Elektrische Meßtechnik: Elektrische und elektronische Verfahren, Anlagen und Systeme

465 Pages·1988·7.661 MB·German

by  Kurt Bergmann (auth.)

Kurt Bergmann
Elektrische MeBtechnik
Marcus DittllUlnn
StirnerstraBe 14
8500 Nlirnberg
Aus dem Programm
------ Messen - Steuern - Regeln
MeBtechnik
Messen, Steuern, Regeln, von J. Kaspers und H.-J. Kufner
FertigungsmeBtechnik, von E. Lemke
Steuerungstechnik
Hydraulische Steuerungen, von E. Kauffmann
Pneumatische Steuerungen, von G. Kriechbaum
Speicherprogrammierte Steuerungen,
von G. Wellenreuther und D. Zastrow
Losungen zu Speicherprogrammierten Steuerungen,
von G. Wellenreuther und D. Zastrow
Regelungstechnik
Regelungstechnik fur Ingenieure, von M. Reuter
Einfiihrung in die Regelungstechnik, von W. Leonhard
Zeitdiskrete Regelungssysteme, von H. Schwarz
Grundlagen der Regelungstechnik, von E. Peste I
und E. Kollmann
Regelungstechnik I, II, III, von R. Unbehauen
Vieweg
Kurt Bergmann
Elektrische MeBtechnik
Elektrische und elektronische
Verfahren, Anlagen und Systeme
4., neubearbeitete Auflage
Mit 287 Bildern
Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig I Wiesbaden
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Bergmann, Kurt:
Elektrische MeBtechnik; elektr. u. elektron.
Verfahren, Anlagen u. Systeme/Kurt Bergmann. -
4., neubearbeitete Auflage. - Braunschweig;
Wiesbaden: Vieweg, 1988.
(Viewegs Fachbiicher der Technik)
ISBN-13: 978-3-528-34080-3 e-ISBN-13: 978-3-322-85549-7
DOl: 10.10071978-3-322-85549-7
1. Auflage 1981
2., neubearbeitete Auflage 1984
3., durchgesehene Auflage 1986
4., neubearbeitete Auflage 1988
Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann.
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1988
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schriftlichen Einwilligung des Verlages.
Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen
Satz: Vieweg, Braunschweig
ISBN-13: 978-3-528-34080-3
v
Vorwort
Dieses Lehrbuch der Elektrischen Me~technik erscheint nunmehr in der vierten Auflage.
Ais es geschrieben wurde, schien es mir wunschenswert zu sein, eine zusammengefa~te
Darstellung der klassischen elektrischen Me~verfahren und der neueren elektronischen
Verfahren zu realisieren. Es fehlte damals nicht an Lehrbuchern mit Schwerpunktbildun
gen in dem einen oder dem anderen Bereich, doch schien mir die getrennte Darstellung
dieser heute so eng verflochteten Bereiche die Verstandnisentwicklung wahrend des
Studiums zu erschweren. Jeder Studierende wird heute schon in Anfangssemestern mit
elektronischen Geraten konfrontiert und benotigt dafur gewisse grundlegende Erlaute
rungen, auch wenn die innere Wirkungsweise und Schaltungstechnik dieser Gerate erst
spater behandelt werden kann.
Eine derartige Gesamtschau setzt wegen der Fulle des Stoffes voraus, da~ man in Form
einer geiegnet strukturierten Darstellung Hinweise darauf gibt, welche Textteile grund
legend wichtige Informationen enthalten, so da~ man sie bereits wahrend des Grund
strudiums durcharbeiten sollte, wo etwa Erganzungen fur ein erweiterndes Fachstudium
stehen, und wo schlie~lich der Nachschlagebereich fur Erganzungsstudien und Literatur
recherchen beginnt. Eine solche Strukturierung ist hier realisiert durch spezielle Hinweis
zeichen vor den Kapiteluberschriften, durch zwei verschieden gro~e Schrifttypen, durch
Einrahmung besonders wichtiger Hinweise und Zusammenfassungen sowie schlie~lich
durch auffallende Leitworte am rechten Textrand, welche zugleich den Gebrauch des
Buches als Nachschlagewerk erleichtern.
