Messtechnik: Grundlagen für alle technischen Fachrichtungen und Wirtschaftsingenieure

211 Pages·2001·8.914 MB·German

by  Rainer Parthier (auth.), Otto Mildenberger (eds.)

Rainer Parthier
Messtechnik
Aus dem Programm _____________
Messen - Steuern - Regeln - Automatisieren
Elektrische Me8technik
von K. Bergmann
Messtechnik
von R. Parthier
Regelungstechnik und Simulation
von M. Reuter
Steuern - Regeln - Automatisieren
von W. Kaspers, H.-I. Küfner, B. Heinrich und W. Vogt
Speicherprogrammierbare Steuerungen
in der Praxis
vonW.Braun
Steuerungstechnik mit SPS
von G. Wellenreuther und D. Zastrow
Automatisieren mit SPS
von G. Wellenreuther und D. Zastrow
Methoden der Automatisierung
von E. Schnieder
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Rainer Parthier
Messtechnik
Grundlagen für alle technischen
Fachrichtungen und Wirtschaftsingenieure
Mit 118 Abbildungen und 28 Tabellen
Herausgegeben von Otto Mildenberger
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vleweg
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei
Der Deutschen Bibliothek erhältlich.
1. Auflage Juli 2001
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Otto Mildenberger lehrt an der Fachhochschule Wiesbaden in den
Fachbereichen Elektrotechnik und Informatik.
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, BraunschweigjWiesbaden, 2001
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[email protected]
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rung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
ISBN 978-3-528-03941-7 ISBN 978-3-322-92876-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-92876-4
v
Vorwort
Automatisierung in der Industrie, wissenschaftliche Experimente im Labor, Erfassung von
physikalischen Größen aus der Umwelt; nur einige Komplexe in denen die Messtechnik die
Voraussetzungen zur Umsetzung der gestellten Ziele scham, dabei stellt sich modeme Mess
technik in der heutigen Zeit vorrangig als elektronische, vorzugsweise digitale Messtechnik dar.
Diese wenigen Bemerkungen zeigen schon, dass niemand in der produzierenden Wirtschaft
oder in der Wissenschaft tätig sein kann, der nicht über grundlegendes Wissen zur Messtechnik,
respektive zur elektronischen Messtechnik, verfügt.
Als Professor der Hochschule Mittweida bin ich u.a. mit der Vermittlung von Wissen zur elekt
ronischen Messtechnik an Studenten betraut, für die dieses Wissensgebiet ein Nebenfach dar
stellt, wie z.B. Studenten des Wirtschaftsingenieurwesens, Studenten der Umwelttechnik usw.
Trotz der zahlreich zur Messtechnik vorhandenen Literatur ließ sich keine uneingeschränkte
Literaturempfehlung für diesen Hörerkreis geben, die einerseits möglichst straff und klar den
zum Verständnis des Anliegens der Messtechnik erforderlichen Inhalt abdeckt, andererseits
auch das Selbststudium fördernde Übungsaufgaben und Kontrollfragen, inklusive der Lösun
gen, zur Verfügung stellt.
Angeregt durch die Arbeiten an Studienbriefen zur Messtechnik für die Femfachhochschule
Hamburg und den dabei gewonnenen Erfahrungen bei der Erstellung von Lehrmaterial, dass
zum Selbststudium geeignet ist, wurde die Idee zu diesem Buch entwickelt. Ich danke dem
Verlag, dass er sich diesen Gedanken geöffnet hat und das Entstehen dieses Buches förderte.
Im vorliegenden Buch werden ausgehend von den Grundbegriffen der Messtechnik und der
Charakterisierung von Messsignalen grundsätzliche Verfahren zur Ermittlung von Messwerten
erläutert und relevante Kenngrößen von Messeinrichtungen diskutiert. Über die Abhandlung
von Abweichungen bei Messungen, deren Ursachen und Auswirkungen auf die Verwertbarkeit
der erzielten Messergebnisse wird dem Leser das notwendige Wissen an die Hand gegeben,
vorhandene Messtechnik auf der Basis betrieblicher Qualitätsanforderungen auszuwählen und
einzusetzen. Entsprechend ihrer Bedeutung ist ein angemessener Teil des Buches der Sensorik,
den Sensorprinzipien und ihrer praktischen messtechnischen Anwendung, gewidmet. Zu allen
angeführten Sensorprinzipien werden Beispiele für ihre praktische Umsetzung und erreichbare
messtechnische Parameter genannt. Abgerundet wird das Lehrbuch durch eine einführende
Vorstellung von grundsätzlichen Varianten zur Realisierung rechnergesteuerter Messsysteme.
