Skip to main content
main-content

Über dieses Buch

Dieses Lehr- und Übungsbuch erläutert anschaulich Prinzipien und moderne Verfahren der elektrischen Messtechnik. Es hilft direkt messtechnische Fragestellungen richtig einzuschätzen. Kontrollfragen und Übungsaufgaben ermöglichen eine selbstständige Lernkontrolle und damit ein erfolgreiches Selbststudium. Die 9. Auflage wurde gezielt um praxisrelevante Übungsaufgaben erweitert und unter anderem wurden die Grundzüge des neuen SI-Einheitensystems eingearbeitet.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Messen; Voraussetzungen und Durchführung

Zusammenfassung
Im ersten Kapitel dieses Lehrbuches werden die Grundbegriffe der Messtechnik erläutert, um damit eine Basis für das Verständnis der weiteren Kapitel zu legen. Schwerpunktmäßig sind das:
  • Die Begriffe Messgröße und Maßeinheit,
  • Die allgemeine Gleichung für eine Messung,
  • Das SI‐Einheitensystem,
  • Die Hierarchie der Normale als Basis des Eichens von Maßverkörperungen und Messgeräten.
Rainer Parthier

2. Messsignale

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird der Signalbegriff aus der Sicht der Messtechnik beleuchtet. Ausgangspunkt ist eine Diskussion möglicher Ansätze zur Klassifizierung von Messsignalen. Anschließend erfolgt die Beschreibung der denkbaren Wandlungen von Messsignalen, deren Ziel es ist, eine aus der Umwelt gewonnene Messinformation dem nachfolgenden Steuer‐ bzw. Regelungsprozess oder auch dem Messtechniker als interpretierbaren Messwert zugänglich zu machen. Dabei wird besonders auf die Analog‐Digital‐Wandlung eingegangen als Voraussetzung für die moderne digitale Messtechnik.
Messwerte beinhalten die im Messprozess gesuchten Informationen über physikalische Größen. Die Übertragung dieser Informationen erfolgt in Form eines Signals. Allerdings wird der Signalbegriff im täglichen Leben mehrdeutig benutzt. Im technischen Gebrauch, und hierbei speziell im Bereich der Messtechnik, wird ein Zeitverlauf einer physikalischen Größe als Signal bezeichnet. Bei Verwendung eines Signals in der Messtechnik, sprechen wir auch konkret vom Messsignal.
Rainer Parthier

3. Charakterisierung von Messsignalen

Zusammenfassung
Mit diesem Kapitel sollen:
  • technisch interessante Signalformen behandelt,
  • verschiedene Arten von Mittelwerten periodischer Signale in ihrer technischen Bedeutung erläutert und deren Berechnung erklärt,
  • Kenngrößen von Messsignalen vorgestellt werden.
Zudem werden die Dezibel‐Definitionen der logarithmischen Beschreibung für Strom‐ und Spannungsverhältnisse sowie für Leistungsverhältnisse eingeführt.
Die Klassifizierung von Messsignalen wurde im vorgehenden Abschnitt dargelegt. An diese Erläuterung wird jetzt mit der Beschreibung von in der Messtechnik typischen Signalformen angeknüpft.
Obwohl sie in der Prozessmess‐ und ‐steuertechnik durchaus ihre Bedeutung haben, wird aus Umfangsgründen auf die Abhandlung pneumatischer und hydraulischer Signal verzichtet und sich auf determinierte elektrische Signale beschränkt. Über physikalische Analogiebeziehungen lassen sich die anzuführenden Gesetzmäßigkeiten für elektrische Signale auf pneumatische und hydraulische Signale übertragen. Wesentlichster Unterschied ist verständlicherweise das zu wählende Übertragungsmedium. Während für elektrische Signale entsprechend dimensionierte elektrische Leiter zu verwenden sind, benötigen die pneumatischen und hydraulischen Signale geeignete Rohrleitungssysteme zur Signalübertragung.
In den folgenden Ausführungen wird auch nicht unterschieden, ob es sich um eine elektrische Messgröße handelt, die als elektrisches Messsignal vorliegt, oder ob das elektrische Messsignal mittels eines Sensors von einer nichtelektrischen Größe abgeleitet wurde.
Rainer Parthier

