GRUNDLAGEN DER ELEKTRONISCHEN MESSTECHNIK

DR.-ING. HABIL. U W E F R Ü H A U t f ORDENTLICHER PROFESSOR FÜR ELEKTRONISCHE MESSTECHNIK AN pER TECHNISCHEN UNIVERSITÄT DRESDEN

MIT 231 ABBILDUNGEN UND 28 TABELLEN

L E I P Z I G 1977 AKADEMISCHE

, VERLAGSGESELLSCHAFT

G E E S T & P O R T I G K.-G.

Inhalt 1. Einführung 1.1. 1.2. 1.3. 1.4.

11 Überblick über die Entwicklung der Meßtechnik Grundfragen der Meßtechnik Grundbegriffe Elektrisches Maßsystem und Einheiten

11 13 14 16

2. Grundlagen der Meßtechnik

20

c 2.1.

Signal- und Systemkennwerte zur Charakterisierung von Meßobjekt und Meßsystem 2.1.1. Signalcharakterisierung 2.1.1.1. Zeitbereich 2.1.1.2. Frequenzbereich 2.1.1.3. Informationsbereich 2.1.2. Systemchärakterisierung 2.1.2.1. Differentialgleichung 2.1.2.2. Komplexer Frequenzgang 2.1.2.3. Übertragungsfunktion 2.1.2.4. Übergangsfunktion 2.1.2.5. Gewichtsfunktion 2.1.2.6. Grenzfrequenz, Bandbreite 2.1.2.7. Kanalkapazität 2.1.3. Meßtechnische Konsequenzen 2.1.3.1. Zusammenhang zwischen Bandbreite, Anstiegszeit, Testsignalform .. 2.1.3.2. Abtasttheorem, Abtastverfahren 2.1.3.3. Austauschbarkeit von Bandbreite, Meßzeit, Meßgenauigkeit, Aufwand 2.2. Meßfehler 2.2.1. Fehlersystematik 2.2.2. Fehlerstatistik 2.2.3. Fehlerrechnung 2.2.4. Meßergebnis 2.2.5. Fehlerangabe bei Meßgeräten und -verfahren 2.2.6. Verfahrenstechnische Konsequenzen der Fehlerbetrachtung 2.3. Darstellung von Meßwerten 2.3.1. Zahlensysteme 2.3.2. Kodearten 2.3.3. Meßwertanzeige und -ausgäbe 2.3.4. Kodeumsetzer

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20 20 20 27 32 33 33 33 37 38 38 38 42 44 44 45 50 53 53 59 63 65 66 68 71 71 76 81 87

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Inhalt 2.4. 2.4.1. 2.4.2. 2.4.3. 2.4.4. 2.4.5. 2.5. 2.5.1. 2.5.2. 2.5.3.

Eichen, Kalibrieren, Normale Darstellung des Meters Darstellung der Sekunde Darstellung des Ampere Darstellung des Volt Darstellung von Ohm, Henry und Farad Einsatz von Operationsverstärkern in der Meßtechnik Grundprinzip Operationsverstärker Grundschaltungen mit Operationsverstärkern

3. Prinzipien und Verfahren der analogen Meßtechnik 3.1. Grundsätzliche Wirkprinzipien 3.1.1. Direkte Verfahren 3.1.2. Kompensationsprinzip 3.1.3. Brückenmeßverfahren 3.1.4. Substitutionsverfahren 3.2. Spannungsmessung • 3.2.1. Gleichspannungsmessung 3.2.1.1. Gleichspannungsvoltmeter nach dem Gleichspannungsmeßverstärkerprinzip 3.2.1.2. Gleichspannungsvoltmeter nach dem Prinzip des Zerhackerverstärkers 3.2.2. Wechselspannungsmessung . .• 3.2.2.1. Grundprinzipien 3.2.2.2. Zusammenhang zwischen Kennlinie, Arbeitspunkt und Anzeige der Meßgröße A-Gleichrichtung B-Gleichrichtung C-Gleichrichtung ^ 3.2.2.3. Spitzenspannungsmessung Direktanzeigendes Diodenvoltmeter Indirekt anzeigende Diodenvoltmeter 'Elektronische Voltmeter Operationsverstärkerschaltungen zur Spitzenspannungsmessung . . . . Spitzen-Spitzen-Spannungsmesser 3.2.2.4. Effektivwertspannungsmesser Effektivwertspannungsmesser nach dem Richtverstärkerprinzip Effektivwertspannungsmessung mittels Thermoelement ^ 3.2.2.5. Mittelwertspannungsmesser Diodenvoltmeter zur Mittelwertspannungsmessung Operationsverstärker zur Mittelwertspannungsmessung Richtverstärker zur Mittelwertspannungsmessung 3.2.2.6. Messung von Impulsspannungen >f3.2.2.7. Selektivvoltmeter , 3.2.2.8. Meßtastkopf 3.2.2.9. Pegelmessung, Skalenteilung, Meßwertkorrektur

