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Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2013-2014 1/31 Meßtechnik Meßtechnik Vorlesungen Wirtschaftsingenieurwesen und Ingenieurswesen.

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1 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 Meßtechnik Meßtechnik Vorlesungen Wirtschaftsingenieurwesen und Ingenieurswesen [Elektronik] FILS Studienplan 2014: 14 x 2 = 28 Stunden Vorlesung (Dienstags 12-14, CB020) Übungen: 14 Stunden (Gruppe 1223G: Mittwochs 14-16, EB105-ungerade Wochen) Übungen: 14 Stunden (Gruppe 1221G: Mittwochs 16-18, EB105-ungerade Wochen) Labor (nur Gruppe 1223G): Mittwoch EB109

2 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 Vorlesungen-Schwerpunkte: Einführung. Lernziele der Vorlesung; Maßeinheiten und Maßsysteme; Signalen und ihre Bewertung (Mittelwerte, Effektivwerte; Pegel). Ermittlung der Messunsicherheit. Die Messfehler vom geschichtlichen Standpunkt aus. Die Ermittlung von Messunsicherheiten. Elektromechanische Meßinstrumente. Das Drehspulmeßwerk. Meßbereichserweiterung. Drehspul-ampermeter, voltmeter, ohmmeter. Das Verhalten bei sinusförmigen Größen. Spitzenwert -, Mittelwert – Effektivwert – Voltmeter mit Dreshspulmeßwerk. Ferromagnetische, elektrostatische, elektrodynamische Meßwerke. Elektrodynamische Wattmeter. Zähler (Induktionsmeßwerk). Das Oszilloskop.

3 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 Vorlesungen-Schwerpunkte: Wandler und Teiler. Spannungsteiler (reiner Widerstandsteiler, gemischte RC Teiler). Shunts. Meßwandler. Messungen in Drehstromssytemen. Wirkleistungsmessung mit Hilfe der Wattmeter. Blindleistungsmessung. Wirk- und Blindleistungs- energiemessung. Direktes Einschalten der Meßgeräte und Meßschaltungen mit Meßwandler. Meßverstärker. Verstärker. Idealer und realer Verstärker. Meßverstärker. Invertierende – und nichtinvertierende Verstärker-schaltungen. Komparator. Anwendungen in der Meßtechnik. Präzisionsmeßmethode. Gleichstrombrücke. Wechselstrombrücke. Kompensatoren. Selbstabgleichende Brücke und -Kompensatoren.

4 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 Vorlesungen-Schwerpunkte: Digitales Messen. Einleitung. Digitale Signale. Abtast-theorem. Codierung und Verarbeitung digitaler Signale. Zählschaltungen. Digitale Frequenz - und Periodendauermessung. Phasenwinkelmessung. A/D und D/A Wandler. Digital-Analog Wandler. Analog-Digital Wandler (Parallel-, Nachlaufender-, Sägezahn-, Integrierte – Wandler). Direktcodierung. Spannungsfrequenzwandler (Dual-Slope, Multiple- Slope). Delta-sigma Wandler. Digitale Meßgeräte. Digitales Oszilloskop. Logikanalysor. Digitaler Spektrumanalysor. Computergesteuerte Messtechnik. Datenbusse. Serielle – und Parallele Bussysteme. Datenerfassungssysteme – Ausführungsformen und Anwendungen. Moderne (smart) Zähler in den Energiesystemen.

5 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 Literaturverzeichnis [1]Armin Schöne, Meßtechnik, Springer Verlag, 1997 [2]Reinhard Lerch, Elektrische Messtechnik, Springer, [3] Elmar Schrüfer, Elektrische Meßtechnik, Hanser Verlag, [4]Gabriele dÁntona, Al. Ferrero, Digital Signal Processing for Measurement Systems, Springer, 2006 [5] Niebuhr, Lindner, Physikalische Messtechnik mit Sensoren, Oldenbourg, 2002 [6] Bonfig, Liu, Virtuelle Instrumente und Signalverarbeitung, VDE Verlag, 2004 [7] Pfeiffer, Simulation von Meßschaltungen, Springer, 1994 [8]http://www.vlab.pub.ro/courses/messtechnik/ [9]Bernd Pesch, Messen, Kalibrieren, Prüfen, BoD, 2009

