Messtechnik : Grundlagen und Anwendungen der elektrischen Messtechnik für alle technischen Fachrichtungen und Wirtschaftsingenieure ; mit 31 Tabellen

217 Pages·2010·3.75 MB·German

by  Rainer Parthier

Rainer Parthier
Messtechnik
Aus dem Programm
Automatisierungstechnik
Speicherprogrammierbare Steuerungen
von W. Braun
Mechatronik
herausgegeben von B. Heinrich
Kaspers/Küfner Messen – Steuern – Regeln
herausgegeben von B. Heinrich
Regelungstechnik für Ingenieure
von M. Reuter und S. Zacher
Regelungstechnik I
Klassische Verfahren zur Analyse und Synthese linearer
kontinuierlicher Regelsysteme, Fuzzy-Regelsysteme
von H. Unbehauen
Regelungstechnik II
Zustandsregelungen, digitale und nichtlineare
Regelsysteme
von H. Unbehauen
Automatisieren mit SPS
Theorie und Praxis
von G.Wellenreuther und D. Zastrow
Automatisieren mit SPS
Übersicht und Übungsaufgaben
von G.Wellenreuther und D. Zastrow
Übungsbuch Regelungstechnik
von S. Zacher
vieweg
Rainer Parthier
Messtechnik
Grundlagen und Anwendungen
der elektrischen Messtechnik für
alle technischen Fachrichtungen
und Wirtschaftsingenieure
4., verbesserte Auflage
Mit 121 Abbildungen und 30 Tabellen
Studium Technik
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
<http://dnb.d-nb.de> abrufbar.
1. Auflage Juli 2001
2., verbesserte Auflage Januar 2004
3., überarbeitete und ergänzte Auflage März 2006
4., verbesserte Auflage 2008
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2008
Lektorat: Thomas Zipsner
Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media.
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Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-0336-8
V
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 moderne
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 tätig sein kann, der nicht über grundlegendes
Wissen zur elektronischen Messtechnik verfügt.
Als Professor an der Hochschule Mittweida bin ich u. a. mit der Vermittlung von Wissen zur
elektronischen 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 uneinge-
schränkte Literaturempfehlung für diesen Hörerkreis geben, die einerseits möglichst straff und
klar den zum Verständnis der Messtechnik erforderlichen Inhalt abdeckt, andererseits auch das
Selbststudium fördernde Übungsaufgaben und Kontrollfragen, inklusive der Lösungen, zur
Verfügung stellt.
Die für die HFH Hamburger Fern-Hochschule als Co-Autor bzw. Autor entwickelten Studien-
briefe „Metrologische Grundlagen“ und „Prozessmesstechnik“, siehe Literaturverzeichnis [1]
und [2], entsprachen 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 kos-
tenlos zur Verfügung gestellt hat, war es möglich, diesen Gedanken kurzfristig 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 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 Qualitätsanforderun-
gen auszuwählen und einzusetzen. Entsprechend ihrer Bedeutung ist ein angemessener Teil
des Buches der Sensorik gewidmet, die an Hand ausgewählter Sensorprinzipien und ihrer
praktischen messtechnischen Anwendung beschrieben wird. Zu allen angeführten Sensorprin-
zipien werden Beispiele für ihre praktische Umsetzung und erreichbare messtechnische Para-
meter genannt. Abgerundet wird das Lehrbuch durch eine einführende Vorstellung von grund-
sätzlichen 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 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 praxisnahe Beispiele und
Übungsaufgaben unterstützt.
VI Vorwort
Nach dem Durcharbeiten dieses Buches sollte der Leser in der Lage sein, die Bedeutung der
Messtechnik in seinem Arbeitsgebiet einschätzen zu können. Er ist dem Messtechnikspezialis-
ten ein kompetenter Gesprächspartner 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.
Mittlerweile liegt die 4. Auflage des Lehrbuches vor. Das Grundkonzept des Buches wurde
aufgrund der Akzeptanz der Idee für dieses Buch nicht verändert. Es galt Hinweise von Fach-
kollegen einzuarbeiten und neue Literatur zum Thema zu berücksichtigen.
Auf Seiten des Verlages Vieweg möchte ich insbesondere Herrn Zipsner danken. Durch seine
stetige Unterstützung und seine Hinweise als Lektor hat er wesentlich zur Realisierung und
Veröffentlichung des vorliegenden Buches beigetragen.
Mein Dank gilt den Fachkollegen, die mit Bemerkungen und Hinweisen die Verbesserung
dieses Lehrbuchs beförderten. Ich verbinde diesen Dank mit der Bitte, auch weiterhin das
Buch mit Hinweisen, Anregungen und Ergänzungen zu begleiten.
Mittweida, im August 2007 Rainer Parthier
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Messen; Voraussetzungen und Durchführung.................................................................1
1.1 Messgrößen, Maßeinheiten..........................................................................................1
1.2 SI-Einheitensystem......................................................................................................2
1.3 Normale.......................................................................................................................4
1.4 Kontrollfragen und Übungsaufgaben...........................................................................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 Übungsaufgaben.........................................................................13
3 Charakterisierung von Messsignalen..............................................................................14
3.1 Signalformen von Messsignalen................................................................................14
3.2 Kenngrößen von Einzelimpulsen und periodischen sinusförmigen
Signalverläufen..........................................................................................................16
3.3 Mittelwerte periodischer Signale...............................................................................18
3.4 Kenngrößen von nichtsinusförmigen periodischen Signalen.....................................23
3.5 Logarithmische Übertragungsverhältnisse.................................................................25
3.6 Kontrollfragen und Übungsaufgaben.........................................................................28
4 Messmethoden..................................................................................................................30
4.1 Ausschlagmethode.....................................................................................................30
4.2 Differenzmethode (Methode der unvollständigen 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 Kenngrößen von Messeinrichtungen...............................35
5.2.1 Statische Kenngrößen von Messeinrichtungen..............................................35
5.2.2 Dynamische Kenngrößen von Messeinrichtungen.........................................37
