Elektrische Messtechnik: Messung elektrischer und nichtelektrischer Größen ; mit ... 41 Tabellen
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München
Hanser
2007
|
| Ausgabe: | 9., aktualisierte Aufl. |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | 512 S. graph. Darst. |
| ISBN: | 9783446409040 3446409041 |
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Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen 17
1.1 Umfang und Bedeutung der elektrischen Messtechnik 17
1.2 Maßeinheiten 19
1.2.1 Internationales Einheitensystem, SI Einheiten 20
1.2.2 Einheiten und Fundamentalkonstanten 23
1.2.3 Darstellung der mechanischen Grundeinheiten 25
1.2.4 Darstellung, Reproduzierung, Bewahrung und Weitergabe
der elektrischen Einheiten 26
1.2.5 Rückführbarkeit; Deutscher Kalibrierdienst 29
1.2.6 Größen und Zahlenwertgleichungen 30
1.3 Statisches Verhalten der Messgeräte 31
1.4 Statische Messfehler und Messunsicherheiten 33
1.4.1 Einführung 33
1.4.2 Bekannte Einflüsse; systematische Messfehler 34
1.4.3 Unbekannte Einflüsse; Messunsicherheit 36
1.5 Dynamisches Verhalten der Messgeräte 51
1.5.1 Verzögerungsglied 1. Ordnung 52
1.5.2 Verzögerungsglied 2. Ordnung 60
1.5.3 Weitere Beispiele für das Zeitverhalten 69
1.6 Dynamische Messfehler 71
1.6.1 Fehlermöglichkeiten 71
1.6.2 Korrektur des dynamischen Fehlers 74
1.7 Strukturen von Messeinrichtungen 76
1.7.1 Kettenstruktur 76
1.7.2 Parallelstruktur 77
1.7.3 Kreisstruktur 80
1.8 Die informationstragenden Parameter der Messsignale 81
g Inhaltsverzeichnis
1.9 Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen 84
1.9.1 Physikalische Effekte zum elektrischen Messen nichtelektrischer
Größen 84
1.9.2 Sensornahe Signalverarbeitung 85
2 Messung von Strom und Spannung; spannungs und stromliefernde
Aufnehmer 86
2.1 Elektromechanische Messgeräte und ihre Anwendung 86
2.1.1 Messwerke 86
2.1.2 Messung von Gleichstrom und Gleichspannung 92
2.1.3 Messung von Wechselstrom und Wechselspannung 99
2.1.4 Messung der Leistung 105
2.1.5 Messung der elektrischen Arbeit 112
2.1.6 Registrierende Messgeräte 113
2.2 Elektronenstrahl Oszilloskop 116
2.2.1 Elektronenstrahl Röhre 116
2.2.2 Baugruppen 119
2.2.3 Spezial Oszilloskope 124
2.2.4 Betriebsarten des Elektronenstrahl Oszilloskops 125
2.3 Messverstärker 127
2.3.1 Einführung 127
2.3.2 Nicht invertierender Spannungsverstärker 133
2.3.3 Invertierender Stromverstärker 140
2.3.4 Anwendungen des Spannungsverstärkers 146
2.3.5 Anwendungen des Stromverstärkers 148
2.3.6 Nullpunktfehler des realen Operationsverstärkers 154
2.4 Elektrodynamische spannungsliefernde Aufnehmer 160
2.4.1 Weg und Winkelmessung 161
2.4.2 Analoge Drehzahlmessung 161
2.4.3 Hall Sonde 162
2.4.4 Induktions Durchflussmesser 166
2.5 Thermische spannungsliefernde Aufnehmer 168
Inhaltsverzeichnis 9
2.5.1 Thermoelement 168
2.5.2 Integrierter Sperrschicht Temperatur Sensor 176
2.6 Chemische spannungsliefernde Aufnehmer und Sensoren 177
2.6.1 Galvanisches Element 177
2.6.2 pH Messkette mit Glaselektrode 178
2.6.3 Sauerstoffmessung mit Festkörper Ionenleiter 180
2.7 Piezo und pyroelektrische ladungsliefernde Aufnehmer 183
2.7.1 Wirkungsweise und Werkstoffe 183
