Messen nichtelektrischer Größen: Grundlagen der Praxis

252 Pages·1996·7.032 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Jörg Hoffmann (auth.)

Jörg Hoffmann . Messen nichtelektrischer GröBen
Messen
nichtelektrischer Gro8en
Grundlagen der Praxis
Prof. Dr.-Ing. larg Hoffmann
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Hoffmann, Jiirg:
Messen nichtelektrischer Griissen : Grundlagen der Praxis 1
Jiirg Hoffmann. -Diisseldorf: VOI-Verl., 1996
ISBN 978-3-662-01174-4 ISBN 978-3-662-01173-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-01173-7
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1996
Ursprunglich erschienen bei VOI-Verlag GmbH, Diisseldorf 1996
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1996
Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdru. kes, der auszugsweisen oder vollstiindigen
fotomechanischen Wiedergabe (Fotokopie, Mikrokopie), der elektronischen Datenspeicherung
(Wiedergabesysteme jeder Art) und das der Ubersetzung, vorbehalten.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen u.ii. in diesem Werk
berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im
Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wăren und daher
von jedermann benutzt werden diirften.
Satz: DTP Prof. Dr.-Ing. Jiirg Hoffmann
v
Vorwort
Das vorliegende Buch gibt einen Überblick über das Gebiet des Messens
nichtelektrischer GrÖBen. Gleichzeitig soll es dazu dienen, bei konkreten
MeBaufgaben eine erste Auswahl von Lösungsmöglichkeiten zu treffen. So
wird eine Brücke zur zahlreich vorhandenen Spezialliteratur der verschiedenen
Gebiete geschaffen.
Das Buch wendet sich vorrangig an Ingenieure und Wissenschaftier
verschiedenster Fachgebiete, die in Industrie und Forschung mit meBtech
nischen Problemen konfrontiert werden. Auf Grund seines Übersichts
charakters eignet es sich auch fiir Studenten unterschiedlicher Fachrichtungen
als einfiihrende Literatur in das Gebiet des praktischen Messens nichtelek
trischer GrÖBen.
In der MeBtechnik werden in immer gröBerem Umfang die Vorteile der
Rechentechnik genutzt. Ermöglicht wird dies vor allem durch deren technische
und preisliche Entwicklung. Aus diesem Grund wird nach einer allgemein
gültigen Beschreibung der MeBsysteme auf die rechnergestützte MeBwert
verarbeitung eingegangen. Besondere Beachtung findet dabei die praktische
Anwendbarkeit. Die folgenden Kapitel widmen sich der MeBwertgewinnung.
Urn eine praxisnahe Darstellung zu erreichen, erfolgte die Gliederung nach den
möglichen MeBgröBen. Aufnehmer, mit denen verschiedene MeBgröBen
bestimmt werden können, werden dort dargestellt, wo die häufigsten
Anwendungen zu finden sind. An anderen Stellen sind entsprechende
Querverweise enthalten.
Viele meBtechnische Lösungen sind durch eine nahezu unüberschaubare
Viel faIt an Variationen gekennzeichnet, die :Jftmals Anpassungen an
verschiedene konkrete Verhältnisse darstellen. Es war daher notwendig,
Grundprinzipien und typische, in der Praxis häufig anzutreffende Lösungen
herauszukristallisieren. Eine vollständige Darstellung kann und soll deshalb
nicht erreicht werden.
Die Theorie wurde auf das zum Verständnis unbedingt notwendige
MindestmaB beschränkt, praktisch anwendbare Formelnjedoch berücksichtigt.
Nach der MeBwertgewinnung werden die zunächst meist in analoger Form
vorliegenden MeBwerte häufig in den digitalen Bereich umgesetzt, urn sie
rechentechnisch weiterverarbeiten zu können. Dazu werden verschiedene
VI Vorwort
Prinzipien der AnalogIDigitalwandlung mit ihren Vor- und Nachteilen
erläutert. AbschlieBend wird auf einige Aspekte bei der Einbindung von
Sensorsystemen in Bussysteme eingegangen.