4. Messmethoden

Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt die grundlegenden Methoden eine Messung durchzuführen. Kenntnisse darüber sind zur Analyse der Parameter einer Messeinrichtung notwendig. Aus der Analyse lassen sich dann Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes der betrachteten Messeinrichtung abschätzen.
Messmethoden stellen allgemeine Vorgehensweisen für die Durchführung von Messungen dar. Diese Methoden sind nicht unmittelbar an eine physikalische Realisierung gebunden, vielmehr lassen sich aus ihnen Rückschlüsse auf eventuell zu beachtende Fehlermechanismen der mit der jeweiligen Messmethode arbeitenden Messeinrichtung ziehen. Grundsätzlich sind die drei im Folgenden beschriebenen Messmethoden, die Ausschlagmethode, die Differenzmethode und die Kompensationsmethode zu unterscheiden.
Rainer Parthier

5. Messeinrichtung

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Aufgabe und die dazu erforderliche technische Umsetzung einer Messeinrichtung diskutiert. Moderne Messtechnik wird typischerweise mit elektronischen und dabei vorzugsweise digital arbeitenden Messeinrichtungen umgesetzt. Deshalb erfolgt die Diskussion von Aufgaben und Eigenschaften von Messeinrichtungen vorrangig anhand elektronischer. Über physikalische Analogien können daraus aber auch Schlussfolgerungen auf z. B. mechanische und hydraulische Messeinrichtungen geschlossen werden.
Eine Messeinrichtung soll eine betrachtete physikalische Größe, die Messgröße, in einen interpretierbaren Messwert transformieren. Somit kann jede Messeinrichtung als Übertragungseinrichtung aufgefasst werden, an die je nach Eigenschaften der Messgröße unterschiedlichste Anforderungen bezüglich der statischen und dynamischen Kenngrößen gestellt werden.
Die Untersuchung, Bewertung und letztlich die Schlussfolgerungen für die Einsatzmöglichkeiten und ‐grenzen einer Messeinrichtung sind deshalb nur über die Kenntnis ihrer relevanten Eigenschaften möglich.
Entsprechend der praxisrelevanten Bedeutung wird insbesondere auch das Zeitverhalten von realen Messeinrichtungen behandelt.
Rainer Parthier

6. Bewertung von Messergebnissen

Zusammenfassung
Praktisch ist es technisch nicht möglich, eine fehlerfreie Messung durchzuführen. Somit stellt die Abschätzung der Brauchbarkeit einer Messung auf der Basis der auftretenden Messabweichungen die entscheidende Aufgabe bei der Durchführung und Auswertung von Messungen dar. Das ist umso wichtiger, weil in der Messpraxis kein Ergebnis akzeptiert werden kann, das nicht durch eine Angabe zu der Vertrauenswürdigkeit des Messergebnisses charakterisiert wurde. Das hierzu wichtige Wissen des Ingenieurs zur Bewertung von Messerergebnissen in der betrieblichen Praxis wird in diesem Kapitel vermittelt. Dabei wird, soweit erforderlich, relevantes mathematisches Handwerkszeug erläutert und vorrangig unter messtechnischen Aspekten beschrieben.
Schwerpunktmäßig müssen somit:
  • die Definition der Messabweichung und der Unterschied zwischen Messabweichung und Fehler,
  • die systematische Messabweichung und die zufallsverursachte Messabweichung,
  • die Unsicherheiten bei direkten Messungen und bei indirekten Messungen, sowie
  • der durch das Messgerät hervorgerufene Teil der Abweichung
behandelt werden. Auf der Basis dieser Kenntnisse kann dann ein Messergebnis in der für die messtechnische Praxis nutzbaren Form berichtet werden.
Rainer Parthier

7. Fehlertypen von Messeinrichtungen

Zusammenfassung
Grundsätzliche Fehlertypen von Messeinrichtungen müssen bekannt sein, um ihre Auswirkungen auf die resultierenden Messgeräteabweichungen in der messtechnischen Praxis einschätzen können. Da in der modernen Messtechnik vorrangig digitale Messeinrichtungen zur Anwendung kommen, ist auf deren Besonderheit bezüglich zusätzlicher Fehleranteile des Messergebnisses speziell einzugehen. In diesem Kapitel werden deshalb die Auswirkung von Fehlern der Messeinrichtung und die Auswirkung der Analog‐Digital‐Wandlung auf die resultierende Messabweichung diskutiert.
Wie schon in Kap. 6 anlässlich der Diskussion von Messabweichungen erläutert, ist im Zusammenhang mit der Auswirkung von unzulässigen Verhalten von Messeinrichtungen der Terminus „Fehler“ zulässig. Deshalb wird der Begriff Fehler auch im Folgenden benutzt. Infolge von Fehlern einer Messeinrichtung, i. Allg. durch unzulässiges Übertragungsverhalten hervorgerufen, werden deren Messergebnisse mit Messabweichungen behaftet sein, siehe auch Abschn. 6.5.
Rainer Parthier