Die geschilderte Strukturierung setzt eine Gewichtung des Stoffes nach der Wahrschein
lichkeit voraus, mit der ein noch nicht spezialisierter Studierender oder Ingenieur dem
jeweiligen Problemkreis spater in der Praxis voraussichtlich begegnen wird. Obwohl ich
mich hierbei um gro~tmogliche Objektivitat bemuht habe, liegt es in der Natur einer der
artigen Gewichtung, da~ manche Einordnungen oder Auslassungen anderer Fachkollegen
subjektiv erscheinen mogen. In dieser Hinsicht habe ich zwischenzeitlich manches an
vorgetragene Wunsche anpassen konnen, und ich bitte da auch weiterhin um forderliche
Kritik.
Die rasche Veranderung vieler fur die Me~technik wichtigen Normen, Vorschriften und
Verfahren hat mich veranla~t, zahlreiche Teile des Inhalts zur vierten Auflage neu zu be
arbeiten. Hierbei ging es unter anderem auch um eine weitergehende Anpassung gewisser
Darstellungsformalismen an DIN 1319 "Grundbegriffe der Me~technik" und DIN 437BO
"D irekt wirkende anzeigende Me~gerate". In besonderem Ma~e bin ich meinen Fach
kollegen J. Rockschies und H. Saure fur forderliche Diskussionen zu Dank verbunden.
Herzlich danken mochte ich ebenfalls allen beteiligten Mitarbeitern im Hause Vieweg,
die auch diese Auflage wiederum in einer sehr ansprechenden Weise realisiert haben.
Kurt Bergmann
VII
Hinweise fur den Leser
Der Text des Buches ist nach zwei Gewichtungsstufen gegliedert. In der hier gewahlten
normalgroBen Schrift sind diejenigen Textteile geschrieben, die in der Regel beim erst
maligen Durcharbeiten eines Kapitels gelesen werden sollten.
Kleinere Schrift kennzeichnet Zusatze, die in der Regel fUr eine spatere I ntensivierung des Studiums
genutzt werden k6nnen. Zum Teil handelt es sich dabei um rein erganzende Hinweiseoder Literatur
angaben, zum Teil aber auch um zusatzliche Erlauterungen zur Fundierung eines tiefergehenden
Verstandnisses.
~ Dieses Zeichen weist auf Oberschriften von Kapiteln hin, die beim erstmaligen Durch
arbeiten des Buches gelesen werden sollten. Der normalgroB geschriebene Standard
text der so gekennzeichneten Kapitel der Teile 1 und 2 des Buches gibt beispielsweise
etwa den Inhalt einer zweisemestrigen Grundvorlesung uber Elektrische MeBtechnik
einschlieBlich der zugeharigen Praktika wieder, wie sie vom Autor an der Fachhoch
schule Aachen im Studiengang Elektrotechnik gehalten wird.
Die ebenso gekennzeichneten Textteile im Teil 3 des Buches entsprechen etwa typi
schen Inhaltsquerschnitten speziellerer Wahlvorlesungen uber die elektrische Messung
nichtelektrischer GraBen, uber Anlagen zur ProzeBdatenerfassung und ProzeBfuhrung
sowie uber einige grundlegende Aussagemaglichkeiten der Theorie linearer Obertragungs
systeme. Das abschlieBende Kapitel uber Systemtheorie hat jedoch nicht mehr den
Charakter eines Lehrgangs, sondern soli lediglich Ausblicke auf weiterfuhrende Literatur
und auf weitere meBtechnisch relevante Studiengebiete geben.
Textkapitel, deren Oberschrift kein Hinweiszeichen vorgestellt ist, kannen in der Regel
als Erganzungskapitel fur eine spatere Intensivierung des Studiums angesehen werden.
* Ein Stern vor einer Oberschrift deutet an, daB der folgende Text in erster Linie fur Nachschlage-
zwecke eingefugt worden ist oder lediglich einige Literaturhinweise enthalt.
Nach SchluB jedes Hauptkapitels folgt eine kurze ruckblickende Zusammenfassung und
eine kurze Charakterisierung der wichtigsten einschlagigen Fachbucher. Die Zusammen
fassung hat stets genau die gleiche Gliederung wie die dem Hauptkapitel vorangehende
Zielsetzungsubersicht.
IX
Inhaltsverzeichnis
Teil1 Elektrische Hilfsmittel und Verfahren
Grundlehrgang, der ohne Kenntnisse iiber elektronische
Bauelemente durchgearbeitet werden kann.
