Skip to main content
main-content

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

Kapitel 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

Kapitel 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

Kapitel 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

Kapitel 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

Kapitel 5. Gleichstrom- und Gleichspannungsmessung

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

Kapitel 6. Wechselstrom- und Wechselspannungsmessung

Zusammenfassung
Zeitabhängige Größen können in vielseitiger Form als periodische Größe, einmalige Übergangsgröße oder als Zufallsgröße vorliegen. Oft können Sie als Kombination von einfachen Funktionen dargestellt werden, zum Beispiel als Summe einer Konstanten und einer trigonometrischen Funktion. Zeitabhängige Größen werden in der Regel durch Kleinbuchstaben, häufig mit der Ergänzung (t) dargestellt.
Thomas Mühl

Kapitel 7. Stromzangen und Strom-/Spannungsmultimeter

Zusammenfassung
Stromzangen dienen der Strommessung und nutzen das Magnetfeld, das von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugt wird, aus. Sie haben eine Zange aus ferromagnetischem Material, die geöffnet und um den stromführenden Leiter geschlossen werden kann. Der Stromkreis muss zur Strommessung nicht aufgetrennt und damit nicht unterbrochen werden. Der Strom erzeugt in dem Magnetkreis einen magnetischen Fluss, der ausgewertet wird.
Thomas Mühl

Kapitel 8. Messung von ohmschen Widerständen

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.
Thomas Mühl

Kapitel 9. Impedanzmessung

Zusammenfassung
In diesem Abschnitt wird die Messung von beliebigen ohmschen, Blind‐ und Scheinwiderständen, die auch als Impedanzmessung bezeichnet wird, beschrieben. Dabei stehen Grundlagen und Niederfrequenzanwendungen im Vordergrund.
Thomas Mühl

Kapitel 10. Leistungsbegriffe und Dreiphasensystem

Zusammenfassung
In der Energietechnik ist die zu einem Verbraucher gelieferte elektrische Energie eine charakteristische Größe, die unter anderem zur Energiekostenermittlung erfasst werden muss. Die Leistung als Energie bzw. 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 Energiemessgeräte basieren auf denselben physikalischen Prinzipien, wobei bei Leistungsmessern die elektrische Leistung gemessen und direkt angezeigt und bei Energiemessgeräten durch Zeitintegration der Leistung die Energie bestimmt und ausgegeben wird. Grundsätzlich muss auch hier zwischen Niederfrequenzanwendungen, vor allem in 50 Hz/60 Hz-Systemen, und Hochfrequenzanwendungen unterschieden werden.
Thomas Mühl

Kapitel 11. Leistungsmessung

Zusammenfassung
Zur Leistungsmessung muss nach Gl. 10.1 das Produkt \( U \cdot I\) bzw. nach Gl. 10.10 \( U \cdot I \cdot \cos \varphi \) ausgewertet werden. Aufgrund seiner bauartbedingten, multiplizierenden Eigenschaft eignet sich das elektrodynamische Messwerk direkt zur Leistungsmessung.
Thomas Mühl

Kapitel 12. Messung der elektrischen Energie

Zusammenfassung
Elektrische Energie bzw. Arbeit stellt ein wichtiges Wirtschaftsgut dar und muss deshalb bei der Erzeugung, Transport und bei der Abnahme in den Betrieben oder Haushalten gemessen werden. Da diese Messung Grundlage der Abrechnung ist, wird besonderer Wert auf eine sehr hohe Zuverlässigkeit gelegt, und in Eichgesetzen und Verordnungen sind bindende Regelungen zur Messung der elektrischen Energie festgeschrieben. So gibt es beispielsweise Bauartzulassungen, Regelungen für die Wartung, Aufstellung, den Gebrauch, Eichvorschriften oder mechanische Festlegungen für die Messeinrichtungen.
Thomas Mühl

Kapitel 13. Analoges Elektronenstrahloszilloskop

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.
Thomas Mühl

Kapitel 14. Digitaloszilloskop

Zusammenfassung
Bei Digitaloszilloskopen wird das vorverstärkte Eingangssignal abgetastet und digitalisiert. Die Abtastwerte werden digital weiterverarbeitet und gespeichert. Neben den normalen Oszilloskopfunktionen können mit den Prozessorsystemen weitere Berechnungen und Auswertungen wie Mittelungen, Spitzenwert‐ oder Anstiegszeitbestimmung durchgeführt und zur Anzeige gebracht werden.
Thomas Mühl

Kapitel 15. Oszilloskop-Tastköpfe

Zusammenfassung
Um mit einem Oszilloskop Messungen durchzuführen, muss der Eingang des Oszilloskops mit der zu messenden Spannungsquelle verbunden werden. In der einfachsten Form ist dies ein Messkabel. Das Anschließen führt dazu, dass die zu messende Spannung mit der Eingangsimpedanz des Messsystems, die in diesem Fall durch das Kabel und Oszilloskop gegeben ist, belastet wird.
Thomas Mühl

Kapitel 16. Zeitmessung

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. 13 und 14) und mit Hilfe der Spektrumanalyse können unter anderem Frequenzen bestimmt werden (siehe Kap. 18).
Thomas Mühl

Kapitel 17. Frequenzmessung

Zusammenfassung
Zur Messung der Frequenz fx eines periodischen, analogen Eingangssignals ue wird aus dem Signal mit einem Komparator eine Rechteckimpulsfolge derselben Frequenz fx erzeugt und deren Impulse für eine genau vorgegebene Zeit T0 gezählt. Abb. 17.1 zeigt die Prinzipschaltung und Abb. 17.2 das zugehörige Zeitdiagramm.
Thomas Mühl

Kapitel 18. 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.
Thomas Mühl

Kapitel 19. Lösungen zu den Aufgaben

Zusammenfassung
Aufgaben zur Toleranz, Messunsicherheit und Fehlerfortpflanzung
Thomas Mühl

Backmatter

Weitere Informationen