ELEKTRISCHE MESSTECHNIK zusammengestellt von

DI. Michael Steiner

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Aufgaben der Messtechnik Messen heißt, eine physikalische Größe objektiv und reproduzierbar quantitativ zu bestimmen  Der Messwert wird als Vielfaches einer Einheit wiedergegeben. 



Messwert = Zahlenwert x Einheit

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Reprouzierbarkeit der Messwerte



Unabhängig von Person  Ort  Zeit 

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

SI - Einheiten

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK Abgeleitete SIEinheiten

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Grundsätzlicher Aufbau einer Messeinrichtung

Aufnehmer

Umformer

Vergleich

Messgröße Messprinzip

Messverfahren

Ausgabe

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Genauigkeit 

Betriebsmessung 



Messung mit hohen Genauigkeitsansprüchen 



Zuverlässigkeit, günstig Prüffeld, Labor – Kompromiss zwischen Preis und Genauigkeit

Präzesionsmessung 

Hohe Genauigkeit auf Kosten der Wirtschaftlichkeit

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Genauigkeitsklassen Betriebsmessgerät

Labormessgerät

Präzisionsmessgerät

Analog

± 1,5%

± 0,5%

± 0,1%

Digital

± 1%

± 0,1%

± 0,001%

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Messprinzip Einige Beispiele  

  

Lorentzkraft Magn. Grenzflächenkraft Widerstandsänderung Widerstandsänderung Halleffekt Induktivitätsänderung

F=IxB σ=B2/2μ0 R=R(δ) R=R(εmech) u=u(B) L=L(s)

Drehspulinstrument Dreheiseninstrument PTC/NTC Dehnungsmessstreifen Hallsonde Induktiver Weggeber

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Messverfahren Direktheit  Messwerterfassung, -verarbeitung und Darstellung  Vergleich 

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Direktes Verfahren 



Gibt den Messwert direkt an

Indirektes Verfahren 

Ein oder mehrer Werte nötig um daraus den Wert zu errechnen

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK Messwerterfassung, -verarbeitung und Darstellung  Analoges Verfahren 





Jedem Messwert wird eindeutiges Ausgangssignal zugeordnet

Digitales Verfahren  

Der Messwert wird quantisiert und einem Ausgangssignal zugordnet. Die Eindeutigkeit ist in diesem Fall nicht mehr gegeben.

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Vergleichsmethode 

Ausschlagverfahren 

 



Kompensationsverfahren  



Energie kommt von der Hilfsquelle Rückwirkung wird minimiert

Brückenverfahren  



Die Messgröße steuert die Ausgangsgröße Energie kommt von der Messgröße Hohe Rückwirkung

Eigentlich Ausschlagverfahren Nicht rückwirkungsfrei

Kompensationsverfahren  

Kombination von Ausschlag- und Kompensationsverfahren Rückwirkung wird minimiert

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Analog – Digital

Messgröße

Aufnehmer, Umformer (analog)

A/D Umsetzer

Verarbeitung Ausgabe (digital)

Kodiertes Ausgangssignal oder Ziffernanzeige

Analogtechnik

Digitaltechnik

unendlich

beschränkt

Messwertausgabe

Skalenanzeige

Ziffernanzeige

Speicherung/Registrierung

Hoher Aufwand

Geringer Aufwand

Gering

Hoch

Extrem aufwendig

Wenig aufwendig

Messwertvorrat

Störfestigkeit Messwertnachverarbeitung

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Kennwerte analoger Messgeräte



Statische Empfindlichkeit E Skalenfaktor S Ansprechschwelle Auflösung Bereiche und Grenzen



  

S=1/E

Bsp.: E= 100SKT/30V=3,3SKT/V S=0,3V/SKT

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Messfehler Fz=Xi-Xw  Systematische Fehler   



Fz = Absoluter Messfehler Xw = Wahre Wert Xi = angezeigter Wert

Grundsätzlich korrigierbar Reproduzierbar z.B. Fehler durch Innenwiderstand beim V-Meter

Zufällige Fehler  



Nicht reproduzierbar Umwandlung in systematische Fehler aufwendig z.B. Lagerreibung

