Messtechnik : Grundlagen und Anwendungen der elektrischen Messtechnik für alle technischen Fachrichtungen und Wirtschaftsingenieure ; mit 27 Tabellen

217 Pages·2006·10.06 MB·German

by  Rainer Parthier

Rainer Parthier
Messtechnik
Aus dem Programm
Automatisierungstechnik
SpeicherprogrammierbareSteuerungen
von W. Braun
Kaspers/Kufner Messen - Steuern - Regein
herausgegeben von B. Heinrich
Regelungstechnikfur Ingenieure
von M. Renter und S. Zacher
Bussysteme in der Automatisierungs-
und Prozesstechnik
herausgegeben von G. Schnell und B. Wiedemann
Regelungstechnik I
Klassische Verfahren zur Analyse und Synthese
linearer kontinuierlicher Regelsysteme,
Fuzzy-Regelsysteme
von H. Unbehauen
Kompaktkurs Regelungstechnik
von H. Walter
Automatisieren mit SPS
Theorie und Praxis
von G. Wellenreuther und D. Zastrow
Automatisieren mit SPS
Ubersicht und Ubungsaufgaben
von G. Wellenreuther und D. Zastrow
Automatisierungstechnik kompakt
herausgegeben von S. Zacher
vieweg
Rainer Parthier
Messtechnik
Grundlagen und Anwendungen
der elektrischen Messtechnik fiir
alle technischen Fachrichtungen
und Wirtschaftsingenieure
Mit 109 Abbildungen und 27 Tabellen
3., iiberarbeitete und erganzte Auflage
EQ
Studium Technik vieweg
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet iiber <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
1., Auflage JuH 2001
2., verbesserte Auflage Januar 2004
3., iiberarbeitete und erganzte Auflage Marz 2006
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2006
Lektorat: Thomas Zipsner
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Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, Heusenstamm
Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 3-8348-0044-9
V
Vorwort
Automatisierung in der Industrie, wissenschaftliche Experimente im Labor, Erfassung von
physikalischen GroBen aus der Umwelt; nur einige Komplexe, in denen die Messtechnik die
Voraussetzungen zur Umsetzung der geforderten Ziele schafft. Dabei stellt sich modeme
Messtechnik in der heutigen Zeit vorrangig als elektronische, vorzugsweise digitale Messtech
nik dar. Diese wenigen Bemerkungen zeigen schon, dass niemand in der produzierenden Wirt-
schaft Oder in den technischen Wissenschaften tatig sein kann, der nicht iiber grundlegendes
Wissen zur elektronischen Messtechnik verfugt.
Als Professor an der Hochschule Mittweida bin ich u. a. mit der Vermittlung von Wissen zur
elektronischen Messtechnik an Studenten betraut, fiir die dieses Wissensgebiet ein Nebenfach
darstellt, wie z. B. Studenten des Wirtschaftsingenieurwesens, Studenten der Umwelttechnik
usw. Trotz der zahlreich zur Messtechnik vorhandenen Literatur lieB sich keine uneinge-
schrankte Literaturempfehlung fur diesen Horerkreis geben, die einerseits moglichst straff und
klar den zum Verstandnis der Messtechnik erforderlichen Inhalt abdeckt, andererseits auch das
Selbststudium fordemde LFbungsaufgaben und Kontrollfragen, inklusive der Losungen, zur
Verfiigung stellt.
Die fur die HFH Hamburger Fem-Hochschule als Co-Autor bzw. Autor entwickelten Studien-
briefe „Metrologische Grundlagen" und „Prozessmesstechnik", siehe Literaturverzeichnis [1]
und [2], entsprachen den genannten Vorstellungen fur eine studienbegleitende Literatur, so
dass der Gedanke entstand, auf der Basis dieser Studienbriefe ein Lehrbuch zu erarbeiten. Mit
der freundlichen Unterstiitzung der HFH Hamburger Fem-Hochschule, welche die genannten,
von ihr herausgegebenen Studienbriefe fiir den Zweck der Veroffentlichung des Buches kos-
tenlos zur Verfiigung gestellt hat, war es moglich, diesen Gedanken kurzfristig umzusetzen.
