Elektrische Meßtechnik: Elektrische und elektronische Verfahren, Anlagen und Systeme

465 Pages·1981·16.388 MB·German

by  Kurt Bergmann (auth.)

Kurt Bergmann
Elektrische Meßtechnik
Aus dem Programm
Messen - Steuem - Regeln
.r___--
Meßtechnik
Einführung in die Meßtechnik, von .H. Hart
Handbuch der technischen Temperaturmessung,
von F. Lieneweg
Steuerungstechnik
Hydraulische Steuerungen, von E. Kauffmann
Pneumatische Steuerungen, von G. Kriechbaum
Regelungstechnik
Regelungstechnik für Ingenieure, von M. Reuter
Einführung in die Regelungstechnik, von W. Leonhard
Zeitdiskrete Regelungssysteme, von H. Schwarz
Grundlagen der Regelungstechnik, von E. Pestel
und E. Kollmann
Vieweg
Kurt Bergmann
Elektrische Meßtechnik
Elektrische und elektronische
Verfahren, Anlagen und Systeme
Mit 288 Bildern
Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig I Wiesbaden
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Bergmann, Kurt:
Elektrische Messtechnik: elektr. u. elektron.
Verfahren, Anlagen u. Systeme I Kurt Bergmann. -
Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1981
ISBN 978-3-663-00008-2 ISBN 978-3-663-00157-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-00157-7
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1981
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Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen
Satz: Vieweg, Braunschweig
Buchbinderische Verarbeitung: W. Langelüddecke, Braunschweig
v
Vorwort
Das Erscheinungsbild der Elektrischen Meßtechnik wird mittlerweile in einem so weit
reichenden Umfang durch elektronische Verfahren und Einrichtungen geprägt, daß es mir
wünschenswert zu sein schien, Studierenden der Elektrotechnik eine ausgewogene Neu
fassung des Basiswissens dieses Fachgebietes in die Hand zu geben. Zwar fehlt es nicht an
Lehrbüchern mit Schwerpunktbildungen einmal im Bereich der klassischen elektrischen
Meßtechnik und zum anderen im Bereich der elektronischen Meßtechnik mit jeweils
kurzgefaßten Ausblicken auf den anderen Bereich, doch scheint mir die getrennte Dar
stellung dieser miteinander heute so eng verflochtenen Bereiche die Verständnisentwick
lung während des Studiums zu erschweren und zu verzögern. Der Studierende wird heute
schon in Anfangssemestern mit elektronischen Geräten konfrontiert und benötigt dazu
gewisse grundlegend wichtige Erläuterungen, auch wenn die Darstellung ihrer inneren
Schaltungstechnik und Wirkungsweise erst später nachgetragen werden kann. Im Bereich
der Anlagentechnik schließlich sind elektrische und elektronische Verfahren heute so eng
miteinander verflochten, daß man dem fortgeschrittenen Studierenden und dem in den
ersten Berufsjahren stehenden Ingenieur nur aus einer Gesamtschau heraus Informationen
für weitere Studien und eigene Literaturrecherchen geben kann.
Eine derartige Gesamtschau setzt wegen der Fülle des Stoffes allerdings voraus, daß man
dem Studierenden in Form einer geeignet strukturierten Darstellung Hinweise darauf gibt,
welche Textteile grundlegend wichtige Informationen enthalten, so daß man sie bereits
während des Grundstudiums durcharbeiten sollte, wo etwa Ergänzungen für ein erwei
terndes Fachstudium beispielsweise in Verbindung mit spezielleren Wahlvorlesungen
stehen, und wo schließlich der Nachschlagebereich für Ergänzungsstudien und literatur
recherchen beginnt. Eine solche Strukturierung wurde hier realisiert durch spezielle Hin
weiszeichen vor den Kapitelüberschriften, durch zwei verschieden große Schrifttypen,
durch Einrahmung besonders gewichtiger Hinweise und Zusammenfassungen sowie
schließlich durch auffallende Leitworte am rechten Textrand, welche dem Studierenden
als markante Stützworte ins Auge fallen, aber zugleich dem in Eile Nachschlagenden eine
rasche Orientierung ermöglichen. Im einzelnen ist diese graphische Aufbereitung in den
nachfolgenden Hinweisen für den Leser erläutert.
