Messtechnik: SI-Einheitensystem – Messergebnisse bewerten – Elektrische Messtechnik anwenden

298 Pages·2022·14.23 MB·German

by  Rainer Parthier

Rainer Parthier
Messtechnik
SI-Einheitensystem – Messergebnisse
bewerten – Elektrische Messtechnik
anwenden
10. Auflage
Messtechnik
Rainer Parthier
Messtechnik
SI-Einheitensystem – Messergebnisse
bewerten – Elektrische Messtechnik
anwenden
10., überarbeitete Auflage
Rainer Parthier
Fakultät EIT
Hochschule Mittweida, University of Applied Sciences
Mittweida, Deutschland
ISBN 978-3-658-37970-4 ISBN 978-3-658-37971-1 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-37971-1
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Planung/Lektorat: Ellen Klabunde
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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 geforderten Ziele schafft. Dabei stellt sich mo-
derne Messtechnik in der heutigen Zeit vorrangig als elektronische, vorzugsweise digitale
Messtechnik dar. Diese wenigen Bemerkungen zeigen schon, dass niemand in der produ-
zierenden Wirtschaft oder in den technischen Wissenschaften tätig sein kann, der nicht
über grundlegendes Wissen zur elektronischen Messtechnik verfügt.
Als Professor an der Hochschule Mittweida war ich u. a. mit der Vermittlung von Wis-
sen zur elektrischen Messtechnik an Studenten betraut, für die dieses Wissensgebiet ein
Nebenfach darstellt, wie z. B. Studenten des Wirtschaftsingenieurwesens, Studenten der
Umwelttechnik usw. Trotz der zahlreich zur Messtechnik vorhandenen Literatur ließ sich
keine uneingeschränkte Literaturempfehlung für diesen Hörerkreis geben, die einerseits
möglichst straff und klar den zum Verständnis der Messtechnik erforderlichen Inhalt ab-
deckt, andererseits auch das Selbststudium fördernde Übungsaufgaben und Kontrollfra-
gen, inklusive der Lösungen, zur Verfügung stellt.
Von mir als Co-Autor bzw. Autor entwickelte Studienbriefe zu metrologischen Grund-
lagen und zur Prozessmesstechnik für die HFH Hamburger Fern-Hochschule entsprachen
im ersten Ansatz den genannten Vorstellungen für eine studienbegleitende Literatur, so
dass der Gedanke entstand, auf der Basis dieser Studienbriefe ein Lehrbuch zu erarbeiten.
Mit der freundlichen Unterstützung der HFH Hamburger Fern-Hochschule, welche die
genannten, von ihr herausgegebenen Studienbriefe für den Zweck der Veröffentlichung
des Buches kostenlos zur Verfügung gestellt hatte, war es möglich, diesen Gedanken kurz-
fristig umzusetzen.
Im vorliegenden Buch werden ausgehend von den Grundbegriffen der Messtechnik und
der Charakterisierung von Messsignalen grundsätzliche Verfahren zur Ermittlung von
Messwerten behandelt und relevante Kenngrößen von Messeinrichtungen erläutert. Die
möglichen Abweichungen bei Messungen, deren Ursachen und ihre Auswirkungen auf die
Verwertbarkeit der erzielten Messergebnisse werden aufgezeigt. Damit wird dem Leser
das notwendige Wissen vermittelt, vorhandene Messtechnik auf der Basis betrieblicher
Qualitätsanforderungen auszuwählen und einzusetzen. Entsprechend ihrer Bedeutung ist
V
VI Vorwort
ein angemessener Teil des Buches der Sensorik gewidmet, die an Hand ausgewählter Sen-
sorprinzipien und ihrer praktischen messtechnischen Anwendung beschrieben wird. Zu
allen angeführten Sensorprinzipien werden Beispiele für ihre praktische Umsetzung und
erreichbare messtechnische Parameter genannt. Abgerundet wird das Lehrbuch durch eine
einführende Vorstellung von grundsätzlichen Varianten zur Realisierung rechnergesteuer-
ter Messsysteme. Aufgrund des Umfanges des Gebiets der elektronischen Messtechnik
war eine gezielte Auswahl des Inhalts, aber auch dessen straffe Darstellung erforderlich,
um den selbst vorgegebenen Umfang des Buches nicht zu sprengen.