90 91 92 94 95 97 100 100 101 103

111 111 111 111 114 117 118 118 119 121 124 124 125 125 127 129 130 131 136 137 138 138 140 141 142 143 143 144 145 145 146 147 148

Inhalt 3.3.

Systematische Meßfehler bei der Spannungsmessung, Störspannungseinfluß, Schutzschirmtechnik 3.4. Strommessung 3.4.1. Strommessung durch Bestimmung des Spannungsabfalles 3.4.2. Thermische Strommesser Hitzdrahtluftthermometer Bolometerbrücke Strommessung mittels Thermoelement 3.4.3. I/U-Wandler 3.4.4. Stromwandler 3.4.5. Meßfehler der Strommessung 3.4.5.1. Meßfehler durch Skineffekt 3.4.5.2. Meßfehler durch kapazitive Neben- und Erdschlüsse 3.5. Impedanzmessung 3.5.1. Rückführung auf Strom- oder Spannungsmessung Grundprinzip Messung komplexer Widerstände Einsatz von Operationsverstärkern 3.5.2. Impedanzmessung mittels T- und 7r-Gliedern Induktivitätsmessung Messung von Teilkapazitäten Messung der P a r a m e t e r verteilter MC- Glieder 3.5.3. Impedanzmessung mittels Doppel-^-Gliedern 3.5.4. Brückenschaltungen Abgleichbedingungen E r d u n g und Abschirmung Spezielle Kapazitätsmeßbrücken 3.5.5. Resonanzverfahren 3.5.5.1. Auswertung der Resonanzfrequenz bzw. -änderung 3.5.5.2. Auswertung der Schwingkreisgüte bzw. -änderung 3.5.5.3. Resonanzverfahren mit Anwendung des Substitutionsprinzips 3.5.5.4. Gütemessung 3.5.5.5. Messung der Gegeninduktivität 3.5.5.6. Impedanzmessung mittels .Z-jr-Diagrafen 3.6. Leistungsmessung 3.6.1. Voraussetzungen 3.6.2. Meßschaltungen 3.6.2.1. Drei-Instrumente-Verfahren 3.6.2.2. Summen-Differenzverfahren 3.6.2.3. Doppelsteuerverfahren 3.6.2.4. Leistungsmessung mit Anpassungsanzeige 3.6.2.5. Kalorimetrische Leistungsmessung 3.7. Feldstärkemessung 3.7.1. Voraussetzungen 3.7.2. Meßschaltungen 3.7.2.1. Messung des Antennenstromes 3.7.2.2. Vergleichsverfahren zur Feldstärkemessung 3.7.2.3. Messung der wirksamen Antennenlänge

150 153 154 154 154 155 155 157 158 160 160 162 163 163 163 164 167 167 169 169 170 173 175 175 181 183 184 185 188 192 194 195 197 198 199 200 200 203 206 209 211 212 212 214 214 216 217

