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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch bietet eine umfassende Einführung in die moderne Elektrische Messtechnik. Behandelt werden: die Fehlerrechnung systematischer und zufälliger Fehler, die Erfassung von dynamischen Messfehlern und ihren Korrekturen, Geräte und Verfahren der analogen Messtechnik, wie z.B. Standard-Messgeräte, elektronische Messverstärker, Messbrücken. Anschließend werden Analog-Digital- und Digital-Analog-Umsetzer sowie digitale Messgeräte beschrieben. Ein weiterer Schwerpunkt des Buches ist die ausführliche Behandlung der modernen computerunterstützten Messdatenerfassung und Messsignalverarbeitung bezüglich Hard- und Software. In der 5. Auflage wurden die Kapitel zur rechnergestützten Messdatenerfassung dem allerneuesten Stand der Technik angepasst und die Abschnitte zur analogen und digitalen Messsignalverarbeitung erweitert. Es ist eine DVD mit Übungsaufgaben zur rechnergestützten Messdatenerfassung und Messsignalverarbeitung sowie zur Programmierung von Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) enthalten. Via Internet kann der Leser eine am Lehrstuhl für Sensorik aufgebaute SPS programmieren sowie weitere Übungsaufgaben und Lösungen zu den Programmieraufgaben von der DVD herunterladen. Die DVD enthält außerdem eine Studentenversion von LabVIEW. Das Buch eignet sich in Verbindung mit dem Werk "Elektrische Messtechnik/ Übungsbuch" für Studierende der Ingenieur- und Naturwissenschaften sowie für den in der Praxis tätigen Ingenieur auch zum Selbststudium.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Umfang und Bedeutung der Elektrischen Meßtechnik

Zusammenfassung
Die meßtechnische Erfassung von physikalisch-technischen Gegenständen und Prozessen stellt zusammen mit der logischen Denkfähigkeit des Menschen, also insbesondere auch der Fähigkeit, diese Objekte und Vorgänge mathematisch zu beschreiben, eine wesentliche Grundlage aller Natur- und Ingenieurwissenschaften dar. Schon der griechische Philosoph Platon (427-347 v. Chr.) hat auf die große Bedeutung der Meßtechnik hingewiesen, als er im X.
Reinhard Lerch

2. Die Grundlagen des Messens

Zusammenfassung
Die Messung einer physikalischen Größe besteht im Vergleich mit einer Maßeinheit, d. h. die physikalische Größe ergibt sich stets als Produkt aus einem Zahlenwert und einer Maßeinheit:
Physikalische Größe = Zahlenwert · Einheit
Man ist bestrebt, die Einheiten durch unvergängliche atomare Größen zu definieren, die an jedem Ort und zu jeder Zeit mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Die Generalkonferenz für Maße und Gewichte hat daher im Jahre 1960 das inzwischen weltweit eingeführte „Système International d’Unités“ (SI-System) vorgeschlagen, dessen Anwendung auch im deutschen Sprachraum gesetzlich vorgeschrieben ist. Das System definiert zunächst die Basisgrößen und die dazugehörigen Basiseinheiten, welche beide in Tabelle 2.1 zusammengefaßt werden.
Reinhard Lerch

3. Ausgleichsvorgänge, Frequenz-Transformation und Vierpol-Übertragungsverhalten

Zusammenfassung
Wir beginnen mit der Beschreibung periodischer Funktionen mit Hilfe von Fourier-Reihenentwicklungen und leiten daraus die Beschreibung auch nichtperiodischer Funktionen mittels der Fourier-Transformation ab.
Reinhard Lerch

4. Nichtlineare elektrische Bauelemente, Schaltungen und Systeme

Zusammenfassung
Im Gegensatz zu den vereinfachenden Annahmen, daß die in den betrachteten elektrischen Netzwerken enthaltenen Bauelemente zeitinvariant, d.h. keine Funktion der Zeit darstellen, und linear sind, d. h. keine Abhängigkeiten der Widerstands-, Kapazitäts- und Induktivitätswerte von den angelegten Spannungen bzw. den durch sie fließenden Strömen vorhanden sind, wollen wir in diesem Kapitel gerade diese Abhängigkeiten zulassen. Wir sprechen in diesem Fall allgemein von zeitvarianten
Reinhard Lerch