An dieser Stelle möchte ich mich mr die wertvollen Hinweise und Anregungen
zur Verbesserung des Manuskriptes besonders bei Herrn Prof. G. Knust,
Osnabrück, bedanken. Ebenso danke ich dem VDI-Verlag und hier besonders
Frau Dipl.-Ing. Z. Glaser mr die gute Zusammenarbeit.
Meine Leser möchte ich bitten, mir Wünsche und Verbesserungsvorschläge
mitzuteilen. Für jeden Hinweis bin ich auBerordentlich dankbar.
Osnabrück, im Februar 1996
Jörg Hoffmann
VII
Inhalt
1 Das Me8system als Informationssystem .................................................. 1
2 Kennfunktionen und Kennwerte von Me8systemen .............................. 3
2.1 Statische Kennfunktionen und Kennwerte .................................... 3
2.2 Dynamische Kennfunktionen und Kennwerte .............................. 5
2.3 MeBbereich und MeBgenauigkeit .................................................. 9
3 Me8fehler .................................................................................................. 10
3.1 F ehlerdefinition .. ...... .... .... .... .... .... .... ... .... .... ... ............. ................ 10
3.2 Systematisierung der MeBfehler .................................................. 11
3.2.1 ZufàIIige MeBfehler ..................................................................... 13
3.2.2 Systematische MeBfehler ............................................................ 16
3.3 Trennung von zufàIIigen und systematischen Fehleranteilen ..... 28
3.4 Beispiel zur Kennlinienkorrektur ................................................ 30
4 Messung mechanischer Grö8en an Festkörpern .................................. 36
4.1 Resistive Aufnehmer ................................................................... 36
4.2 DehnmeBstreifen .......................................................................... 38
4.2.1 Draht-DMS .................................................................................. 41
4.2.2 Folien-DMS ................................................................................. 42
4.2.3 Halbleiter-DMS ........................................................................... 42
4.3 Piezoelektrische Aufnehmer ........................................................ 43
4.3.1 Piezoelektrische Kraftaufnehmer ................................................ 44
4.3.2 Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer ............................. 45
4.4 Kapazitive Aufnehmer ................................................................. 46
4.4.1 Kapazitive Aufnehmer ftir Weg, Winkel und Beschleunigung .. 47
4.4.2 Die Differentialanordnung .......................................................... 48
4.5 lnduktive Aufnehmer ................................................................... 51
4.5.1 Magnetoelastische KraftmeBdose ............................................... 52
4.5.2 Tauchankeraufnehmer ................................................................. 52
4.5.3 Differentialtauchankeraufnehmer ................................................ 53
4.5.4 Querankeraufnehmer ................................................................... 53
4.5.5 Induktive Drehzahlmessung ........................................................ 55
VIII lnhalt
-------------~------------------ ---
4.5.6 Induktive Schichtdickenmessung ............................................... 56
4.5.7 Vergleich induktiver und kapazitiver Sensoren .......................... 57
4.6 Magnetfeldaufnehmer ................................................................. 57
4.6.1 Hall-Elemente .............................................................................. 57
4.6.2 Endlagenschalter mit Hall-Schaltkreis ........................................ 59
4.6.3 Drehzahlmessung mittels Hall-Schaltkreis ................................. 60
4.6.4 Halbleiterfeldplatten .................................................................... 61
4.6.5 Magnetoresistive Sensoren ......................................................... 62
4.7 Optische Aufnehmer .. ........ .... ........ ........................ ..................... 64
4.7.1 Fotowiderstände .......................................................................... 64
4.7.2 Fotodioden ................................................................................... 65
4.7.2.1 Der Widerstandsbetrieb ............................................................... 66
4.7.2.2 Der Elementbetrieb ..................................................................... 67
4.7.3 Fototransistoren ........................................................................... 68
4.7.4 CCD-Zeile .......................................................................... ~ ........ 69
4.7.5 Interferometer .............................................................................. 70
4.8 Akustische Aufnehmer ........... ..................................................... 71
4.9 Aufnehmer zur Bestimmung von Massen ........... ~ ...................... 73
4.9.1 DehnmeBstreifen-Wägezelle ....................................................... 74
4.9.2 Interferenzoptische Wägezelle ... ........................... ...................... 74
4.9.3 Elektrodynamische Kraftkompensationswägezelle .................... 75