Im vorliegenden Buch werden ausgehend von den Grundbegriffen der Messtechnik und der
Charakterisierung von Messsignalen grundsatzliche Verfahren zur Ermittlung von Messwerten
behandelt und relevante KenngroBen von Messeinrichtungen erlautert. Die moglichen Abwei-
chungen bei Messungen, deren Ursachen und ihre Auswirkungen auf die Verwertbarkeit der
erzielten Messergebnisse werden aufgezeigt. Damit wird dem Leser das notwendige Wissen an
die Hand gegeben, vorhandene Messtechnik auf der Basis betrieblicher Qualitatsanforderun-
gen auszuwahlen und einzusetzen. Entsprechend ihrer Bedeutung ist ein angemessener Teil
des Buches der Sensorik gewidmet, die an Hand ausgewahlter Sensorprinzipien und ihrer
praktischen messtechnischen Anwendung beschrieben wird. Zu alien angefuhrten Sensorprin
zipien werden Beispiele fiir ihre praktische Umsetzung und erreichbare messtechnische Para
meter genannt. Abgerundet wird das Lehrbuch durch eine einfiihrende Vorstellung von grund-
satzlichen Varianten zur Realisierung rechnergesteuerter Messsysteme. Aufgrund des Umfan-
ges 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 Problemen
der Messtechnik vertraut machen woUen. Aber auch der Praktiker, der sich Basiswissen der
Messtechnik wieder in Erinnerung rufen will, fmdet mit diesem Buch die geeignete Literatur.
Das Selbststudium mit Hilfe dieses Buches wird gezielt durch praxisnahe Beispiele und
Ubungsaufgaben unterstutzt.
VI Vorwort
Nach dem Durcharbeiten dieses Buches sollte der Leser in der Lage sein, die Bedeutung der
Messtechnik in seinem Arbeitsgebiet einschatzen zu konnen. Er ist dem Messtechnikspezialis-
ten ein kompetenter Gesprachspartner und kann an Entscheidungsfindungsprozessen in der
betrieblichen Praxis, in denen die Messtechnik eine Rolle spielt, fundiert mitwirken. Die Erar-
beitung von speziellen, hier nicht abgehandelten messtechnischen Wissensgebieten sollte we-
sentlich erleichtert sein nach der Durcharbeitung dieses Lehrbuches.
Inzwischen liegt die 3. Auflage des Lehrbuches vor. Das Grundkonzept des Buches wurde
aufgrund der Akzeptanz der Idee fur dieses Buch nicht verandert. Es gait Hinweise von Fach-
kollegen einzuarbeiten und neue Literatur zum Thema zu berucksichtigen. Komplett neu ge-
fasst wurde der Abschnitt zur Behandlung von Messabweichungen und dem Bericht des Mess-
ergebnisses.
Auf Seiten des Verlages Vieweg mochte ich insbesondere Herm Zipsner danken. Durch seine
stetige Unterstutzung und seine Hinweise als Lektor hat er wesentlich zur Realisierung und
Veroffentlichung des vorliegenden Buches beigetragen.
Mein Dank gilt den Fachkollegen, die mit Bemerkungen die Verbesserung dieses Lehrbuchs
befbrderten. Ich verbinde diesen Dank mit der Bitte, auch weiterhin das Buch mit Hinweisen,
Anregungen und Erganzungen zu begleiten.
