Elektrische Meßtechnik

„Wenn jemand aus allen Künsten die Rechenkunst und die Meßkunst und die Waagekunst ausscheidet, so ist es, geradeheraus zu sagen, nur etwas Geringfügiges, was von einer jeden dann noch übrigbleibt.“ Sokrates, 469 bis 399 v. Chr., in Piatons Dialog Philebos [AI].

„Angehende Wissenschaftler und Ingenieure sollten deshalb mehr als bisher Fundamentalkenntnisse in der gesamten wissenschaftlichen und industriellen Meßtechnik aufweisen.“

Dr.-Ing. H. Toeller in einer Denkschrift der Deutschen Forschungsgemeinschaft [A2].

Man könnte diese beiden Zitate in einen unmittelbaren Zusammenhang bringen, obwohl zwischen ihnen fast zweieinhalb Jahrtausende kulturgeschichtlicher Entwicklung liegen. Das Messen ist von ältesten Zeiten an stets eng mit der Kulturentwicklung verbunden gewesen [A3]. Unser heutiges naturwissenschaftliches Weltbild beruht sehr weitgehend auf Lehrsätzen, die durch Messungen gefunden worden sind, und die nur deshalb allgemein anerkannt werden, weil sie jederzeit durch Messungen nachgeprüft werden können. Eine Vielzahl technischer Funktionsabläufe, beispielsweise in der Energietechnik, in der Verfahrenstechnik oder in der Fertigungstechnik, muß ständig meßtechnisch kontrolliert werden, wenn ein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht werden soll. In jüngster Zeit zeigt sich am Beispiel der relativ neuartigen und vielschichtigen Problematik des Umweltschutzes besonders deutlich, daß sich viele Aufgaben erst nach der Entwicklung geeigneter meß technischer Möglichkeiten lösen lassen.

Elektromechanische Anzeiger beruhen auf dem Prinzip, einer zu messenden elektrischen Größe mit Hilfe eines geeigneten physikalischen Effektes eine mechanische Kraftwirkung eindeutig zuzuordnen. Die Kraft löst eine Bewegung aus, z.B. eines Zeigers über einer Skala oder eines Zählwerks. Wird dem Bewegungsvorgang eine auslenkungsproportionale Gegenkraft entgegengesetzt, so kommt es zu einem Stillstand des Anzeigesystems in einer neuen Gleichgewichtslage, z.B. zu einem bestimmten Ausschlag eines Zeigers. Wird dem Bewegungsvorgang dagegen eine geschwindigkeitsproportionale Kraft entgegengesetzt, so besteht der neue Gleichgewichtszustand darin, daß ein Teil des Meßwerks schließlich eine bestimmte, konstante Endgeschwindigkeit annimmt, z.B. eine bestimmte Umdrehungszahl je Sekunde; in diesem Falle kann die Erfassung der Meßgröße beispielsweise durch ein Umdrehungszählwerk erfolgen. Bei Messungen im Zusammenhang mit Wechselgrößen kann der Beharrungszustand auch in einer stationären, periodischen Schwingung eines Meßwerkteils bestehen. Außerdem können Schwingungen auch als Übergangserscheinungen zwischen zwei verschiedenen Beharrungszuständen auftreten (vgl. z.B. Bild 1–5); in diesem Falle sind sie in der Regel unerwünscht und müssen durch eine zusätzliche, geschwindigkeitsproportionale Bremskraft abgedämpft werden.

Um eine Strommessung durchführen zu können, muß ein Stromkreis im Prinzip aufgetrennt und das Strommeßgerät an der Trennstelle eingefügt werden; äußerlich gesehen entfällt dieser Schritt nur bei der Anwendung von Zangenstromwandlern (vgl. Abschnitt 2.2.7). Wie Bild 3-1 deutlich macht, verursacht das eingefügte Meßgerät durch seinen inneren Widerstand R_m eine Störung des Stromkreises, welche zur Folge hat, daß der nach Einfügung des Meßgerätes festzustellende Strom Im in der Regel kleiner ist als der im ungestörten Stromkreis fließende Strom I_m, der durch den Meßvorgang eigentlich bestimmt werden sollte. Wie die formelmäßige Darstellung in Bild 3-1 b deutlich macht, wird dieser Meßfehler um so größer, je größer der innere Widerstand R_m des Meßgerätes im Vergleich zum inneren Widerstand R_q des gestörten Stromkreises ist.

