Elektrische Messtechnik: analoge, digitale und computergestützte Verfahren
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| Format: | Electronic eBook |
| Language: | German |
| Published: |
Berlin [u.a.]
Springer
2006
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| Edition: | 3., neu bearb. und erw. Aufl. |
| Series: | Springer-Lehrbuch
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| DOI: | 10.1007/3-540-34057-2 |
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1 Umfang und Bedeutung der Elektrischen Meßtechnik 1
1.1 Zur Historie und Bedeutung der Meßtechnik 1
1.2 Der Begriff des Messens 3
1.3 Begriffsdefinitionen in der Meßtechnik 4
1.3.1 Allgemeine Begriffe 4
1.3.2 Meßgerät und Meßeinrichtung 5
1.3.3 Meßkette (Struktur einer elektrischen Meßeinrichtung) 5
1.4 Vorschriften und Normen 6
1.5 Klassifizierung von Meßmethoden 6
1.5.1 Ausschlagmethode Kompensationsmethode 6
1.5.2 Analog Digital 7
1.5.3 Kontinuierlich Diskontinuierlich 9
1.5.4 Direkt Indirekt 9
1.6 Die Informationsträger im Meßsignal 9
2 Die Grundlagen des Messens 11
2.1 Maßsysteme, Einheiten, Naturkonstanten 11
2.1.1 Maßsysteme 11
2.1.2 Naturkonstanten 12
2.1.3 Abgeleitete Einheiten 13
2.2 Größen und Zahlenwertgleichungen 13
3 Ausgleichsvorgänge, Frequenz Transformation und
Vierpol Übertragungsverhalten 17
3.1 Fourier Transformation 17
3.2 Ausgleichsvorgänge in linearen Netzwerken 21
3.3 Die Laplace Transformation 24
3.4 Die Laplace Transformierte elementarer Zeitfunktionen 27
3.5 Die Eigenschaften der Laplace Transformation
Laplace Transformation einfacher mathematischer
Operationen 30
3.5.1 Überlagerung 30
3.5.2 Integration 30
3.5.3 Differentiation 31
3.5.4 Produkt zweier Laplace Funktionen Faltung 31
3.5.5 Multiplikationssatz 33
3.5.6 Verschiebung im Zeitbereich (Oberbereich) 33
3.5.7 Verschiebung im Laplace Bereich (Unterbereich) 34
3.5.8 Dehnung bzw. Stauchung 34
3.5.9 Anfangswert Theorem 34
3.5.10 Endwert Theorem 35
3.6 Analyse eines RC Netzwerkes mittels Laplace Transformation. 35
3.7 Die Rücktransformation von Laplace Transformierten in den
Zeitbereich 36
3.8 Lösung von linearen Differentialgleichungen mit konstanten
Koeffizienten 37
3.9 Berechnung von Einschwingvorgängen in elektrischen
Netzwerken mit konzentrierten linearen passiven Bauelementen 40
3.10 Rücktransformation mittels Residuenmethode
Heavisidescher Entwicklungssatz 51
3.11 Vierpol Übertragungsfunktion im Zeit und Frequenzbereich . 54
3.12 Beschreibung von linearen zeitinvarianten Netzwerken durch
ihre Sprungantwort 58
3.13 Bode Diagramme 59
3.13.1 Regeln für Bode Diagramme 61
4 Nichtlineare Bauelemente, Schaltungen und Systeme 71
4.1 Nichtlineare Bauelemente 71
4.1.1 Nichtlinearer Widerstand 71
4.1.2 Nichtlineare Induktivität 74
4.1.3 Messung von Hysteresekurven 79
4.1.4 Nichtlineare Kapazität 80
4.1.5 Gesteuerte Quellen 82
4.2 Analyse nichtlinearer elektrischer Netzwerke 83
5 Meßfehler 89
5.1 Systematische Meßfehler 90
5.2 Zufällige Meßfehler 91
5.2.1 Normalverteilung, Mittelwert, Standardabweichung . 91
5.2.2 Vertrauensbereich für den Schätzwert 94
5.2.3 Fortpflanzung zufälliger Fehler 98