Mittweida, im Februar 2006 Rainer Parthier
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Messen; Voraussetzungen und Durchfiihrung 1
1.1 MessgroBen, Mafieinheiten 1
1.2 SI-Einheitensystem 2
1.3 Normale 4
1.4 Kontrollfragen und tJbungsaufgaben 5
2 Messsignale 6
2.1 Klassifizierung von Messsignalen 6
2.2 Wandlung von Messsignalen 8
2.3 Analog-Digital-Wandlung 11
2.4 Kontrollfragen und Ubungsaufgaben 13
3 Charakterisierung von Messsignalen 14
3.1 Signalformen von Messsignalen 14
3.2 KenngroBen von Einzelimpulsen und periodischen sinusformigen
Signalverlaufen 16
3.3 Mittelwerte periodischer Signale 18
3.4 KenngroBen von nichtsinusformigen periodischen Signalen 23
3.5 LogarithmischeUbertragungsverhaltnisse 25
3.6 Kontrollfragen und Ubungsaufgaben 28
4 Messmethoden 30
4.1 Ausschlagmethode 30
4.2 Differenzmethode (Methode der unvoUstandigen Kompensation) 31
4.3 Kompensationsmethode 32
4.4 Kontrollfragen 33
5 Messeinrichtung 34
5.1 Wechselwirkung zwischen Grundfunktion und Grundstruktur
einer Messeinrichtung 34
5.2 Statische und dynamische KenngroBen von Messeinrichtungen 35
5.2.1 Statische KenngroBen von Messeinrichtungen 35
5.2.2 Dynamische KenngroBen von Messeinrichtungen 37
5.3 Kontrollfragen und tJbungsaufgaben 46
6 Bewertung von Messergebnissen 47
6.1 Grundbegriffe 47
6.2 Fortpflanzung bekannter systematischer Abweichungen 52
VIII Inhaltsverzeichnis
6.3 Behandlung unbekannter systematischer Abweichungen 55
6.4 Behandlung zufalliger Abweichungen 55
6.4.1 Aufhahme und Analyse einer Messreihe 56
6.4.2 Analyse normalverteilter Messreihen 60
6.4.3 Auswertung von endlichen Messreihen 65
6.4.4 Fortpflanzung von Unsicherheiten 70
6.4.5 Bericht des Messergebnisses 73
6.5 Messgerateabweichungen 74
6.5.1 Fehlergrenzen 75
6.5.2 Fortpflanzung von Abweichungen von Messgeraten 76
6.6 KontroUfragen 78
7 Fehlertypen fiir Messeinrichtungen 79
7.1 Die Auswirkung des additiven und multiplikativen Fehlers 79
7.2 Abweichung infolge der Quantisierung 81
7.3 Angabe der Genauigkeit bei Messgeraten 84
7.4 KontroUfragen und Ubungsaufgaben 86
8 Messung elektrischer GroBen 87
8.1 Erreichbare Messgenauigkeiten 87
8.2 Messung von Stromstarke und Spannung 88
8.3 Leistungsmessung 92
8.4 Messung von Wirkwiderstanden (ohmsche Widerstande) 97
8.4.1 Messung mittels Strom-/Spannungsmessung 97
8.4.2 Messung mittels Briickenschaltung 99
8.5 Messung an Kondensator und Spule 101
8.5.1 Bestimmung der Kapazitat eines Kondensators mittels
Strom-ZSpannungsmessung 102
8.5.2 Bestimmung der Induktivitat einer Spule mittels
Strom-Spannungsmessung 104
8.5.3 Bestimmung von Kapazitat und Induktivitat mittels
einer Briickenschaltung 106
8.6 Frequenz-und Zeitmessung 108
8.6.1 Frequenzmessung 108
8.6.2 Zeitmessung 109
8.7 KontroUfragen und Ubungsaufgaben 110
9 Messung nichtelektrischer physikalischer GroBen 111
9.1 Messkette Ill
9.1.1 Messsignalaufnahme 112
9.1.2 Multiplexen 113
Inhaltsverzeichnis IX
9.1.3 Verstarken 115
9.1.4 Analog-Digital-Wandlung 116
9.2 Verarbeitung und Ausgeben 122
9.3 Kontrollfragen 124
10 Sensoren 125
10.1 Klassifizierung und Grundstruktur von Sensoren 125
10.2 Sensoren zur Messung geometrischer GroBen 128
10.2.1 Inkrementale Sensoren 128
10.2.2 Code-Lineale 132
10.2.3 Potentiometrische Sensoren 135
10.2.4 Induktive Sensoren 137
10.2.5 Transformatorische induktive Sensoren zur Winkelmessung 139