1 Allgemeine Grundlagen ................................... .
Darstellungsziele
1.1 Ausgangspunkt und heutige Bedeutung des Messens ............. . 2
~ 1.2 Normen· und Vorschriftenwerke ......................... . 2
~ 1.3 Gr6~en und Einheiten ................................ . 5
~1.4 Darstellung und Analyse von Zeitfunktionen ................. . 12
~ 1.5 Grundbegriffe der Me~technik ........................... . 21
~ 1.6 Me~abweichungen .................................. . 24
~ 1.7 Fehler von Me~geraten ............................... . 28
~ 1.8 Darstellung von Me~ergebnissen .......................... . 31
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33
2 Elektrische Hilfsmittel 34
Darstellungsziele
2.1 Elektromechanische Anzeiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
~ 2.1.1 Me~prinzipien................................ 34
~ 2 .1.2 Me~werke.................................. 37
~ 2.1.3 Zeichen und Sinnbilder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
2.1.4 Bauformen.................................. 49
2.1.5 Einstellverhalten .............................. 49
2.2 Anpassende Gerate und Normale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53
~ 2.2.1 Widerstande................................. 53
~ 2.2.2 Induktivitaten................................ 58
~ 2.2.3 Kapazitaten................................. 60
~ 2.2.4 Spannungsteiler............................... 62
~ 2.2.5 Me~verstarker................................ 64
~ 2.2.6 Me~umformer................................ 66
~ 2.2.7 Me~wandler................................. 67
~ 2.2.8 Me~umsetzer................................ 73
2.2.9 Filter..................................... 76
x
Inhaltsverzeichnis
2.2.1 0 Rechengerate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77
* 2.2.11 Normalelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77
2.3 Elektronische Anzeiger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78
~ 2.3.1 Anzeigeverstarker............................. 78
~ 2.3.2 Oszilloskope................................. 78
~ 2.3.3 Ereigniszahler .......................... ;..... 85
~ 2.3.4 Digitalvoltmeter.............................. 86
2.4 Registrierende Gerate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87
~ 2.4.1 Linienschreiber............................... 87
~ 2.4.2 Koordinatenschreiber........................... 88
2.4.3 Punktschreiber............................... 89
2.4.4 Plotter..................................... 89
* 2.4.5 Registrierkameras............................. 89
* 2.4.6 Drucker ................................... 89
* 2.4.7 Lochstreifenausgeber........................... 89
* 2.4.8 Magnetbandausgeber........................... 89
* 2.4.9 MeBwertspeicher.............................. 90
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91
3 Elektrische MeBverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Darstellungsziele
3.1 Strom, Spannung, Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93
~ 3.1.1 Grundschaltungen und Fehlerursachen . . . . . . . . . . . . . .. 93
~ 3.1.2 Spitzenwert, G leichrichtwert, Effektivwert. . . . . . . . . . . .. 95
~ 3.1.3 MeBbereichanpassung, Vielbereichsinstrumente. . . . . . . . .. 98
3.2 Leistung und Arbeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102
~ 3.2.1 Gleichstrom................................. 102
~ 3.2.2 Wechselstrom................................ 105
~ 3.2.3 Drehstrom.................................. 108
~ 3.3 Kapazitat, Induktivitat, Scheinwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 112
3.4 MeBbriicken und Kompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 116
~ 3.4.1 Gleichspannungsgespeiste MeBbriicken. . . . . . . . . . . . . . .. 116
~ 3.4.2 Gleichspannungskompensatoren.................... 119
3.4.3 Gleichstromkompensatoren....................... 120
~ 3.4.4 Wechselspannungsgespeiste MeBbriicken. . . . . . . . . . . . . .. 120
3.4.5 Erdung und Schirmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 126
3.4.6 Wechselspannungskompensatoren................... 129
3.4.7 Wechselstromkompensatoren...................... 130
~ 3.5 Frequenz, Phasenunterschied, Leistungsfaktor . . . . . . . . . . . . . . . .. 130
3.6 Messungen an Zwei- und Vierpolen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 137
~ 3.7 Analyse nichtsinusformiger WechselgroBen .................. '. 142
I nhaltsverzeichnis XI
3.8 Messung magnetischer GoBen ........................... " 143
3.9 Leitungen in der MeBtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 148
3.9.1 LeitungskenngroBen............................ 148
3.9.2 Messung von LeitungskenngroBen. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 157
3.9.3 Leitungen als MeBhilfsmittel .................... " 160
3.9.4 Leitungen als Verbindungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 165
3.9.5 Fehlerortung auf Leitungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 166
3.10 Storsignale und GegenmaBnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 169
~ 3.10.1 Allgemeine Begriffserklarungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 169
~ 3.10.2 Systeminterne Storsignale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 169
~ 3.10.3 Eingestreute Storsignale ......................... 172
~ 3.10.4 Gleichtakt- und Gegentaktsignale ................... 177
~ 3.10.5 Trennung von MeB- und Storsignalen ................. 179
Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 180
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 183
Teil 2 Elektronische Hilfsmittel und Verfahren
Aufbaulehrgang, in dem Grundkenntnisse uber elektronische
Bauelemente und Schaltungen vorausgesetzt werden.
