Verfügbarkeit: Elektrische Messtechnik

Elektrische Messtechnik: Messung elektrischer und nichtelektrischer Größen : mit 347 Bildern, 42 Tabellen und 34 Beispielen

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Bibliographische Detailangaben
Hauptverfasser:	Schrüfer, Elmar 1931-2022 (VerfasserIn), Reindl, Leonhard M. (VerfasserIn), Zagar, Bernhard 1957- (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	München Hanser [2022]
Ausgabe:	13., vollständig überarbeitete Auflage
Schlagworte:	Elektrische Messtechnik FBETMESS: Elektrische Messtechnik FBLEHR: Lehrbuch ELEK2022 elektrische messaufnehmer elektrische messsensoren elektrische messtechnik einführung elektrische messtechnik grundlagen elektrische sensoren elektronische messtechnik elektronische signalverarbeitung Lehrbuch
Online-Zugang:	Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	433 Seiten Illustrationen, Diagramme 24 cm
ISBN:	9783446471641 3446471642

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adam_text	INHALT 1 GRUNDLAGEN 15 1.1 UMFANG UND BEDEUTUNG DER ELEKTRISCHEN MESSTECHNIK ............................... 15 1.2 NATURKONSTANTEN UND MASSEINHEITEN ............................................................. 17 1.2.1 NATURKONSTANTEN ................................................................................ 17 1.2.2 INTERNATIONALES EINHEITENSYSTEM, SI-EINHEITEN ............................... 18 1.2.3 DIE NEUEN SI-EINHEITEN ..................................................................... 20 1.2.4 DEFINITION UND DARSTELLUNG DER SEKUNDE ......................................... 21 1.2.5 DEFINITION UND DARSTELLUNG DES METERS ............................................. 23 1.2.6 DEFINITION UND DARSTELLUNG DES KILOGRAMMS .................................... 23 1.2.7 DEFINITION UND DARSTELLUNG DER ELEKTRISCHEN EINHEITEN ................... 25 1.2.8 DIE SI-EINHEITEN DER TEMPERATUR, DER STOFFMENGE UND DER LICHTSTAERKE ........................................................................... 28 1.2.9 GROESSEN-UND ZAHLENWERTGLEICHUNGEN .............................................. 30 1.3 STATISCHES VERHALTEN DER MESSGERAETE; KENNLINIE UND EMPFINDLICHKEIT ........ 31 1.4 MESSFEHLER UND MESSUNSICHERHEITEN ............................................................. 32 1.4.1 BEKANNTE EINFLUESSE; KORREKTUR DES BEKANNTEN MESSFEHLERS ........... 33 1.4.2 UNBEKANNTE, NORMALVERTEILTE UNSICHERHEITEN; EINE EINZIGE MESSGROESSE X ................................................................. 35 1.4.3 UNBEKANNTE, NORMALVERTEILTE UNSICHERHEITEN; VERKNUEPFTE MESSGROESSEN Y = F(XI) ................................................... 39 1.4.4 STUDENT SCHE T-VERTEILUNG .................................................................. 43 1.4.5 UNBEKANNTE, SYSTEMATISCHE UNSICHERHEITEN .................................... 43 1.4.6 KORRELIERTE MESSGROESSEN ..................................................................... 44 1.4.7 ZUSAMMENFASSUNG .............................................................................. 48 1.5 DYNAMISCHES VERHALTEN DER MESSGERAETE ....................................................... 49 1.5.1 VERZOEGERUNGSGLIED 1. ORDNUNG .......................................................... 50 1.5.2 VERZOEGERUNGSGLIED 2. ORDNUNG .......................................................... 57 1.5.3 WEITERE BEISPIELE FUER DAS ZEITVERHALTEN ............................................ 65 1.6 DYNAMISCHE MESSFEHLER .................................................................................. 67 1.6.1 FEHLERMOEGLICHKEITEN .......................................................................... 67 1.6.2 KORREKTUR DES DYNAMISCHEN FEHLERS .................................................. 69 1.7 STRUKTUREN VON MESSEINRICHTUNGEN ................................................................ 71 1.7.1 KETTENSTRUKTUR ..................................................................................... 71 1.7.2 PARALLELSTRUKTUR ................................................................................... 72 1.7.3 KREISSTRUKTUR ....................................................................................... 74 1.8 DIE INFORMATIONSTRAGENDEN PARAMETER DER MESSSIGNALE ............................... 75 1.9 ELEKTRISCHES MESSEN NICHTELEKTRISCHER GROESSEN ............................................. 78 1.9.1 PHYSIKALISCHE EFFEKTE ZUM ELEKTRISCHEN MESSEN NICHTELEKTRISCHER GROESSEN .................................................................. 78 1.9.2 SENSORNAHE SIGNALVERARBEITUNG ......................................................... 78 8 INHALT 2 MESSUNG VON STROM UND SPANNUNG; SPANNUNGS UND STROMLIEFERNDE AUFNEHMER ............................ 81 2.1 ELEKTROMECHANISCHE MESSGERAETE UND IHRE ANWENDUNG ............................... 81 2.1.1 MESSWERKE .......................................................................................... 