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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch vermittelt die Grundlagen und Verfahrensweisen der elektrischen Messtechnik zusammen mit ihrer praxisorientierten Anwendung. Nach einer Einführung in messtechnische Begriffe und grundlegende Beschreibungen elektrischer Messgeräte werden die Messprinzipien sowie die analogen und digitalen Verfahren zur Messung der wichtigsten elektrischen Größen erläutert. Schwerpunkte sind die Möglichkeiten und Einsatzbereiche aktueller Messsysteme sowie deren spezifische Besonderheiten. Das Buch deckt die wesentlichen Inhalte einer Vorlesung über die elektrische Messtechnik ab, wie sie Studierende der Elektrotechnik hören. Die fünfte Auflage ist aktualisiert und in einigen Kapiteln wie der Leistungsmessung erweitert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Allgemeine Grundlagen

Zusammenfassung
Die Anwendung der Messtechnik spielt in beinahe allen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Bereichen eine Rolle, ob in der Elektrotechnik, dem Maschinenbau oder in der Medizin, Umwelttechnik oder Chemie. Man misst dabei nicht um des Messens willen, sondern um mit den Ergebnissen der Messungen neue Erkenntnisse zu erzielen, Zusammenhänge zu erkennen oder Theorien experimentell zu überprüfen und damit die Grundlage für Weiterentwicklungen zu schaffen. Häufig können nur mit einer objektiven Messung einer bestimmten Größe Experimente gezielt ausgewertet werden. Beispielsweise lassen sich erst mit der Erfassung kleinster Stoffkonzentrationen manche Verbesserungen im Umweltschutz durchführen oder mit speziellen Messverfahren Schwachstellen oder Fehler in Nachrichtenübertragungssystemen orten und damit beseitigen. Der elektrischen Messtechnik kommt dabei eine immer größere Bedeutung zu, da durch die vielfältigen und einfachen Verarbeitungs- und Übertragungsmöglichkeiten elektrischer Signale sie nicht nur zur Messung elektrischer sondern mit Hilfe unterschiedlicher Sensoren auch zur Erfassung nichtelektrischer Größen eingesetzt wird. Sie findet damit Einzug in fast allen naturwissenschaftlichen Disziplinen.
Thomas Mühl

2. Messabweichung und Messunsicherheit

Zusammenfassung
Das Ziel einer Messung ist die Bestimmung des wahren Wertes einer physikalischen Größe. Jeder Messwert wird durch die Unvollkommenheit der Messeinrichtung, des Messverfahrens oder durch Umweltbedingungen beeinflusst, sodass der wahre Wert der zu bestimmenden Größe nicht beliebig genau durch die Messung erfasst wird. Die Genauigkeit bzw. mögliche Abweichung des Messwertes vom wahren Wert ist zur Beurteilung des Messergebnisses wichtig.
Thomas Mühl

3. Eigenschaften elektrischer Messgeräte

Zusammenfassung
Für jedes Messsystem werden vom Hersteller Kenngrößen, die das Messsystem charakterisieren, definiert. Diese wichtigsten Kennwerte der Messeinrichtung sollen ihr Betriebsverhalten beschreiben und die Auswahl eines geeigneten Messinstruments zur Lösung eines bestimmten Problems erlauben. Für ein Spannungsmessgerät können dies beispielsweise die Spannungsanzeige im Gleichspannungsbereich, die Spannungsanzeige im Wechselspannungsbereich und die Linearität der Spannungsanzeige für bestimmte Messbereiche sein. Daneben gibt es Einflussgrößen, die nicht Gegenstand der Messung sind, aber eine oder mehrere Kenngrößen des Messsystems beeinflussen. Beispiele sind die Umgebungstemperatur, Feuchte, externe elektromagnetische Felder (EMI: Electromagnetic Interference) oder mechanische Belastungen.
Thomas Mühl

