Rainer Felderhoff f • Ulrich Freyer

Elektrische und elektronische Messtechnik Grundlagen, Verfahren, Geräte und Systeme

8., aktualisierte Auflage mit 436 Bildern sowie zahlreichen Beispielen, Übungen und Testaufgaben

HANSER

Inhalt

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Messtechnische Grundlagen 1.1 Aufgabenstellung der Messtechnik 1.1.0 Kompetenzen 1.1.1 Grundbegriffe 1.1.2 Funktionsweise Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 1.1 1.2 Messgrößenerfassung 1.2.0 Kompetenzen 1.2.1 Erfassung elektrischer Messgrößen 1.2.2 Erfassung nichtelektrischer Messgrößen Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 1.2 1.3 Messwertearten 1.3.0 Kompetenzen 1.3.1 Zeitfunktionen und Frequenzfunktionen 1.3.2 Gleichgrößen und Wechselgrößen Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 1.3 1.4 Messwertedarstellung 1.4.0 Kompetenzen 1.4.1 Analoge Darstellung 1.4.2 Digitale Darstellung 1.4.3 Anzeige und Speicherung Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 1.4 1.5 Messaufbau 1.5.0 Kompetenzen 1.5.1 Strukturen 1.5.2 Schnittstellen und Anpassung 1.5.3 Messwertübertragung Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 1.5 1.6 Empfindlichkeit 1.6.0 Kompetenzen 1.6.1 Begriffsbestimmungen 1.6.2 Empfindlichkeit analoger Messeinrichtungen 1.6.3 Empfindlichkeit digitaler Messeinrichtungen Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 1.6 1.7 Messfehler und Messunsicherheit 1.7.0 Kompetenzen 1.7.1 Begriffsbestimmungen 1.7.2 Fehlerquellen 1.7.3 Fehlerarten 1.7.4 Fehlerfortpflanzung 1.7.5 Messunsicherheit Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 1.7 1.8 Pegel

15 15 15 16 18 18 18 19 21 21 21 21 21 26 31 31 31 31 33 34 36 36 36 36 38 42 43 44 44 44 45 46 47 47 47 47 48 50 54 55 58 59

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Inhaltsverzeichnis 1.8.0 Kompetenzen 1.8.1 Begriffsbestimmungen 1.8.2 Pegelarten 1.8.3 Pegelrechnung Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 1.8 1.9 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) 1.9.0 Kompetenzen 1.9.1 Begriffsbestimmungen 1.9.2 Effekte durch galvanische Kopplung 1.9.3 Effekte durch kapazitive Kopplung 1.9.4 Effekte durch induktive Kopplung 1.9.5 Effekte durch Strahlungskopplung Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 1.9

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59 59 68 72 74 76 76 76 78 78 79 80 83

Messung elektrischer Größen 2.1 Spannungsmessung 2.1.0 Kompetenzen 2.1.1 Aufgabenstellung 2.1.2 Gleichspannungsmessung 2.1.3 Wechselspannungsmessung bei Netzfrequenz 2.1.4 Wechselspannungsmessung bei Niederfrequenz 2.1.5 Wechselspannungsmessung bei Hochfrequenz Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 2.1 2.2 Strommessung 2.2.0 Kompetenzen 2.2.1 Aufgabenstellung 2.2.2 Gleichstrommessung 2.2.3 Wechselstrommessung Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 2.2 2.3 Leistungsmessung 2.3.0 Kompetenzen 2.3.1 Aufgabenstellung 2.3.2 Leistungsmessung bei Gleichspannung 2.3.3 Leistungsmessung bei Wechselspannung mit Netzfrequenz 2.3.3.1 Wirkleistungsmessung im Einphasennetz 2.3.3.2 Wirkleistungsmessung im Drehstromnetz 2.3.3.3 Blindleistungsmessung im Einphasennetz 2.3.3.4 Blindleistungsmessung im Drehstromnetz 2.3.4 Leistungsmessung bei Wechselspannung im Niederfrequenzbereich 2.3.5 Leistungsmessung bei Wechselspannung im Hochfrequenzbereich Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 2.3 2.4 Arbeitsmessung 2.4.0 Kompetenzen 2.4.1 Aufgabenstellung 2.4.2 Arbeitsmessung bei Gleichspannung 2.4.3 Arbeitsmessung bei Wechselspannung 2.4.3.1 Messung der Wirkarbeit 2.4.3.2 Messung der Blindarbeit Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 2.4 2.5 Leistungsfaktor-und Phasenwinkelmessung 2.5.0 Kompetenzen