2.7.2 Piezoelektrischer Kraftaufnehmer 186
2.7.3 Pyroelektrischer Infrarot Sensor 191
2.8 Optische Aufnehmer und Sensoren 194
2.8.1 Fotoelement und Fotodiode 196
2.8.2 Fotosensoren für Positionsmessungen und zur Bilderzeugung . 198
2.8.3 Fotozelle 200
2.8.4 Fotovervielfacher 201
2.9 Aufnehmer für ionisierende Strahlung 202
2.9.1 Ionisationskammer 202
2.9.2 Auslöse Zählrohr 204
2.9.3 Halbleiter Strahlungsdetektor 206
3 Messung von ohmschen Widerständen; Widerstandsaufnehmer 208
3.1 Strom und Spannungsmessung 208
3.1.1 Gleichzeitige Messung von Spannung und Strom 208
3.1.2 Vergleich mit einem Referenzwiderstand 209
3.2 Anwendung einer Konstantstromquelle 210
3.3 Brückenschaltungen 215
3.3.1 Abgleich Widerstandsmessbrücke 215
3.3.2 Ausschlag Widerstandsmessbrücke 217
3.4 Verstärker für Brückenschaltungen 223
3.4.1 Subtrahierer mit invertierendem Verstärker 223
3.4.2 Subtrahierer mit Elektrometer Verstärkern 224
3.4.3 Trägerfrequenz Brücke und Messverstärker 226
10 Inhaltsverzeichnis
3.5 Widerstandsaufnehmer zur Längen und Winkelmessung 230
3.6 Widerstandstemperaturfühler 231
3.6.1 Metall Widerstandsthermometer 231
3.6.2 Heißleiter 236
3.6.3 Kaltleiter 238
3.6.4 Silizium Widerstandstemperatursensor 240
3.6.5 Fehlermöglichkeiten bei der Anwendung von elektrischen
Berührungsthermometern 241
3.7 Ermittlung verfahrenstechnischer Größen durch Temperaturmessungen 243
3.7.1 Füllstandswächter 243
3.7.2 Thermischer Massenstrommesser 244
3.7.3 Messung der Luftfeuchte; Messung von Gaskonzentrationen . . 246
3.8 Gassensoren mit halbleitenden Metalloxiden 247
3.9 Lichtempfindlicher Widerstand 249
3.10 Magnetisch steuerbarer Widerstand 250
3.11 Dehnungsmessstreifen 251
3.11.1 Prinzip 251
3.11.2 Metall Dehnungsmessstreifen 253
3.11.3 Störgrößen 255
3.11.4 Anwendung der DMS zur Spannungsanalyse 255
3.11.5 Halbleiter Dehnungsmessstreifen 259
3.12 Linearisieren der Widerstandsaufnehmer Kennlinien 260
3.12.1 Linearisieren durch einen Vor und/oder Parallel widerstand . . 261
3.12.2 Messung der Spannungsdifferenz bei Differenzial
Widerstandsaufnehmern 264
3.12.3 Differenzial Widerstandsaufnehmer in einer Halbbrücke . 265
4 Messung von Blind und Scheinwiderständen; induktive und kapazi¬
tive Aufnehmer 266
4.1 Strom und Spannungsmessung 267
4.1.1 Messung der Effektivwerte 267
4.1.2 Vergleich mit Referenzelement 268
4.1.3 Getrennte Ermittlung des Blind und Wirkwiderstandes . 269
Inhaltsverzeichnis 11
4.1.4 Messung eines Phasenwinkels 271
4.1.5 Strommessung in einem fremderregten Schwingkreis 272
4.2 Wechselstrom Abgleichbrücke 273
4.2.1 Prinzip 273
4.2.2 Kapazität Messbrücke nach Wien 275
4.2.3 Induktivitäts Messbrücke nach Maxwell 276
4.2.4 Induktivitäts Messbrücke nach Maxwell Wien 276
4.2.5 Phasenschieber Brücke 277
4.3 Wechselspannungs Ausschlagbrücke 277
4.4 Induktive Aufnehmer 279
4.4.1 Tauchanker Aufnehmer zur Längen und Winkelmessung . . . 279
4.4.2 Queranker Aufnehmer zur Längen und Winkelmessung . 282
4.4.3 Kurzschlussring Sensor 284
4.4.4 Anwendung der induktiven Längen und Winkelgeber 284
4.4.5 Induktiver Schleifendetektor zur Erfassung von Fahrzeugen . . 286
4.4.6 Magnetoelastische Kraftmessdose 286