Über die drei Teile des Buches hinweg ändern sich die Darstellungsweise und der Gebrauch
graphischer Hilfsmittel allerdings in dem Maße etwas, in dem die Urteilsfähigkeit des
Studierenden wächst, so daß er selbst Schwerpunkte setzen kann, und beispielsweise
Hervorhebungen durch Einrahmungen nach und nach überflüssig werden. Der dritte Teil
schließlich wird in der Regel in ein fortgeschrittenes Fachstudium oder in die ersten
Berufsjahre einzuordnen sein, so daß hier bereits eine etwas erhöhte Abstraktionsfähigkeit
gefordert ist.
VI
Die geschilderte Strukturierung setzt natürlich eine Gewichtung des Stoffes nach der
Wahrscheinlichkeit voraus, mit der ein noch nicht spezialisierter Studierender oder
Ingenieur dem jeweiligen Problemkreis später in der Praxis voraussichtlich begegnen wird.
Ich habe mich hierbei um größtmögliche Objektivität bemüht, doch liegt es in der Natur
einer derartigen Gewichtung, daß manche Einordnungen oder Auslassungen anderen
Fachkollegen subjektiv erscheinen werden. In dieser Hinsicht bitte ich um förderliche
Kritik, denn so sehr ich hoffe, daß der Studierende mit diesem Buch über einige Jahre
hinweg wachsen kann, so wichtig scheint es mir zu sein, daß auch das Buch mit seinen
Lesern wächst.
Ein Lehrbuch faßt zusammen, was zum Standardwissen geworden ist; insofern bin ich
sicher zahlreichen Fachkollegen und Fachautoren zu Dank verpflichtet, und ebenso
allen Firmen, die freundlicherweise Bildmaterial beigesteuert haben. Insbesondere möchte
ich Herrn Kollegen J. Rockschies für zahlreiche Hinweise und Diskussionsbeiträge danken,
ebenso Herrn Kollegen H. Birven, dem ich die Verwirklichung grundlegender Voraus
setzungen für die Realisierung eines derartigen Lehrbuches zu danken habe. Dank gebührt
auch meinen früheren Lehrern K. Brandau und H. Lueg, die sicherlich mit den Grund
dafür gelegt haben, Meßtechnik und Elektronik so zu sehen, wie sie hier dargestellt und
gewichtet sind.
Herzlich danken möchte ich allen beteiligten Mitarbeitern im Hause Vieweg, insbesondere
meinen ständigen Gesprächspartnern W. Ebert, M. Langfeld, H_ J. Niclas und J. Peter, die
die Idee des strukturierten Lehrbuches schon mitbrachten, als sie den Anstoß zur Reali
sierung dieses Buches gaben, und die diese Idee dann in einer m. E. bewundernswürdigen
graphischen Präzisionsarbeit verwirklicht haben, einschließlich der umfangreichen Zeichen
arbeiten.
Nicht zuletzt gilt ein besonderer Dank meiner Frau und meiner Tochter, die die Zeit der
Niederschrift dieses Buches mit viel Geduld und Verständnis ertragen haben.
Aachen, im Juli 1981 Kurt Bergmann
VII
Hinweise für den Leser
Der Text des Buches ist nach zwei Gewichtungsstufen gegliedert. In der hier gewählten
normalgroßen Schrift sind diejenigen Textteile geschrieben, die in der Regel beim erst
maligen Durcharbeiten eines Kapitels gelesen werden sollten.
Kleinere Schrift kennzeichnet Zusätze, die in der Regel für eine spätere I ntensivierung des Studiums
genutzt werden können. Zum Teil handelt es sich dabei um rein ergänzende Hinweiseoder Literatur
angaben, zum Teil aber auch um zusätzliche Erläuterungen zur Fundierung eines tiefergehenden
Verständnisses.