Aufgrund des Umfanges des Gebiets der elektronischen Messtechnik war eine gezielte Auswahl
des Inhalts, aber auch dessen straffe Darstellung erforderlich, um den selbst vorgegebenen
Umfang des Buches nicht zu sprengen.
Das Lehrbuch wendet sich vorrangig an Studierende, die sich mit grundlegenden Problemen
der Messtechnik vertraut machen wollen. Aber auch der Praktiker, der sich Basiswissen der
Messtechnik wieder in Erinnerung rufen will, findet mit diesem Buch die geeignete Literatur.
Das Selbststudium mit Hilfe dieses Buches wird gezielt durch praxisnahe Beispiele und Ü
bungsaufgaben unterstützt.
Nach dem Durcharbeiten dieses Buches sollte der Leser in der Lage sein, die Bedeutung der
Messtechnik in seinem Arbeitsgebiet einschätzen zu können, er ist dem Messtechnikspezialis
ten ein kompetenter Gesprächspartner und kann an Entscheidungsfmdungsprozessen um die
Messtechnik in der betrieblichen Praxis fundiert mitwirken. Die Erarbeitung von speziellen,
VI Vorwort
hier nicht abgehandelten messtechnischen Wissensgebieten sollte wesentlich erleichtert sein
nach der Durcharbeitung dieses Lehrbuches.
Für Hinweise, Anregungen und Ergänzungen sind der Autor und der Verlag dankbar.
Mittweida, im Mai 2001 Rainer Parthier
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Messen; Voraussetzungen und Durchführung ........................................................ 1
1.1 Messgrößen, Maßeinheiten ................................................................................. .
1.2 SI-Einheitensystem.............................................................................................. 2
1.3 Normale ............................................................................................................... 4
1.4 Kontrollfragen und Übungsaufgaben.. .................................. ... ......... ............ ....... 5
2 Messsignale ............................... ....... .......... ...... ................................ ............................ 6
2.1 Klassifizierung von Messsignalen ................................................................... .... 6
2.2 Wandlung von Messsignalen............................................................................... 8
2.3 Analog-Digital-Wandlung ................................................................................... 11
2.4 Kontrollfragen und Übungsaufgaben................................................................... 13
3 Charakterisierung von Messsignalen ...... ....... ..... .................. ........... ........ ...... ........... 14
3.1 Signalformen von Messsignalen ..... ... ... ... ........ ........ ........................ ... ...... .... .... ... 14
3.2 Kenngrößen von Einzelimpulsen und periodischen sinustormigen
Signalverläufen.................................................................................................... 16
3.3 Mittelwerte periodischer Signale ...... ................................................. ...... ........ .... 18
3.4 Kenngrößen von nichtsinusllirmigen periodischen Signalen............................... 23
3.5 Logarithmische Übertragungsverhältnisse........................................................... 25
3.6 Kontrollfragen und Übungsaufgaben................................................................... 28
4 Messmethoden ................................................. ...... ... ............................................ ....... 29
4.1 Ausschlagmethode .. ...... ........................... ......... .................................. ................. 29
4.2 Differenzmethode (Vergleichs-oder Unterschiedsverfahrenverfahren).............. 30
4.3 Kompensationsmethode....................................................................................... 31
4.4 Kontrollfragen...................................................................................................... 32
5 Grundstruktur einer Messeinrichtung ..................................................................... 33
5.1 Wechselwirkung zwischen Grundfunktion und Grundstruktur einer
Messeinrichtung................................................................................................... 33
5.2 Statische und dynamische Kenngrößen von Messeinrichtungen ......................... 34
5.2.1 Statische Kenngrößen von Messeinrichtungen........................................ 34
5.2.2 Dynamische Kenngrößen von Messeinrichtungen .................................. 36
5.3 Kontrollfragen und Übungsaufgaben................................................................... 44
6 Messabweichungen .......................................................................... ........................... 45
6.1 Grundbegriffe ................................................................................. ..................... 45
6.2 Systematische Messabweichungen und deren Korrektur ..................................... 46
VIII Inhaltsverzeichnis
6.3 Zufällige Abweichungen...................................................................................... 47
6.4 Fehlergrenzen....................................................................................................... 48