4.5 Kapazitive Aufnehmer 287
4.5.1 Änderung des Plattenabstands 287
4.5.2 Änderung der Plattenfläche 289
4.5.3 Geometrische Änderung des Dielektrikums 290
4.5.4 Änderung der Permittivitätszahl durch Feuchtigkeit
oder Temperatur 292
4.6 Einsatz der induktiven und kapazitiven Abgriffe in Differenzdruck
Messumformern 292
4.7 Vergleich der induktiven und der kapazitiven Längenaufnehmer . 295
4.7.1 Energie des magnetischen und des elektrischen Feldes 296
4.7.2 Größte der Brückenschaltung entnehmbare Leistung 297
4.7.3 Steuerleistung zum Verstellen der Aufnehmer 298
12 Inhalts Verzeichnis
5 Digitale Grundschaltungen; Zeit und Frequenzmesstechnik 300
5.1 Binäre Signale und ihre logischen Verknüpfungen 300
5.1.1 Binäre Signale 300
5.1.2 Logische Verknüpfungen binärer Signale 300
5.2 Darstellung, Anzeige und Ausgabe numerischer Messwerte 304
5.2.1 Duales Zahlensystem 304
5.2.2 Binärcodes für Dezimalzahlen 305
5.2.3 Ziffernanzeige; Vergleich mit Skalenanzeige 306
5.2.4 Umsetzung eines digitalen Signals in eine Spannung 307
5.3 Bistabile Kippstufen 309
5.3.1 Asynchrones ÄS Speicherglied 309
5.3.2 Taktgesteuertes ÄS Speicherglied 310
5.3.3 Taktflankengesteuertes D Speicherglied 311
5.3.4 Taktflankengesteuertes JK Speicherglied 312
5.3.5 Taktflankengesteuertes T Speicherglied 313
5.4 Zähler 313
5.4.1 Asynchroner Vorwärts Dualzähler 314
5.4.2 Synchroner Vorwärts Dualzähler 315
5.4.3 Synchroner Vorwärts BCD Zähler 315
5.5 Register 317
5.5.1 Parallelregister 317
5.5.2 Schieberegister zur Parallel/Serien Umsetzung 318
5.5.3 Schieberegister zur Serien/Parallel Umsetzung 319
5.5.4 Multiplexer als Parallel/Serien Umsetzer 321
5.6 Digitale Zeitmessung 321
5.6.1 Einführung 321
5.6.2 Digitale Messung eines Zeitintervalls 322
5.6.3 Messung einer Periodendauer 323
5.6.4 Messung eines Phasenwinkels 323
5.7 Digitale Frequenzmessung 325
5.7.1 Digitale Messung einer Frequenz oder einer Impulsrate 325
Inhaltsverzeichnis 13
5.7.2 Messung des Verhältnisses zweier Frequenzen oder Drehzahlen 326
5.7.3 Messung der Differenz zweier Frequenzen oder Drehzahlen . . . 326
5.7.4 Universalzähler 326
5.8 Analoge Messung eines Zeitintervalls oder einer Frequenz 327
5.8.1 Analoge Messung eines Zeitintervalls; t/u Umformung 328
5.8.2 Analoge Messung einer Frequenz oder Impulsrate;
f/u Umformung 328
5.9 Drehzahlaufnehmer 330
6 Analog/Digital Umsetzer für elektrische und mechanische Größen 332
6.1 Abtast und Halteglied mit Multiplexer 332
6.2 Direkt vergleichende A/D Umsetzer 333
6.2.1 Komparator 333
6.2.2 Komparator mit Hysterese 334
6.2.3 A/D Umsetzer mit parallelen Komparatoren 335
6.2.4 Kaskaden Parallel Umsetzer 337
6.2.5 A/D Umsetzer mit sukzessiver Annäherung an den Messwert . 338
6.3 Spannung/Zeit und Spannung/Frequenz Umsetzer 340
6.3.1 u/t Zweirampen Umsetzer 340
6.3.2 «// Umsetzer nach dem Ladungsbilanzverfahren 343
6.3.3 Synchroner ^// Umsetzer nach dem Ladungsbilanzverfahren . 345
6.3.4 Delta Sigma Umsetzer 346
6.4 Kenngrößen der Analog/Digital Umsetzer 349
6.4.1 Kennlinie 349
6.4.2 Abtasttheorem 351
6.4.3 Umsetzrate und Auflösung 352
6.4.4 Quantisierungsrauschen, Zahl der effektiven Bit 353
6.5 Analog/Digital Umsetzer in Messgeräten 356