5.3 Kontrollfragen und Übungsaufgaben.........................................................................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 zufälliger Abweichungen.......................................................................55
6.4.1 Aufnahme 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 Messgeräteabweichungen..........................................................................................74
6.5.1 Fehlergrenzen.................................................................................................75
6.5.2 Fortpflanzung von Abweichungen von Messgeräten.....................................76
6.6 Kontrollfragen............................................................................................................78
7 Fehlertypen für 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 Messgeräten..................................................................84
7.4 Kontrollfragen und Übungsaufgaben.........................................................................86
8 Messung elektrischer Größen..........................................................................................87
8.1 Erreichbare Messgenauigkeiten.................................................................................87
8.2 Messung von Stromstärke und Spannung..................................................................88
8.3 Leistungsmessung......................................................................................................92
8.4 Messung von Wirkwiderständen (ohmsche Widerstände).........................................97
8.4.1 Messung mittels Strom-/Spannungsmessung.................................................97
8.4.2 Messung mittels Brückenschaltung................................................................99
8.5 Messung an Kondensator und Spule........................................................................101
8.5.1 Bestimmung der Kapazität eines Kondensators mittels
Strom-/Spannungsmessung..........................................................................102
8.5.2 Bestimmung der Induktivität einer Spule mittels
Strom-Spannungsmessung...........................................................................104
8.5.3 Bestimmung von Kapazität und Induktivität mittels
einer Brückenschaltung................................................................................106
8.6 Frequenz- und Zeitmessung.....................................................................................108
8.6.1 Frequenzmessung.........................................................................................108
8.6.2 Zeitmessung.................................................................................................109
8.7 Kontrollfragen und Übungsaufgaben.......................................................................110
9 Messung nichtelektrischer physikalischer Größen......................................................111
9.1 Messkette.................................................................................................................111
9.1.1 Messsignalaufnahme....................................................................................112
9.1.2 Multiplexen..................................................................................................113
Inhaltsverzeichnis IX
9.1.3 Verstärken....................................................................................................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 Größen.......................................................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 Übungsaufgaben.....................................................................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 Kontrollfragen........................................................................................................188
Antworten und Lösungen zu den Kontrollfragen und Übungsaufgaben .....................189
Symbole und Abkürzungen...............................................................................................199
Literaturverzeichnis...........................................................................................................202
Sachwortverzeichnis...........................................................................................................204
1
1 Messen; Voraussetzungen und Durchführung
Im ersten Kapitel dieses Buches werden die Grundbegriffe der Messtechnik erläutert, um da-
mit eine Basis für das Verständnis der weiteren Kapitel zu legen. Schwerpunktmäßig sind das:
(cid:120)(cid:3) die Begriffe Messgröße und Maßeinheit,
(cid:120)(cid:3) die allgemeine Gleichung für eine Messung,
(cid:120)(cid:3) das SI-Einheitensystem,
(cid:120)(cid:3) die Hierarchie der Normale als Basis des Eichens von Maßverkörperungen und Messgerä-
ten.
Zum Begriff Messen findet man in der Fachliteratur eine Vielzahl von Definitionen, denen hier
keine neue hinzugefügt werden soll. Das Zitat aus [3] stellt hier wohl die umfassendste Erklä-
rung des Begriffes Messen dar:
Messen ist das Ausführen von geplanten Tätigkeiten zum quantitativen Vergleich der Mess-
größe mit einer Maßeinheit.
Damit fasst man den Begriff des Messens noch allgemeiner als in älteren Fassungen der
DIN1319 T.1, in der Messen noch als experimenteller Vorgang, durch den ein spezieller Wert
einer physikalischen Größe als Vielfaches einer Einheit oder eines Bezugswertes ermittelt
wird, definiert wurde. Die aktuelle Definition aus [3] berücksichtigt, dass auch theoretische
Überlegungen und Berechnungen für die Ausführung einer Messung erforderlich sein können.
Aus dieser Definition folgt die Notwendigkeit, sich mit physikalischen Größen, für unsere
Betrachtungen auch als Messgrößen zu interpretieren, und Maßeinheiten auseinander zu set-
zen.
1.1 Messgröße, Maßeinheit
Mit Hilfe von physikalischen Größen werden Eigenschaften von Körpern, Zuständen oder
Verfahren beschrieben. Eine physikalische Größe wird als Messgröße bezeichnet, wenn sie
Gegenstand einer Messung ist. Um den in der Definition des Messen festgelegten Vergleich
durchführen zu können, erfolgte die Festlegung von Maßeinheiten. So genannte Basis- oder
Grundeinheiten sind unabhängig voneinander festgelegte Maßeinheiten. Aus Verknüpfungen
der Basiseinheiten gewonnene Maßeinheiten werden als abgeleitete Maßeinheiten bezeichnet.
Im Kapitel 1.2 wird darauf noch näher eingegangen.
Der zu einem Messwert führende Vorgang der Messung lässt sich auch durch eine Gleichung
beschreiben:
Messwert(cid:32)Maßzahl(cid:152)Maßeinheit (1.1)
Der quantitative Wert einer Messgröße wird somit als Produkt aus Maßzahl und Maßeinheit
ausgedrückt. Diese Gleichungsform wird auch als Größengleichung bezeichnet, wobei auf der
linken Seite die Größenbezeichnung steht. Die rechte Seite der Gleichung beschreibt den quan-