4 Elektronische Hilfsmittel .................................. 185
Darstellungsziele
~ 4.1 Impulsformende Netzwerke .............................. 186
~ 4.2 Grundschaltungen der Verstarkertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 198
~ 4.3 Gegengekoppelte Verstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 207
~ 4.4 Lineare Operationsverstarkerscha Itungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 210
~ 4.5 Nichtlineare Operationsverstarkerschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . .. 214
~ 4.6 Torschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 217
~ 4.7 Gatterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 218
~ 4.8 Speicherschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 221
~ 4.9 Kippschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 222
~ 4.10 Triggerschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 232
~ 4.11 Verzogerungsschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 233
~ 4.12 Multiplizierer....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 234
~ 4.13 Spannungs- und Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 236
~ 4.14 Sinusgeneratoren .................................... , 238
~ 4.15 Funktionsgeneratoren ................................. 239
4.16 Integrierte Schaltungen ............................... , 242
4.17 Mikroprozessoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 244
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 248
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 250
XII In haltsverzeichnis
5 Elektronische MeBgerate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 251
Darstellungsziele
5.1 Oszilloskope ........................................ 251
~ 5.1.1 Standardoszilloskop ............................ 251
~ 5.1.2 Zweistrahloszi lIoskop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 254
~ 5.1.3 Zweikanaloszilloskop........................... 255
~ 5.1.4 Zweite Zeitbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 257
5.1.5 Bi Idspeicherrohren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 259
* 5.1.6 Digitale Bildspeicherverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 260
* 5.1.7 Transientenspeicher ............................ 260
* 5.1.8 Sampling-Oszilloskop........................... 261
* 5.1.9 Logikanalysatoren............................. 261
5.2 Me~· und Anzeigeversti:irker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 261
5.2.1 Me~verstarker, Filter, Rechengerate . . . . . . . . . . . . . . . .. 262
5.2.2 Spannungsmesser und Me~empfanger . . . . . . . . . . . . . . .. 272
* 5.2.3 Gerate zur Leistungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 274
* 5.2.4 Analog anzeigende Frequenzmesser. . . . . . . . . . . . . . . . .. 276
* 5.2.5 Analysatoren und Klirrgradmesser . . . . . . . . . . . . . . . . .. 276
* 5.2.6 Rauschme~gerate und Korrelatoren . . . . . . . . . . . . . . . .. 276
* 5.2.7 Stochastisch-ergodische Me~gerate . . . . . . . . . . . . . . . . .. 276
5.3 Zwei- und Vierpolme~gerate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 277
5.3.1 R-, L-,C-,tano-und Q-MeBgerate ................... 277
5.3.2 Impedanzme~gerate und Wobbler. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 279
5.3.3 Phasen· und Dampfungsme~gerate . . . . . . . . . . . . . . . . .. 281
* 5.3.4 Me~gerate fur elektronische Bauelemente. . . . . . . . . . . . .. 283
5.4 Ereigniszahler....................................... 283
~ 5.4.1 Flip-Flop-Zahlschaltungen........................ 283
~ 5.4.2 Dualzahler und BCD-Zahler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 283
~ 5.4.3 Dekodierung und Anzeige. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 286
~ 5.4.4 Organisation eines Universalzahlers. . . . . . . . . . . . . . . . .. 286
5.5 MeBumsetzer und signalstrukturandernde Me~umformer. . . . . . . . . .. 290
5.5.1 Spannungs-Frequenz-Umformer.................... 290
5.5.2 Widerstands-Periodendauer-Umformer................ 291
5.5.3 Frequenz-Spannungs-Umformer.................... 292
~ 5.5.4 Digital-Analog-Umsetzer......................... 292
~ 5.5.5 Analog·Digital-Umsetzer......................... 293
5.6 Digital arbeitende Gerate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 295
~ 5.6.1 Digitalvoltmeter.............................. 295
5.6.2 Digitalmultimeter............................. 296
5.6.3 Erfordernisse der Prazisionsme~technik. . . . . . . . . . . . . .. 297
* 5.6.4 Digitale Zweipol-Me~erate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 298
* 5.6.5 Digitale Vierpol-Me~gerate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 298