Inhalt

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3.7.2.4. Fehlereinflüsse 219 3.7.3. Messung der magnetischen Feldstärke 220 . 3.7.3.1. Messung der magnetischen Feldstärke mittels Halbleitersonden 220 3.7.3.2. Messung der magnetischen Feldstärke mittels eines Kriechgalvanometers 221 3.8. Oszillografenmeßtechnik 222 3.8.1. Grundaufbau der Oszillografen 222 3.8.2. Oszillografenröhren 225 3.8.3. Meßtechnische Anwendungsbeispiele für den Einsatz von Oszillografen 232 3.8.4. Abtastoszillograf 232 3.8.5. Speicheroszillograf 236 3.9. Frequenz- und Phasenmessung (analoge Verfahren) 239 3.9.1. Anwendung von Resonanzsystemen zur Frequenzmessung 239 3.9.1.1. Mechanische Resonanzsysteme 240 3.9.1.2. Elektrische Resonanzkreise 240 3.9.1.3. Atom- und Molekülresonanzen 241 3.9.2. Brückenverfahren zur Frequenzmessung 242 3.9.3. Frequenzmessung durch Wellenlängenmessung 242 3.9.4. Frequenzzeigerprinzip 244 3.9.5. Frequenzmessung mittels Vergleichsverfahren 245 3.9.5.1. Frequenzvergleich mittels Lissajous-Figuren, Phasenmessung mittels Oszillograf 245 3.9.5.2. Frequenzvergleich mittels normalfrequenter Kippspannung 248 3.9.5.3. Frequenzvergleich mittels Kreiszykloiden 249 3.9.5.4. Frequenzvergleich durch Hell/Dunkeltastung, Zeitintervallmessung .. 251 3.9.5.5. Frequenzvergleich durch Schwebung 252 3.9.5.6. Frequenzvergleich mit frequenzkonstantem Normaloszillator 253 3.9.6. Zusammenfassende Betrachtungen zur Frequenzmessung 254 3.10. Zeitintervallmessung (analoge Verfahren) 255 3.10.1. Grundprinzipien 255 3.10.2. Direkte Zeitintervallmessung 256 3.10.3. Zeitintervallmessung nach Zeitdehnung 257 4. Prinzipien und Verfahren der digitalen Meßtechnik

259

4.1. Grundprinzipien der digitalen Meßtechnik 259 4.2. Digitales Messen auf Zählbasis 261 4.2.1. Grundprinzipien 261 4.2.2. Impulszählung, Festmengenmessung 262 4.2.3. Frequenz-, Sequenz- und Drehzahlmessung 267 4.2.3.1. Grundprinzip, digitaler Restfehler 267 4.2.3.2. Zählfrequenzmesser 269 4.2.3.3. Verringerung des Einflusses des digitalen Restfehlers bei der Frequenzmessung 274 4.2.3.4. Meßgrößenbestimmung unter Einsatz von Wandlern mit frequenzanalogem Ausgangssignal 275 4.2.4. Zeitmessung 277 4.2.4.1. Direkte Zeitmessung 278

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Inhalt 4.2.4.2. Periodendauermessung 279 4.2.4.3. Zeitintervallmessung 281 Interpolations-Verfahren 283 Noniusverfahren 287 Anwendung von Laufzeitketten 288 4.2.4.4. Gewinnung und Auswertung von Zeitintervallmarken 290 4.2.4.5. Digitale Phasenmessung 295 4.3. Analog-Digital-Umsetzer (AD-Umsetzer) 298 4.3.1. AD-Umsetzer nach dem Ausschlagverfahren (Wegverschlüßler) 300 4.3.1.1. Skalenstreckenumsetzer 300 4.3.1.2. Basterstäbe, Basterscheiben, Moire-Streifen 301 4.3.1.3. Kode-Wegumsetzer 302 4.3.2. Analog-Digital-Umsetzer mit der Zwischengröße Zeitintervall 304 4.3.2.1. Grundprinzip 304 4.3.2.2. Sägezahnumsetzer mit linearem Sägezahn 305 4.3.2.3. Varianten des Sägezahnumsetzers zur einfachen Meßwertverarbeitung 309 4.3.2.4. Sägezahnumsetzer mit Doppelintegration 311 4.3.3. Analog-Digital-Umsetzer mit der Zwischengröße Frequenz 316 4.3.3.1. Grundprinzip 316 4.3.3.2. Analog-Digital-Umsetzer nach dem Start-Stop-Prinzip 318 4.3.3.3. Zeitverhalten des Aiialog-Digital-Umsetzers mit der Zwischengröße Frequenz 320 4.3.3.4. Vergleich von Analog-Digital-Umsetzern mit Umwandlung in Zwischengröße Zeit bzw. Frequenz 325 4.3.4. Analog-Digital-Umsetzer nach dem Prinzip der Stufenverschlüsselung 329 4.3.4.1. Grundprinzip 329 4.3.4.2. Stufenumsetzer mit Spannungskompensation 331 4.3.4.3. Stufenumsetzer mit Stromsummierung 335 4.3.4.4. Stufenumsetzer mit kurzer Umsetzzeit 336 4.3.4.5. Digitalohmmeter , 338 4.4. Digital-Analog-Umsetzer 340

5. Meß- und Prüfautomaten

342

Formelzeichen

344

Literatur

345

Sachregister

,

351

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