5.3 Genauigkeitsklassen bei Meßgeräten 99
5.4 Dynamische Meßfehler 100
5.4.1 Das Übertragungsverhalten von Meßsystemen 100
5.4.2 Definition des dynamischen Meßfehlers 105
5.4.3 Bestimmung des dynamischen Meßfehlers 105
5.4.4 Meßsystem mit Tiefpaßverhalten 106
6 Analoges Messen elektrischer Größen 111
6.1 Elektromechanische Meßgeräte 111
6.1.1 Drehspulmeßwerk 112
6.1.2 Galvanometer 117
6.1.3 Elektrodynamisches Meßwerk 120
6.1.4 Dreheisenmeßwerk 123
6.1.5 Drehspulquotientenmeßwerk (Kreuzspulmeßwerk) . 124
6.1.6 Drehmagnetmeßwerk 126
6.1.7 Elektrostatisches Meßwerk 127
6.1.8 Schaltzeichen für Meßgeräte 130
6.2 Messung von Gleichstrom und Gleichspannung 130
6.2.1 Messung von Gleichströmen 130
6.2.2 Messung von Gleichspannungen 133
6.2.3 Gleichzeitiges Messen von Strom und Spannung 136
6.3 Messung von Wechselstrom und Wechselspannung 137
6.3.1 Begriffsdefinitionen 137
6.3.2 Gleichrichtung 139
6.3.3 Messung des Scheitelwertes (Spitzenwert, Peak Value). 140
6.3.4 Messung des Gleichrichtwertes 142
6.3.5 Messung des Effektiv wertes 143
6.3.6 Meßwandler 145
7 Meßverstärker 153
7.1 Operationsverstärker 154
7.1.1 Idealer Operationsverstärker 154
7.1.2 Realer Operationsverstärker 155
7.1.3 Definitionen von Operationsverstärker Kenngrößen . . . 158
7.1.4 Operationsverstärker Grundschaltungen 165
7.2 Spezielle Meßverstärker 178
7.2.1 Differenzverstärker 178
7.2.2 Instrumentenverstärker (Instrumentierungsverstärker) . 178
7.2.3 Zerhacker Verstärker 180
7.2.4 Ladungsverstärker 181
7.3 Rauschen von Meßverstärkern 182
8 Messung der elektrischen Leistung 195
8.1 Leistungsmessung im Gleichstromkreis 195
8.2 Leistungsmessung im Wechselstromkreis 197
8.2.1 Begriffsdefinitionen 197
8.2.2 Leistungsmessung im Einphasennetz 197
8.2.3 Leistungsmessung in Drehstromsystemen 199
8.3 Messung der elektrischen Arbeit 207
9 Messung von elektrischen Impedanzen 211
9.1 Messung von ohmschen Widerständen 211
9.1.1 Strom und Spannungsmessung 211
9.1.2 Vergleich mit einem Referenzwiderstand 212
9.1.3 Verwendung einer Konstantstromquelle 214
9.1.4 Verwendung eines Kreuzspulinstrumentes 215
9.2 Kompensationsschaltungen 216
9.2.1 Gleichspannungskompensation 216
9.2.2 Gleichstromkompensation 217
9.3 Gleichstrom Meßbrücken 218
9.3.1 Gleichstrom Ausschlagbrücken 218
9.3.2 Gleichstrom Abgleichbrücken 221
9.4 Messung von Schein und Blindwiderständen 221
9.5 Wechselstrom Meßbrücken 225
9.5.1 Wechselstrom Abgleichbrücken 225
9.5.2 Einflüsse von Erd und Streukapazitäten 229
9.5.3 Halbautomatischer Brückenabgleich 230
9.5.4 Wechselstrom Ausschlagbrücken 233
10 Darstellung des Zeitverlaufes elektrischer Signale 237
10.1 Analoges Elektronenstrahl Oszilloskop 237
10.1.1 Aufbau und Funktion der Elektronenstrahl Röhre . 237
10.1.2 Zeitablenkung und Triggerung 241
10.1.3 Funktionsgruppen eines Analog Oszilloskops 244
10.1.4 Sampling Oszilloskop 247
10.2 Spannungsteiler in Elektronenstrahl Oszilloskopen 250
10.3 Fehler bei der analogen Elektronenstrahl Oszilloskopie 251
10.3.1 Statische Fehler (Fehler der Ablenkkoeffizienten) 251
10.3.2 Linearitätsfehler 253
10.3.3 Dynamische Fehler des Oszilloskops 254
10.4 Digital Speicheroszilloskop 261