4. Elektromechanische und digitale Messgeräte

Zusammenfassung
Aufgabe eines Messgerätes ist die Erfassung einer Messgröße und Ausgabe des Messwertes. Bei anzeigenden Messinstrumenten erfolgt die Ausgabe über eine analoge oder digitale Anzeige. Zu Beginn der elektrischen Messtechnik wurden hauptsächlich direkt wirkende, elektromechanische Messwerke eingesetzt, bei denen mit Hilfe eines physikalischen Effektes durch die zu messende Größe eine mechanische Kraft erzeugt wird, diese auf einen Zeiger wirkt und der Messwert als Zeigerausschlag auf einer Skala abgelesen werden kann. Durch den schnellen Fortschritt in der Digitaltechnik werden heute vielfach auf digitaler Basis arbeitende Messgeräte eingesetzt. Dabei wird die zu messende Größe elektronisch vorverarbeitet, digitalisiert und als Ziffernwert auf der digitalen Anzeige ausgegeben. Die Zeigerinstrumente verlieren zunehmend an Bedeutung, trotzdem werden sie auch in aktuellen Messsystemen verwendet, beispielsweise bei Überwachungseinrichtungen oder zur Trendanzeige.
Da Zeigerinstrumente nur den Augenblickswert einer Messgröße liefern, werden zur kontinuierlichen Aufzeichnung Schreiber oder Registriergeräte verwendet. Bei elektromechanischen Schreibern ist der Ausschlag meist spannungsproportional und wird auf einem kontinuierlich fortlaufenden Papier aufgezeichnet. Der Papiervorschub ist einstellbar, und es können beispielsweise Einschwingvorgänge oder Langzeituntersuchungen erfasst und dokumentiert werden. In zunehmendem Maß werden für derartige Anwendungen digitale Datenerfassungssysteme verwendet, die die Messdaten aufnehmen, auf einem Computer oder Notebook speichern und mit speziellen Programmen nachverarbeiten und auf Druckern ausgeben.
Thomas Mühl

5. Messung von Strom und Spannung

Zusammenfassung
Dieser Abschnitt beschreibt die Messung von Gleichströmen und Gleichspannungen mit digitalen Messinstrumenten oder direkt wirkenden Zeigerinstrumenten. Für beide Messgerätearten sind der Messbereich, der in der Regel von Null bis zu einem Messbereichsendwert (Full Scale Value) reicht, und der Eingangswiderstand (Input Resistance) des Messsystems die wichtigsten Eigenschaften.
Thomas Mühl

6. Messung von ohmschen Widerständen und Impedanzmessung

Zusammenfassung
Der Widerstandswert, die Induktivität oder Kapazität passiver Bauelemente wie elektrischer Widerstände, Spulen und Kondensatoren ist häufig das Ziel von Messungen. Außerdem ist die elektrische Leitfähigkeit eine wichtige Eigenschaft der in der Elektrotechnik verwendeten Werkstoffe. Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an Leiter und Isolatoren werden Bauelemente benötigt, deren Widerstandswerte sich um viele Zehnerpotenzen unterscheiden. Beispielsweise kann der Widerstand von kurzen Starkstromleitern in der Größenordnung von μΩ und der von Isolierwerkstoffen bei GΩ bis TΩ liegen. Widerstände können als rein ohmsche Widerstände mit Strom und Spannung in Phase vorliegen oder als Scheinwiderstände mit einer beliebigen Phasenlage im Bereich - 90° bis + 90°. Scheinwiderstände werden als komplexe Widerstände dargestellt und enthalten auch die Sonderfälle der idealen Kapazität und Induktivität.
Die ohmsche Widerstands- und Impedanzmessung ist wichtig zur Charakterisierung dieser Bauelemente. Ein zweiter Einsatzbereich liegt in der Prozessmesstechnik, da viele Sensoren als Widerstandsaufnehmer arbeiten. Die zu messende, physikalische Größe wirkt auf den Sensor ein und ändert dessen Widerstandswert. Durch die kontinuierliche Widerstandsmessung wird auf die zu messende, nichtelektrische Größe geschlossen. Beispiele hierfür sind Dehnungsmessstreifen, Photowiderstände oder Thermistoren.
Thomas Mühl