81 2.1.2 MESSUNG VON GLEICHSTROM UND GLEICHSPANNUNG ............................. 84 2.1.3 MESSUNG VON WECHSELSTROM UND WECHSELSPANNUNG ...................... 90 2.1.4 MESSUNG DER LEISTUNG ......................................................................... 95 2.1.5 MESSUNG DER ELEKTRISCHEN ARBEIT ....................................................... 100 2.2 ELEKTRONENSTRAHL-OSZILLOSKOP ......................................................................... 101 2.2.1 ELEKTRONENSTRAHL-ROEHRE ..................................................................... 101 2.2.2 BAUGRUPPEN ......................................................................................... 103 2.2.3 BETRIEBSARTEN DES ELEKTRONENSTRAHL-OSZILLOSKOPS ........................... 108 2.3 MESSVERSTAERKER .................................................................................................. 109 2.3.1 EINFUEHRUNG .......................................................................................... 109 2.3.2 NICHT INVERTIERENDER SPANNUNGSVERSTAERKER ...................................... 116 2.3.3 INVERTIERENDER STROMVERSTAERKER ......................................................... 122 2.3.4 ANWENDUNGEN DES SPANNUNGSVERSTAERKERS ....................................... 127 2.3.5 ANWENDUNGEN DES STROMVERSTAERKERS ................................................ 129 2.3.6 NULLPUNKTFEHLER DES REALEN OPERATIONSVERSTAERKERS .......................... 134 2.4 ELEKTRODYNAMISCHE SPANNUNGSLIEFERNDE AUFNEHMER ................................... 139 2.4.1 WEG-UND WINKELMESSUNG .................................................................. 140 2.4.2 DREHZAHLAUFNEHMER - GENERATOREN .................................................. 141 2.4.3 HALL-SONDE .......................................................................................... 142 2.4.4 INDUKTIONS-DURCHFLUSSMESSER ........................................................... 146 2.5 THERMISCHE SPANNUNGSLIEFERNDE AUFNEHMER ................................................. 148 2.5.1 THERMOELEMENT .................................................................................. 148 2.5.2 INTEGRIERTER SPERRSCHICHT-TEMPERATUR-SENSOR .................................. 155 2.6 CHEMISCHE SPANNUNGSLIEFERNDE AUFNEHMER UND SENSOREN ........................ 156 2.6.1 GALVANISCHES ELEMENT ......................................................................... 156 2.6.2 PH-MESSKETTE MIT GLASELEKTRODE ....................................................... 156 2.6.3 SAUERSTOFFMESSUNG MIT FESTKOERPER-IONENLEITER ............................... 159 2.7 PIEZO-UND PYROELEKTRISCHE LADUNGSLIEFERNDE AUFNEHMER ............................ 161 2.7.1 WIRKUNGSWEISE UND WERKSTOFFE ......................................................... 161 2.7.2 PIEZOELEKTRISCHER KRAFTAUFNEHMER .................................................... 164 2.7.3 PYROELEKTRISCHER INFRAROT-SENSOR ....................................................... 167 2.8 OPTISCHE AUFNEHMER UND SENSOREN ................................................................. 169 2.8.1 FOTOELEMENT UND FOTODIODE .............................................................. 171 2.8.2 FOTOSENSOREN FUER POSITIONSMESSUNGEN UND ZUR BILDERZEUGUNG ... 174 2.8.3 FOTOZELLE .............................................................................................. 175 2.8.4 FOTOVERVIELFACHER UND MIKROKANALPLATTE ........................................ 176 2.9 AUFNEHMER FUER IONISIERENDE STRAHLUNG ........................................................... 177 2.9.1 IONISATIONSKAMMER ............................................................................. 177 2.9.2 HALBLEITER-STRAHLUNGSDETEKTOR ........................................................... 179 INHALT 9 MESSUNG VON OHMSCHEN WIDERSTAENDEN; WIDERSTANDSAUFNEHMER .............. 182 3.1 STROM-UND SPANNUNGSMESSUNG .................................................................... 182 3.1.1 GLEICHZEITIGE MESSUNG VON SPANNUNG UND STROM ........................... 182 3.1.2 VERGLEICH MIT EINEM REFERENZWIDERSTAND ......................................... 183 3.2 ANWENDUNG EINER KONSTANTSTROMQUELLE ....................................................... 184 3.3 BRUECKENSCHALTUNGEN ....................................................................................... 186 3.3.1 ABGLEICH-WIDERSTANDSMESSBRUECKE ................................................... 186 3.3.2 AUSSCHLAG-WIDERSTANDSMESSBRUECKE .................................................. 188 3.4 VERSTAERKER FUER BRUECKENSCHALTUNGEN ................................................................ 193 3.4.1 SUBTRAHIERER MIT INVERTIERENDEM VERSTAERKER .................................... 193 3.4.2 SUBTRAHIERER MIT ELEKTROMETER-VERSTAERKERN ...................................... 194 3.4.3 TRAEGERFREQUENZ-BRUECKE UND-MESSVERSTAERKER .................................. 