6.5.1 Digital Multimeter 356
6.5.2 Digitales Speicher Oszilloskop 357
6.5.3 Logikanalysator 359
6.6 A/D Umsetzer für mechanische Größen 360
14 Inhaltsverzeichnis
6.6.1 Endlagenschalter 361
6.6.2 Codierte Längen und Winkelgeber 362
6.6.3 Inkrementale Längen und Winkelgeber 363
6.6.4 Vergleich der codierten und inkrementalen Längengeber . 367
7 Schwingungsmessungen 368
7.1 Astabile Kippschaltungen als Frequenzumsetzer 368
7.1.1 Kippschaltung mit Verstärker und Komparator 368
7.1.2 Kippschaltung mit stabilisierten Hilfsspannungen 372
7.2 Harmonische Oszillatoren 373
7.2.1 Erzeugung ungedämpfter Schwingungen 374
7.2.2 LC Oszillator 375
7.2.3 .RC Oszillator 378
7.3 Piezoelektrische Resonatoren 381
7.3.1 Volumenschwingende Quarze 381
7.3.2 Oberflächenwellen OFW in Quarzen 389
7.3.3 Funkabfragbare Sensoren 393
7.3.4 Ultraschall Durchflussmesser 395
7.4 Mechanische Schwingungen 399
7.4.1 Charakteristische Größen 399
7.4.2 Relative Schwingungsmessung 400
7.4.3 Absolute Schwingungsmessung 403
7.4.4 Monolithisch integrierter Beschleunigungssensor 406
7.4.5 Schwingsaiten Frequenzumsetzer 407
7.4.6 Stimmgabel Frequenzumsetzer 408
7.4.7 Coriolis Massendurchflussmesser 410
8 Spektralanalyse 413
8.1 Aufgabenstellung 413
8.2 FTC eines zeitkontinuierlichen Signals 413
8.3 FTD eines zeitdiskreten Signals 414
8.3.1 Übergang vom zeitkontinuierlichen zum zeitdiskreten Signal . . 414
Inhaltsverzeichnis 15
8.3.2 Unterschiede bei der Transformation eines zeitkontinuierlichen
und eines zeitdiskreten Signals 416
8.3.3 Abtasttheorem 417
8.4 DFT eines abgetasteten, zeitbegrenzten Signals 418
8.4.1 Datensatz mit endlich vielen Werten; diskrete Spektralfunktion 418
8.4.2 Zusammenhang zwischen FTD und DFT; Anhängen von Nullen 422
8.4.3 Wahl der Abtastfrequenz 425
8.4.4 Inverse Diskrete Fouriertransformation IDFT 426
8.5 DFT eines abgetasteten, nicht zeitbegrenzten Signals 428
8.5.1 Konstantes Signal 429
8.5.2 Periodisches Signal 432
8.5.3 Anhängen von Nullen, Abtastfrequenz und Messzeit 438
8.5.4 Inverse Diskrete Fouriertransformation IDFT 438
8.6 Fensterfunktionen 440
8.6.1 Kriterien zur Beurteilung 440
8.6.2 Fensterfunktionen und ihre Spektren 441
8.6.3 Fensterung bei transienten Signalen 445
8.7 Anwendungen der DFT 446
8.8 Leistungsmessung im Zeit und Frequenzbereich 447
9 Rechnerunterstützte Messsysteme 452
9.1 Einführung 452
9.2 Aufbau eines Personal Computers 452
9.2.1 Gerätetechnik 452
9.2.2 Software 454
9.3 Schnittstellen und Bussysteme 456
9.3.1 Einführung 456
9.3.2 Serielle RS 232 Schnittstelle und abgeleitete Schnittstellen . . . 460
9.3.3 Universal Serial Bus USB 463
9.3.4 Paralleler IEC Bus (GPIB Bus, IEEE 488 Bus) 464
9.3.5 Kabellose Netzwerke; Bluetooth, WLAN und IrDA 468
9.4 Messgeräte mit integrierter digitaler Schnittstelle 469
16 Inhaltsverzeichnis
9.4.1 Anschluss 469
9.4.2 Steuerung 470
9.5 Messgeräte ohne integrierte Schnittstelle 472
9.5.1 Prinzip 472
9.5.2 Aufbau einer Messkarte 473
9.5.3 Anschluss einer Messkarte an einen Rechner 477
9.6 Messprogramme 478
9.6.1 Aufgaben der Messprogramme 478
9.6.2 Ablauf eines rechnergestützten Messprozesses 479
9.6.3 Virtuelles Messgerät 483
