Messtechnik: Grundlagen und Anwendungen der elektrischen Messtechnik

288 Pages·2016·3.83 MB·German

by  Rainer Parthier (auth.)

Rainer Parthier
Messtechnik
Grundlagen und Anwendungen
der elektrischen Messtechnik
8. Auflage
Messtechnik
Rainer Parthier
Messtechnik
Grundlagen und Anwendungen der
elektrischen Messtechnik
8., überarbeitete und erweiterte Auflage
RainerParthier
UniversityofAppliedSciences,
HochschuleMittweida,
Mittweida,Deutschland
ISBN978-3-658-13597-3 ISBN978-3-658-13598-0(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-13598-0
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Lektorat:ThomasZipsner
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Vorwort
AutomatisierunginderIndustrie,wissenschaftlicheExperimenteimLabor,Erfassungvon
physikalischenGrößenausderUmwelt;nureinigeKomplexe,indenendieMesstechnik
die Voraussetzungen zur Umsetzung der gefordertenZiele schafft. Dabei stellt sich mo-
derneMesstechnikinderheutigenZeitvorrangigalselektronische,vorzugsweisedigitale
Messtechnik dar. Diese wenigen Bemerkungen zeigen schon, dass niemand in der pro-
duzierendenWirtschaftoderindentechnischenWissenschaftentätigseinkann,dernicht
übergrundlegendesWissenzurelektronischenMesstechnikverfügt.
AlsProfessoranderHochschuleMittweidabinichu.a.mitderVermittlungvonWis-
sen zur elektrischen Messtechnik an Studenten betraut, für die dieses Wissensgebiet ein
Nebenfach darstellt, wie z.B. Studenten des Wirtschaftsingenieurwesens, Studenten der
Umwelttechnikusw.TrotzderzahlreichzurMesstechnikvorhandenenLiteraturließsich
keine uneingeschränkte Literaturempfehlung für diesen Hörerkreis geben, die einerseits
möglichststraffundklardenzumVerständnisderMesstechnikerforderlichenInhaltab-
deckt, andererseits auch das Selbststudium fördernde Übungsaufgaben und Kontrollfra-
gen,inklusivederLösungen,zurVerfügungstellt.
Für die HFH HamburgerFern-Hochschuleals Co-Autor bzw. Autor entwickelte Stu-
dienbriefe zu metrologischen Grundlagen und zur Prozessmesstechnik entsprachen im
erstenAnsatzdengenanntenVorstellungenfüreinestudienbegleitendeLiteratur,sodass
derGedankeentstand,aufderBasisdieserStudienbriefeeinLehrbuchzuerarbeiten.Mit
der freundlichen Unterstützung der HFH Hamburger Fern-Hochschule, welche die ge-
nannten,vonihrherausgegebenenStudienbriefefürdenZweckderVeröffentlichungdes
BucheskostenloszurVerfügunggestellthat,waresmöglich,diesenGedankenkurzfristig
umzusetzen.
Im vorliegenden Buch werden ausgehend von den Grundbegriffen der Messtechnik
undderCharakterisierungvonMesssignalengrundsätzlicheVerfahrenzurErmittlungvon
Messwerten behandelt und relevante Kenngrößen von Messeinrichtungen erläutert. Die
möglichen Abweichungen bei Messungen, deren Ursachen und ihre Auswirkungen auf
dieVerwertbarkeitdererzieltenMessergebnissewerdenaufgezeigt.DamitwirddemLe-
serdasnotwendigeWissenvermittelt,vorhandeneMesstechnikaufderBasisbetrieblicher
Qualitätsanforderungenauszuwählenundeinzusetzen.EntsprechendihrerBedeutungist
einangemessenerTeildesBuchesderSensorikgewidmet,dieanHandausgewählterSen-
V
VI Vorwort
sorprinzipien und ihrer praktischen messtechnischen Anwendung beschrieben wird. Zu
allen angeführtenSensorprinzipienwerdenBeispielefürihrepraktischeUmsetzungund
erreichbaremesstechnischeParametergenannt.AbgerundetwirddasLehrbuchdurcheine
einführendeVorstellungvongrundsätzlichenVariantenzurRealisierungrechnergesteuer-
ter Messsysteme. Aufgrund des Umfanges des Gebiets der elektronischen Messtechnik
wareinegezielteAuswahldesInhalts,aberauchdessenstraffeDarstellungerforderlich,
umdenselbstvorgegebenenUmfangdesBuchesnichtzusprengen.