5. Meßfehler

Zusammenfassung
Messungen sind in der Regel fehlerbehaftet, auch wenn sie noch so präzise durchgeführt werden. Die Ermittlung und Angabe der entsprechenden Meßfehler sollte zu jeder zuverlässigen Messung gehören, damit die aus dem Meßergebnis abgeleiteten Schlüsse bzw. Entscheidungen auf einer sicheren Grundlage basieren. So besteht bei vielen Arten von Messungen die Gefahr, daß sich die zu messenden Größen durch das Einbringen der Meßgeräte verändern. Beispielsweise kann ein Spannungsmesser die zu messende Spannung verändern, weil er infolge seiner nicht idealen (d.h. nicht unendlich hohen) Innenimpedanz die Spannungsquelle belastet.
Reinhard Lerch

6. Analoges Messen elektrischer Größen

Zusammenfassung
Die Grundfunktionen eines Meßgerätes gliedern sich in die Aufnahme der Meßgröße, die Verarbeitung des Meßsignals und in die Ausgabe des Meßwertes (Abb. 6.1). Bei den Meßgeräten zur Messung von elektrischem Strom bzw. elektrischer Spannung unterscheidet man zwischen den klassischen elektromechanischen Instrumenten mit analogen Zeigerskalen und den moderneren elektronischen, auf digitaler Basis arbeitenden Geräten mit interner Analog- Digital-Umsetzung und Ziffern- oder Bildschirmausgabe.
Reinhard Lerch

7. Meßverstärker

Zusammenfassung
Um mit Meßgeräten auch Spannungen und Ströme messen zu können, die unterhalb der Ansprechempfindlichkeit des Meßwerkes liegen, werden Meßverstärker eingesetzt. Sie wandeln die zu messende Spannung bzw. den zu messenden Strom in ein proportionales Signal höherer Amplitude um.
Reinhard Lerch

8. Messung der elektrischen Leistung

Zusammenfassung
Diese Leistung kann mit Hilfe eines elektrodynamischen Meßwerkes gemessen werden. Dazu schickt man den Strom I durch die Feldspule (Widerstand R WA) und legt die Spannung U an die Drehspule (Widerstand R WV) an. Abbildung 8.1 zeigt die entsprechende Schaltung mit dem elektrodynamischen Meßwerk.
Reinhard Lerch

9. Messung von elektrischen Impedanzen

Zusammenfassung
Die Bestimmung des ohmschen Widerstandes kann durch eine Strom- und eine Spannungsmessung erfolgen. Der Widerstandswert R wird dann nach dem Ohmschen Gesetz (Gl. (9.1)) berechnet. Da hierbei stets zwei getrennte Messungen erforderlich sind, tragen sowohl der Fehler der Strommessung als auch der Fehler der Spannungsmessung zum Fehler des Meßwertes R bei.
Reinhard Lerch

10. Darstellung des Zeitverlaufes elektrischer Signale (Oszilloskope)

Zusammenfassung
Es zählt zu den Standardaufgaben der elektrischen Meßtechnik, den Zeitverlauf von elektrischen Signalen unter Angabe von Zeit- und Amplitudenwerten darzustellen bzw. zu registrieren. Sehr häufig wird dabei auf eine Realzeitdarstellung Wert gelegt, bei der das Signal zeitgleich mit seinem Auftreten bildlich dargestellt wird. In der Elektrischen Meßtechnik setzt man zu diesem Zweck Elektronenstrahl-Oszilloskope ein, welche der Visualisierung des Zeitverlaufes einer elektrischen Spannung u(t) dienen. Die im folgenden beschriebenen Oszilloskope sind Geräte, die eine solche bildliche Darstellung des Signals entweder in Realzeit oder in Äquivalenzzeit (zeitlich gestaffelte Abtastung periodischer Signale) erlauben. Die Geräte können dabei auf analoger oder digitaler Basis arbeiten.
Reinhard Lerch

11. Digitale Meßtechnik

Zusammenfassung
Da die moderne Meßtechnik zunehmend die Verfahren der rechnergestüutzten Meßwerterfassung und digitalen Signalverarbeitung nutzt, zählt es zu den wichtigsten Aufgaben der Elektrischen Meßtechnik, in analoger Form vorliegende Meßsignale zu digitalisieren. Während in der analogen Meßtechnik alle Meßgrößen in wertkontinuierlicher Form verarbeitet werden, kennt die digitale Meßtechnik nur die binäre Darstellungsform. Binäre Signale können den Wert ′1′ (alternativ ′H′ für High) oder ′0′ (alternativ ′L′ für Low) annehmen. Für den Fall, daß der Wert ′1′ einem hohen Spannungspegel und der Wert ′0′ einem niedrigen Spannungspegel entspricht, bezeichnet man dies als positive Logik, im umgekehrten Fall spricht man von negativer Logik. Binäre Signale bieten den großen Vorteil, daß sie sich durch nur zwei, eindeutig zu unterscheidende Betriebszustände der verarbeitenden elektronischen Komponenten darstellen lassen, wie z.B. „Schalter EIN“ bzw. „Schalter AUS“.
Reinhard Lerch