9.6.4 LabVIEW 484
9.6.5 MATLAB 486
9.7 Beispiel: Messung des linearen Frequenzgangs 489
Literaturverzeichnis 493
Tabellenverzeichnis 503
Sachwortverzeichnis 505 |
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen 17
1.1 Umfang und Bedeutung der elektrischen Messtechnik 17
1.2 Maßeinheiten 19
1.2.1 Internationales Einheitensystem, SI Einheiten 20
1.2.2 Einheiten und Fundamentalkonstanten 23
1.2.3 Darstellung der mechanischen Grundeinheiten 25
1.2.4 Darstellung, Reproduzierung, Bewahrung und Weitergabe
der elektrischen Einheiten 26
1.2.5 Rückführbarkeit; Deutscher Kalibrierdienst 29
1.2.6 Größen und Zahlenwertgleichungen 30
1.3 Statisches Verhalten der Messgeräte 31
1.4 Statische Messfehler und Messunsicherheiten 33
1.4.1 Einführung 33
1.4.2 Bekannte Einflüsse; systematische Messfehler 34
1.4.3 Unbekannte Einflüsse; Messunsicherheit 36
1.5 Dynamisches Verhalten der Messgeräte 51
1.5.1 Verzögerungsglied 1. Ordnung 52
1.5.2 Verzögerungsglied 2. Ordnung 60
1.5.3 Weitere Beispiele für das Zeitverhalten 69
1.6 Dynamische Messfehler 71
1.6.1 Fehlermöglichkeiten 71
1.6.2 Korrektur des dynamischen Fehlers 74
1.7 Strukturen von Messeinrichtungen 76
1.7.1 Kettenstruktur 76
1.7.2 Parallelstruktur 77
1.7.3 Kreisstruktur 80
1.8 Die informationstragenden Parameter der Messsignale 81
g Inhaltsverzeichnis
1.9 Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen 84
1.9.1 Physikalische Effekte zum elektrischen Messen nichtelektrischer
Größen 84
1.9.2 Sensornahe Signalverarbeitung 85
2 Messung von Strom und Spannung; spannungs und stromliefernde
Aufnehmer 86
2.1 Elektromechanische Messgeräte und ihre Anwendung 86
2.1.1 Messwerke 86
2.1.2 Messung von Gleichstrom und Gleichspannung 92
2.1.3 Messung von Wechselstrom und Wechselspannung 99
2.1.4 Messung der Leistung 105
2.1.5 Messung der elektrischen Arbeit 112
2.1.6 Registrierende Messgeräte 113
2.2 Elektronenstrahl Oszilloskop 116
2.2.1 Elektronenstrahl Röhre 116
2.2.2 Baugruppen 119
2.2.3 Spezial Oszilloskope 124
2.2.4 Betriebsarten des Elektronenstrahl Oszilloskops 125
2.3 Messverstärker 127
2.3.1 Einführung 127
2.3.2 Nicht invertierender Spannungsverstärker 133
2.3.3 Invertierender Stromverstärker 140
2.3.4 Anwendungen des Spannungsverstärkers 146
2.3.5 Anwendungen des Stromverstärkers 148
2.3.6 Nullpunktfehler des realen Operationsverstärkers 154
2.4 Elektrodynamische spannungsliefernde Aufnehmer 160
2.4.1 Weg und Winkelmessung 161
2.4.2 Analoge Drehzahlmessung 161
2.4.3 Hall Sonde 162
2.4.4 Induktions Durchflussmesser 166
2.5 Thermische spannungsliefernde Aufnehmer 168
Inhaltsverzeichnis 9
2.5.1 Thermoelement 168
2.5.2 Integrierter Sperrschicht Temperatur Sensor 176
2.6 Chemische spannungsliefernde Aufnehmer und Sensoren 177
2.6.1 Galvanisches Element 177
2.6.2 pH Messkette mit Glaselektrode 178
2.6.3 Sauerstoffmessung mit Festkörper Ionenleiter 180
2.7 Piezo und pyroelektrische ladungsliefernde Aufnehmer 183
2.7.1 Wirkungsweise und Werkstoffe 183
2.7.2 Piezoelektrischer Kraftaufnehmer 186
2.7.3 Pyroelektrischer Infrarot Sensor 191
2.8 Optische Aufnehmer und Sensoren 194
2.8.1 Fotoelement und Fotodiode 196
2.8.2 Fotosensoren für Positionsmessungen und zur Bilderzeugung . 198