6.5 Kontrollfragen...................................................................................................... 50
7 Fortpflanzung von Messabweichungen ..................................................................... 51
7 .1 Fortpflanzung systematischer Messabweichungen ......................... ..................... 51
7.2 Fortpflanzung zuflUliger Messabweichungen ...................................................... 53
7.2.1 Aufnahme und Auswertung einer Messreihe........................................... 53
7.2.2 Normalverteilte Messreihe ...................................................................... 56
7.2.3 Auswertung von endlichen Messreihen................................................... 59
7.2.4 Messunsicherheit, Standardmessunsicherheit.......................................... 61
7.3 Vollständiges Messergebnis................................................................................. 68
7.4 Kontrollfragen...................................................................................................... 74
8 Fehlertypen für Messeinrichtungen .......................................................................... 75
8.1 Additive und multiplikative Fehler ...................................................................... 75
8.2 Quantisierungsfehler und digitaler Restfehler...................................................... 77
8.3 Korrekte Fehlerangabe bei Messgeräten.............................................................. 80
8.4 Kontrollfragen und Übungsaufgaben................................................................... 81
9 Messung elektrischer Größen ..... ......... ........ ......... .... ... .... ..... ... ............ ..... ... ..... ......... 82
9.1 Erreichbare Messgenauigkeiten ........................................................................... 82
9.2 Messung von Stromstärke und Spannung ............................................................ 83
9.3 Leistungsmessung................................................................................................ 87
9.4 Messung von Wirkwiderständen (ohmsche Widerstände)................................... 92
9.4.1 Messung mittels Strom-/Spannungsmessung .......................................... 92
9.4.2 Messung mittels Brückenschaltung ......................................................... 94
9.5 Messung an Kondensator und Spule... ... .......... ... .................. ..... .......... ... ....... ...... 96
9.5.1 Bestimmung der Kapazität eines Kondensators
mittels Strom-/Spannungsmessung.......................................................... 97
9.5.2 Bestimmung der Induktivität einer Spule
mittels Strom-Spannungsmessung........................................................... 99
9.5.3 Bestimmung von Kapazität und Induktivität
mittels einer Brückenschaltung .... ............ ............... ..... ....... ..... ............... 10 1
9.6 Frequenz-und Zeitmessung................................................................................. 103
9.6.1 Frequenzmessung .................................................................................... 103
9.6.2 Zeitmessung............................................................................................. 104
9.7 Kontrollfragen und Übungsaufgaben................................................................... 105
10 Messung nichtelektrischer physikalischer Größen .................................................. 106
10.1 Messkette............. .......................................................................................... ...... 106
10.1.1 Messsignalaufnahme............................................................................... 107
Inhaltsverzeichnis IX
10.1.2 Multiplexen ............................................................................................. 108
10.1.3 Verstärken ............................................................................................... 110
10.1.4 Analog-Digital-Wandlung....................................................................... 111
10.2 Verarbeitung und Ausgeben ................................................................................ 117
10.3 Kontrollfragen...................................................................................................... 119
11 Sensoren....................................................................................................................... 120
11.1 Klassifizierung und Grundstruktur von Sensoren........ ........... ..................... ........ 120
11.2 Sensoren zur Messung geometrischer Größen..................................................... 123
11.2.1 Inkrementale Sensoren ............................................................................ 123
11.2.2 Code-Lineale ........................................................................................... 127
11.2.3 Potentiometrische Sensoren..................................................................... 130
