Das Ingenieurwissen: Messtechnik (eBook)

Professor Dr. Hans-Rolf Tränkler, Universität der Bundeswehr München.Professor Dr. Gerhard Fischerauer, Universität Bayreuth.

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 7
Messtechnik 10
1 Grundlagen der Messtechnik 10
1.1 Übersicht 10
1.1.1 Messsysteme und Messketten 10
1.1.2 Anwendungsgebiete und Aufgabenstellungen der Messtechnik 10
1.2 Übertragungseigenschaften von Messgliedern 11
1.2.1 Statische Kennlinien von Messgliedern 11
1.2.2 Dynamische Übertragungseigenschaften von Messgliedern 11
1.2.3 Testfunktionen und Übergangsfunktionen für Übertragungsglieder 13
1.2.4 Das Frequenzverhalten des Übertragungsgliedes 1. Ordnung 14
1.2.5 Das Frequenzverhalten des Übertragungsgliedes 2. Ordnung 14
1.2.6 Sprungantwort eines Übertragungsgliedes 2. Ordnung 15
1.2.7 Frequenzgang eines Übertragungsgliedes 2. Ordnung 16
1.2.8 Kenngrößen fürMessglieder höherer Ordnung 17
1.3 Messfehler 18
1.3.1 Zufällige und systematische Fehler 18
1.3.2 Dešnition von Fehlern, Fehlerkurven und Fehleranteilen 18
1.3.3 Linearitätsfehler und zulässige Fehlergrenzen 19
1.3.4 Einflussgrößen und Einflusseffekt 20
1.3.5 Diskrete Verteilungsfunktionen zufälligerMesswerte 21
1.3.6 Die Normalverteilung 22
1.3.7 Gauß’sche Fehlerwahrscheinlichkeit 22
1.3.8 Wahrscheinlichkeitspapier 23
1.3.9 Fehlerfortpflanzung zufälliger Fehler 23
1.3.10 Fehlerfortpflanzung systematischer Fehler 24
2 Strukturen der Messtechnik 24
2.1 Messsignalverarbeitung durch strukturelle Maßnahmen 24
2.1.1 Die Kettenstruktur 24
2.1.2 Die Parallelstruktur (Di-erenzprinzip) 25
2.1.3 Die Kreisstruktur 26
2.2 Das Modulationsprinzip 27
2.3 Struktur eines digitalen Instrumentierungssystems 28
2.3.1 Erhöhung des nutzbaren Informationsgehalts 28
2.3.2 Struktur vonMikroelektroniksystemen mit dezentraler Intelligenz 29
3 Messgrößenaufnehmer (Sensoren) 30
3.1 Sensoren und deren Umfeld 30
3.1.1 Aufgabe der Sensoren 30
3.1.2 Messeffekt und Einflusseffekt 30
3.1.3 Anforderungen an Sensoren 30
3.1.4 Signalform der Sensorsignale 31
3.2 Sensoren für geometrische und kinematische Größen 31
3.2.1 ResistiveWeg und Winkelaufnehmer 31
3.2.2 InduktiveWeg und Längenaufnehmer 32
3.2.3 Kapazitive Aufnehmer fürWeg und Füllstand 33
3.2.4 Magnetische Aufnehmer 34
3.2.5 CodierteWegundWinkelaufnehmer 35
3.2.6 Inkrementale Aufnehmer 35
3.2.7 Laser-Interferometer 36
3.2.8 Drehzahlaufnehmer 36
3.2.9 Beschleunigungsaufnehmer 38
3.3 Sensoren für mechanische Beanspruchungen 40
3.3.1 Dehnungsmessung mit Dehnungsmessstreifen 40
3.3.2 Kraftmessungmit Dehnungsmessstreifen 41
3.3.3 Druckmessungmit Dehnungsmessstreifen 41
3.3.4 Drehmomentmessung mit Dehnungsmessstreifen 42
3.3.5 Messung von Kräften über die Auslenkung von Federkörpern Parallelfeder 42
3.3.6 Messung von Drücken über die Auslenkung von Federkörpern 43
3.3.7 Kraftmessung über Schwingsaiten 43
3.3.8 Waage mit elektrodynamischer Kraftkompensation 44
3.3.9 Piezoelektrische Kraft- und Druckaufnehmer 44
3.4 Sensoren für strömungstechnische Kenngrößen 45
3.4.1 Durchflussmessung nach dem Wirkdruckverfahren 45
3.4.2 Schwebekörper-Durchflussmessung 46
3.4.3 Durchflussmessung übermagnetische Induktion 46
3.4.4 Ultraschall-Durchflussmessung 47
3.4.5 Turbinen-Durchflussmesser (mittelbare VolumenzählermitMessflügeln) 48
3.4.6 Verdrängungszähler (unmittelbare Volumenzähler) 48
3.5 Sensoren zur Temperaturmessung 48
3.5.1 Platin-Widerstandsthermometer 48
3.5.2 Andere Widerstandsthermometer 49
3.5.3 Thermoelemente als Temperaturaufnehmer 50
3.5.4 Strahlungsthermometer (Pyrometer) Physikalische Grundlagen 51
3.6 Mikrosensorik 53
3.6.1 Herstellungstechnologien 53
3.6.2 Mikrosensoren fürmechanische Größen 54
3.6.3 Mikrosensoren für Temperatur 54
3.6.4 Mikrosensoren für (bio)chemische Größen 55
3.6.5 Mikrosensoren fürmagnetische Größen 55
3.7 Sensorspezišsche Messsignalverarbeitung 56
3.7.1 Analoge Messsignalverarbeitung 56
3.7.2 Inkrementale Messsignalverarbeitung 56
3.7.3 Digitale Grundverknüpfungen und Grundfunktionen 56