2.8.3 Fotozelle 200
2.8.4 Fotovervielfacher 201
2.9 Aufnehmer für ionisierende Strahlung 202
2.9.1 Ionisationskammer 202
2.9.2 Auslöse Zählrohr 204
2.9.3 Halbleiter Strahlungsdetektor 206
3 Messung von ohmschen Widerständen; Widerstandsaufnehmer 208
3.1 Strom und Spannungsmessung 208
3.1.1 Gleichzeitige Messung von Spannung und Strom 208
3.1.2 Vergleich mit einem Referenzwiderstand 209
3.2 Anwendung einer Konstantstromquelle 210
3.3 Brückenschaltungen 215
3.3.1 Abgleich Widerstandsmessbrücke 215
3.3.2 Ausschlag Widerstandsmessbrücke 217
3.4 Verstärker für Brückenschaltungen 223
3.4.1 Subtrahierer mit invertierendem Verstärker 223
3.4.2 Subtrahierer mit Elektrometer Verstärkern 224
3.4.3 Trägerfrequenz Brücke und Messverstärker 226
10 Inhaltsverzeichnis
3.5 Widerstandsaufnehmer zur Längen und Winkelmessung 230
3.6 Widerstandstemperaturfühler 231
3.6.1 Metall Widerstandsthermometer 231
3.6.2 Heißleiter 236
3.6.3 Kaltleiter 238
3.6.4 Silizium Widerstandstemperatursensor 240
3.6.5 Fehlermöglichkeiten bei der Anwendung von elektrischen
Berührungsthermometern 241
3.7 Ermittlung verfahrenstechnischer Größen durch Temperaturmessungen 243
3.7.1 Füllstandswächter 243
3.7.2 Thermischer Massenstrommesser 244
3.7.3 Messung der Luftfeuchte; Messung von Gaskonzentrationen . . 246
3.8 Gassensoren mit halbleitenden Metalloxiden 247
3.9 Lichtempfindlicher Widerstand 249
3.10 Magnetisch steuerbarer Widerstand 250
3.11 Dehnungsmessstreifen 251
3.11.1 Prinzip 251
3.11.2 Metall Dehnungsmessstreifen 253
3.11.3 Störgrößen 255
3.11.4 Anwendung der DMS zur Spannungsanalyse 255
3.11.5 Halbleiter Dehnungsmessstreifen 259
3.12 Linearisieren der Widerstandsaufnehmer Kennlinien 260
3.12.1 Linearisieren durch einen Vor und/oder Parallel widerstand . . 261
3.12.2 Messung der Spannungsdifferenz bei Differenzial
Widerstandsaufnehmern 264
3.12.3 Differenzial Widerstandsaufnehmer in einer Halbbrücke . 265
4 Messung von Blind und Scheinwiderständen; induktive und kapazi¬
tive Aufnehmer 266
4.1 Strom und Spannungsmessung 267
4.1.1 Messung der Effektivwerte 267
4.1.2 Vergleich mit Referenzelement 268
4.1.3 Getrennte Ermittlung des Blind und Wirkwiderstandes . 269
Inhaltsverzeichnis 11
4.1.4 Messung eines Phasenwinkels 271
4.1.5 Strommessung in einem fremderregten Schwingkreis 272
4.2 Wechselstrom Abgleichbrücke 273
4.2.1 Prinzip 273
4.2.2 Kapazität Messbrücke nach Wien 275
4.2.3 Induktivitäts Messbrücke nach Maxwell 276
4.2.4 Induktivitäts Messbrücke nach Maxwell Wien 276
4.2.5 Phasenschieber Brücke 277
4.3 Wechselspannungs Ausschlagbrücke 277
4.4 Induktive Aufnehmer 279
4.4.1 Tauchanker Aufnehmer zur Längen und Winkelmessung . . . 279
4.4.2 Queranker Aufnehmer zur Längen und Winkelmessung . 282
4.4.3 Kurzschlussring Sensor 284
4.4.4 Anwendung der induktiven Längen und Winkelgeber 284
4.4.5 Induktiver Schleifendetektor zur Erfassung von Fahrzeugen . . 286
4.4.6 Magnetoelastische Kraftmessdose 286
4.5 Kapazitive Aufnehmer 287
4.5.1 Änderung des Plattenabstands 287
4.5.2 Änderung der Plattenfläche 289
4.5.3 Geometrische Änderung des Dielektrikums 290
4.5.4 Änderung der Permittivitätszahl durch Feuchtigkeit