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Fehlergrenzen G 

Sichere Fehlergrenzen   



Müssen eingehalten werden Eichfehlergrenze Garantiefehlergrenze

Statistische Fehlergrenzen 

Werden nur mit bestimmter Wahrscheinlichkeit eingehalten

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Eingrenzung wahrer Wert XW± ± 100 MHz

Gleichtaktverstärkung VGl

0

ca. 0,2

Gleichtaktunterdrückung G

unendlich

ca. 5.000.000

Rausch-Ausgangsspannung Urausch

0V

ca. 3 µV

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Innenschaltung

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Invertierender Verstärker

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Nicht invertierender Verstärker

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Komperator

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Komperator mit Hysterese

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Impedanzwandler

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Summierverstärker

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Differenzverstärker Voraussetzung:

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Differenzierer

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Integrierer

Voraussetzung: Uc=0 bei t=0

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Sinusoszillator

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AD Umsetzer (ADU) 

Direkt vergleichende ADU 



Messgröße wird mit einer Referenzspannung verglichen.

Indirekt vergleichende ADU 

Messgröße wird in eine Zwischengröße wie Frequenz f oder Zeit t umgewandelt. Diese wird danach durch auszählen gemessen!

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Einteilung nach Schrittzahl 

Parallel ADU 



Wäge ADU 



Es werden n-1 parallele Komperatoren verwendet. Es liegen sofort alle n-Bits vor.

Die Messung wird mittels sukzessive Approximation, bitweise vorgenommen. Die Messung erfordert n-Teilschritte.

Zähl ADU 

Eine Vergleichsspannung wir in n-Schritten der Messspannung angenähert. Im ungünstigsten Fall benötigt die Messung 2n Schritte.

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Parallel ADU (Simultan, Flash, word at time)

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Wäge ADU (Stufen, bit at time)

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

Zähl ADU (level at time) Dual slope converter

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK 

DA Wandler

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK DA Wandler mit R2R Netzwerk

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SENSOREN zum Messen von Weg  Kraft  Zeit  Temperatur 



Spezial Sensoren

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Induktiver Wegmesssensor (Wirbelstrom) Funktionsprinzip Induktive Wegmesssensoren verwenden ein hochfrequentes Magnetfeld das von einem Hochfrequenz-Strom erzeugt wird, der die Sensorkopfspule durchläuft. Wenn ein Metallobjekt dieses Magnetfeld durchläuft, wird durch elektromagnetische Induktion ein Wirbelstrom senkrecht zum Magnetfluss auf der Objektoberfläche erzeugt. Dadurch ändert sich der Widerstand der Sensorkopfspule. Induktive Wegmesssensoren messen den Abstand zwischen dem Sensorkopf und dem zu erfassenden Objekt auf der Grundlage dieses geänderten Schwingungszustands.

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK Funktionsprinzip 1 Wenn sich das Messobjekt dem Sensorkopf nähert wird die Schwingungsamplitude kleiner und der Phasenunterschied zur BezugsWellenform wird größer. Durch die Erfassung der Amplituden- und Phasenänderungen ermittelt der Sensor einen Wert, der in etwa proportional ist zu der Abstandsänderung zwischen Sensorkopf und Objekt. Je nach Objektmaterial werden die Ergebnisse digital aufbereitet und mit Hilfe einer Präzisions- Linearisierungsschaltung berichtigt. Die linearen Ausgabewerte sind proportional zu dem Abstand zwischen Sensorkopf und Objekt.

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK Funktionsprinzip 2 Wenn sich das Messobjekt dem Sensorkopf nähert, wird der Wirbelstrom größer und die Schwingungsamplitude kleiner. Die Schwingungsamplitude wird gleichgerichtet und die Amplitudenänderungen in Gleichspannungsänderungen umgewandelt. Mit der Linearisiererschaltung berichtigen diese Sensoren die Werte des Verhältnisses Ausgangsspannung und Abstand zur Optimierung der Linearität.