10.4.1 Prinzipielle Funktionsweise 261
10.4.2 Wiedergabe des aufgezeichneten Bildes 263
10.4.3 Betriebsarten des Digital Speicheroszilloskops 265
10.4.4 Einsatz von Digital Oszilloskopen in Verbindung mit
Computern 266
10.5 Vergleich Analog und Digital Oszilloskope 266
10.6 Digital Phosphor Oszilloskop 266
10.7 Stand der Technik bei Digital Oszilloskopen 268
11 Digitale Meßtechnik 271
11.1 Duales Zahlensystem und Binärcodes 271
11.1.1 Dualzahlendarstellung 271
11.1.2 BCD , Hexadezimal und Gray Code 272
11.1.3 Fehlererkennung und Fehlerkorrektur 272
11.2 Binäre Signale und ihre Verknüpfung 273
11.2.1 Grundregeln bei der logischen Verknüpfung 273
11.2.2 Digitale Grundschaltungen (Gatterschaltungen) 274
11.2.3 Digitale Addierer 278
11.3 Bistabile Kippschaltungen 279
11.3.1 RS Flip Flop 280
11.3.2 Taktzustandgesteuertes RS Flip Flop 281
11.3.3 Taktflankengesteuertes RS Flip Flop 281
11.3.4 Taktzustandgesteuertes D Flip Flop (Data Latch) 282
11.3.5 Taktflankengesteuertes D Flip Flop 283
11.3.6 Taktflankengesteuertes JK Flip Flop 285
11.3.7 Taktflankengesteuertes T Flip Flop 286
11.4 Monostabile Kippstufe 287
11.5 Zähler Schaltungen 289
11.5.1 Dualzähler 289
11.5.2 BCD Zähler 291
11.6 Digital Analog Umsetzung 293
11.6.1 Grundlagen und Kenngrößen 293
11.6.2 Schaltungstechnische Realisierungen 295
11.6.3 Fehler bei der Digital Analog Umsetzung 300
11.7 Analog Digital Umsetzung 302
11.7.1 Abtastung (Sampling) 303
11.7.2 Abtast Halte Schaltungen 306
11.7.3 Direktvergleichende Analog Digital Umsetzer 308
11.7.4 Analog Digital Umsetzung mit Delta Sigma Modulator 314
11.7.5 Time Division Multiplizierer (Impulsbreiten
Multiplizierer, Sägezahn Multiplizierer) 323
11.7.6 Analog Digital Umsetzung mit Zeit oder Frequenz . 325
11.7.7 Vergleich der Grundprinzipien 332
11.7.8 Fehler bei der Analog Digital Umsetzung 333
11.8 Digital Multimeter (DMM) 338
11.8.1 Anzahl der Stellen und Genauigkeit 338
11.8.2 Beispiel eines 4 y2 stelligen Digital Multimeters 339
11.8.3 Messungen des echten Effektivwertes von Signalen
mit Gleichanteil 340
11.8.4 Totaler Fehler infolge Scheitelfaktor 341
11.9 Strom /Spannungsquellen mit Rückmeßfunktion (Source
Measure Units) 342
11.9.1 Source Measure Units in automatischen Testsystemen . 342
11.9.2 Messung kleiner Ströme bzw. Spannungen mit SMUs . 344
12 Die Messung von Frequenz und Zeit 347
12.1 Mechanische Frequenzmessung 348
12.2 Digitale Frequenzmessung 349
12.3 Digitale Zeitmessung 350
12.3.1 Zeitintervallmessung (Zeitdifferenzmessung) 350
12.3.2 Periodendauermessung 354
12.4 Digitale Phasenwinkelmessung 355
12.5 Rechnender Zähler 355
12.6 Zeit Spannungs Umsetzer (t/U Umsetzer) 356
12.7 Frequenz Spannungs Umsetzer (f/U Umsetzer) 357
12.8 Oszillatoren 359
12.8.1 Grundlagen 359
12.8.2 Harmonische Oszillatoren 360
12.8.3 LC Oszillator 361
12.8.4 Relaxationsoszillatoren 363
12.8.5 Quarzoszillator 365
12.8.6 Operationsverstärker Schaltung eines Quarzoszillators . 370
12.8.7 Fehler von Schwingquarzen 370
12.9 Fehler bei der digitalen Zeitintervall bzw. Frequenzmessung . . 372
12.10 Zeitzeichensender und Funknavigation 376
12.10.1 DCF 77 Zeitzeichensender 376