oder Temperatur 292
4.6 Einsatz der induktiven und kapazitiven Abgriffe in Differenzdruck
Messumformern 292
4.7 Vergleich der induktiven und der kapazitiven Längenaufnehmer . 295
4.7.1 Energie des magnetischen und des elektrischen Feldes 296
4.7.2 Größte der Brückenschaltung entnehmbare Leistung 297
4.7.3 Steuerleistung zum Verstellen der Aufnehmer 298
12 Inhalts Verzeichnis
5 Digitale Grundschaltungen; Zeit und Frequenzmesstechnik 300
5.1 Binäre Signale und ihre logischen Verknüpfungen 300
5.1.1 Binäre Signale 300
5.1.2 Logische Verknüpfungen binärer Signale 300
5.2 Darstellung, Anzeige und Ausgabe numerischer Messwerte 304
5.2.1 Duales Zahlensystem 304
5.2.2 Binärcodes für Dezimalzahlen 305
5.2.3 Ziffernanzeige; Vergleich mit Skalenanzeige 306
5.2.4 Umsetzung eines digitalen Signals in eine Spannung 307
5.3 Bistabile Kippstufen 309
5.3.1 Asynchrones ÄS Speicherglied 309
5.3.2 Taktgesteuertes ÄS Speicherglied 310
5.3.3 Taktflankengesteuertes D Speicherglied 311
5.3.4 Taktflankengesteuertes JK Speicherglied 312
5.3.5 Taktflankengesteuertes T Speicherglied 313
5.4 Zähler 313
5.4.1 Asynchroner Vorwärts Dualzähler 314
5.4.2 Synchroner Vorwärts Dualzähler 315
5.4.3 Synchroner Vorwärts BCD Zähler 315
5.5 Register 317
5.5.1 Parallelregister 317
5.5.2 Schieberegister zur Parallel/Serien Umsetzung 318
5.5.3 Schieberegister zur Serien/Parallel Umsetzung 319
5.5.4 Multiplexer als Parallel/Serien Umsetzer 321
5.6 Digitale Zeitmessung 321
5.6.1 Einführung 321
5.6.2 Digitale Messung eines Zeitintervalls 322
5.6.3 Messung einer Periodendauer 323
5.6.4 Messung eines Phasenwinkels 323
5.7 Digitale Frequenzmessung 325
5.7.1 Digitale Messung einer Frequenz oder einer Impulsrate 325
Inhaltsverzeichnis 13
5.7.2 Messung des Verhältnisses zweier Frequenzen oder Drehzahlen 326
5.7.3 Messung der Differenz zweier Frequenzen oder Drehzahlen . . . 326
5.7.4 Universalzähler 326
5.8 Analoge Messung eines Zeitintervalls oder einer Frequenz 327
5.8.1 Analoge Messung eines Zeitintervalls; t/u Umformung 328
5.8.2 Analoge Messung einer Frequenz oder Impulsrate;
f/u Umformung 328
5.9 Drehzahlaufnehmer 330
6 Analog/Digital Umsetzer für elektrische und mechanische Größen 332
6.1 Abtast und Halteglied mit Multiplexer 332
6.2 Direkt vergleichende A/D Umsetzer 333
6.2.1 Komparator 333
6.2.2 Komparator mit Hysterese 334
6.2.3 A/D Umsetzer mit parallelen Komparatoren 335
6.2.4 Kaskaden Parallel Umsetzer 337
6.2.5 A/D Umsetzer mit sukzessiver Annäherung an den Messwert . 338
6.3 Spannung/Zeit und Spannung/Frequenz Umsetzer 340
6.3.1 u/t Zweirampen Umsetzer 340
6.3.2 «// Umsetzer nach dem Ladungsbilanzverfahren 343
6.3.3 Synchroner ^// Umsetzer nach dem Ladungsbilanzverfahren . 345
6.3.4 Delta Sigma Umsetzer 346
6.4 Kenngrößen der Analog/Digital Umsetzer 349
6.4.1 Kennlinie 349
6.4.2 Abtasttheorem 351
6.4.3 Umsetzrate und Auflösung 352
6.4.4 Quantisierungsrauschen, Zahl der effektiven Bit 353
6.5 Analog/Digital Umsetzer in Messgeräten 356
6.5.1 Digital Multimeter 356
6.5.2 Digitales Speicher Oszilloskop 357
6.5.3 Logikanalysator 359
6.6 A/D Umsetzer für mechanische Größen 360
14 Inhaltsverzeichnis
6.6.1 Endlagenschalter 361
