Taschenbuch der Messtechnik

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

1 Grundbegriffe

1.1 Gegenstand der Messtechnik

1.2 Messtechnische Disziplinen, Aufgaben und Ziele

1.2.1 Bezeichnungen

1.2.2 Strategische Ziele

1.2.3 Messtechnische Handlungen und Einrichtungen

1.3 Größen und Einheiten

1.3.1 Größen

1.3.2 Einheiten

1.4 Messgrößenwandlung

1.5 Grundstrukturen

1.6 Weiterverarbeitung

1.7 Unifizierung und Schnittstellen

1.7.1 Aufgabenunifizierung

1.7.2 Schnittstellen

1.8 Signale

1.8.1 Signalmerkmale

1.8.2 Signalwandlung

1.8.3 Abtastung und Analog/Digital-Umsetzung

1.8.4 Einheitssignale

1.9 Kennfunktionen und Kennwerte

1.9.1 Statische Kennfunktionen und Kennwerte

1.9.2 Dynamische Kennfunktionen und Kennwerte

1.9.3 Fehler

1.10 Entwicklungstendenzen

1.10.1 Historischer Rückblick

1.10.2 Ausblick

2 Messen elektrischer Größen

2.1 Größen in Gleich- und Wechselspannungssystemen

2.1.1 Gleichspannung und Gleichstrom

2.1.2 Wechselspannung und Wechselstrom

2.1.3 Grundschaltelemente

2.1.4 Wechselspannungen und Wechselströme im Dreiphasensystem

2.1.5 Impulsförmige und zufällige Spannungs- und Stromverläufe

2.1.6 Leistung

2.1.6.1 Wirkleistung

2.1.6.2 Blindleistung

2.1.6.3 Scheinleistung

2.1.6.4 Leistungsfaktor

2.1.7 Wirk- und Blindenergie

2.1.8 Größen des elektrischen und magnetischen Feldes

2.2 Messwerke und Messgeräte

2.2.1 Messung zeitlicher Verläufe

2.2.2 Messung von Gleichstrom und Gleichspannung

2.2.3 Messung des Quotienten zweier Gleichgrößen

2.2.4 Messung des Spitzenwertes

2.2.5 Messung des Gleichrichtwertes

2.2.6 Messung des Effektivwertes

2.2.7 Messung der Leistung

2.2.8 Messung der Energie

2.2.9 Messung der Frequenz

2.2.10 Messung des Phasenwinkels

2.2.11 Messung magnetischer Feldgrößen

2.2.12 Messung elektrischer Feldgrößen

2.2.13 Universalmessgeräte und Messplätze

2.2.14 Kenngrößen und Anwenderinformationen

2.3 Messzubehör

2.3.1 Normale

2.3.2 Messwiderstände

2.3.3 Spannungsteiler

2.3.4 Messwandler

2.3.5 Messumformer

2.4 Messverfahren zur Messung elektrischer Größen

2.4.1 Widerstand

2.4.2 Induktivität

2.4.3 Kapazität und Verlustfaktor

2.4.4 Spannung

2.4.5 Strom

2.4.6 Leistung

2.4.7 Energie

2.4.8 Phasenwinkel

2.4.9 Frequenz

2.4.10 Klirrfaktor

2.4.11 Formfaktor

2.4.12 Teilentladungen

2.5 Analyse elektrischer Signale

2.5.1 Harmonische Analyse

2.5.2 Fourier-Transformation

3 Messen nichtelektrischer Größen

3.1 Temperatur

3.1.1 Thermoelemente

3.1.2 Metall-Widerstandsthermometer

3.1.3 Heißleiter

3.1.4 Kaltleiter

3.1.5 Silizium-Widerstandstemperatursensor

3.1.6 Silizium-Sperrschicht-Temperatursensor

3.1.7 Quarztemperatursensor

3.1.8 Faseroptisches Lumineszenzthermometer

3.1.9 Störung des Temperaturfeldes durch Berührungsthermometer

3.1.10 Thermosäule

3.1.11 Bolometer

3.1.12 Pyroelektrischer Temperatursensor

3.1.13 Strahlungspyrometer

3.2 Druck

3.2.1 Federelastische Druckmessgeräte

3.2.2 Flüssigkeitsmanometer

3.2.3 Druckmessumformer

3.2.3.1 Druckmessumformer nach dem Dehnungsmessstreifen-(DMS-)Prinzip

3.2.3.2 Druckmessumformer nach dem piezoresistiven Prinzip

3.2.3.3 Druckmessumformer nach dem induktiven Prinzip

3.2.3.4 Druckmessumformer nach dem kapazitiven Prinzip