197 3.5 WIDERSTANDSAUFNEHMER ZUR LAENGEN UND WINKELMESSUNG .......................... 200 3.6 WIDERSTANDSTEMPERATURFUEHLER ....................................................................... 201 3.6.1 METALL-WIDERSTANDSTHERMOMETER ..................................................... 201 3.6.2 HEISSLEITER ............................................................................................ 205 3.6.3 KALTLEITER .............................................................................................. 207 3.6.4 SILIZIUM-WIDERSTANDSTEMPERATURSENSOR ........................................... 209 3.6.5 FEHLERMOEGLICHKEITEN BEI DER ANWENDUNG VON ELEKTRISCHEN BERUEHRUNGSTHERMOMETERN .......................................... 210 3.7 ERMITTLUNG VERFAHRENSTECHNISCHER GROESSEN DURCH TEMPERATURMESSUNGEN . 211 3.7.1 FUELLSTANDSWAECHTER .............................................................................. 211 3.7.2 THERMISCHER MASSENSTROMMESSER ................................................... 212 3.7.3 MESSUNG DER LUFTFEUCHTE; MESSUNG VON GASKONZENTRATIONEN ........ 215 3.8 GASSENSOREN MIT HALBLEITENDEN METALLOXIDEN ............................................... 216 3.9 LICHTEMPFINDLICHER WIDERSTAND ..................................................................... 217 3.10 MAGNETISCH STEUERBARER WIDERSTAND .............................................................. 218 3.10.1 FELDPLATTE ........................................................................................... 218 3.10.2 ANISOTROPER MAGNETORESISTIVER EFFEKT (AMR) ................................... 219 3.10.3 SPINVENTIL, RIESENMAGNETOWIDERSTAND UND KOLOSSALER MAGNETOWIDERSTAND ........................................................ 220 3.11 DEHNUNGSMESSSTREIFEN ................................................................................... 220 3.11.1 PRINZIP ................................................................................................ 220 3.11.2 METALL-DEHNUNGSMESSSTREIFEN .......................................................... 221 3.11.3 STOERGROESSEN ......................................................................................... 223 3.11.4 ANWENDUNG DER DMS ZUR SPANNUNGSANALYSE ................................. 224 3.11.5 HALBLEITER-DEHNUNGSMESSSTREIFEN ................................................... 227 3.12 LINEARISIEREN DER WIDERSTANDSAUFNEHMER-KENNLINIEN ................................. 228 3.12.1 LINEARISIEREN DURCH EINEN VOR UND/ODER PARALLELWIDERSTAND ....... 229 3.12.2 MESSUNG DER SPANNUNGSDIFFERENZ BEI DIFFERENZIAL-WIDERSTANDS AUFNEHMERN ....................................................................................... 231 3.12.3 DIFFERENZIAL-WIDERSTANDSAUFNEHMER IN EINER HALBBRUECKE ............ 232 10 INHALT 4 MESSUNG VON BLIND* UND SCHEINWIDERSTAENDEN; INDUKTIVE UND KAPAZITIVE AUFNEHMER ........................................ 233 4.1 STROM-UND SPANNUNGSMESSUNG .................................................................... 234 4.1.1 MESSUNG DER EFFEKTIVWERTE ................................................................. 234 4.1.2 VERGLEICH MIT REFERENZELEMENT .......................................................... 235 4.1.3 GETRENNTE ERMITTLUNG DES BLIND-UND WIRKWIDERSTANDES ................ 236 4.1.4 MESSUNG EINES PHASENWINKELS ............................................................ 237 4.1.5 STROMMESSUNG IN EINEM FREMDERREGTEN SCHWINGKREIS ................... 239 4.2 WECHSELSTROM-ABGLEICHBRUECKE ....................................................................... 240 4.2.1 PRINZIP .................................................................................................. 240 4.2.2 KAPAZITAET-MESSBRUECKE NACH WIEN ...................................................... 241 4.2.3 INDUKTIVITAETS-MESSBRUECKE NACH MAXWELL .......................................... 242 4.2.4 INDUKTIVITAETS-MESSBRUECKE NACH MAXWELL-WIEN ................................ 242 4.2.5 PHASENSCHIEBER-BRUECKE ...................................................................... 243 4.3 WECHSELSPANNUNGS-AUSSCHLAGBRUECKE ............................................................. 243 4.4 INDUKTIVE AUFNEHMER ....................................................................................... 244 4.4.1 TAUCHANKER-AUFNEHMER ZUR LAENGEN-UND WINKELMESSUNG ............ 245 4.4.2 QUERANKER-AUFNEHMER ZUR LAENGEN-UND WINKELMESSUNG .............. 247 4.4.3 KURZSCHLUSSRING-SENSOR ...................................................................... 249 4.4.4 ANWENDUNG DER INDUKTIVEN LAENGEN UND WINKELGEBER ................... 249 4.4.5 INDUKTIVER SCHLEIFENDETEKTOR ZUR ERFASSUNG VON FAHRZEUGEN .......... 250 4.4.6 MAGNETOELASTISCHE KRAFTMESSDOSE ..................................................... 251 4.5 KAPAZITIVE AUFNEHMER ..................................................................................... 