• Dieses Zeichen weist auf Überschriften von Kapiteln hin, die beim erstmaligen Durch
arbeiten des Buches gelesen werden sollten. Der normalgroß geschriebene Standard
text der so gekennzeichneten Kapitel der Teile 1 und 2 des Buches gibt beispielsweise
etwa den Inhalt einer zweisemestrigen Grundvorlesung über Elektrische Meßtechnik
einschließlich der zugehörigen Praktika wieder, wie sie vom Autor an der Fachhoch
schule Aachen im Studiengang Elektrotechnik gehalten wird.
Die ebenso gekennzeichneten Textteile im Teil 3 des Buches entsprechen etwa typi
schen Inhaltsquerschnitten speziellerer Wahlvorlesungen über die elektrische Messung
nichtelektrischer Größen, über Anlagen zur Prozeßdatenerfassung und Prozeßführung
sowie über einige grundlegende Aussagemöglichkeiten der Theorie linearer Übertragungs
systeme. Das abschließende Kapitel über Systemtheorie hat jedoch nicht mehr den
Charakter eines Lehrgangs, sondern soll lediglich Ausblicke auf weiterführende Literatur
und auf weitere meßtechnisch relevante Studiengebiete geben.
Textkapitel, deren Überschrift kein Hinweiszeichen vorgestellt ist, können in der Regel
als Ergänzungskapitel für eine spätere Intensivierung des Studiums angesehen werden.
* Ein Stern vor einer Überschrift deutet an, daß der folgende Text in erster Linie für Nachschlage-
zwecke eingefügt worden ist oder lediglich einige Literaturhinweise enthält.
Nach Schluß jedes Hauptkapitels folgt eine kurze rückblickende Zusammenfassung und
eine kurze Charakterisierung der wichtigsten einschlägigen Fachbücher. Die Zusammen
fassung hat stets genau die gleiche Gliederung wie die dem Hauptkapitel vorangehende
Zielsetzungsübersicht.
VIII
Inhaltsverzeichnis
Teil 1 Elektrische Hilfsmittel und Verfahren
Grundlehrgang, der ohne Kenntnisse über elektronische
Bauelemente durchgearbeitet werden kann.
1 Allgemeine Grundlagen ................................... .
Darstellungsziele
1.1 Ausgangspunkt und heutige Bedeutung des Messens. . . . . . . . . . . . . . 2
•
1.2 Normen- und Vorschriftenwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
•
1.3 Größen und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
•
1.4 Darstellung und Analyse von Zeitfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12
•
1.5 Grundbegriffe der Meßtechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
•
1.6 Fehler beim Messen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24
Fehler von Meßgeräten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
• 1.7
Darstellung von Meßergebnissen ......................... " 31
• 1.8
Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33
2 Elektrische Hilfsmittel 34
Darstellungsziele
2.1 Elektromechanische Anzeiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
• 2.1.1 Meßprinzipien................................ 34
• 2.1.2 Meßwerke.................................. 37
• 2.1.3 Zeichen und Sinnbilder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
2.1.4 Bauformen ...... " '" ....... " ........... ' " 49
2.1.5 Einstellverhalten .............................. 49
2.2 Anpassende Geräte und Normale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53
• 2.2.1 Widerstände................................. 53
• 2.2.2 Induktivitäten................................ 58
• 2.2.3 Kapazitäten................................. 60
• 2.2.4 Spannungsteiler............................... 62
• 2.2.5 Meßverstärker................................ 64
• 2.2.6 Meßumformer................................ 66
• 2.2.7 Meßwandler................................. 67
• 2.2.8 Meßumsetzer................................ 73
2.2.9 Filter..................................... 76
In haltsverzeichnis I X
2.2.10 Rechengeräte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77
* 2.2.11 Normalelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77
2.3 Elektronische Anzeiger ................................ , 78
• 2.3.1 Anzeigeverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78
• 2.3.2 Oszilloskope................................. 78
• 2.3.3 Ereigniszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85
• 2.3.4 Digitalvoltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86
2.4 Registrierende Geräte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87
• 2.4.1 Linienschreiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87
• 2.4.2 Koordinatenschreiber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88
2.4.3 Punktschreiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89
2.4.4 Plotter..................................... 89
* 2.4.5 Registrierkameras............................. 89
* 2.4.6 Digitaldrucker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89
* 2.4.7 Lochstreifenausgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89