3.2.3.5 Druckmessumformer nach dem Prinzip der Resonanzfrequenzmessung

3.2.3.6 Druckmessumformer nach dem piezoelektrischen Prinzip

3.2.3.7 Druckmessumformer mit Schwingquarzen

3.2.3.8 Drucksensoren nach dem Prinzip der akustischen Oberflächenwellen

3.2.4 Vakuumdruckmessung

3.3 Durchfluss

3.3.1 Durchflussmessung durch energetische Beziehungen einer Strömung

3.3.2 Volumenzähler

3.3.3 Schwebekörper-Durchflussmessung

3.3.4 Magnetisch-induktive Durchflussmessung (MID)

3.3.5 Wirbelfrequenz-Durchflussmessung

3.3.6 Laufzeitverfahren (Korrelation)

3.3.7 Ultraschall-Durchflussmessung

3.3.8 Massendurchflussmessung nach dem Coriolis-Prinzip

3.3.9 Durchflussmessung auf thermischer Grundlage

3.3.10 Geschwindigkeitsmessung nach dem Laser-Doppler-Verfahren

3.4 Füllstand und Grenzstand

3.4.1 Verfahren mit Schwimmern und Tastplatten

3.4.2 Kapazitive und konduktive Füllstandsmessung

3.4.3 Füllstandsmessung mit thermischen Verfahren

3.4.4 Füllstandsmessung mit radiometrischen Verfahren

3.4.5 Füllstandsmessung mit Schall und Ultraschall

3.4.6 Füllstandsmessung mit optischen Verfahren

3.4.7 Füllstandsmessung mit Mikrowellen nach dem Radar-Prinzip

3.4.8 Füllstandsmessung über Kraft- und Druckmessungen

3.4.9 Weitere Methoden zur Grenzstandsüberwachung und zur Füllstandsmessung

3.5 Dichte

3.5.1 Dichtemessung fester Stoffe

3.5.1.1 Wägemethoden

3.5.1.2 Auftriebsmethoden

3.5.2 Dichtemessung von Flüssigkeiten

3.5.2.1 Wägemethoden, kontinuierlich und diskontinuierlich

3.5.2.2 Auftriebsmethoden, kontinuierlich und diskontinuierlich

3.5.2.3 Hydrostatische Dichtemessmethoden

3.5.2.4 Radiometrische Dichtemessmethoden

3.5.2.5 Resonanz- bzw. Schwingungsdichtemessmethoden

3.5.2.6 Spezielle Verfahren für die Dichtemessung

3.5.3 Dichtemessung von Gasen

3.5.3.1 Wäge- und Auftriebsmethoden zur Gasdichtemessung

3.5.3.2 Ausström- und Schleuderverfahren für die Gasdichtemessung

3.5.3.3 Schwingungsmethoden für die Gasdichtemessung

3.6 Viskosität

3.6.1 Abhängigkeit der Viskosität von verschiedenen Einflussgrößen

3.6.2 Kapillarviskosimeter

3.6.3 Rotationsviskosimeter

3.6.4 Verschiebung zweier konzentrischer Zylinder

3.6.5 Kugelfallviskosimeter

3.6.6 Schwebekörperviskosimeter

3.6.7 Schwingungsviskosimeter

3.7 Oberflächenspannung

3.7.1 Ringaufnehmer

3.7.2 Plattenaufnehmer

3.8 Messen mechanischer und geometrischer Größen

3.8.1 Messen von Längen und Winkeln

3.8.1.1 Mechanische Verfahren

3.8.1.2 Induktive und kapazitive Verfahren

3.8.1.3 Optische Verfahren

3.8.1.4 Ultraschallverfahren

3.8.1.5 Winkelbestimmung

3.8.2 Positionsbestimmung

3.8.2.1 Optische Verfahren

3.8.2.2 Nichtoptische Verfahren

3.8.3 Messen von Dehnungen und daraus abgeleiteten Größen

3.8.3.1 Metall-Dehnungsmessstreifen

3.8.3.2 Halbleiter-Dehnungsmessstreifen

3.8.3.3 Anordnungen von Dehnungsmessstreifen

3.8.4 Messen von Kräften

3.8.5 Beschleunigungs- und Schwingungsmessung

3.8.6 Messung der Masse

3.8.7 Drehmomentmessung

3.8.8 Messen von Oberflächeneigenschaften fester Stoffe

3.8.8.1 Bestimmung von Gestaltabweichungen

3.8.8.2 Bestimmung der Härte

3.8.8.3 Bestimmung der Schichtdicke

3.9 Zeitmessung

3.9.1 Zeitskalen

3.9.2 Zeitbasen