252 4.5.1 AENDERUNG DES PLATTENABSTANDS .......................................................... 252 4.5.2 AENDERUNG DER PLATTENFLAECHE ............................................................... 253 4.5.3 GEOMETRISCHE AENDERUNG DES DIELEKTRIKUMS ..................................... 254 4.5.4 AENDERUNG DER PERMITTIVITAETSZAHL DURCH FEUCHTIGKEIT ODER TEMPERATUR ................................................................................. 256 4.6 EINSATZ DER INDUKTIVEN UND KAPAZITIVEN ABGRIFFE IN DIFFERENZDRUCK-MESSUMFORMERN ................................................................... 256 4.7 VERGLEICH DER INDUKTIVEN UND DER KAPAZITIVEN LAENGENAUFNEHMER .............. 258 4.7.1 ENERGIE DES MAGNETISCHEN UND DES ELEKTRISCHEN FELDES ................ 259 4.7.2 GROESSTE DER BRUECKENSCHALTUNG ENTNEHMBARE LEISTUNG .................... 260 4.7.3 STEUERLEISTUNG ZUM VERSTELLEN DER AUFNEHMER ................................ 261 5 DIGITALE GRUNDSCHALTUNGEN; ZEIT UND FREQUENZMESSTECHNIK . 263 5.1 DARSTELLUNG, ANZEIGE UND AUSGABE NUMERISCHER MESSWERTE ........................ 263 5.1.1 DUALES ZAHLENSYSTEM ......................................................................... 263 5.1.2 BINAERCODES FUER DEZIMALZAHLEN ........................................................... 264 5.1.3 ZIFFERNANZEIGE; VERGLEICH MIT SKALENANZEIGE ..................................... 266 5.1.4 UMSETZUNG EINES DIGITALEN SIGNALS IN EINE SPANNUNG; DIGITAL/ANALOG-UMSETZER; DIGITAL STEUERBARE SPANNUNGSQUELLE ... 266 5.2 BISTABILE KIPPSTUFEN ........................................................................................ 268 5.2.1 ASYNCHRONES RS-SPEICHERGLIED ......................................................... 268 5.2.2 TAKTGESTEUERTES RS-SPEICHERGLIED ...................................................... 269 5.2.3 TAKTFLANKENGESTEUERTES D-SPEICHERGLIED .......................................... 270 INHALT 11 5.2.4 TAKTFLANKENGESTEUERTES ... .................................................................... 271 5.2.5 TAKTFLANKENGESTEUERTES T-SPEICHERGLIED .......................................... 271 5.3 ZAEHLER ................................................................................................................ 272 5.4 REGISTER .............................................................................................................. 273 5.4.1 PARALLELREGISTER ...................................................................................... 273 5.4.2 SCHIEBEREGISTER ZUR PARALLEL/ ................................................................ 274 5.4.3 SCHIEBEREGISTER ZUR SERIEN/PARALLEL-UMSETZUNG ............................... 275 5.4.4 MULTIPLEXER ALS PARALLEL/SERIEN-UMSETZER .......................................... 276 5.5 DIGITALE ZEITMESSUNG ....................................................................................... 277 5.5.1 EINFUEHRUNG ........................................................................................... 277 5.5.2 DIGITALE MESSUNG EINES ZEITINTERVALLS ............................................... 278 5.5.3 MESSUNG EINER PERIODENDAUER ........................................................... 278 5.5.4 MESSUNG EINES PHASENWINKELS ........................................................... 279 5.6 DIGITALE FREQUENZMESSUNG .............................................................................. 280 5.6.1 DIGITALE MESSUNG EINER FREQUENZ ODER EINER IMPULSRATE ................ 280 5.6.2 MESSUNG DES VERHAELTNISSES ZWEIER FREQUENZEN ODER DREHZAHLEN .. 281 5.6.3 MESSUNG DER DIFFERENZ ZWEIER FREQUENZEN ODER DREHZAHLEN .......... 281 5.6.4 UNIVERSALZAEHLER .................................................................................... 281 5.7 ANALOGE MESSUNG EINES ZEITINTERVALLS ODER EINER FREQUENZ .......................... 283 5.7.1 ANALOGE MESSUNG EINES ZEITINTERVALLS; ............................................. 283 5.7.2 ANALOGE MESSUNG EINER FREQUENZ ODER IMPULSRATE; ............................................................................................................... 283 6 ANALOG/DIGITAL-UMSETZER FUER ELEKTRISCHE UND MECHANISCHE GROESSEN .................................................................. 286 6.1 AB TAST-UND HALTEGLIED ..................................................................................... 286 6.2 DIREKT VERGLEICHENDE A/D -UMSETZER .............................................................. 288 6.2.1 KOMPARATOR ......................................................................................... 288 6.2.2 KOMPARATOR MIT HYSTERESE .................................................................. 289 6.2.3 A/D -UMSETZER MIT PARALLELEN KOMPARATOREN .................................. 290 6.2.4 KASKADEN-PARALLEL-UMSETZER ............................................................. 