7. Leistungs- und Energiemessung

Zusammenfassung
In der Energietechnik ist die zu einem Verbraucher gelieferte elektrische Arbeit eine charakteristische Größe, die unter anderem zur Energiekostenermittlung erfasst werden muss. Die Leistung als Arbeit pro Zeit muss sowohl für energie- als auch für nachrichtentechnische Anwendungen gemessen werden, da sie eine wichtige Kenngröße vieler Einrichtungen wie Transformatoren, Maschinen, Funksendern oder Bauelementen darstellt. Viele Leistungs- und Arbeitsmessgeräte basieren auf denselben physikalischen Prinzipien, wobei bei Leistungsmessern die elektrische Leistung gemessen und direkt angezeigt und bei Arbeitsmessgeräten durch Zeitintegration der Leistung die Arbeit bestimmt und ausgegeben wird. Grundsätzlich muss auch hier zwischen Niederfrequenzanwendungen, vor allem in 50Hz/60Hz-Systemen, und Hochfrequenzanwendungen unterschieden werden. Bezüglich der Letzteren wird auf die entsprechende Literatur verwiesen.
Thomas Mühl

8. Oszilloskope

Zusammenfassung
Bisher wurden Messverfahren behandelt, die eine charakteristische Größe des Signals wie beispielsweise den Spannungseffektivwert, Wirkleistung oder den ohmschen Widerstand erfassen. Hierbei wird vorausgesetzt, dass sich die Größe während der Messung nicht oder nur langsam ändert. Zu den Aufgaben der Messtechnik gehört es aber auch, den zeitlichen Verlauf einer Messgröße darzustellen und daraus wichtige Kenngrößen, wie Periodendauer oder Maximalwerte zu ermitteln. Das wichtigste Messinstrument zur Darstellung von Signalen im Zeitbereich ist das Oszilloskop, das zur Standardausstattung jedes Labors zählt. Im Einsatz sind dabei Elektronenstrahloszilloskope und Digitaloszilloskope.
Thomas Mühl

9. Zeit- und Frequenzmessung

Zusammenfassung
Neben den elektrischen Basisgrößen wie Strom, Spannung, Leistung und Widerstand kommen der Frequenz, Zeit und den damit verbundenen Größen wie beispielsweise der Periodendauer oder Impulszeit in der Elektrotechnik große Bedeutung zu. Zur Messung dieser Größen eignen sich verschiedene Geräte. Mit Oszilloskopen können zeitabhängige Vorgänge dargestellt und damit auch ausgewertet werden (siehe Kap. 8) und mit Hilfe der Spektrumanalyse können unter anderem Frequenzen bestimmt werden (siehe Kap. 10). Messungen mit einem Oszilloskop sind aber für viele Anwendungen nicht genau genug und bei manueller Auswertung des dargestellten Bildes langwierig. Auf der anderen Seite sind Spektrumanalysatoren aufgrund ihrer hohen Komplexität zur einfachen Frequenzmessung zu teuer und zu aufwändig.
Mit Hilfe von elektronischen Zählern lassen sich hingegen Zeitintervalle und Frequenzen digital, mit geringem Aufwand und trotzdem sehr hoher Genauigkeit messen.
Thomas Mühl

10. Spektrumanalyse

Zusammenfassung
Die Verfahren zur Spannungs- oder Leistungsmessung, die in den Kap. 5 und 7 beschrieben sind, liefern einen Messwert zur Beschreibung des gesamten Signals. Hat das Signal nur eine Komponente bei einer einzigen Frequenz, kann zu der gemessenen Spannung oder Leistung auch die Frequenz mit dem in Abschn. 9.3 beschriebenen Verfahren gemessen werden. Häufig bestehen Signale aber aus mehr als einer Teilschwingung, seien es Oberschwingungen bei nichtsinusförmigen, periodischen Signalen oder Mehrtonsignale mit Anteilen beliebiger Frequenzen. Zur detaillierteren Charakterisierung solcher Signale wird das Spektrum des Signals verwendet. Als Spektrum wird die Beschreibung bezeichnet, bei der das zeitabhängige Signal in Komponenten zerlegt ist, die bestimmten Frequenzen zugeordnet sind.
Die elektrische Spektrumanalyse dient der Ermittlung des Spektrums des Signals, also der Charakterisierung eines elektrischen Signals im Frequenzbereich. Das Signal wird dabei in seine Spektralanteile zerlegt und die Spannungen bzw. Leistungen jeder spektralen Komponente gemessen und über der Frequenz dargestellt. Elektrische Spektrumanalysatoren arbeiten damit als frequenzselektive Spannungs- oder Leistungsmesser, wobei die Analysefrequenz einstellbar und durchstimmbar ist.
Thomas Mühl

11. Lösungen zu den Aufgaben

Zusammenfassung
Lösungen zu den Aufgaben
Thomas Mühl

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