3.9.2.1 RC-Schaltungen

3.9.2.2 Kondensator-Konstantstromladung

3.9.2.3 LC-Oszillatoren

3.9.2.4 Quarzoszillatoren

3.9.3 Zeitsignale von Funksendern

3.9.3.1 DCF77

3.9.3.2 GPS

3.9.3.3 Galileo

3.10 Frequenzmessung

3.10.1 Bestimmung der Frequenz

3.10.2 Rückführung der Frequenz- auf die Zeitmessungen

3.10.3 Frequenzteiler, Frequenzvervielfachung

3.11 Drehzahl- und Winkellageerfassung

3.11.1 Optische Signalgeber

3.11.2 Induktive Signalgeber

3.11.3 Feldplatten- und Hall-Geber

3.11.4 Tachogenerator

3.11.5 Stroboskop

3.12 Konzentrations- und Analysenmesstechnik

3.12.1 Wichtige Grundprinzipien

3.12.1.1 Prinzip der Absorption

3.12.1.2 Prinzip der Reflexion

3.12.1.3 Prinzip der Emission

3.12.1.4 Prinzip der Chromatographie

3.12.2 Gas- und Flüssigkeitschromatographie

3.12.3 Massenspektroskopie

3.12.4 NMR-Spektroskopie

3.12.5 Röntgenfluoreszenzanalyse

3.12.6 Optische Analyseverfahren

3.12.6.1 UV/VIS-Spektroskopie

3.12.6.2 Flammenspektroskopie / AAS, AES

3.12.6.3 Funken-/Bogenspektroskopie

3.12.6.4 Fluoreszenzspektroskopie

3.12.6.5 Infrarot- und Raman-Spektroskopie

3.12.6.6 Refraktometrie

3.12.6.7 Polarimetrie

3.12.7 Kalorimetrie

3.12.8 Wärmeleitfähigkeitsmessung zur Gaskonzentrationsbestimmung

3.12.9 Wärmetönungsmessung

3.12.10 Flammenionisationsmessung

3.12.11 Sauerstoffmessung

3.12.11.1 Ringkammersauerstoffsensor

3.12.11.2 Hitzdrahtsauerstoffsensor

3.12.11.3 Magnetomechanische Geräte

3.12.11.4 Magnetopneumatische Geräte

3.12.11.5 Festkörper-Sauerstoffsensor

3.12.12 Feuchtemessung

3.12.12.1 Aspirationshygrometer

3.12.12.2 LiCl-Hygrometer

3.12.12.3 Elektrolysehygrometer

3.12.12.4 Tauspiegelhygrometer

3.12.12.5 Kapazitive Feuchtesensoren

3.12.12.6 Haarhygrometer

3.12.12.7 Bistreifenhygrometer

3.12.12.8 Neutronen-Feuchtesensor

3.12.12.9 Weitere Feuchtesensoren

3.12.13 Konduktometrie

3.12.14 Potentiometrie

3.12.14.1 pH-Wert-Sensoren

3.12.14.2 Ionenselektive Sensoren

3.12.14.3 Redoxpotentialsensoren

3.12.15 Elektrodenkinetische Messverfahren

3.12.16 Partikelmesstechnik

3.12.16.1 Mechanische Verfahren

3.12.16.2 Optische Verfahren

3.12.16.3 Sedimentationsverfahren

3.12.16.4 Feldstörungsverfahren

3.12.16.5 Akustische Verfahren

3.12.16.6 Oberflächenbestimmungsverfahren

3.12.17 Probennahme und Probenteilung

3.13 Messung ionisierender Strahlung

3.13.1 Größen und Einheiten

3.13.2 Detektoren für ?-Strahlung

3.13.2.1 Ionisationskammer

3.13.2.2 Auslösezählrohr

3.13.2.3 Szintillationszähler

3.13.2.4 Halbleiter-Strahlungsdetektor

3.13.2.5 Impulshöhenanalyse

3.13.3 Detektoren für ?-Strahlung

3.13.4 Detektoren für ?-Strahlung

3.13.5 Neutronenflussmessung

3.13.5.1 BF3-Zählrohr

3.13.5.2 Borbelegte Ionisationskammer

3.13.5.3 Spaltkammer

3.13.5.4 Neutronen-Beta-Detektoren

3.13.6 Dosismessung

3.13.7 Integriertes Mess- und Informationssystem zur Überwachung der Umweltradioaktivität

3.14 Messung optischer Größen

3.14.1 Strahlungsphysikalisches und lichttechnisches Maßsystem

3.14.2 Empfänger zur Messung optischer Strahlung

3.14.2.1 Fotowiderstände

3.14.2.2 Fotodioden

3.14.2.3 Fototransistoren

3.14.2.4 Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) und Kanalelektronenvervielfacher (KEV)