12. Die Messung von Frequenz und Zeit

Zusammenfassung
In der modernen Meßtechnik werden in zunehmendem Maße die Zeit und Frequenz als informationstragende Parameter genutzt. Einer der Hauptvorzüge dieser Codierungsart liegt in der sehr hohen Genauigkeit, mit der Zeitintervalle und Frequenzen gemessen werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich die im allgemeinen in analoger Form vorliegenden Meßsignale auf einfache Weise mit Hilfe von Zählerschaltungen digitalisieren lassen. Zeit- und Frequenzmessungen sind eng miteinander verknüpft, da beide mit Hilfe von Zählern durchgeführt werden. Man kann erreichen, daß der Meßfehler bei der Zeit- bzw. Frequenzmessung im wesentlichen auf die Ungenauigkeit der eingesetzten Zeitbasis beschränkt bleibt, deren Genauigkeit wiederum von dem dort verwendeten frequenzbestimmenden Element definiert wird. Dieses Frequenznormal basiert standardmäßig auf einem Schwingquarz, der zur Erhöhung der Genauigkeit temperaturstabilisiert betrieben werden kann.
Reinhard Lerch

13. Meßsignalverarbeitung

Zusammenfassung
Die wesentlichen Aufgaben der Meßsignalverarbeitung bestehen in der Meßwert-Vorverarbeitung sowie der Analyse der aufgenommenen Meßsignale mit Hilfe von Filtern, Funktionaltransformationen, Korrelationsverfahren, Mittelwertbildern, Effektivwertbausteinen, Klirrfaktor-Meßbrücken, etc. (Abb. 13.1). Dabei sollen die in den gewonnenen Meßwerten enthaltenen und für ihre weitere Verwendung (z. B. Regelung, Steuerung, etc.) relevanten Informationen extrahiert werden. Oft wird die im Rahmen einer Messung interessierende Zielgröße erst durch entsprechende Signalverarbeitungsmaßnahmen gewonnen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein stark verrauschtes Meßsignal erst durch geeignete Filtermaßnahmen vom Störsignal getrennt werden muß. Zu den wichtigsten Signalverarbeitungsmaßnahmen zählen
Reinhard Lerch

14. Regression, lineare Korrelation und Hypothesen-Testverfahren

Zusammenfassung
In der Meßtechnik kommt es häufig vor, daß eine Schar von aufgenommenen Meßpunkten durch eine geeignete analytische Funktion in Form einer Anpaßkurve beschrieben werden soll.
Reinhard Lerch

15. Grundlagen der Rechnergestützten Meßdatenerfassung

Zusammenfassung
Im Digitalrechnerbereich wurden in den letzten Jahren in bezug auf Rechenleistung, Datentransfergeschwindigkeit sowie Speichergröße enorme Fortschritte erzielt. Daher werden die Digitalrechner, insbesondere die immer leistungsf ähigeren und preiswerteren Personalcomputer, auch gerne zur Bewältigung komplexer und umfangreicher Aufgaben im Rahmen der Messung elektrischer und nicht-elektrischer Größen herangezogen. Die Hauptaufgabengebiete sind dabei die Meßdatenerfassung und die Meßsignalverarbeitung. Daneben werden Digitalrechner auch zur Steuerung und Regelung von Anlagen und als Prozeßleitsysteme eingesetzt. Generell kann man Digitalrechner, die mit einem technischen Prozeß gekoppelt sind, als Prozeßrechner bezeichnen.
Reinhard Lerch