8. Messung elektrischer Größen

Zusammenfassung
Zu den elektrischen physikalischen Größen, im Folgenden elektrische Größen genannt, werden Spannung, Stromstärke, elektrische Leistung und Arbeit, elektrischer Widerstand, Induktivität und Kapazität gezählt. Weiterhin sollen noch die Messung von Zeit und Frequenz behandelt werden, weil beide für die Bestimmung von Wechselgrößen notwendig sind. Ebenfalls erforderlich sind sie zur Ermittlung von Größen, die unmittelbar eine Funktion der Zeit darstellen, wie z. B. die Arbeit.
Die Messung elektrischer Größen wiederum ist die Grundlage nichtelektrische Größen mit elektrischen Messmethoden erfassen zu können. Sie bieten damit die maßgebliche Voraussetzung zur Ausführung von Mess‐ und Regelprozessen in der automatisierten Fertigung bzw. zur Realisierung rechnergesteuerter Mess‐ und Prüfsysteme im Prüffeld einer Erzeugnisse produzierenden Firma.
Rainer Parthier

9. Messung nichtelektrischer physikalischer Größen

Zusammenfassung
In diesem Kapitel soll auf der Basis von Messverfahren für elektrische Größen die Messung von nichtelektrischen Größen erläutert werden. Dazu werden die erforderlichen Elemente einer Messkette vorgestellt und der Einfluss ihrer Eigenschaften auf die Messung diskutiert. Den größten Teil dieses Kapitels nimmt die Sensorik ein. Anhand ausgewählter Sensorprinzipien wird die Messung nichtelektrischer Größen mit elektrischen Messverfahren vorgestellt. Dabei bilden die technische Umsetzung des Messprinzips und die mit den jeweiligen Sensoren erreichbare Genauigkeit den Schwerpunkt der Ausführungen.
Die Mehrzahl der in der Umwelt, auch in Produktionsprozessen, auftretenden und damit auszuwertenden physikalischen Größen sind nichtelektrischer Natur. Folglich ist die messtechnische Bewertung dieser nichtelektrischen physikalischen Größen, bzw. der von diesen Größen abgeleiteten Signale eine grundlegende Voraussetzung zur Überwachung von Umwelt‐ bzw. Produktionsprozessen.
Zur Nutzung der gewonnenen Messsignale in der Steuerungs‐ und Regelungstechnik sind vorrangig aber elektrische Signale erforderlich. Es muss somit eine Umsetzung des nichtelektrischen Signals aus der Umwelt, das die nichtelektrische physikalische Größe beschreibt, in ein elektrisches Signal erfolgen. Und zwar so, dass die interessierende Messinformation weitgehend unverfälscht erhalten bleibt.
Rainer Parthier

10. Automatisierte Messsysteme

Zusammenfassung
Sensoren und mit ihnen aufgebaute Messketten werden in der modernen Messtechnik mit einer rechnerbasierten Steuerung versehen. Dazu wird entweder das Messsystem mit einem internen Steuerrechner (embedded system) ergänzt oder mit einem geeignet konfigurierten Rechner verbunden. Es entsteht ein komfortables automatisiertes Messsystem. Dabei stellt, neben einer schnellen und auf die Belange der Aufgabenstellung abgestimmten Hardware, vor allem die zur Verfügung stehende Software ein entscheidendes Kriterium für die Leistungsfähigkeit des rechnergesteuerten Messsystems dar. Nachfolgend sollen daher einige einführende Bemerkungen zur Hard‐ und zur Software für automatisierte Messsysteme gemacht werden. Für ausführliche Information sei auf die zu dieser Problematik reichhaltige Literatur verwiesen, z. B [1–4]. Als Ergänzungsinformationen sind die von einschlägigen Herstellern von rechnergesteuerten Messsystemen auf Web‐Sites im Internet angebotenen Informationen von ihrer Aktualität her nicht zu überbieten, diese müssen aber aufgrund der Parteilichkeit der Autoren fachkundig hinterfragt werden können. Die folgenden Ausführungen sollen dazu befähigen.
Rainer Parthier

Backmatter

Weitere Informationen