84 84 84 87 96 99 102 105 106 106 106 108 109 111 111 111 111 113 118 118 120 124 125 126 128 131 132 132 132 133 133 133 137 137 138 138

Inhaltsverzeichnis

2.6

2.7

2.8

2.9

2.10

2.11

2.12

2.5.1 Aufgabenstellung 2.5.2 Leistungsfaktormessung bei Netzfrequenz 2.5.3 Phasenwinkelmessung bei Niederfrequenz 2.5.4 Phasenwinkelmessung bei Hochfrequenz Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 2.5 Frequenz-und Zeitmessung 2.6.0 Kompetenzen 2.6.1 Aufgabenstellung 2.6.2 Frequenz-und Zeitmessung bei Netzfrequenz 2.6.3 Frequenz-und Zeitmessung bei Niederfrequenz 2.6.4 Frequenz-und Zeitmessung bei Hochfrequenz Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 2.6 Wirkwiderstandsmessung 2.7.0 Kompetenzen 2.7.1 Messkonzepte 2.7.2 Messung sehr kleiner Wirkwiderstände 2.7.3 Messung sehr großer Wirkwiderstände Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 2.7 Schein-und Blindwiderstandsmessung 2.8.0 Kompetenzen 2.8.1 Aufgabenstellung 2.8.2 Messung kapazitiver Blindwiderstände 2.8.3 Messung induktiver Blindwiderstände Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 2.8 Verstärkungs-und Dämpfungsmessung 2.9.0 Kompetenzen 2.9.1 Aufgabenstellung 2.9.2 Verstärkungsmessung 2.9.3 Dämpfungsmessung Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 2.9 Rauschsignalmessung 2.10.0 Kompetenzen 2.10.1 Aufgabenstellung 2.10.2 Messkonzepte Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 2.10 Bitfehlerraten-und Jittermessung 2.11.0 Kompetenzen 2.11.1 Aufgabenstellung 2.11.2 Bitfehlerratenmessung 2.11.3 Jittermessung Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 2.11 Feldstärkemessung 2.12.0 Kompetenzen 2.12.1 Aufgabenstellung 2.12.2 Messung der elektrischen Feldstärke 2.12.3 Messung der magnetischen Feldstärke Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 2.12

3 Multimeter 3.0 Kompetenzen 3.1 Aufgabenstellung

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138 139 141 143 144 144 144 144 147 148 149 150 150 150 150 157 159 160 160 160 160 166 170 171 172 172 172 174 175 176 177 177 177 181 183 183 183 183 185 186 187 187 187 187 191 193 194 195 195

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Inhaltsverzeichnis

3.2 Funktionskonzept 3.3 Arten und Kenngrößen 3.3.1 Analoge Multimeter 3.3.2 Digitale Multimeter Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 3

196 199 199 201 205

Oszilloskope 4.0 Kompetenzen 4.1 Aufgabenstellung 4.2 Funktionskonzept 4.3 Arten und Kenngrößen 4.3.1 Einstrahl-Einkanaloszilloskop 4.3.2 Einstrahl-Zweikanaloszilloskop 4.3.3 Zweistrahloszilloskop 4.3.4 Analog-Speicheroszilloskop 4.3.5 Digital-Speicheroszilloskop Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 4

206 206 207 217 217 217 219 220 221 223

5 Analysatoren 5.0 Kompetenzen 5.1 Aufgabenstellung 5.2 Funktionskonzept 5.3 Arten und Kenngrößen 5.3.1 Spektrumanalysator 5.3.2 Logikanalysator Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 5