291 6.2.5 A/D-UMSETZER MIT SUKZESSIVER ANNAEHERUNG AN DEN MESSWERT .... 292 6.3 SPANNUNG/ZEIT UND SPANNUNG/FREQUENZ-UMSETZER .................................. 294 6.3.1 294 6.3.2 U/F-UMSETZER NACH DEM LADUNGSBILANZVERFAHREN ........................ 296 6.3.3 DELTA-SIGMA-UMSETZER ....................................................................... 298 6.4 KENNGROESSEN DER ANALOG/DIGITAL-UMSETZER .................................................... 301 6.4.1 KENNLINIE .............................................................................................. 301 6.4.2 ABTASTTHEOREM ..................................................................................... 302 6.4.3 UMSETZRATE UND AUFLOESUNG ................................................................ 303 6.4.4 QUANTISIERUNGSRAUSCHEN, ZAHL DER EFFEKTIVEN BIT ............................. 304 6.5 ANALOG/DIGITAL-UMSETZER IN MESSGERAETEN ..................................................... 306 6.5.1 DIGITAL-MULTIMETER .............................................................................. 306 6.5.2 DIGITALES SPEICHER-OSZILLOSKOP ........................................................... 307 6.6 A/D-UMSETZER FUER MECHANISCHE GROESSEN ....................................................... 310 6.6.1 ENDLAGENSCHALTER ................................................................................ 310 6.6.2 CODIERTE LAENGEN-UND WINKELGEBER .................................................. 311 12 INHALT 6.6.3 INKREMENTALE LAENGEN-UND WINKELGEBER ......................................... 312 6.6.4 VERGLEICH DER CODIERTEN UND INKREMENTALEN LAENGENGEBER ............ 316 7 SCHWINGUNGSMESSUNGEN 317 7.1 ASTABILE KIPPSCHALTUNGEN ALS FREQUENZUMSETZER ......................................... 317 7.1.1 KIPPSCHALTUNG MIT VERSTAERKER UND KOMPARATOR ............................... 317 7.1.2 KIPPSCHALTUNG MIT STABILISIERTEN HILFSSPANNUNGEN ......................... 320 7.2 HARMONISCHE OSZILLATOREN .............................................................................. 322 7.2.1 ERZEUGUNG UNGEDAEMPFTER SCHWINGUNGEN, PRINZIP ......................... 322 7.2.2 LC-OSZILLATOR ....................................................................................... 323 7.2.3 RC-OSZILLATOR ....................................................................................... 326 7.3 PIEZOELEKTRISCHE RESONATOREN ......................................................................... 328 7.3.1 VOLUMENSCHWINGENDE QUARZE ........................................................... 328 7.3.2 OBERFLAECHENWELLEN OFW IN QUARZEN ................................................ 335 7.3.3 FUNKABFRAGBARE SENSOREN .................................................................. 338 7.3.4 ULTRASCHALL-DURCHFLUSSMESSER ........................................................... 340 7.4 MECHANISCHE SCHWINGUNGEN ........................................................................... 343 7.4.1 CHARAKTERISTISCHE GROESSEN .................................................................. 343 7.4.2 RELATIVE SCHWINGUNGSMESSUNG ......................................................... 344 7.4.3 ABSOLUTE SCHWINGUNGSMESSUNG ....................................................... 346 7.4.4 MONOLITHISCH INTEGRIERTER BESCHLEUNIGUNGSSENSOR .......................... 349 7.4.5 STIMMGABEL-FREQUENZUMSETZER ....................................................... 350 7.4.6 CORIOLIS-MASSENDURCHFLUSSMESSER .................................................... 351 8 SPEKTRALANALYSE 354 8.1 AUFGABENSTELLUNG .............................................................................................. 354 8.2 FTC EINES ZEITKONTINUIERLICHEN SIGNALS .......................................................... 354 8.3 FTD EINES ZEITDISKRETEN SIGNALS ...................................................................... 355 8.3.1 UEBERGANG VOM ZEITKONTINUIERLICHEN ZUM ZEITDISKRETEN SIGNAL .... 355 8.3.2 UNTERSCHIEDE BEI DER TRANSFORMATION EINES ZEITKONTINUIERLICHEN UND EINES ZEITDISKRETEN SIGNALS ........................................................ 356 8.3.3 ABTASTTHEOREM .................................................................................... 357 8.4 DFT EINES ABGETASTETEN, ZEITBEGRENZTEN SIGNALS ........................................... 358 8.4.1 DATENSATZ MIT ENDLICH VIELEN WERTEN; DISKRETE SPEKTRALFUNKTION .. 358 8.4.2 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN FTD UND DFT; ANHAENGEN VON NULLEN .. 362 8.4.3 WAHL DER ABTASTFREQUENZ ................................................................... 365 8.4.4 INVERSE DISKRETE FOURIERTRANSFORMATION IDFT .................................. 366 8.5 DFT EINES ABGETASTETEN, NICHT ZEITBEGRENZTEN SIGNALS ................................ 368 8.5.1 KONSTANTES SIGNAL ............................................................................... 