* 2.4.8 Magnetbandausgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89
* 2.4.9 Meßwertspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91
3 Elektrische Meßverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Darstellungsziele
3.1 Strom, Spannung, Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93
• 3.1.1 Grundschaltungen und Fehlerursachen ............. " 93
• 3.1.2 Spitzenwert, Gleichrichtwert, Effektivwert ........... " 95
• 3.1.3 Meßbereichanpassung, Vielbereichsinstrumente . . . . . . . . .. 98
3.2 Leistung und Arbeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102
• 3.2.1 Gleichstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102
• 3.2.2 Wechselstrom................................ 105
• 3.2.3 Drehstrom.................................. 108
Kapazität, Induktivität, Scheinwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 112
• 3.3
3.4 Meßbrücken und Kompensatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 116
• 3.4.1 Gleichspannungsgespeiste Meßbrücken. . . . . . . . . . . . . . .. 116
• 3.4.2 Gleichspannungskompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 119
3.4.3 Gleichstromkompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 120
• 3.4.4 Wechselspannungsgespeiste Meßbrücken. . . . . . . . . . . . . .. 120
3.4.5 Erdung und Schirmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 126
3.4.6 Wechselspannungskompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 129
3.4.7 Wechselstromkompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 130
• 3.5 Frequenz, Phasenunterschied, Leistungsfaktor . . . . . . . . . . . . . . . .. 130
3.6 Messungen an Zwei- und Vierpolen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 137
• 3.7 Analyse nichtsinusförmiger Wechselgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 142
X Inhaltsverzeichnis
3.8 Messung magnetischer Gößen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 143
3.9 Leitungen in der Meßtechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 148
3.9.1 Leitungskenngrößen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 148
3.9.2 Messung von Leitungskenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 157
3.9.3 Leitungen als Meßhilfsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 160
3.9.4 Leitungen als Verbindungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 165
3.9.5 Fehlerortung auf Leitungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 166
3.10 Störsignale und Gegenmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 169
• 3.10.1 Allgemeine Begriffserklärungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 169
• 3.10.2 Systeminterne Störsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 169
• 3.10.3 Eingestreute Störsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 172
• 3.10.4 Gleichtakt- und Gegentaktsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 177
• 3.10.5 Trennung von Meß- und Störsignalen. . . . . . . . . . . . . . . .. 179
Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 180
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 183
Teil 2 Elektronische Hilfsmittel und Verfahren
Aufbaulehrgang, in dem Grundkenntnisse über elektronische
Bauelemente und Schaltungen vorausgesetzt werden.
4 Elektronische Hilfsmittel .................................. 185
Darstellungsziele
• 4.1 Impulsformende Netzwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 186
• 4.2 Grundschaltungen der Verstärkertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 198
• 4.3 Gegengekoppelte Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 207
• 4.4 Lineare Operationsverstärkerschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 210
• 4.5 Nichtlineare Operationsverstärkerschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . .. 214
• 4.6 Torschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 217
• 4.7 Gatterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 218
• 4.8 Speicherschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 221
• 4.9 Kippschaltungen..................................... 222
• 4.10 Triggerschaltungen .................................... 232
• 4.11 Verzögerungsschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 233
• 4.12 Multiplizierer............................... . . . . . . .. 234
• 4.13 Spannungs-und Stromquellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 236
• 4.14 Sinusgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 238
• 4.15 Funktionsgeneratoren .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 239
4.16 Integrierte Schaltungen ................................ 242
4.17 Mikroprozessoren... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 244
Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 248
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 250