft oder in der Wissenschaft tätig sein kann, der nicht über grundlegendes Wissen zur elekt
ronischen Messtechnik verfügt.
Als Professor der Hochschule Mittweida bin ich u.a. mit der Vermittlung von Wissen zur e
lektronischen Messtechnik an Studenten betraut, für die dieses Wissensgebiet ein Nebenfach
darstellt, wie z.B. Studenten des Wirtschaftsingenieurwesens, Studenten der Um.welttechnik
usw. Trotz der zahlreich zur Messtechnik vorhandenen Literatur ließ sich keine unemge
schränkte Literaturempfehlung für diesen Hörerkreis geben, die einerseits möglichst str~tI und
klar den zum Verständnis des Anliegens der Messtechnik erforderlichen Inhalt abdeckt, ande
rerseits auch das Selbststudium fördernde Übungsaufgaben und Kontröllfragen, inklusive der
Lösungen, zur Verfügung stellt.
Angeregt durch die Arbeiten an Studienbriefen zur Messtechnik für die Femfachhochschule
Hamburg und den dabei gewonnenen Erfahrungen bei der Erstellung von Lehrmaterial, das
zum Selbststudium geeignet ist, wurde die Idee zu diesem Buch entwickelt. Ich danke dem
Verlag, dass er sich diesen Gedanken geöffnet hat und das Entstehen dieses Buches förderte.
Im vorliegenden Buch werden ausgehend von den Grundbegriffen der Messtechnik und der
Charakterisierung von Messsignalen grundsätzliche Verfahren zur Ermittlung von Messwerten
erläutert und relevante Kenngrößen von Messeinrichtungen diskutiert. Über die Abhandlung
von Abweichungen bei Messungen, deren Ursachen und ihre Auswirkungen auf die Verwert
barkeit der erzielten Messergebnisse, wird dem Leser das notwendige Wissen an die Hand
gegeben, vorhandene Messtechnik auf der Basis betrieblicher Qualitätsanforderungen auszu
wählen und einzusetzen. Entsprechend ihrer Bedeutung ist ein angemessener Teil des Buches
der Sensorik, ausgewählten Sensorprinzipien und ihrer praktischen messtechnischen Anwen
dung gewidmet. Zu allen angeführten Sensorprinzipien werden Beispiele für ihre praktische
Umsetzung und erreichbare messtechnische Parameter genannt. Abgerundet wird das Lehr
buch durch eine einführende Vorstellung von grundsätzlichen Varianten zur Realisierung
rechnergesteuerter Messsysteme. Aufgrund des Umfanges des Gebiets der elektronischen
Messtechnik war eine gezielte Auswahl des Inhalts, aber auch dessen straffe Darstellung erfor
derlich, um den selbst vorgegebenen Umfang des Buches nicht zu sprengen.
Das Lehrbuch wendet sich vorrangig an Studierende, die sich mit grundlegenden Problemen
der Messtechnik vertraut machen wollen. Aber auch der Praktiker, der sich Basiswissen der
Messtechnik wieder in Erinnerung rufen will, findet mit diesem Buch die geeignete Literatur.
Das Selbststudium mit Hilfe dieses Buches wird gezielt durch praxisnahe Beispiele und Ü
bungsaufgaben unterstützt.
Nach dem Durcharbeiten dieses Buches sollte der Leser in der Lage sein, die Bedeutung der
Messtechnik in seinem Arbeitsgebiet einschätzen zu können, er ist dem Messtechnikspezialis
ten ein kompetenter Gesprächspartner und kann an Entscheidungsfindungsprozessen in der
betrieblichen Praxis, in denen die Messtechnik eine Rolle spielt, fundiert mitwirken. Die Erar-
VI
beitung von speziellen, hier nicht abgehandelten messtechnischen Wissensgebieten sollte we
sentlich erleichtert sein nach der Durcharbeitung dieses Lehrbuches.
Für Hinweise, Anregungen und Ergänzungen sind der Autor und der Verlag dankbar.