3.7.4 PhysikalischeModellfunktionen für einen Sensor 57
3.7.5 Skalierung und Linearisierung von Sensorkennlinien durch Interpolation 57
3.7.6 Interpolation von Sensorkennlinien mit kubischen Splines 58
3.7.7 Ausgleichskriterien zur Approximation von Sensorkennlinien 59
3.7.8 Korrektur von Einflusseffekten auf Sensorkennlinien 60
3.7.9 Dynamische Korrektur von Sensoren 61
4 Messschaltungen und Messverstärker 62
4.1 Signalumformung mit verstärkerlosen Messschaltungen 62
4.1.1 Strom-Spannungs-Umformung mit Messwiderstand 62
4.1.2 Spannungsteiler und Stromteiler 63
4.1.3 DirektanzeigendeWiderstandsmessung 64
4.2 Messbrücken und Kompensatoren 65
4.2.1 Qualitative Behandlung der Prinzipschaltungen 65
4.2.2 Spannungs und Stromkompensation 65
4.2.3 Messbrücken im Ausschlagverfahren (Teilkompensation) 65
4.2.4 Wheatstone-Brücke im Abgleichverfahren 67
4.2.5 Wechselstrombrücken Prinzip und Abgleichbedingungen 68
4.3 Grundschaltungen von Messverstärkern 69
4.3.1 Operationsverstärker 69
4.3.2 Anwendung von Operationsverstärkern als reine Nullverstärker 69
4.3.3 Das Prinzip der Gegenkopplung am Beispiel des reinen Spannungsverstärkers 70
4.3.4 Die vier Grundschaltungen gegengekoppelter Messverstärker 71
4.4 Ausgewählte Messverstärker-Schaltungen 72
4.4.1 VomStromverstärker mit Spannungsausgang zum Invertierer 72
4.4.2 Aktive Brückenschaltung 72
4.4.3 Addierund Subtrahierverstärker 73
4.4.4 Der Elektrometerverstärker (Instrumentation Amplišer) 73
4.4.5 Präzisionsgleichrichtung 74
4.4.6 Aktive Filter 74
4.4.7 Ladungsverstärker 75
4.4.8 Integrationsverstärker für Spannungen 75
5 Analoge Messtechnik 76
5.1 AnalogeMesswerke 76
5.1.1 Prinzip des linearen Drehspulmesswerks 76
5.1.2 Statische Eigenschaften des linearen Drehspulmesswerks 77
5.2 Funktionsbildung und Verknüpfung mit Messwerken 78
5.2.1 Kernmagnetmesswerk mit radialem Sinusfeld 78
5.2.2 Quotientenbestimmung mit Kreuzspulmesswerken 79
5.2.3 Bildung von linearen Mittelwerten und Extremwerten Linearer Mittelwert 79
5.2.4 Bildung von quadratischenMittelwerten 81
5.2.5 Multiplikation mit elektrodynamischen Messwerken 82
5.2.6 Integralwertbestimmung mit Induktionszählern 83
5.3 Prinzip und Anwendung des Elektronenstrahloszilloskops 84
5.3.1 Elektronenstrahlröhre. Ablenkempšndlichkeit 84
5.3.2 Darstellung des zeitlichen Verlaufs periodischerMesssignale 85
5.3.3 Blockschaltbild eines Oszilloskops in Standardausführung 86
5.3.4 Anwendung eines Oszilloskops im x,y-Betrieb 87
5.3.5 Frequenzkompensierter Eingangsteiler 87
6 Digitale Messtechnik 88
6.1 Quantisierung und digitale Signaldarstellung 88
6.1.1 Informationsverlust durch Quantisierung 88
6.1.2 Der relative Quantisierungsfehler 88
6.2 Abtasttheorem und Abtastfehler 89
6.2.1 Das Shannon’sche Abtasttheorem 89
6.2.2 Frequenzgang bei Extrapolation nullter Ordnung 90
6.2.3 Abtastfehler eines Haltekreises 91
6.3 Digitale Zeit- und Frequenzmessung 91
6.3.1 Prinzip der digitalen Zeit-und Frequenzmessung 91
6.3.2 Der Quarzoszillator 92
6.3.3 Digitale Zeitmessung 93
6.3.4 Digitale Frequenzmessung 93
6.3.5 Au¦ösung und Messzeit bei der Periodendauerbzw. Frequenzmessung 94
6.3.6 Reziprokwertbildung undMultiperiodendauermessung 95
6.4 Analog-Digital-Umsetzung über Zeit oder Frequenz als Zwischengrößen 95
6.4.1 Charge-balancing-Umsetzer 96
6.4.2 Dual-slope-Umsetzer 96
6.4.3 Integrierende Filterung bei integrierenden Umsetzern 97
6.5 Analog-Digital-Umsetzung nach dem Kompensationsprinzip 98
6.5.1 Prinzip 98
6.5.2 Digital-Analog-Umsetzer mit bewerteten Leitwerten 99
6.5.3 Digital-Analog-Umsetzer mitWiderstandskettenleiter 99
6.5.4 Nachlaufumsetzer mit Zweirichtungszähler 100
6.5.5 Analog-Digital-Umsetzer mit sukzessiver Approximation 101
6.6 Schnelle Analog-Digital-Umsetzung und Transientenspeicherung 102
6.6.1 Parallele Analog-Digital-Umsetzer (Flash-Converter) 102
6.6.2 Transientenspeicherung 103
Literatur 104
Kapitel 1 104
Kapitel 2 104
Kapitel 3 104
Kapitel 4 104
Kapitel 5 105
Kapitel 6 105