3.14.2.5 Charge Coupled Device (CCD)

3.14.2.6 Lateraleffektdioden

3.14.2.7 Breitbandige Strahlungsempfänger

3.14.2.8 UV-Sensoren

3.14.3 Besonderheiten von Empfängern für Lichtmessungen

3.14.3.1 V(?)-Anpassung

3.14.3.2 Kosinusanpassung

3.14.4 Messung lichttechnischer Größen

3.14.4.1 Verfahren der Lichtschwächung

3.14.4.2 Beleuchtungsstärke

3.14.4.3 Leuchtdichte

3.14.4.4 Lichtstrom

3.14.4.5 Lichtstärke

3.14.4.6 Lichtstärkeverteilung

3.14.4.7 Farbmessungen

3.14.4.8 Lichttechnische Stoffkennzahlen

3.14.5 Fotometrische Normale

3.14.5.1 Fotometrische Strahlungsnormale

3.14.5.2 Fotometrische Empfängernormale

3.14.5.3 Fotometrische Reflexionsnormale

3.14.5.4 Normlichtarten

3.15 Messung akustischer Größen

3.15.1 Schalldruckpegel

3.15.1.1 Bewertete Schalldruckpegel

3.15.1.2 Addition von Schalldruckpegeln

3.15.1.3 Mittelwerte des Schalldruckpegels

3.15.2 Geräte zur Messung von Schalldruckpegeln

3.15.3 Beurteilung praktischer Schallsituationen

3.15.4 Lautstärkepegel und Lautheit

3.15.4.1 Ermittlung des Lautstärkepegels durch Hörvergleich

3.15.4.2 Lautheit

3.15.4.3 Berechnung von Lautstärkepegel und Lautheit

3.15.4.4 Vergleich der Kenngrößen Schalldruckpegel, Lautstärkepegel und Lautheit

3.15.5 Schallleistungspegel

3.15.6 Direkte Messung der Schallintensität

3.15.7 Akustische Nahfeld-Holografie

4 Messelektronik

4.1 Analoge Messelektronik

4.1.1 Prinzipien der analogen Messwertverarbeitung

4.1.1.1 Strukturen und Komponenten von Messeinrichtungen

4.1.1.2 Prinzip der Rückkopplung

4.1.1.3 Varianten der elektrischen Anpassung

4.1.2 Systemkomponenten analoger Messgeräte

4.1.2.1 Tastköpfe

4.1.2.2 Sensoren in Brückenschaltungen

4.1.2.3 Messverstärker

4.1.2.4 Analoge Rechenschaltungen

4.1.2.5 Hilfsschaltungen für Messwandler

4.1.2.6 Analoge elektronische Schalter

4.1.2.7 Filter

4.2 Digitale Messelektronik

4.2.1 Grundlagen der Digitaltechnik

4.2.1.1 Zuordnungssysteme

4.2.1.2 Boolesche Algebra

4.2.1.3 Logische Grundverknüpfungen

4.2.1.4 Minimieren von Schaltfunktionen

4.2.2 Kombinatorische Grundschaltungen

4.2.2.1 Code-Umsetzer

4.2.2.2 Zahlenkomparator

4.2.2.3 Multiplexer und Demultiplexer

4.2.2.4 Addierer

4.2.3 Sequentielle Grundschaltungen