Mittweida, im Mai 2001 Rainer Parthier
Vorwort zur 2. Auflage
Nachdem die 1. Auflage des vorliegenden Buches von der anvisierten Zielgruppe allgemein
anerkannt wurde, liegt nun die Neuauflage vor. Das Grundkonzept des Buches wurde aufgrund
der Akzeptanz der Idee für dieses Buch nicht verändert. Es galt zahlreiche Hinweise von
Fachkollegen einzuarbeiten, neue Literatur zum Thema zu berücksichtigen und Fehler in der 1.
Auflage zu korrigieren. Somit sollte auch die 2. Auflage an den Erfolg der 1. anknüpfen kön
nen.
Mein Dank gilt den Fachkollegen, die mit Hinweisen zur Verbesserung dieses Buchs beigetra
gen haben. Ich verbinde diesen Dank mit der Bitte, auch diese Auflage mit Hinweisen, Anre
gungen und Ergänzungen zu begleiten.
Mittweida, im November 2003 Rainer Parthier
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Messen; Voraussetzungen und Durchführung ................ ........... .... ......................... 1
1.1 Messgrößen, Maßeinheiten ................................................................................. .
1.2 SI-Einheitensystem.............................................................................................. 2
1.3 Normale ............................................................................................................... 4
1.4 Kontrollfragen und Übungsaufgaben................................................................... 5
2 Messsignale .................................................................................................................. 6
2.1 Klassifizierung von Messsignalen . ................. ...... .................. ............... .............. 6
2.2 Wandlung von Messsignalen............................................................................... 8
2.3 Analog-Digital-Wandlung ................................................................................... 11
2.4 Kontrollfragen und Übungsaufgaben................................................................... 13
3 Charakterisierung von Messsignalen......... .... ............. ............ .... ..................... ...... ... 14
3.1 Signalformen von Messsignalen.......................................................................... 14
3.2 Kenngrößen von Einzelimpulsen und periodischen sinusformigen
Signalverläufen .......... ........................... ............... ........ .................. ..... ........... ...... 16
3.3 Mittelwerte periodischer Signale ......................................................................... 18
3.4 Kenngrößen von nichtsinusformigen periodischen Signalen............................... 23
3.5 Logarithmische Übertragungsverhältnisse........................................................... 25
3.6 Kontrollfragen und Übungsaufgaben................................................................... 28
4 Messmethoden............................................................................................................. 29
4.1 Ausschlagmethode ............................................................................................... 29
4.2 Differenzmethode (Vergleichs-oder Unterschiedsverfahrenverfahren) .............. 30
4.3 Kompensationsmethode....................................................................................... 31
4.4 Kontrollfragen...................................................................................................... 32
5 Messeinrichtung.......................................................................................................... 33
5.1 Wechselwirkung zwischen Grundfunktion und Grundstruktur einer
Messeinrichtung................................................................................................... 33
5.2 Statische und dynamische Kenngrößen von Messeinrichtungen ......................... 34
5.2.1 Statische Kenngrößen von Messeinrichtungen........................................ 34
5.2.2 Dynamische Kenngrößen von Messeinrichtungen .................................. 36
5.3 Kontrollfragen und Übungsaufgaben................................................................... 44
6 Messabweichungen........ ............... ....... ...... ...... ....................... .................................... 45
6.1 Grundbegriffe ...................................................................................................... 45
6.2 Systematische Messabweichungen und deren Korrektur.................. .......... ......... 46
VIII Inhaltsverzeichnis
6.3 Zufallige Abweichungen...................................................................................... 47
6.4 Fehlergrenzen....................................................................................................... 48
6.5 Kontrollfragen........................................................................................... ........... 50
7 Fortpflanzung von Messabweichungen..................................................................... 51
7 .1 Fortpflanzung systematischer Messabweichungen .............................................. 51
7.2 Fortpflanzung zufalliger Messabweichungen ...................................................... 53
7.2.1 Aufnahme und Auswertung einer Messreihe........................................... 53
7.2.2 Normalverteilte Messreihe ...................................................................... 56
7.2.3 Auswertung von endlichen Messreihen................................................... 59
7.2.4 Messunsicherheit, Standardmessunsicherheit.......................................... 61
7.3 Vollständiges Messergebnis................................................................................. 68
7.4 Kontrollfragen...................................................................................................... 74
8 Fehlertypen für Messeinrichtungen .......................................................................... 75
8.1 Die Auswirkung des additiven und multiplikativen Fehlers ................................ 75
8.2 Abweichung infolge der Quantisierung ............................................................... 77
8.3 Korrekte Fehlerangabe bei Messgeräten.............................................................. 80