DasLehrbuchwendetsichvorrangiganStudierende,diesichmitgrundlegendenFra-
gestellungenderMesstechnik vertrautmachenwollen.Aber auchderPraktiker,dersich
BasiswissenderMesstechnikwiederinErinnerungrufenwill,findetmitdiesemBuchdie
geeigneteLiteratur.DasSelbststudiummitHilfediesesBucheswirdgezieltdurchpraxis-
naheBeispieleundÜbungsaufgabenunterstützt.
Nach dem Durcharbeiten dieses Buches sollte der Leser in der Lage sein, die Be-
deutung der Messtechnik in seinem Arbeitsgebiet einschätzen zu können. Er ist dem
Messtechnikspezialisten ein kompetenter Gesprächspartner und kann an Entscheidungs-
findungsprozesseninderbetrieblichenPraxis,indenendieMesstechnikeineRollespielt,
fundiertmitwirken.DieErarbeitungvonspeziellen,hiernichtabgehandeltenmesstechni-
schenWissensgebietensolltewesentlicherleichtertsein.
DasbewährteKonzeptdesBucheswurdebeibehalten,aberdiehiervorliegende8.Auf-
lagewurdeinihremAufbauüberarbeitetundandieForderungenauchalsE-Bookveröf-
fentlich zu werden angepasst. Entsprechend dem technischen Fortschritt wurden Aussa-
genzumesstechnischemEquipmentaktualisiert.HinzugekommensindweitereAufgaben,
inklusiveihrerLösungen,dieeinevertiefendeBeschäftigungmitdemInhaltderjeweili-
genAbschnitteermöglichenundsomitdasSelbststudiumweiterbefördernsollen.
Mein Dank gilt dem Verlag Springer Vieweg und hier insbesondere meinem Lektor
Herrn Thomas Zipsner. Dank seiner förderlichen Unterstützung in der nun schon viele
Jahre währenden Zusammenarbeit konnte das vorliegende Lehrbuch stetig weiterentwi-
ckeltwerden.
MeinDankgiltauchdenFachkollegen,diemitBemerkungenundHinweisendieVer-
besserung dieses Lehrbuchs beförderten. Ich verbinde diesen Dank mit der Bitte, auch
weiterhindasBuchkritischmitHinweisen,AnregungenundErgänzungenzubegleiten.
Mittweida,imMärz2016 RainerParthier
Symbole und Abkürzungen
˛ Temperaturbeiwert(-koeffizient),linearerAnteil;Winkel;Zeigerausschlag
ˇ Temperaturbeiwert(-koeffizient),quadratischerAnteil
(cid:2) endlicheDifferenz
ı Verlustwinkel
" relativeLängenänderung(Dehnung);Dielektrizitätskonstante
" absoluteDielektrizitätskonstante(8,854(cid:2)10(cid:3)12Fm(cid:3)1)
0
" relativeDielektrizitätskonstante(materialabhängig)
r
(cid:3) relativeÄnderungdesspezifischenWiderstandsinfolgeDehnung
(cid:4) Erwartungswert;Poissonzahl(Querkontraktionszahl)
(cid:4) absolutePermeabilität(1,256(cid:2)10(cid:3)6Hm(cid:3)1)
0
(cid:4) relativePermeabilität(auch:Permeabilitätszahl)
r
(cid:5) Crestfaktor(Scheitelfaktor)
(cid:6) ZahlPi((cid:6)=3,1415...)