4.2.3.1 Prinzipieller Aufbau einer sequentiellen Schaltung

4.2.3.2 Monostabile Kippstufen (Monoflops)

4.2.3.3 Bistabile Kippstufen (Flipflops)

4.2.3.4 Zähler

4.2.3.5 Register und Schieberegister

4.2.4 Eigenschaften digitaler integrierter Schaltkreise

4.2.5 Anwenderspezifische Bausteine (ASICs)

4.2.5.1 Fullcustom

4.2.5.2 Semicustom

4.2.5.3 Programmierbare Logik

4.2.6 Mikrocomputer-Schaltkreise

4.2.6.1 Struktur des Mikrocomputers

4.2.6.2 Mikroprozessoren

4.2.6.3 Schreib-/Lesespeicher (RAM)

4.2.6.4 Festwertspeicher (ROM)

4.2.6.5 Ein-/Ausgabe-Bausteine

4.2.6.6 Mikrocontroller

4.2.7 Messgeräte für die Logikanalyse

4.2.7.1 Logikprüfer

4.2.7.2 Logikanalysator

5 Rechnerkopplung

5.1 Grundlagen und Begriffe

5.1.1 A/D-Umsetzer

5.1.1.1 Parallel-A/D-Umsetzer

5.1.1.2 Sukzessive-Approximation-A/D-Umsetzer

5.1.1.3 Nachlauf-A/D-Umsetzer

5.1.1.4 Rampen-A/D-Umsetzer

5.1.1.5 Dual-Slope-A/D-Umsetzer

5.1.1.6 Charge-Balancing-A/D-Umsetzer

5.1.1.7 Delta-Sigma-Umsetzer

5.1.2 D/A-Umsetzer

5.1.2.1 Stromgewichtete D/A-Umsetzer

5.1.2.2 R-2R-D/A-Umsetzer

5.2 Intelligente Sensorik

5.3 Bussysteme in der Messtechnik

5.3.1 Bus-Topologie

5.3.2 OSI-Schichtenmodell

5.3.3 Physikalische Schnittstellenstandards

5.3.3.1 RS232C

5.3.3.2 RS422

5.3.3.3 RS485

5.3.4 Datenübertragung

5.3.4.1 Busse für serielle Übertragung

5.3.4.2 Synchronisationsverfahren

5.3.4.3 Bus-Zugriffsverfahren

5.3.4.4 Bus-Protokolle

5.3.4.5 Sicherung gegen Übertragungsfehler

5.3.5 Messgerätebus IEEE488

5.3.5.1 IEEE STD 488.1

5.3.5.2 IEEE STD 488.2

5.3.6 Beispiele genormter Feldbussysteme

5.3.7 Kopplungen unterschiedlicher Bussysteme (Gateways)

5.3.8 Maßnahmen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)

6 Ausgabegeräte

6.1 Digitale Anzeigeelemente

6.1.1 Optoelektronische Anzeigeelemente

6.1.1.1 Binärsignal-Anzeige mit LED

6.1.1.2 Quasi-analoge Anzeige

6.1.1.3 Numerische Anzeige mit LCD

6.1.1.4 Alphanumerische Anzeigen

6.2 Bildsichtgeräte

6.2.1 Farbbildröhren für Monitore

6.2.1.1 Prinzipieller Aufbau

6.2.1.2 Frequenzkennwerte

6.2.1.3 Grundfunktionen der Grafikkarte

6.2.2 LCD-Bildschirme

6.3 Drucker

6.3.1 Funktionsprinzipien im Überblick

6.3.2 Kommunikations-Schnittstellen