12.10.2 NAVSTAR/GPS Satellitennavigation 377
12.10.3 Galileo Satellitennavigation 380
13 Meßsignalverarbeitung 383
13.1 Aufgaben und Bedeutung 383
13.2 Signalarten und Analyseformen 385
13.3 Multiplizieren, Dividieren, Quadrieren, Radizieren 386
13.4 Ermittlung des Effektivwertes 389
13.5 Bestimmung von Mittelungswerten 391
13.6 Kenngrößen nicht sinusförmiger periodischer Signale 393
13.7 Messung von Signaleigenschaften mittels Korrelationsfunktion 396
13.8 Äußere Störeinwirkungen 403
14 Grundlagen der Rechnergestützten Meßdatenerfassung 407
14.1 Grundstrukturen von rechnergestützten Meßsystemen 407
14.2 Basis Hardware zur Meßdatenerfassung 414
14.2.1 Multifunktions Einsteckkarten 416
14.2.2 Multiplexer 419
14.2.3 Störungen infolge Erdschleifen und Einkopplungen . 419
14.2.4 Serielle Schnittstellen 422
14.2.5 Parallelbussysteme 423
14.2.6 Datenlogger 423
14.3 Grundtypen des Datentransfers 423
15 Meßdatenerfassung im Labor . 425
15.1 Die serielle RS232C Schnittstelle (V.24 Schnittstelle) 427
15.1.1 Übertragungsmedien 427
15.1.2 Leitungsbelegung und Steckerverbindung der
RS232C Schnittstelle 428
15.1.3 Pegelfestlegung und deren logische Zuordnung 431
15.1.4 Logikdefinition für Datenleitungen 431
15.1.5 Logikdefinition für Steuer und Meldeleitungen 431
15.1.6 Synchronisierung 432
15.1.7 Handshake Verfahren (Quittierungsverfahren) 433
15.1.8 Software Handshaking 433
15.1.9 Hardware Handshaking 435
15.1.10 Hardware Realisierung von seriellen Schnittstellen . 435
15.2 Kenngrößen der seriellen Datenübertragung 438
15.3 Die RS485 Schnittstelle 439
15.3.1 1 Twisted Pair Leitung 440
15.3.2 2 Twisted Pair Leitungen 440
15.4 Die 20 mA Stromschleife 441
15.5 Die USB Schnittstelle 441
15.6 Der IEC Bus 443
15.6.1 Historie des IEC Bus 443
15.6.2 Bezeichnungen des IEC Bus 443
15.6.3 IEC Bus Komponenten 444
15.6.4 Gerätegrundfunktionen 444
15.6.5 IEC Bus Leitungen 445
15.6.6 Bus Logik 447
15.6.7 Handshake Verfahren (Dreidraht Handshake) 448
15.6.8 Nachrichtenarten 451
15.6.9 Schlußzeichen 455
15.6.10 Statusabfrage 456
15.6.11 IEC Bus Hardware 457
15.7 VXI Bus, PXI Bus und MXI Bus 458
15.7.1 VXI Bus 460
15.7.2 Resource Manager (System Manager) 461
15.7.3 Commander 461
15.7.4 Servant 461
15.7.5 Busgliederung/Teilbusse 462
15.7.6 VXI und IEC Bus 462
15.7.7 PXI Bus 462
15.7.8 PCI Express 464
15.7.9 MXI Bus 465
15.7.10 Historie der bisher diskutierten Bus Standards 466
16 Meßdatenerfassung im Feld 467
16.1 Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 467
16.1.1 Aufbau einer SPS 467
16.1.2 Programmstruktur 467
16.1.3 Permanent zyklischer Betrieb 468
16.1.4 Ausnahmen vom permanent zyklischen Betrieb 469
16.1.5 Besonderheiten der Programmierung 469
16.1.6 Programmiersprachen für SPS nach IEC 61131 3 470
16.1.7 Beispiele für die IEC genormten SPS
Programmiersprachen 472
16.2 Neue Entwicklungen bei Speicherprogrammierbaren
Steuerungen (SPS) 478
16.2.1 Vernetzung von Speicherprogrammierbaren
Steuerungen 478
16.2.2 Visualisierung von SPS Daten und Prozessen 482
16.3 Hierarchie industrieller Bussysteme 486
16.4 Vorschrift für eine einheitliche Kommunikation: Das