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ELEKTRISCHE MESSTECHNIK Effektive Anwendung Maßnahmen, um den Sensorkopf wasserdicht zu machen

Induktive Wegmesssensoren messen den Abstand zwischen dem Sensorkopf und dem Objekt mit Hilfe eines Magnetfeldes. Daher wird der Sensorbetrieb von Metallobjekten nicht beeinträchtigt. Diese Sensoren sind sehr widerstandsfähig gegen Wasser, Staub und aggressive Umgebungen, jedoch nicht vollständig wasserdicht. Daher wird empfohlen, falls der Sensor in Bereichen mit Gefahr von Spritzwasser oder Ölspritzern eingesetzt werden soll, folgende Maßnahmen zu beachten:

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK Funktionsprinzip Halbleiterlaser-Wegmesssensoren und -messgeräte Halbleiterlaser-Wegmesssensoren und -messgeräte enthalten ein Lichtabgabeelement und einen positions-empfindlichen Detektor (PSD) und messen Objekte mit dem Triangulationsverfahren. Als Lichtabgabeelement wird ein Halbleiterlaser verwendet. Eine Linse fokussiert den Lichtstrahl auf das Messobjekt. Das Objekt reflektiert das Licht zurück durch die Linse und fokussiert es in einem Lichtpunkt auf dem positionsempfindlichen Detektor (PSD). Der Lichtpunkt bewegt sich gleichzeitig mit der Bewegung des Objekts. Das Messgerät ermittelt die jeweilige Position des Objektes auf Basis der Lichtpunktbewegung.

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK Oberflächenreflexion und Sensorkopf Die von der Objektoberfläche reflektierten Lichtstrahlen umfassen diffus reflektierende und gerichtete Bestandteile. Das Verhältnis der diffus reflektierenden und der gerichteten Bestandteile richtet sich nach dem Material oder der Oberfläche des Messobjekts. Ziele mit spiegelnde oder glänzenden Oberflächen reflektieren hauptsächlich gerichtetes Licht. Die hochauflösenden, ultragenauen Wegmessgeräte wurden für gerichtete Lichtbestandteile entwickelt, da viele Messobjekte spiegelnde oder glänzende Oberflächen aufweisen. Es sind jedoch auch LaserWegmesssysteme für große Messabstände und diffus reflektierende Objekte erhältlich.

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK Sensorkopfkonfiguration

ELEKTRISCHE MESSTECHNIK CCD-Laser-Wegmesssensor Funktionsprinzip Der CCD-Laser-Wegmesssensor arbeitet auf der Basis eines TriangulationsMessverfahrens. Laser-Wegmesssensoren verwenden einen PSD oder einen CCD als Komponente für die Lichtaufnahme. Das von einem Objekt reflektierte Licht durchläuft die Empfängerlinse und wird auf dem PSD oder CCD fokussiert. Der PSD ermittelt mit Hilfe der Lichtmengenverteilung des ganzen im Lichtaufnahmeelement empfangenen Lichtstrahls das Mittel des Lichtpunkts und erkennt dieses als Objektposition. Die Lichtmengenverteilung ist aber abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Objekts. Dies kann zu Schwankungen im Messergebnis führen. Der CCD ermittelt Pixel für Pixel den Spitzenwert der Lichtmengenverteilung des Lichtpunkts und erkennt diesen als Objektposition. Damit ist der CCD in der Lage, zuverlässig sehr präzise Wegmessmessungen durchzuführen, unabhängig von der Lichtmengenverteilung des Lichtpunkts.

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Verteilung der Lichtmenge des Lichtpunkts im Empfängerelement

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Literaturverzeichnis 

Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik Universität Hannover - Skript zur Vorlesung Grundlagen der elektrischen Messtechnik Prof. Dr.-Ing. H. Haase Prof. Dr.-Ing. H. Garbe Redaktion: Dr.-Ing. H. Gerth

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Fakultät für Informations- Medien- und Elektrotechnik Fachhochschule Köln - Institut für Nachrichtentechnik Scriptum zur Vorlesung Messtechnik Prof. Dr.-Ing. M. Silverberg Prof. Dr.-Ing. J. Krah