6.3.2.1 Centronics-Schnittstelle

6.3.2.2 IEC-Bus-Schnittstelle

6.3.2.3 Serielle Schnittstelle EIA-232

6.3.2.4 USB-Schnittstelle

6.3.2.5 Firewire-Schnittstelle

7 Das Konzept Messfehler

7.1 Fehlerdefinition

7.2 Fehlerarten

7.2.1 Quantisierungsfehler und digitaler Restfehler

7.2.2 Statische Fehler

7.2.3 Dynamische Fehler

7.2.4 Systematische Fehler

7.2.5 Zufällige Fehler

7.3 Trennung von systematischen und zufälligen Fehleranteilen

7.4 Kennlinienkorrektur

7.4.1 Lineare Approximation

7.4.2 Geradenapproximation

7.4.3 Polynominterpolation

7.4.4 Spline-Interpolation

7.5 Fehlerfortpflanzung

7.6 Messbereich, Auflösung und Messgenauigkeit

7.7 Auswertung von Messergebnissen

7.7.1 Der Begriff der Messreihe

7.7.1.1 Schätzwerte und wahre Werte

7.7.1.2 Mittelwert und Erwartungswert

7.7.1.3 Stichprobenvarianz und Varianz

7.7.1.4 Mittlerer Fehler der Einzelmessung

7.7.1.5 Mittlerer Fehler des Mittelwertes

7.7.1.6 Mittlerer Fehler der Standardabweichung

7.7.1.7 Empirische Kovarianz und Korrelationskoeffizient

7.7.2 Grafische Darstellung von Messergebnissen

7.7.2.1 Histogramm und Verteilungsdichtefunktion

7.7.2.2 Summenhäufigkeit und Verteilungsfunktion

7.7.2.3 Weitere Darstellungsmöglichkeiten

7.7.3 Regressionsrechnung

7.7.3.1 Einfache lineare Regression

7.7.3.2 Vertrauensintervalle für Regressionskoeffizient und -konstante

7.7.3.3 Mehrfache lineare und nichtlineare Regression

7.7.4 Tests

7.7.4.1 Der t-Test als einseitiges Problem

7.7.4.2 Der t-Test als zweiseitiges Problem

7.7.4.3 Der ?²-Streutest

7.7.4.4 Der t-Zweistichprobentest

7.7.4.5 Der F-Test

7.7.5 Weitere Auswertungsmethoden

8 Das Konzept Messunsicherheit

8.1 Messwertverteilungen

8.2 Die Verteilungsfunktion der Ergebnisgröße

8.3 Korrelierte Eingangsdaten

8.4 Kritik an der Vorgehensweise nach dem GUM

8.5 Vorgehensweise bei der Berechnung von Messunsicherheiten

8.5.1 Schematische Vorgehensweise nach EA-4/02

8.5.2 Angabe der Messunsicherheit

8.5.3 Unsicherheitsangabe bei Digitalanzeigen

8.6 Weitere Beispiele

8.7 Ergänzende Bemerkungen

9 Einheiten und Umrechnungen

Formelzeichenverzeichnis

Verzeichnis englisch-deutscher Begriffe

Literaturverzeichnis

Sachwortverzeichnis