368 8.5.2 PERIODISCHES SIGNAL ............................................................................ 371 8.5.3 ANHAENGEN VON NULLEN, ABTASTFREQUENZ UND MESSZEIT ...................... 376 8.5.4 INVERSE DISKRETE FOURIERTRANSFORMATION IDFT .................................. 376 8.6 FENSTERFUNKTIONEN ............................................................................................ 378 8.6.1 KRITERIEN ZUR BEURTEILUNG ................................................................... 378 8.6.2 FENSTERFUNKTIONEN UND IHRE SPEKTREN .............................................. 379 8.6.3 FENSTERUNG BEI TRANSIENTEN SIGNALEN ................................................ 386 INHALT 13 8.7 ANWENDUNGEN DER DFT .................................................................................. 387 8.8 LEISTUNGSMESSUNG IM ZEIT UND FREQUENZBEREICH ....................................... 388 9 RECHNERUNTERSTUETZTE MESSSYSTEME 393 9.1 BUSSYSTEME ......................................................................................................... 393 9.1.1 KENNGROESSEN VON BUSSYSTEMEN ........................................................... 393 9.1.2 UNIVERSAL SERIAL BUS USB ................................................................... 395 9.2 STEUERUNG EINES MESSAUFBAUS ......................................................................... 395 9.2.1 GERAETESTEUERUNG ................................................................................. 396 9.2.2 AUFGABEN DER MESSPROGRAMME ......................................................... 397 9.2.3 ABLAUF EINES RECHNERGESTUETZTEN MESSPROZESSES .............................. 398 9.2.4 VIRTUELLES MESSGERAET ............................................................................ 404 9.2.5 STEUERUNG EINES MESSAUFBAUS MIT LABVIEW .................................... 405 9.3 EINGEBETTETES SYSTEM ......................................................................................... 410 9.3.1 MIKROCONTROLLER ................................................................................... 411 9.3.2 PROGRAMMIERUNG VON MIKROCONTROLLERN ........................................... 414 LITERATUR ................................................................................................ 419 INDEX ...................................................................................................... 427
adam_txt	INHALT 1 GRUNDLAGEN 15 1.1 UMFANG UND BEDEUTUNG DER ELEKTRISCHEN MESSTECHNIK . 15 1.2 NATURKONSTANTEN UND MASSEINHEITEN . 17 1.2.1 NATURKONSTANTEN . 17 1.2.2 INTERNATIONALES EINHEITENSYSTEM, SI-EINHEITEN . 18 1.2.3 DIE NEUEN SI-EINHEITEN . 20 1.2.4 DEFINITION UND DARSTELLUNG DER SEKUNDE . 21 1.2.5 DEFINITION UND DARSTELLUNG DES METERS . 23 1.2.6 DEFINITION UND DARSTELLUNG DES KILOGRAMMS . 23 1.2.7 DEFINITION UND DARSTELLUNG DER ELEKTRISCHEN EINHEITEN . 25 1.2.8 DIE SI-EINHEITEN DER TEMPERATUR, DER STOFFMENGE UND DER LICHTSTAERKE . 28 1.2.9 GROESSEN-UND ZAHLENWERTGLEICHUNGEN . 30 1.3 STATISCHES VERHALTEN DER MESSGERAETE; KENNLINIE UND EMPFINDLICHKEIT . 31 1.4 MESSFEHLER UND MESSUNSICHERHEITEN . 32 1.4.1 BEKANNTE EINFLUESSE; KORREKTUR DES BEKANNTEN MESSFEHLERS . 33 1.4.2 UNBEKANNTE, NORMALVERTEILTE UNSICHERHEITEN; EINE EINZIGE MESSGROESSE X . 35 1.4.3 UNBEKANNTE, NORMALVERTEILTE UNSICHERHEITEN; VERKNUEPFTE MESSGROESSEN Y = F(XI) . 39 1.4.4 STUDENT ' SCHE T-VERTEILUNG . 43 1.4.5 UNBEKANNTE, SYSTEMATISCHE UNSICHERHEITEN . 43 1.4.6 KORRELIERTE MESSGROESSEN . 44 1.4.7 ZUSAMMENFASSUNG . 48 1.5 DYNAMISCHES VERHALTEN DER MESSGERAETE . 49 1.5.1 VERZOEGERUNGSGLIED 1. ORDNUNG . 50 1.5.2 VERZOEGERUNGSGLIED 2. ORDNUNG . 57 1.5.3 WEITERE BEISPIELE FUER DAS ZEITVERHALTEN . 65 1.6 DYNAMISCHE MESSFEHLER . 67 1.6.1 FEHLERMOEGLICHKEITEN . 67 1.6.2 KORREKTUR DES DYNAMISCHEN FEHLERS . 69 1.7 STRUKTUREN VON MESSEINRICHTUNGEN . 71 1.7.1 KETTENSTRUKTUR . 71 1.7.2 PARALLELSTRUKTUR . 72 1.7.3 KREISSTRUKTUR . 74 1.8 DIE INFORMATIONSTRAGENDEN PARAMETER DER MESSSIGNALE . 75 1.9 ELEKTRISCHES MESSEN NICHTELEKTRISCHER GROESSEN . 78 1.9.1 PHYSIKALISCHE EFFEKTE ZUM ELEKTRISCHEN MESSEN NICHTELEKTRISCHER GROESSEN . 78 1.9.2 SENSORNAHE SIGNALVERARBEITUNG . 78 8 INHALT 2 MESSUNG VON STROM UND SPANNUNG; SPANNUNGS UND STROMLIEFERNDE AUFNEHMER . 81 2.1 ELEKTROMECHANISCHE MESSGERAETE UND IHRE ANWENDUNG . 81 2.1.1 MESSWERKE . 81 2.1.2 MESSUNG VON GLEICHSTROM UND GLEICHSPANNUNG . 84 2.1.3 MESSUNG VON WECHSELSTROM UND WECHSELSPANNUNG . 90 2.1.4 MESSUNG DER LEISTUNG . 95 2.1.5 MESSUNG DER ELEKTRISCHEN ARBEIT . 100 2.2 ELEKTRONENSTRAHL-OSZILLOSKOP . 101 2.2.1 ELEKTRONENSTRAHL-ROEHRE . 101 2.2.2 BAUGRUPPEN . 103 2.2.3 BETRIEBSARTEN DES ELEKTRONENSTRAHL-OSZILLOSKOPS . 108 2.3 MESSVERSTAERKER . 109 2.3.1 EINFUEHRUNG . 109 2.3.2 NICHT INVERTIERENDER SPANNUNGSVERSTAERKER . 116 2.3.3 INVERTIERENDER STROMVERSTAERKER . 122 2.3.4 ANWENDUNGEN DES SPANNUNGSVERSTAERKERS . 127 2.3.5 ANWENDUNGEN DES STROMVERSTAERKERS . 