Bild 4-1a zeigt eine sehr einfache, in Systemen der Meßwerterfassung und der Elektronik häufig vorkommende Grundschaltung, nämlich den R-C-Tiefpaß. Diese Benennung rührt daher, daß die Schaltung offensichtlich im Grenzfalle ω → 0, also für Gleichspannung oder Sinussignale sehr niedriger Frequenz, keine Spannungsteilung verursacht, jedoch mit wachsender Frequenz infolge des abnehmenden Blindwiderstandes der Kapazität eine immer stärker ins Gewicht fallende Spannungsteilung entsteht; tiefe Frequenzen können dieses einfache Grundnetzwerk also passieren, höhere dagegen werden mit zunehmender Frequenz zunehmend gedämpft. Für ω → ∞ ist das Ausgangsklemmenpaar durch die Kapazität kurzgeschlossen. In der Schreibweise der komplexen Zeigerrechnung ergibt sich, wenn man die Zeigergrößen sinngemäß zu den Benennungen in Bild 4-la bezeichnet:

mit

Im Abschnitt 2.3.2 wurde so viel über den Aufbau und die Wirkungsweise von Oszilloskopen gesagt, wie man für die Bedienung von einfachen Standard-, Zweistrahl- oder Zweikanaloszilloskopen anfänglich wissen muß. Hier soll nun etwas genauer auf verschiedene übliche Ausführungsformen, ihren inneren technischen Aufbau sowie die sich daraus zusätzlich ergebenden Bedienungserfordernisse eingegangen werden.

Es gibt eine kaum übersehbare Vielfalt von Meßwertaufnehmer-Prinzipien und -Konstruktionen. In der nachfolgenden Darstellung kann nur eine kleine Auswahl berücksichtigt werden, mit dem Ziel, einige der wichtigsten Aufnehmerprinzipien verständlich zu machen. Die Darstellung ist hierbei aber nicht nach Konstruktionsprinzipien, sondern nach einigen ausgewählten Meßgrößenbeispielen gegliedert. Wer an einer umfassenderen Übersicht interessiert ist, sei auf einschlägige Lehrbücher, z.B. [A113] bis [A116], [A121], [A122], [A128], sowie auf enzyklopädische Darstellungen hingewiesen, z.B. [A117] bis [A120].

Zeigt schon die Meßgeräte- und Meßumformertechnik eine kaum übersehbare Vielfalt, so gilt dies natürlich erst recht für den Bereich der Anlagentechnik. Trotzdem soll hier der Versuch unternommen werden, an einigen Problembeispielen von allgemeinerer Bedeutung die intensiven Wechselbeziehungen zwischen Forderungen der Anlagentechnik und Entwicklungsrichtungen der Geräte technik deutlich zu machen, aber auch umgekehrt den weitreichenden Einfluß der raschen technologischen Entwicklung der Bauelemente- und Gerätetechnik für das Erscheinungsbild elektrischer Anlagen. Angesichts der hier gebotenen Kürze kann die Auswahl der Beispiele trotz der Aufgliederung nach allgemeineren Problembereichen nur zufällig bleiben. Eine umfassende Übersicht läßt sich gegenwärtig — wenn sie aktuell sein soll — so gut wie nur anhand einschlägiger Fachzeitschriften-, Katalog- und Prospektsammlungen erwerben.

Ausblick auf einige für die Meßtechnik wichtige systemtheoretische Begriffsbildungen und Methoden zum Zwecke der Orientierung über weiterführende Literatur und weitere meßtechnisch relevante Studiengebiete.