ISO Schichtenmodell 487
16.5 Netzwerktopologien 489
16.6 Bus Zugriffsverfahren 490
16.6.1 Klassifizierung der Bus Zugriffsverfahren 491
16.7 Modulationsverfahren und Bitcodierung 492
16.7.1 Alternierende Puls Modulation (APM) 492
16.7.2 Fehlererkennung und Datensicherung 492
16.7.3 Bitcodierung 494
16.8 Schnittstellenkonverter 495
16.9 Der Feldbus (FAN) 496
16.9.1 ASI Bus 498
16.9.2 CAN 500
16.9.3 PROFIBUS DP 502
16.9.4 FIP Bus 505
16.9.5 INTERBUS S 506
16.9.6 BITBUS 508
16.9.7 EIB (European Installation Bus) 510
16.9.8 LON (Local Operating Network) 512
16.9.9 DIN Meßbus 513
16.10 Primäre Sensorelement Schnittstelle (PrimSens) 514
17 Vernetzung von Meßdatenrechnern (Industrie LAN, WAN)519
17.1 IP Adressen 520
17.2 Subnetzmasken 521
17.3 Internet Protokoll (IP) 522
17.4 Transmission Control Protocol (TCP) 522
17.5 Echtzeitfähigkeit des Ethernet 522
17.6 Übergeordnete Kommunikationsebenen 523
17.7 Physikalische Ethernet Übertragung 523
17.8 Ethernet Telegrammstruktur 524
17.9 Verbindung mehrerer lokaler Netze 524
17.10 Standortübergreifende Vernetzung 526
17.10.1 Breitband ISDN 526
17.10.2 Datex P 527
17.10.3 GSM 527
17.10.4 Powerline Kommunikation (Power Line
Communication, PLC) 528
17.10.5 Satellitenkommunikation 529
17.10.6 Metropolitan Area Network (MAN) 530
17.10.7 Wide Area Network (WAN) 530
17.10.8 Hochgeschwindigkeits Glasfasernetz FDDI 530
17.11 Rechnernetze zur Meßdatenübertragung 531
17.11.1 Spezielle Bussysteme zur Meßdatenerfassung 531
17.11.2 Vernetzung von Meßdatenerfassungssystemen mittels
Ethernet 532
17.12 Virtuelle Instrumentierung auf der Basis von USB Meßmodulen536
17.12.1 Funktionsprinzip 536
17.12.2 Beispiele für USB Meßgeräte 537
17.13 Ethernet Nutzung zur Meßdatenerfassung 541
17.13.1 LXI Ein neuer Standard für die Meßtechnik 541
17.13.2 Die technische Basis von LXI 541
17.13.3 Die 3 Geräteklassen A, B und C des LXI Standards. 542
17.13.4 Triggermöglichkeiten von LXI Geräten 543
17.13.5 Triggerung gemäß IEEE 1588 545
17.13.6 Die Situation des LXI Gerätemarktes 546
17.14 VPN Virtual Private Network 547
18 Programmierung von Meßdatenerfassungssystemen 551
18.1 Allgemeine Bemerkungen 551
18.2 IEC und VXI Bus Kommunikation, SCPI Standard 552
18.2.1 Syntax der SCPI Sprache 554
18.2.2 SCPI Datenformate 557
18.3 Einsatz kommerzieller Software 558
18.4 Kategorien von Softwarelösungen 558
18.4.1 Dialoggeführte Komplettpakete (Fertiglösungen) 558
18.4.2 Modul Bibliotheken 559
18.4.3 Graphikorientierte Entwicklungssysteme
(Programmgeneratoren) 559
18.4.4 Systeme mit speziellen Kommandosprachen 560
18.5 LabVIEW 561
18.6 LabWindows 565
18.7 MATLAB 567
19 Gebäudeautomatisierung (Smart Home) 571
19.1 Struktur des Gesamtsystems 572
19.2 Datenerfassung mit frequenzanaloger Schnittstelle 573
19.3 Datenerfassung mit digitaler Schnittstelle 575
19.4 Datenerfassung mit energieautarker digitaler Funkschnittstelle 576
19.5 Lokale und weltweite Vernetzung 579
19.5.1 LAN lokales Netzwerk 579
19.5.2 Standortübergreifende Vernetzung 580
19.5.3 Weltweite Vernetzung 581
19.6 Software 581
Literaturverzeichnis 585
Index 591 |
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