6.6.2 Codierte Längen und Winkelgeber 362
6.6.3 Inkrementale Längen und Winkelgeber 363
6.6.4 Vergleich der codierten und inkrementalen Längengeber . 367
7 Schwingungsmessungen 368
7.1 Astabile Kippschaltungen als Frequenzumsetzer 368
7.1.1 Kippschaltung mit Verstärker und Komparator 368
7.1.2 Kippschaltung mit stabilisierten Hilfsspannungen 372
7.2 Harmonische Oszillatoren 373
7.2.1 Erzeugung ungedämpfter Schwingungen 374
7.2.2 LC Oszillator 375
7.2.3 .RC Oszillator 378
7.3 Piezoelektrische Resonatoren 381
7.3.1 Volumenschwingende Quarze 381
7.3.2 Oberflächenwellen OFW in Quarzen 389
7.3.3 Funkabfragbare Sensoren 393
7.3.4 Ultraschall Durchflussmesser 395
7.4 Mechanische Schwingungen 399
7.4.1 Charakteristische Größen 399
7.4.2 Relative Schwingungsmessung 400
7.4.3 Absolute Schwingungsmessung 403
7.4.4 Monolithisch integrierter Beschleunigungssensor 406
7.4.5 Schwingsaiten Frequenzumsetzer 407
7.4.6 Stimmgabel Frequenzumsetzer 408
7.4.7 Coriolis Massendurchflussmesser 410
8 Spektralanalyse 413
8.1 Aufgabenstellung 413
8.2 FTC eines zeitkontinuierlichen Signals 413
8.3 FTD eines zeitdiskreten Signals 414
8.3.1 Übergang vom zeitkontinuierlichen zum zeitdiskreten Signal . . 414
Inhaltsverzeichnis 15
8.3.2 Unterschiede bei der Transformation eines zeitkontinuierlichen
und eines zeitdiskreten Signals 416
8.3.3 Abtasttheorem 417
8.4 DFT eines abgetasteten, zeitbegrenzten Signals 418
8.4.1 Datensatz mit endlich vielen Werten; diskrete Spektralfunktion 418
8.4.2 Zusammenhang zwischen FTD und DFT; Anhängen von Nullen 422
8.4.3 Wahl der Abtastfrequenz 425
8.4.4 Inverse Diskrete Fouriertransformation IDFT 426
8.5 DFT eines abgetasteten, nicht zeitbegrenzten Signals 428
8.5.1 Konstantes Signal 429
8.5.2 Periodisches Signal 432
8.5.3 Anhängen von Nullen, Abtastfrequenz und Messzeit 438
8.5.4 Inverse Diskrete Fouriertransformation IDFT 438
8.6 Fensterfunktionen 440
8.6.1 Kriterien zur Beurteilung 440
8.6.2 Fensterfunktionen und ihre Spektren 441
8.6.3 Fensterung bei transienten Signalen 445
8.7 Anwendungen der DFT 446
8.8 Leistungsmessung im Zeit und Frequenzbereich 447
9 Rechnerunterstützte Messsysteme 452
9.1 Einführung 452
9.2 Aufbau eines Personal Computers 452
9.2.1 Gerätetechnik 452
9.2.2 Software 454
9.3 Schnittstellen und Bussysteme 456
9.3.1 Einführung 456
9.3.2 Serielle RS 232 Schnittstelle und abgeleitete Schnittstellen . . . 460
9.3.3 Universal Serial Bus USB 463
9.3.4 Paralleler IEC Bus (GPIB Bus, IEEE 488 Bus) 464
9.3.5 Kabellose Netzwerke; Bluetooth, WLAN und IrDA 468
9.4 Messgeräte mit integrierter digitaler Schnittstelle 469
16 Inhaltsverzeichnis
9.4.1 Anschluss 469
9.4.2 Steuerung 470
9.5 Messgeräte ohne integrierte Schnittstelle 472
9.5.1 Prinzip 472
9.5.2 Aufbau einer Messkarte 473
9.5.3 Anschluss einer Messkarte an einen Rechner 477
9.6 Messprogramme 478
9.6.1 Aufgaben der Messprogramme 478
9.6.2 Ablauf eines rechnergestützten Messprozesses 479
9.6.3 Virtuelles Messgerät 483
9.6.4 LabVIEW 484
9.6.5 MATLAB 486
9.7 Beispiel: Messung des linearen Frequenzgangs 489
Literaturverzeichnis 493
Tabellenverzeichnis 503
Sachwortverzeichnis 505 |
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