224 224 224 227 227 233 236

4

6

Signalgeneratoren 6.0 Kompetenzen 6.1 Aufgabenstellung 6.2 Funktionskonzept 6.3 Arten und Kenngrößen 6.3.1 Sinusgenerator 6.3.2 Funktionsgenerator Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 6

238 238 239 243 243 249 250

7 Zähler 7.0 Kompetenzen 7.1 Aufgabenstellung 7.2 Funktionskonzept 7.3 Arten und Kenngrößen Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 7

252 252 252 254 258

8

9

Messverstärker 8.0 Kompetenzen 8.1 Aufgabenstellung 8.2 Funktionskonzept 8.3 Arten und Kenngrößen Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 8

259 259 260 260 262

Stromversorgungseinheiten 9.0 Kompetenzen

263

Inhaltsverzeichnis

9.1 Aufgabenstellung 9.2 Funktionskonzept 9.3 Arten und Kenngrößen Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 9

13

263 263 265 267

10 Umsetzer und Wandler 10.0 Kompetenzen 10.1 Aufgabenstellung 10.2 Analog-Digital-Umsetzer (ADU) 10.3 Digital-Analog-Umsetzer (DAU) 10.4 Spannungs-Frequenz-Wandler 10.5 Frequenz-Spannungs-Wandler 10.6 Spannungswandler 10.7 Stromwandler Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 10

268 268 269 273 275 276 277 278 278

11 Messungen an Komponenten und Bauelementen 11.0 Kompetenzen 11.1 Aufgabenstellung 11.2 Messungen an Widerständen, Kondensatoren und Spulen 11.3 Messungen an Dioden 11.4 Messungen an aktiven Bauelementen 11.5 Messungen an Leitungen/Kabeln 11.6 Messungen an Werkstoffen Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 11

279 279 280 281 282 284 286 287

12 Messungen an Geräten und Baugruppen 12.0 Kompetenzen 12.1 Aufgabenstellung 12.2 Messungen an Zweipolen 12.3 Messungen an Vierpolen 12.4 Messungen an Verstärkern 12.5 Messungen an Signalquellen 12.6 Messungen an Sendern 12.7 Messungen an Empfängern Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 12

288 288 288 289 293 295 297 300 306

13 Messungen an Übertragungsstrecken 13.0 Kompetenzen 13.1 Aufgabenstellung 13.2 Messungen an Kabelstrecken 13.2.1 Messung des Wellenwiderstandes 13.2.2 Messung des Dämpfungsfaktors / 13.2.3 Messung der Übertragungsbandbreite 13.2.4 Messung des Reflexionsfaktors 13.3 Messungen an Funkstrecken 13.3.1 Messung der Strahlungsleistung 13.3.2 Messung des Strahlungsdiagramms 13.3.3 Messung der Empfangsfeldstärke Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 13

307 307 308 308 308 309 310 312 312 313 314 314

14

Inhaltsverzeichnis

14 Messung nichtelektrischer Größen 14.0 Kompetenzen 14.1 Aufgabenstellung 14.2 Drehzahlmessung 14.3 Wegmessung 14.4 Geschwindigkeitsmessung 14.5 Temperaturmessung Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 14

315 315 315 318 323 324 327

15 Rechnergestützte Mess-Systeme 15.0 Kompetenzen 15.1 Aufgabenstellung 15.2 OSI-Schichtenmodell 15.3 Konzept 15.4 Hardware für Mess-Systeme 15.4.1 Messgrößenaufnehmer 15.4.2 Rechner 15.4.3 Schnittstellen 15.5 Software für Mess-Systeme 15.5.1 Betriebssystem 15.5.2 Treiber 15.5.3 Anwendungen 15.5.4 Virtuelle Messgeräte 15.6 Bus-Systeme 15.6.0 Einführung 15.6.1 IEC-Bus 15.6.2 Feldbus 15.7 Anwendungen 15.7.1 Laboreinsätze 15.7.2 Fertigungsprozesse Anwendungsorientierte Aufgaben zu Kapitel 15

328 328 331 337 346 346 352 354 356 356 357 357 359 359 359 360 368 370 370 372 374

Lösungen

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Literaturverzeichnis

404

Sachwortverzeichnis

405