11.2.4 Induktive Sensoren .................................................................................. 131
11.2.5 Transformatorische induktive Sensoren zur Winkelmessung ................. 134
11.2.6 Kapazitive Sensoren................................................................................ 137
11.3 Sensoren zur Kraftmessung ................................................................................. 143
11.3.1 Kraftmessung mit Dehnungsmessstreifen ............................................... 143
11.3.2 Piezoelektrische Kraftsensoren (Piezosensoren) ..................................... 148
11.4 Messung mechanischer Schwingungen ............................................................... 153
11.5 Sensoren zur Temperaturmessung ....................................................................... 155
11.5.1 Temperaturmessung mit Widerstands sensoren ....................................... 156
11.5.2 Thermoelementsensoren.......................................................................... 159
11.6 Feuchtemessung................................................................................................... 164
11.6.1 Fadenhygrometer..................................................................................... 165
11.6.2 Kapazitiver Feuchtemesser...................................................................... 165
11.6.3 Resistiver Feuchtesensor ......................................................................... 166
11.7 Kontrollfragen und Übungsaufgaben................................................................... 167
12 Automatisierte Messsysteme ..................... .... ............................................................. 168
12.1 Hardwarekonfigurationen von automatisierten Messsystemen............................ 168
12.1.1 Instrumentierte Computer........................................................................ 168
12.1.2 Messsysteme mit Busschnittstelle ........................................................... 170
12.2 Software zur Steuerung und Visualisierung......................................................... 179
12.3 Kontrollfragen...................................................................................................... 181
Antworten und Lösungen zu den Kontrollfragen und Übungsaufgaben .................... 182
Symbole und Abkürzungen ............................................................................................. 192
Literaturverzeichnis ......................................................................................................... 195
Sachwortverzeichnis......................................................................................................... 197
1 Messen; Voraussetzungen und Durchführung
Im ersten Kapitel dieses Buches werden die Grundbegriffe der Messtechnik erläutert, um damit
eine Basis filr das Verständnis der weiteren Kapitel zu legen. Schwerpunktmäßig sind das :
• die Begriffe Messgröße und Maßeinheiten,
• die allgemeine Gleichung fiir eine Messung,
• das SI-Einheitensystem,
• die Hierarchie der Normale als Basis des Eichens von Maßverkörperungen und Messgerä
ten.
Über den Begriff des Messen fmdet man in der Fachliteratur eine Vielzahl von Defmitionen,
denen hier keine neue hinzugeftlgt werden soll. Das Zitat aus der DIN 1319 T. I stellt hier wohl
die eindeutigste Erklärung des Begriffes Messen dar:
Messen ist der experimentelle Vorgang, durch den ein spezieller Wert einer physikalischen
Größe als Vielfaches einer Einheit oder eines Bezugswertes ermittelt wird.
Aus dieser Defmition folgt sofort die Notwendigkeit, sich mit physikalischen Größen, fiir unse
re Betrachtungen auch als Messgrößen zu interpretieren, und Einheiten auseinander zu setzen.
1.1 Messgrößen, Maßeinheiten
Mit Hilfe von physikalischen Größen werden Eigenschaften von Körpern, Zuständen oder Ver
fahren beschrieben. Um den in der Defmition des Messen festgelegten Vergleich durchfUhren
zu können, erfolgte die Festlegung von Messgrößen. Sogenannte Basis-oder Grundgrößen sind
unabhängig voneinander festgelegte Messgrößen. Aus Verknüpfungen der Basisgrößen gewon
nene Messgrößen werden als abgeleitete bezeichnet. Im Kapitel 2.2 wird darauf noch näher
eingegangen.
Der Vorgang der Messung lässt sich auch durch eine Gleichung beschreiben:
Meßgröße = Maßzahl· Maßeinheit (1.1)
Der quantitative Wert einer Messgröße wird somit als Produkt aus Maßzahl und Maßeinheit
ausgedrückt. Diese Gleichungsform wird auch als Größengleichung bezeichnet, wobei auf der
linken Seite die Größenbezeichnung und auf der rechten Seite der quantitative Wert bzw. ein
Ausdruck, der den formelmäßigen Zusammenhang mit anderen physikalischen Größen darstellt,
stehen.
Häufig ist es in der Messtechnik auch erforderlich, die Beziehungen zwischen verschiedenen
Maßeinheiten zu verdeutlichen, hiermit kann man z.B. ermitteln, welche physikalische Größe
durch eine Gleichung beschrieben wird. Die sich dabei ergebende Gleichungsform wird Einhei
tengleichung genannt und soll am Beispiel der Arbeit gezeigt werden:
R. Parthier, Messtechnik
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden 2001