Das Lehrbuch wendet sich vorrangig an Studierende, die sich mit grundlegenden Fra-
gestellungen 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 praxis-
nahe Beispiele und Übungsaufgaben unterstützt.
Nach dem Durcharbeiten dieses Buches sollte der Leser in der Lage sein, die Bedeu-
tung der Messtechnik in seinem Arbeitsgebiet einschätzen zu können. Er ist dem Mess-
technikspezialisten ein kompetenter Gesprächspartner und kann an Entscheidungsfin-
dungsprozessen in der betrieblichen Praxis, in denen die Messtechnik eine Rolle spielt,
fundiert mitwirken. Die Erarbeitung von speziellen, hier nicht abgehandelten messtechni-
schen Wissensgebieten sollte wesentlich erleichtert sein.
Das bewährte Konzept des Buches wurde beibehalten, aber die hier vorliegende 10.
Auflage wurde speziell im 10. Kapitel entsprechend dem technischen Fortschritt in ihren
Aussagen zu messtechnischem Equipment ergänzt und aktualisiert.
Zu Dank bin ich dem Verlag Springer Vieweg verpflichtet und hier insbesondere meiner
Lektorin Frau Ellen Klabunde. Sie setzte die förderliche Zusammenarbeit meines Lektors
für die ersten 9 Auflagen des vorliegenden Lehrbuches, Herr Thomas Zipsner, in dankens-
werter Weise fort.
Mein Dank gilt auch den Fachkollegen, die mit Bemerkungen und Hinweisen die Ver-
besserung dieses Lehrbuchs beförderten. Ich verbinde diesen Dank mit der Bitte, auch
weiterhin das Buch kritisch mit Hinweisen, Anregungen und Ergänzungen zu begleiten.
Mittweida, Deutschland Rainer Parthier
April 2022
Inhaltsverzeichnis
1 Messen; Voraussetzungen und Durchführung .......................... 1
1.1 Messgröße, Maßeinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 SI-Einheitensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Normale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Messsignale ...................................................... 11
2.1 Klassifizierung von Messsignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Wandlung von Messsignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Analog-Digital-Wandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 Charakterisierung von Messsignalen ................................. 23
3.1 Signalformen von Messsignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2 Kenngrößen von Einzelimpulsen und periodischen sinusförmigen
Signalverläufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3 Mittelwerte periodischer Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.1 L inearer Mittelwert und Gleichrichtwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.2 Q uadratischer Mittelwert und Effektivwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.3 W eitere Parameter periodischer Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 Kenngrößen von nichtsinusförmigen periodischen Signalen . . . . . . . . . . . . 35
3.5 Logarithmische Übertragungsverhältnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4 Messmethoden .................................................... 45
4.1 Ausschlagmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 Differenzmethode (Methode der unvollständigen Kompensation) . . . . . . . 46
4.3 Kompensationsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
5 Messeinrichtung .................................................. 49
5.1 Wechselwirkung zwischen grundlegender Aufgabe und Struktur einer
Messeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2 Statische und dynamische Kenngrößen von Messeinrichtungen . . . . . . . . . 50
5.2.1 S tatische Kenngrößen von Messeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2.2 D ynamische Kenngrößen von Messeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . 53
Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6 Bewertung von Messergebnissen ..................................... 73
6.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2 Systematische Abweichung indirekter Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3 Behandlung unbekannter systematischer Abweichungen . . . . . . . . . . . . . . 84
6.4 Behandlung zufälliger Abweichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.4.1 A ufnahme und Analyse einer Messreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.4.2 A nalyse normalverteilter Messreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.4.3 A uswertung von endlichen Messreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.4.4 U nsicherheit indirekter Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.4.5 B ericht des Messergebnisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.5 Messgeräteabweichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.5.1 F ehlergrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.5.2 A bweichung von Messgeräten bei indirekten Messungen . . . . . . . . 110
Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7 Fehlertypen von Messeinrichtungen ................................. 115
7.1 Die Auswirkung des additiven und multiplikativen Fehlers . . . . . . . . . . . . 115
7.2 Abweichung infolge der Quantisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.3 Angabe der Genauigkeit bei Messgeräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
8 Messung elektrischer Größen ...................................... 127
8.1 Erreichbare Messgenauigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.2 Messung von Stromstärke und Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.3 Leistungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.4 Messung von Wirkwiderständen (ohmsche Widerstände) . . . . . . . . . . . . . . 139
8.4.1 M essung mittels Strom-/Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.4.2 M essung mittels Brückenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8.5 Messung an Kondensator und Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.5.1 B estimmung der Kapazität eines Kondensators mittels Strom-/
Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
8.5.2 B estimmung der Induktivität einer Spule mittels
Strom- Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Inhaltsverzeichnis IX
8.5.3 B estimmung von Kapazität und Induktivität mittels einer
Brückenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
8.6 Frequenz- und Zeitmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
8.6.1 F requenzmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.6.2 Z eitmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
9 Messung nichtelektrischer physikalischer Größen ..................... 161
9.1 Die Messkette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
9.1.1 M esssignalaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
9.1.2 M ultiplexen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.1.3 V erstärken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
9.1.4 A btasten und Halten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
9.1.5 A nalog-Digital-Wandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
9.2 Verarbeitung und Ausgeben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
9.3 Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
9.3.1 K lassifizierung und Grundstruktur von Sensoren . . . . . . . . . . . . . . 177
9.3.2 S ensoren zur Messung geometrischer Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
9.3.3 S ensoren zur Kraftmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
9.3.4 M essung mechanischer Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.3.5 S ensoren zur Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
9.3.6 F euchtemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.3.7 D urchflussmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
10 Automatisierte Messsysteme ....................................... 243
10.1 Hardwarekonfigurationen von automatisierten Messsystemen . . . . . . . . . 243
10.1.1 I nstrumentierte Computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
10.1.2 M esssysteme mit Busschnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
10.2 Software zur Steuerung und Visualisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Antworten und Lösungen zu den Kontrollfragen und Übungsaufgaben ....... 273
Stichwortverzeichnis .................................................. 287
Symbole und Abkürzungen
α Temperaturbeiwert (-koeffizient), linearer Anteil; Winkel; Zeigerausschlag
β Temperaturbeiwert (-koeffizient), quadratischer Anteil
∆ endliche Differenz
δ Verlustwinkel
ε relative Längenänderung (Dehnung); Dielektrizitätskonstante
ε0 absolute Dielektrizitätskonstante (8,854 · 10−12 Fm−1)
εr relative Dielektrizitätskonstante (materialabhängig)
η relative Änderung des spezifischen Widerstands infolge Dehnung
μ Erwartungswert; Poissonzahl (Querkontraktionszahl)
μ0 absolute Permeabilität (1,256 · 10−6 Hm−1)
μr relative Permeabilität (auch: Permeabilitätszahl)
ξ Crestfaktor (Scheitelfaktor)
π Zahl Pi (π = 3,1415 …)
ς spezifischer Widerstand eines Drahtes
σ Standardabweichung, Gewichtsfunktion
τ Zeitkonstante
ϑ Temperatur (in Grad Celsius)
Φ magnetischer Fluss; Wahrscheinlichkeitsintegral
φ Phasenwinkel
ω Kreisfrequenz
A Amplitude; Fläche, Abweichung
ADW Analog-Digital-Wandler
A Messgeräteabweichung
M
A zufällige Abweichung
r
A relative Abweichung
rel
A systematische Abweichung
s
A bekannte systematische Abweichung
s,b
A unbekannte systematische Abweichung
s,u
B magnetische Induktion; Materialkonstante für NTC (ist temperaturabhängig)
C Kapazität
XI