129 2.3.6 NULLPUNKTFEHLER DES REALEN OPERATIONSVERSTAERKERS . 134 2.4 ELEKTRODYNAMISCHE SPANNUNGSLIEFERNDE AUFNEHMER . 139 2.4.1 WEG-UND WINKELMESSUNG . 140 2.4.2 DREHZAHLAUFNEHMER - GENERATOREN . 141 2.4.3 HALL-SONDE . 142 2.4.4 INDUKTIONS-DURCHFLUSSMESSER . 146 2.5 THERMISCHE SPANNUNGSLIEFERNDE AUFNEHMER . 148 2.5.1 THERMOELEMENT . 148 2.5.2 INTEGRIERTER SPERRSCHICHT-TEMPERATUR-SENSOR . 155 2.6 CHEMISCHE SPANNUNGSLIEFERNDE AUFNEHMER UND SENSOREN . 156 2.6.1 GALVANISCHES ELEMENT . 156 2.6.2 PH-MESSKETTE MIT GLASELEKTRODE . 156 2.6.3 SAUERSTOFFMESSUNG MIT FESTKOERPER-IONENLEITER . 159 2.7 PIEZO-UND PYROELEKTRISCHE LADUNGSLIEFERNDE AUFNEHMER . 161 2.7.1 WIRKUNGSWEISE UND WERKSTOFFE . 161 2.7.2 PIEZOELEKTRISCHER KRAFTAUFNEHMER . 164 2.7.3 PYROELEKTRISCHER INFRAROT-SENSOR . 167 2.8 OPTISCHE AUFNEHMER UND SENSOREN . 169 2.8.1 FOTOELEMENT UND FOTODIODE . 171 2.8.2 FOTOSENSOREN FUER POSITIONSMESSUNGEN UND ZUR BILDERZEUGUNG . 174 2.8.3 FOTOZELLE . 175 2.8.4 FOTOVERVIELFACHER UND MIKROKANALPLATTE . 176 2.9 AUFNEHMER FUER IONISIERENDE STRAHLUNG . 177 2.9.1 IONISATIONSKAMMER . 177 2.9.2 HALBLEITER-STRAHLUNGSDETEKTOR . 179 INHALT 9 MESSUNG VON OHMSCHEN WIDERSTAENDEN; WIDERSTANDSAUFNEHMER . 182 3.1 STROM-UND SPANNUNGSMESSUNG . 182 3.1.1 GLEICHZEITIGE MESSUNG VON SPANNUNG UND STROM . 182 3.1.2 VERGLEICH MIT EINEM REFERENZWIDERSTAND . 183 3.2 ANWENDUNG EINER KONSTANTSTROMQUELLE . 184 3.3 BRUECKENSCHALTUNGEN . 186 3.3.1 ABGLEICH-WIDERSTANDSMESSBRUECKE . 186 3.3.2 AUSSCHLAG-WIDERSTANDSMESSBRUECKE . 188 3.4 VERSTAERKER FUER BRUECKENSCHALTUNGEN . 193 3.4.1 SUBTRAHIERER MIT INVERTIERENDEM VERSTAERKER . 193 3.4.2 SUBTRAHIERER MIT ELEKTROMETER-VERSTAERKERN . 194 3.4.3 TRAEGERFREQUENZ-BRUECKE UND-MESSVERSTAERKER . 197 3.5 WIDERSTANDSAUFNEHMER ZUR LAENGEN UND WINKELMESSUNG . 200 3.6 WIDERSTANDSTEMPERATURFUEHLER . 201 3.6.1 METALL-WIDERSTANDSTHERMOMETER . 201 3.6.2 HEISSLEITER . 205 3.6.3 KALTLEITER . 207 3.6.4 SILIZIUM-WIDERSTANDSTEMPERATURSENSOR . 209 3.6.5 FEHLERMOEGLICHKEITEN BEI DER ANWENDUNG VON ELEKTRISCHEN BERUEHRUNGSTHERMOMETERN . 210 3.7 ERMITTLUNG VERFAHRENSTECHNISCHER GROESSEN DURCH TEMPERATURMESSUNGEN . 211 3.7.1 FUELLSTANDSWAECHTER . 211 3.7.2 THERMISCHER MASSENSTROMMESSER . 212 3.7.3 MESSUNG DER LUFTFEUCHTE; MESSUNG VON GASKONZENTRATIONEN . 215 3.8 GASSENSOREN MIT HALBLEITENDEN METALLOXIDEN . 216 3.9 LICHTEMPFINDLICHER WIDERSTAND . 217 3.10 MAGNETISCH STEUERBARER WIDERSTAND . 218 3.10.1 FELDPLATTE . 218 3.10.2 ANISOTROPER MAGNETORESISTIVER EFFEKT (AMR) . 219 3.10.3 SPINVENTIL, RIESENMAGNETOWIDERSTAND UND KOLOSSALER MAGNETOWIDERSTAND . 220 3.11 DEHNUNGSMESSSTREIFEN . 220 3.11.1 PRINZIP . 220 3.11.2 METALL-DEHNUNGSMESSSTREIFEN . 221 3.11.3 STOERGROESSEN . 223 3.11.4 ANWENDUNG DER DMS ZUR SPANNUNGSANALYSE . 224 3.11.5 HALBLEITER-DEHNUNGSMESSSTREIFEN . 227 3.12 LINEARISIEREN DER WIDERSTANDSAUFNEHMER-KENNLINIEN . 228 3.12.1 LINEARISIEREN DURCH EINEN VOR UND/ODER PARALLELWIDERSTAND . 229 3.12.2 MESSUNG DER SPANNUNGSDIFFERENZ BEI DIFFERENZIAL-WIDERSTANDS AUFNEHMERN . 231 3.12.3 DIFFERENZIAL-WIDERSTANDSAUFNEHMER IN EINER HALBBRUECKE . 232 10 INHALT 4 MESSUNG VON BLIND* UND SCHEINWIDERSTAENDEN; INDUKTIVE UND KAPAZITIVE AUFNEHMER . 233 4.1 STROM-UND SPANNUNGSMESSUNG . 234 4.1.1 MESSUNG DER EFFEKTIVWERTE . 234 4.1.2 VERGLEICH MIT REFERENZELEMENT . 235 4.1.3 GETRENNTE ERMITTLUNG DES BLIND-UND WIRKWIDERSTANDES . 236 4.1.4 MESSUNG EINES PHASENWINKELS . 237 4.1.5 STROMMESSUNG IN EINEM FREMDERREGTEN SCHWINGKREIS . 239 4.2 WECHSELSTROM-ABGLEICHBRUECKE . 240 4.2.1 PRINZIP . 240 4.2.2 KAPAZITAET-MESSBRUECKE NACH WIEN . 241 4.2.3 INDUKTIVITAETS-MESSBRUECKE NACH MAXWELL . 242 4.2.4 INDUKTIVITAETS-MESSBRUECKE NACH MAXWELL-WIEN . 242 4.2.5 PHASENSCHIEBER-BRUECKE . 243 4.3 WECHSELSPANNUNGS-AUSSCHLAGBRUECKE . 243 4.4 INDUKTIVE AUFNEHMER . 244 4.4.1 TAUCHANKER-AUFNEHMER ZUR LAENGEN-UND WINKELMESSUNG . 245 4.4.2 QUERANKER-AUFNEHMER ZUR LAENGEN-UND WINKELMESSUNG . 247 4.4.3 KURZSCHLUSSRING-SENSOR . 249 4.4.4 ANWENDUNG DER INDUKTIVEN LAENGEN UND WINKELGEBER . 249 4.4.5 INDUKTIVER SCHLEIFENDETEKTOR ZUR ERFASSUNG VON FAHRZEUGEN . 250 4.4.6 MAGNETOELASTISCHE KRAFTMESSDOSE . 251 4.5 KAPAZITIVE AUFNEHMER . 252 4.5.1 AENDERUNG DES PLATTENABSTANDS . 252 4.5.2 AENDERUNG DER PLATTENFLAECHE . 253 4.5.3 GEOMETRISCHE AENDERUNG DES DIELEKTRIKUMS . 254 4.5.4 AENDERUNG DER PERMITTIVITAETSZAHL DURCH FEUCHTIGKEIT ODER TEMPERATUR . 256 4.6 EINSATZ DER INDUKTIVEN UND KAPAZITIVEN ABGRIFFE IN DIFFERENZDRUCK-MESSUMFORMERN . 256 4.7 VERGLEICH DER INDUKTIVEN UND DER KAPAZITIVEN LAENGENAUFNEHMER . 258 4.7.1 ENERGIE DES MAGNETISCHEN UND DES ELEKTRISCHEN FELDES . 259 4.7.2 GROESSTE DER BRUECKENSCHALTUNG ENTNEHMBARE LEISTUNG . 260 4.7.3 STEUERLEISTUNG ZUM VERSTELLEN DER AUFNEHMER . 261 5 DIGITALE GRUNDSCHALTUNGEN; ZEIT UND FREQUENZMESSTECHNIK . 263 5.1 DARSTELLUNG, ANZEIGE UND AUSGABE NUMERISCHER MESSWERTE . 263 5.1.1 DUALES ZAHLENSYSTEM . 263 5.1.2 BINAERCODES FUER DEZIMALZAHLEN . 264 5.1.3 ZIFFERNANZEIGE; VERGLEICH MIT SKALENANZEIGE . 