8.4 Kontrollfragen und Übungsaufgaben................................................................... 81
9 Messung elektrischer Größen .................................................................................... 82
9.1 Erreichbare Messgenauigkeiten ........................................................................... 82
9.2 Messung von Stromstärke und Spannung............................................................ 83
9.3 Leistungsmessung ................................................................................................ 87
9.4 Messung von Wirkwiderständen ( ohmsche Widerstände) ................................... 92
9.4.1 Messung mittels Strom-/Spannungsmessung .......................................... 92
9.4.2 Messung mittels Brückenschaltung ......................................................... 94
9.5 Messung an Kondensator und Spule .................................................................... 96
9.5.1 Bestimmung der Kapazität eines Kondensators
mittels Strom-/Spannungsmessung.......................................................... 97
9.5.2 Bestimmung der Induktivität einer Spule
mittels Strom-Spannungsmessung........................................................... 99
9.5.3 Bestimmung von Kapazität und Induktivität
mittels einer Brückenschaltung.......................................... ...................... 101
9.6 Frequenz-und Zeitmessung................................................................................. 103
9.6.1 Frequenzmessung .................................................................................... 103
9.6.2 Zeitmessung............................................................................................. 104
9.7 Kontrollfragen und Übungsaufgaben................................................................... 105
10 Messung nichtelektrischer physikalischer Größen .................................................. 106
10.1 Messkette ............................................................................................................. 106
10.1.1 Messsignalaufnahme ............................................................................... 107
Inhaltsverzeichnis IX
10.1.2 Multiplexen... ............ ........................ ........................ ............. ................. 108
10.1.3 Verstärken ............................................................................................... 110
10.1.4 Analog-Digital-Wandlung....................................................................... 111
10.2 Verarbeitung und Ausgeben ................................................................................ 117
10.3 Kontrollfragen...................................................................................................... 119
11 Sensoren....................................................................................................................... 120
11.1 Klassifizierung und Grundstruktur von Sensoren................................................ 120
11.2 Sensoren zur Messung geometrischer Größen..................................................... 123
11.2.1 Inkrementale Sensoren ............................................................................ 123
11.2.2 Code-Lineale ........................................................................................... 127
11.2.3 Potentiometrische Sensoren............ ......................................................... 130
11.2.4 Induktive Sensoren .................................................................................. 131
11.2.5 Transformatorische induktive Sensoren zur Winkelmessung.................. 134
11.2.6 Kapazitive Sensoren ................................................................................ 137
11.3 Sensoren zur Kraftmessung ................................................................................. 143
11.3.1 Kraftmessung mit Dehnungsmessstreifen ............................................... 143
11.3.2 Piezoelektrische Kraftsensoren (Piezosensoren) ................ ..................... 148
11.4 Messung mechanischer Schwingungen ............................................................... 153
11.5 Sensoren zur Temperaturmessung ....................................................................... 155
11.5.1 Temperaturmessung mit Widerstandssensoren ....................................... 156
11.5.2 Thermoelementsensoren.......................................................................... 159
11.6 Feuchtemessung................................................................................................... 164
11.6.1 Fadenhygrometer..................................................................................... 165
11.6.2 Kapazitiver Feuchtemesser...................................................................... 165
11.6.3 Resistiver Feuchtesensor ......................................................................... 166
11.7 Kontrollfragen und Übungsaufgaben................................................................... 167
12 Automatisierte Messsysteme...................................................................................... 168
12.1 Hardwarekonfigurationen von automatisierten Messsystemen............................ 168
12.1.1 Instrumentierte Computer........................................................................ 168
12.1.2 Messsysteme mit Busschnittstelle ........................................................... 170
12.2 Software zur Steuerung und Visualisierung......................................................... 179
12.3 Kontrollfragen...................................................................................................... 181
Antworten und Lösungen zu den Kontrollfragen und Übungsaufgaben .................... 182
Symbole und Abkürzungen ................................................... .......................................... 192
Literaturverzeichnis ......................................................................................................... 195
Sachwortverzeichnis......................................................................................................... 197