& spezifischerWiderstandeinesDrahtes
(cid:7) Standardabweichung,Gewichtsfunktion
(cid:8) Zeitkonstante
# Temperatur(inGradCelsius)
˚ magnetischerFluss;Wahrscheinlichkeitsintegral
' Phasenwinkel
! Kreisfrequenz
A Amplitude;Fläche,Abweichung
ADW Analog-Digital-Wandler
A Messgeräteabweichung
M
A zufälligeAbweichung
r
A relativeAbweichung
rel
A systematischeAbweichung
s
A bekanntesystematischeAbweichung
s,b
A unbekanntesystematischeAbweichung
s,u
B magnetischeInduktion;MaterialkonstantefürNTC(isttemperaturabhängig)
C Kapazität
C Federkonstante
f
VII
VIII SymboleundAbkürzungen
D Verschiebeflussdichte;Dämpfungsgrad
d Durchmesser
DAQ dataacquisition(Datenerfassung)
DAW Digital-Analog-Wandler
Dgl. Differentialgleichung
DMS Dehnungsmessstreifen
E Empfindlichkeit;Feldstärke
F Formfaktor;Kraft
f Frequenz;DichtefunktionderNormalverteilung
f Abtastfrequenz
ab
F absoluteFeuchte
abs
F Quantisierungsfehler
Q
F relativeFeuchte
rel
FS fullscale
F Sättigungsfeuchte
sat
F digitalerRestfehler
Z
G Grenzabweichung;Übertragungsfunktion
H Häufigkeit,magnetischeFeldstärke
h relativeHäufigkeit;Verteilungsdichtefunktion
I elektrischerStrom(GleichanteiloderEffektivwert)
i elektrischerStrom(zeitlichveränderlicher,d.h.i(t));Laufindex
I Lichtstärke
v
j Laufindex
jX BlindanteileineskomplexenWiderstands
k k-Faktor;Klirrkoeffizient;Übertragungsfaktor;Konstante
K Klirrfaktor;Korrektion
k piezoelektrischeKonstante(Piezo-Modul)
p
k Thermokoeffizient(Thermokonstante)
th
K Tastverhältnis
V
L Induktivität
l Länge
LSB leastsignificantbit(niederwertigstesBit)
M Messwert(i.Allg.berichtigtesMessergebnis)
m Masse;ZahlvonEreignissen
MSB mostsignificantbit(höchstwertigstesBit)
N AnzahlderWindungeneinerSpule;Impulsanzahl
n ZahlvonEreignissen
NTC negativetemperaturecoefficient(negativerTemperaturkoeffizient)
OPV Operationsverstärker
P Druck;Wahrscheinlichkeit;Wirkleistung(GleichanteiloderEffektivwert)
p Wirkleistung,zeitlichveränderliche,d.h.p(t)
ppm partpermillion(entsprichtdemFaktor10(cid:3)6)
SymboleundAbkürzungen IX
PTC positivetemperaturecoefficient(positiverTemperaturkoeffizient)
Q Ladungsmenge;Blindleistung
R ohmscherWiderstand
s empirischeStandardabweichung,Weg
S Scheinleistung
T Temperatur,absolute;Periodendauer
t Zeit;t-Transformation,Student-Verteilung
t Abfallzeit(falsetime)
f
TK Temperaturkoeffizient
t Impulsdauer
i
t Anstiegszeit(risetime),aucht
r a
U elektrischeSpannung(GleichanteiloderEffektivwert)
u elektrischeSpannung(zeitlichveränderliche,d.h.u(t));Unsicherheit
v Geschwindigkeit;Verstärkung;Vertrauensbereich
V Volumen
v.E. vomEndwert(einesMessgerätesbzw.Messbereiches)
v.M. vomMesswert(einesMessgerätes)
W Arbeit,Energie
x zeitlich veränderliche physikalische Größe, d.h. x(t); (Schätz-)Wert einer Mess-
größe
X EffektivwertoderGleichwerteinerphysikalischenGröße;Blindwiderstand
jxj GleichrichtwertderGrößex(t)
x arithmetischerMittelwertderGrößex(t)odervonnEinzelwertenx
i
xP xabgeleitetnachderZeitt
xR xzweimalabgeleitetnachderZeitt
x Anzeigegröße,Ausgangsgröße
a
X kapazitiverBlindwiderstand
C
x Eingangsgröße
e
x mitAbweichungbehafteteMessgröße
f
X induktiverBlindwiderstand
L
xR richtigerWerteinerMessgröße
x wahrerWertderMessgröße
w
y ErgebniseinerindirektenMessung
Z BetragdeskomplexenWiderstand,d.h.Scheinwiderstand
Z komplexerWiderstand
Inhaltsverzeichnis
1 Messen;VoraussetzungenundDurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Messgröße,Maßeinheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 SI-Einheitensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Normale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Messsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 KlassifizierungvonMesssignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 WandlungvonMesssignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Analog-Digital-Wandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 CharakterisierungvonMesssignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1 SignalformenvonMesssignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Kenngrößen von Einzelimpulsen und periodischen sinusförmigen
Signalverläufen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 MittelwerteperiodischerSignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.1 LinearerMittelwertundGleichrichtwert . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.2 QuadratischerMittelwertundEffektivwert . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.3 WeitereParameterperiodischerSignale . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 KenngrößenvonnichtsinusförmigenperiodischenSignalen . . . . . . . . 33
3.5 LogarithmischeÜbertragungsverhältnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4 Messmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1 Ausschlagmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Differenzmethode(MethodederunvollständigenKompensation) . . . . . 44
4.3 Kompensationsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5 Messeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1 WechselwirkungzwischengrundlegenderAufgabeundStruktur
einerMesseinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.2 StatischeunddynamischeKenngrößenvonMesseinrichtungen . . . . . . 48
XI