5 Messung mechanischer Gröllen an Flüssigkeiten und Gasen ............. 76
5.1 Druck-Aufnehmer ....................................................................... 76
5.1.1 Resistive Druckaufnehmer .......................................................... 77
5.1.2 Induktive Druckaufnehmer ......................................................... 77
5.1.3 Kapazitve Druckaufnehmer ........................................................ 78
5.2 Füllstand-Aufnehmer .................................................................. 79
5.2.1 Füllstandsmessung mit Schwimmer ........................................... 79
5.2.2 Füllstandsmessung mit Auftriebskörper ..................................... 79
5.2.3 Füllstandsmessung über Bodendruck ......................................... 80
5.2.4 Kapazitive Füllstandsmessung .................................................... 81
5.2.5 Füllstandsmessung mit Kaltleiter ................................................ 82
5.2.6 Füllstandsmessung mit UItraschalI, optischer-
und Kemstrahlung ... .... ......... ............. .... ...................................... 84
5.3 DurchfluB-Aufnehmer ................................................................. 86
5.3.1 DurchfluB-Kippzähler ................................................................. 87
5.3.2 Wälzkolbenzähler ........................................................................ 87
lnhalt IX
5.3.3 Drehkolbenzähler ......................................................................... 88
5.3.4 Flügelradzähler ............................................................................ 89
5.3.5 Schwebekörper-DurchfluBmeBverfahren .................................... 90
5.3.6 DifferenzdruckdurchfluBmeBverfahren ....................................... 91
5.3.7 Wirbelvolumenstrommessung ..................................................... 92
5.3.8 HitzdrahtdurchfluBmessung ........................................................ 93
5.3.9 UltraschalldurchfluBmessung ...................................................... 94
5.3.10 DurchfluBmessung nach der Korrelationsmethode ..................... 95
5.3.11 Induktive DurchfluBmessung ...................................................... 96
5.3.12 Laserdoppleranemometrie ........................................................... 98
5.4 Viskositätsaufnehmer .... .... ... ............ .... .... ... ... ...... .... ... ... ... ..... ... 101
5.4.1 Kapillarviskosimeter .................................................................. 101
5.4.2 F allkörperviskosimeter .............................................................. 103
5.4.3 Rotationsviskosimeter ............................................................... 103
5.5 Rheometer .................................................................................. 105
5.5.1 Rohrwaage .. .... .... .... .... ... .... .... ... ..... .... ... .... .... ... ....... ... ........... ..... 105
5.5.2 Gaswaage . ... .... ... .... .... ... .... .... .... .... .... .... .... ... .... ... ... ...... ... ... ........ 106
5.5.3 Aräometer ... .... ... .... .... ... .... ... ..... .... ... .... .... .... ... ... ... .... ...... ... ........ 107
5.5.4 U-Rohrresonator ........................................................................ 107
5.6 Oberflächenspannungsaufnehmer ... .... ... ....... ... ...... ................... 108
5.6.1 Ringaufnehmer .. .... ... ... .... .... .... .... .......... .... ........................ ........ 109
5.6.2 Plattenaufnehmer ...... ....... .... ........... .... ... ....... ... ... ...... ................. 110
6 Messung thermischer Grö8en .............................................................. 112
6.1 Metall-Widerstandsthermometer ................................................ 112
6.1.1 2-, 3-, und 4-Leiterschaltung .................................................... 114
6.2 Thermoelement .. .... .... .... ... .... ..... .... ... ..... .... ... ...... .... ...... ........ ..... 119
6.3 Silizium-Widerstandstemperatursensor .................................... 123
6.4 HeiBleiter ................................................................................... 124
6.5 Kaltleiter .................................................................................... 125
6.6 Pyrometer ................................................................................... 125
6.7 Quarzthermometer ..................................................................... 127
7 Messung optischer Grö8en ................................................................... 128
7.1 F otohalbleiter ...... .... .... .... ........ ... ..... ... .... .... ... .......... ... ... ... .......... 129
7.2 Sekundärelektronenvervielfacher .............................................. 131
7.3 Kanalelektronenvervielfacher . ..... ....... .... ... ....... ............... ......... 132
x
lnhalt
8 Messung von Konzentrationen ............................................................. 133
8.1 pH-Wert-Aufnehmer ................................................................. 133
8.2 Salz-Konzentrations-Aufnehmer ............................................... 135