266 5.1.4 UMSETZUNG EINES DIGITALEN SIGNALS IN EINE SPANNUNG; DIGITAL/ANALOG-UMSETZER; DIGITAL STEUERBARE SPANNUNGSQUELLE . 266 5.2 BISTABILE KIPPSTUFEN . 268 5.2.1 ASYNCHRONES RS-SPEICHERGLIED . 268 5.2.2 TAKTGESTEUERTES RS-SPEICHERGLIED . 269 5.2.3 TAKTFLANKENGESTEUERTES D-SPEICHERGLIED . 270 INHALT 11 5.2.4 TAKTFLANKENGESTEUERTES . . 271 5.2.5 TAKTFLANKENGESTEUERTES T-SPEICHERGLIED . 271 5.3 ZAEHLER . 272 5.4 REGISTER . 273 5.4.1 PARALLELREGISTER . 273 5.4.2 SCHIEBEREGISTER ZUR PARALLEL/ . 274 5.4.3 SCHIEBEREGISTER ZUR SERIEN/PARALLEL-UMSETZUNG . 275 5.4.4 MULTIPLEXER ALS PARALLEL/SERIEN-UMSETZER . 276 5.5 DIGITALE ZEITMESSUNG . 277 5.5.1 EINFUEHRUNG . 277 5.5.2 DIGITALE MESSUNG EINES ZEITINTERVALLS . 278 5.5.3 MESSUNG EINER PERIODENDAUER . 278 5.5.4 MESSUNG EINES PHASENWINKELS . 279 5.6 DIGITALE FREQUENZMESSUNG . 280 5.6.1 DIGITALE MESSUNG EINER FREQUENZ ODER EINER IMPULSRATE . 280 5.6.2 MESSUNG DES VERHAELTNISSES ZWEIER FREQUENZEN ODER DREHZAHLEN . 281 5.6.3 MESSUNG DER DIFFERENZ ZWEIER FREQUENZEN ODER DREHZAHLEN . 281 5.6.4 UNIVERSALZAEHLER . 281 5.7 ANALOGE MESSUNG EINES ZEITINTERVALLS ODER EINER FREQUENZ . 283 5.7.1 ANALOGE MESSUNG EINES ZEITINTERVALLS; . 283 5.7.2 ANALOGE MESSUNG EINER FREQUENZ ODER IMPULSRATE; . 283 6 ANALOG/DIGITAL-UMSETZER FUER ELEKTRISCHE UND MECHANISCHE GROESSEN . 286 6.1 AB TAST-UND HALTEGLIED . 286 6.2 DIREKT VERGLEICHENDE A/D -UMSETZER . 288 6.2.1 KOMPARATOR . 288 6.2.2 KOMPARATOR MIT HYSTERESE . 289 6.2.3 A/D -UMSETZER MIT PARALLELEN KOMPARATOREN . 290 6.2.4 KASKADEN-PARALLEL-UMSETZER . 291 6.2.5 A/D-UMSETZER MIT SUKZESSIVER ANNAEHERUNG AN DEN MESSWERT . 292 6.3 SPANNUNG/ZEIT UND SPANNUNG/FREQUENZ-UMSETZER . 294 6.3.1 294 6.3.2 U/F-UMSETZER NACH DEM LADUNGSBILANZVERFAHREN . 296 6.3.3 DELTA-SIGMA-UMSETZER . 298 6.4 KENNGROESSEN DER ANALOG/DIGITAL-UMSETZER . 301 6.4.1 KENNLINIE . 301 6.4.2 ABTASTTHEOREM . 302 6.4.3 UMSETZRATE UND AUFLOESUNG . 303 6.4.4 QUANTISIERUNGSRAUSCHEN, ZAHL DER EFFEKTIVEN BIT . 304 6.5 ANALOG/DIGITAL-UMSETZER IN MESSGERAETEN . 306 6.5.1 DIGITAL-MULTIMETER . 306 6.5.2 DIGITALES SPEICHER-OSZILLOSKOP . 307 6.6 A/D-UMSETZER FUER MECHANISCHE GROESSEN . 310 6.6.1 ENDLAGENSCHALTER . 310 6.6.2 CODIERTE LAENGEN-UND WINKELGEBER . 311 12 INHALT 6.6.3 INKREMENTALE LAENGEN-UND WINKELGEBER . 312 6.6.4 VERGLEICH DER CODIERTEN UND INKREMENTALEN LAENGENGEBER . 316 7 SCHWINGUNGSMESSUNGEN 317 7.1 ASTABILE KIPPSCHALTUNGEN ALS FREQUENZUMSETZER . 317 7.1.1 KIPPSCHALTUNG MIT VERSTAERKER UND KOMPARATOR . 317 7.1.2 KIPPSCHALTUNG MIT STABILISIERTEN HILFSSPANNUNGEN . 320 7.2 HARMONISCHE OSZILLATOREN . 322 7.2.1 ERZEUGUNG UNGEDAEMPFTER SCHWINGUNGEN, PRINZIP . 322 7.2.2 LC-OSZILLATOR . 323 7.2.3 RC-OSZILLATOR . 326 7.3 PIEZOELEKTRISCHE RESONATOREN . 328 7.3.1 VOLUMENSCHWINGENDE QUARZE . 328 7.3.2 OBERFLAECHENWELLEN OFW IN QUARZEN . 335 7.3.3 FUNKABFRAGBARE SENSOREN . 338 7.3.4 ULTRASCHALL-DURCHFLUSSMESSER . 340 7.4 MECHANISCHE SCHWINGUNGEN . 343 7.4.1 CHARAKTERISTISCHE GROESSEN . 343 7.4.2 RELATIVE SCHWINGUNGSMESSUNG . 344 7.4.3 ABSOLUTE SCHWINGUNGSMESSUNG . 346 7.4.4 MONOLITHISCH INTEGRIERTER BESCHLEUNIGUNGSSENSOR . 349 7.4.5 STIMMGABEL-FREQUENZUMSETZER . 350 7.4.6 CORIOLIS-MASSENDURCHFLUSSMESSER . 351 8 SPEKTRALANALYSE 354 8.1 AUFGABENSTELLUNG . 354 8.2 FTC EINES ZEITKONTINUIERLICHEN SIGNALS . 354 8.3 FTD EINES ZEITDISKRETEN SIGNALS . 355 8.3.1 UEBERGANG VOM ZEITKONTINUIERLICHEN ZUM ZEITDISKRETEN SIGNAL . 355 8.3.2 UNTERSCHIEDE BEI DER TRANSFORMATION EINES ZEITKONTINUIERLICHEN UND EINES ZEITDISKRETEN SIGNALS . 356 8.3.3 ABTASTTHEOREM . 357 8.4 DFT EINES ABGETASTETEN, ZEITBEGRENZTEN SIGNALS . 358 8.4.1 DATENSATZ MIT ENDLICH VIELEN WERTEN; DISKRETE SPEKTRALFUNKTION . 358 8.4.2 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN FTD UND DFT; ANHAENGEN VON NULLEN . 362 8.4.3 WAHL DER ABTASTFREQUENZ . 365 8.4.4 INVERSE DISKRETE FOURIERTRANSFORMATION IDFT . 366 8.5 DFT EINES ABGETASTETEN, NICHT ZEITBEGRENZTEN SIGNALS . 368 8.5.1 KONSTANTES SIGNAL . 368 8.5.2 PERIODISCHES SIGNAL . 371 8.5.3 ANHAENGEN VON NULLEN, ABTASTFREQUENZ UND MESSZEIT . 376 8.5.4 INVERSE DISKRETE FOURIERTRANSFORMATION IDFT . 376 8.6 FENSTERFUNKTIONEN . 378 8.6.1 KRITERIEN ZUR BEURTEILUNG . 378 8.6.2 FENSTERFUNKTIONEN UND IHRE SPEKTREN . 379 8.6.3 FENSTERUNG BEI TRANSIENTEN SIGNALEN . 386 INHALT 13 8.7 ANWENDUNGEN DER DFT . 387 8.8 LEISTUNGSMESSUNG IM ZEIT UND FREQUENZBEREICH . 388 9 RECHNERUNTERSTUETZTE MESSSYSTEME 393 9.1 BUSSYSTEME . 393 9.1.1 KENNGROESSEN VON BUSSYSTEMEN . 393 9.1.2 UNIVERSAL SERIAL BUS USB . 395 9.2 STEUERUNG EINES MESSAUFBAUS . 395 9.2.1 GERAETESTEUERUNG . 396 9.2.2 AUFGABEN DER MESSPROGRAMME . 397 9.2.3 ABLAUF EINES RECHNERGESTUETZTEN MESSPROZESSES . 398 9.2.4 VIRTUELLES MESSGERAET . 404 9.2.5 STEUERUNG EINES MESSAUFBAUS MIT LABVIEW . 405 9.3 EINGEBETTETES SYSTEM . 410 9.3.1 MIKROCONTROLLER . 411 9.3.2 PROGRAMMIERUNG VON MIKROCONTROLLERN . 414 LITERATUR . 419 INDEX . 427
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