10.2.6 Kapazitive Sensoren 142
10.3 Sensoren zur Kraftmessung 148
10.3.1 Kraftmessung mit Dehnungsmessstreifen 148
10.3.2 Piezoelektrische Kraftsensoren (Piezosensoren) 154
10.4 Messung mechanischer Schwingungen 158
10.5 Sensoren zur Temperaturmessung 161
10.5.1 Temperaturmessung mit Widerstandssensoren 161
10.5.2 Thermoelementsensoren 165
10.6 Feuchtemessung 169
10.6.1 Fadenhygrometer 170
10.6.2 Kapazitiver Feuchtemesser 171
10.6.3 Resistiver Feuchtesensor 171
10.7 Kontrollfragen und LFbungsaufgaben 172
11 Automatisierte Messsysteme 173
11.1 Hardwarekonfigurationen von automatisierten Messsystemen 173
11.1.1 Instrumentierte Computer 173
11.1.2 Messsysteme mit Busschnittstelle 176
11.2 Software zur Steuerung und Visualisierung 186
11.3 Kontrollfi-agen 188
Antworten und Losungen zu den Kontrollfragen und Ubungsaufgaben 189
Symbole und Abkiirzungen 199
Literaturverzeichnis 202
Sachwortverzeichnis 204
1 Messen; Voraussetzungen und Durchfiihrung
Im ersten Kapitel dieses Buches werden die Grundbegriffe der Messtechnik erlautert, um da-
mit eine Basis fiir das Verstandnis der weiteren Kapitel zu legen. Schwerpunktmafiig sind das:
• die Begriffe Messgrofie und MaBeinheit,
• die allgemeine Gleichung fiir eine Messung,
• das SI-Einheitensystem,
• die Hierarchie der Normale als Basis des Eichens von Mafiverkorperungen und Messgera-
ten.
Zum Begriff Messen findet man in der Fachliteratur eine Vielzahl von Defmitionen, denen hier
keine neue hinzugefugt werden soil. Das Zitat aus [3] stellt hier wohl die umfassendste Erkla-
rung des Begriffes Messen dar:
Messen ist das Ausfuhren von geplanten Tatigkeiten zum quantitativen Vergleich der Mess-
groBe mit einer MaBeinheit.
Damit fasst man den Begriff des Messens noch allgemeiner als in alteren Fassungen der
DriS[1319 T.l, in der Messen noch als experimenteller Vorgang, durch den ein spezieller Wert
einer physikalischen GroBe als Vielfaches einer Einheit oder eines Bezugswertes ermittelt
wird, defmiert wurde. Die aktuelle Definition aus [3] berucksichtigt, dass auch theoretische
Uberlegungen und Berechnungen fur die Ausfiihrung einer Messung erforderlich sein konnen.
Aus dieser Definition folgt die Notwendigkeit, sich mit physikalischen GroBen, fiir unsere
Betrachtungen auch als MessgroBen zu interpretieren, und MaBeinheiten auseinander zu set-
zen.
1.1 Messgrofie, Mafieinheit
Mit Hilfe von physikalischen GroBen werden Eigenschaften von Korpem, Zustanden oder
Verfahren beschrieben. Eine physikalische GroBe wird als MessgroBe bezeichnet, wenn sie
Gegenstand einer Messung ist. Um den in der Definition des Messen festgelegten Vergleich
durchfuhren zu konnen, erfolgte die Festlegung von MaBeinheiten. So genannte Basis- oder
Grundeinheiten sind unabhangig voneinander festgelegte MaBeinheiten. Aus Verkniipfungen
der Basiseinheiten gewonnene MaBeinheiten werden als abgeleitete MaBeinheiten bezeichnet.
Im Kapitel 1.2 wird darauf noch naher eingegangen.
Der zu einem Messwert fuhrende Vorgang der Messung lasst sich auch durch eine Gleichung
beschreiben:
Messwert = Mafizahl • Mafieinheit (1.1)
Der quantitative Wert einer MessgroBe wird somit als Produkt aus MaBzahl und MaBeinheit
ausgedruckt. Diese Gleichungsform wird auch als GroBengleichung bezeichnet, wobei auf der
linken Seite die GroBenbezeichnung steht. Die rechte Seite der Gleichung beschreibt den quan-