8.3 Feuchte-Aufnehmer ................................................................... 137
8.3.1 LiCl-Hygrometer ....................................................................... 138
8.3.2 Kapazitiver Feuchtesensor ........................................................ 139
8.3.3 Haarhygrometer ......................................................................... 140
8.4 Sauerstoff-Aufnehmer ............................................................... 141
8.4.1 Ringkammer-Sauerstoffsensor ............... ....... ............................ 141
8.4.2 Thermomagnetischer Sauerstoffsensor ..................................... 142
8.4.3 Festkörper-Sauerstoffsensor ...................................................... 142
8.5 Wärmeleitfáhigkeits-Gaskonzentrationsbestimmung ............... 143
8.6 Flammenionisationsdetektor ............... ...................................... 144
8.7 Wärmetönungsmessung von Gasen .......................................... 145
8.8 Gas-Chromatografie und Flüssigkeits-Chromatografie ........... 146
8.9 Absorptionsspektroskopie ......................................................... 149
8.9.1 Infrarotabsorptionsspektroskopie ......... ............. ........................ 150
8.9.2 NMR-Spektroskopie .................................................................. 151
8.10 Emissionsspektroskopie ............................................................ 153
8.1 0.1 Emissionsspektralfotometer ...................................................... 154
8.10.2 Röntgenfluoreszenzanalyse ....................................................... 155
8.10.3 Impulshöhenspektrometer ......................................................... 156
8.10.4 Schichtdickenmessung mit Röntgenstrahlung .......................... 157
8.11 Konzentrationsbestimmung mit ionisierender Strahlung ......... 158
8.12 PartikelgröBenanalyse ............................................................... 159
8.12.1 Siebanalyse ................................................................................ 160
8.12.2 Mikroskopanalyse ..................................................................... 162
8.12.3 Extinktionsmessung . ............. ........ .... ........... ............................. 163
8.12.4 Trübungsmessung ...................................................................... 164
8.12.5 Coulter-Verfahren ..................................................................... 164
8.12.6 Streulichtspektrometer .............................................................. 166
8.12.7 Beugungsspektrometer .............................................................. 168
8.12.8 Sedimentationsanalyse .............................................................. 170
8.12.8.1 Pipette-Verfahren ...................................................................... 172
8.12.8.2 Sedimentationswaage ................................................................ 172
8.12.8.3 Scanning-Sedimentograf ........................................................... 173
8.12.8.4 Sedimentationszentrifuge .......................................................... 174
lnhalt XI
9 Messung akustischer Grö8en ............................................................... 176
10 Messung ionisierender Strahlung ........................................................ 180
10.1 Zählrohre .................................................................................... 180
10.2 Szintillationszählrohr ................................................................. 182
10.3 Halbleiter-Strahlungsdetektoren ............................................... 182
11 Zeitmessung ............................................................................................ 184
11.1 Zeitbasis .... ........... .... .................... ................ ................... ... ........ 184
11.2 Teiler / Zähler ............................................................................ 185
11.3 Anzeige . ....... ... .... .... .... .... .... ......... ........... .... ....... .......... ... ... ..... ... 187
11.4 Frequenzmessung ...................................................................... 189
12 AnaloglDigital-Wandler ........................................................................ 190
12.1 Parallel-A/D-Wandler ................................................................ 191
12.2 Sukzessive Approximation-A/D-Wandler ................................ 193
12.3 Nachlauf-A/D-Wandler ............................................................. 195
12.4 Rampen-A/D-Wandler ............................................................... 196
12.5 Dual-Slope-A/D-Wandler .......................................................... 197
12.6 Charge-Balancing-A/D-Wandler ............................................... 200
13 Intelligente Sensoren und Feldbussysteme .......................................... 202
Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen ............................................ 206
Literaturverzeichnis .................................................................................... 208
Sachwortverzeichnis .................................................................................... 223