16. Meßdatenerfassung im Labor

Zusammenfassung
Bei der computergesteuerten Meßdatenerfassung nutzt man im wesentlichen zwei Möglichkeiten, digitale Signale zu übertragen, nämlich über Punkt-zu- Punkt-Verbindungen oder über Bussysteme. Bei den Punkt-zu-Punkt- Verbindungen sind zwei Teilnehmer, beispielsweise ein Meßgerät und ein Steuerrechner, über eine bidirektionale Datenleitung verbunden. An Bussysteme hingegen lassen sich stets mehrere Teilnehmer gleichzeitig anschließen. Bei den Bussystemen wird je nach Form der Übertragung, die bitseriell oder bitparallel erfolgen kann, zwischen dem seriellen Bus und dem Parallelbus unterschieden. Tabelle 16.1 soll einen überblick über die wichtigsten im Rahmen der computerunterst ützten Meßdatenerfassung und Meßwertverarbeitung genutzten Standardschnittstellen geben. Auf die in der Meßtechnik am häufigsten verwendeten Schnittstellen, z.B. die serielle RS232-Schnittstelle oder die parallele IEC-Bus-Schnittstelle, wird in den folgenden Abschnitten näher eingegangen. Weiterhin wird der derzeitige Stand der Feldbussysteme besprochen.
Reinhard Lerch

17. Meßdatenerfassung im Feld

Zusammenfassung
Speicherprogrammierbare Steuerungen sind modulare und frei programmierbare Steuergeräte, die nicht als fertige Komplettsysteme angeboten, sondernnach den Anforderungen der jeweiligen Applikation anhand von Einzelmodulen konfiguriert werden.
Reinhard Lerch

18. Vernetzung von Meßdatenrechnern (Industrie-LAN, WAN)

Zusammenfassung
Die nächsthöhere Vernetzungsebene nach dem Feldbereich, in dem ja die Feldbusse dominieren, ist der Zellbereich bei der Fertigung und der Prozeßleitbereich bei der Prozeßautomatisierung. Feldbusse können hier nicht eingesetzt werden, weil im Vergleich zum Feldbereich sehr große Datenmengen transportiert werden müssen. Dafür dürfen die Antwortzeiten für eine Anfrage zum Teil bereits im Sekundenbereich liegen. Als Bussystem eignet sich hier das Ethernet, das als physikalische und logische Basis für ein Local Area Network (LAN) dient. Ein LAN ist ein Kommunikations-Verbund von eigenst ändigen Rechnern und Controllern, die gegenseitig Daten austauschen müssen. Ein Rechner kann dabei als Serverstation dienen, die den Datentransfer zwischen allen an das Netz angeschlossenen Rechnern koordiniert. Den Zusammenschluß der LANs eines Unternehmens bezeichnet man als Intranet. Die LANs wurden ehemals vorwiegend in der Bürokommunikation eingesetzt. Um sie auch für die Fabrikautomation und Prozeßtechnik verfügbar zu machen, mußten sie insbesondere bzgl. elektromagnetischer Störungen resistent werden, z. B. durch doppelt geschirmte Koaxialkabel. Man spricht in diesem Zusammenhang von Industrie-LAN bzw. im Falle des Ethernet von Industrie-Ethernet.
Reinhard Lerch

19. Programmierung von Meßdatenerfassungssystemen

Zusammenfassung
Während in den vorangegangenen Abschnitten ausschließlich von der reinen Erfassung der Meßdaten die Rede war, sollte die in diesem Abschnitt behandelte Software zur rechnergestützten Meßdatenerfassung auch im Zusammenhang mit den weiteren Aufgaben gesehen werden, welche nach der eigentlichen Meßdatenerfassung anstehen, nämlich die Analyse sowie die graphische Darstellung von erhaltenen Meßwerten (Abb. 19.1).
Reinhard Lerch

20. Gebäudeautomatisierung (Smart Home)

Zusammenfassung
Die Hausautomatisierungstechnik bietet die Möglichkeit, einige der bisher vorgestellten Technologien anschaulich zu demonstrieren. Eine moderne Hausautomatisierung verlangt den Einsatz verschiedenster Sensoren und Aktoren, deren Werte und Zustände permanent überwacht werden müssen und deren Änderung unterschiedliche Aktionen nach sich zieht. Beispiele für Sensoren in der Hausautomatisierung sind Temperatur-, Luftfeuchte-, Einstrahlungsoder Bewegungssensoren. Aktoren stellen Heizungsventile, Motoren zum Öffnen der Fenster oder Magnetventile zur Steuerung von Wasserleitungen dar.
Reinhard Lerch

Erratum to: Meßsignalverarbeitung

Without Abstract
Reinhard Lerch

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