6 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 Schätzung der Studenten Kentnisse und Aktivität: Prüfung Juni 2013: 50% Test (beim Kurs): 5% Hausaufgaben : 20% Übungsstundearbeit: 30% Kommunikation: Sprechstunden: EB129, Dienstags:16-18

7 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 Verstehen die Grundzüge der elektrischen Messtechnik – Signalen, Messmethoden, Herkunft der Messunsicheheiten und statistische Messergebnisseauswertung – so daß diese die Grundlagen der weiter zu studieren Fächer bilden. Die Methoden der zur Elektrischen Ingenieurwissenschaft spezifischen technischen Problemformulierung werden eingeführt, und die Weise, physikalische Phänomena innerhalb eines bestimmten Maßeinheitensystem zu modellieren, Veruschenentwurf und die Komponenten einer Messkette zu wählen werden studiert. Die wichtigsten und am meistens verwendeten Messgeräte und ihre charakteristische Eigenschaften werden aus einer Benutzerperspektive vorgestellt: im analogen (elektromechanische Meßwerke und elektronische Messgeräte) und digitalen (Messanlagen, Messdatenerfassungssysteme) Bereich. Lernziele der Vorlesung

8 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 1. Grundlagen Das Messen (engl.: measurement) ist das quantitative Erfassen einer Größe. Die Meßgeräte erweitern dabei in einem fast unvorstellbaren Ausmaß die über unsere Sinne wahrnehmbare Umwelt. In der Meßtechnik gibt es eine Vielzahl grundlegender Begriffe. Ihre Kenntnis erleichtert die Betrachtung und das Verständnis von Einzelproblemen der Meßtechnik wesentlich. Das Messen ist immer ein experimenteller Vorgang, um den Wert physikalischer Größen als Vielfache oder Teile einer Einheit zu ermitteln  man muß eine Zahl bestimmen, die aussagt, wie oft die entsprechende Maßeinheit in der zumessende Größe enthalten ist: Größe = Zahl * Einheit

9 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 1. Grundlagen Für die Durchführung von Messungen und Prüfungen sind technische Einrichtungen als Meßeinrichtungen (engl.: measuring equipment) erforderlich. Unabhängig von deren Bauform dient dabei als Eingangsgröße stets die zu messende physikalische Größe. Sie wird als Meßgröße (engl.: measured quantity) bezeichnet. Der Wert der physikalischen Größe wird als Ausgangsgröße angezeigt oder in anderer Form ausgegeben. Für ihn gilt die Bezeichnung Meßwert (engl.: measured value).

10 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 1. Grundlagen Eingangsgröße --> Meßeinrichtung (Meßwerk) --> Ausgangsgröße die Meßgröße der Meßwert (Measured quantity) meter movement measured value Spannung die Stellung des Zeigers vor der Skala

11 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 1. Grundlagen. Definitionen. Die einfachste Bauform einer meßtechnischen Einrichtung stellt das Meßwerk (engl.: meter movement) dar, z. B. das Drehspulmeßwerk (moving-coil instrument), oder das Dreheisenmeßwerk (moving iron instrument). Die Eingangsgröße ist dabei eine Spannung und als Ausgangsgröße ergibt sich durch die Stellung des Zeigers vor der Skala die gewünschte Information über den Meßwert. Mit derartigen Meßwerken können nur recht kleine Spannungen gemessen werden. Für größere Spannungen sind bekanntlich Vorwiderstände, für mehrere Spannungsbereiche auch noch entsprechende Schalteinrichtungen erforderlich.

12 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik / Grundlagen. Definitionen. Derartige, in kompakter Bauweise gestaltete Meßeinrichtungen stellen Funktionsblöcke zur Erfüllung bestimmter Meßaufgaben dar. Sie heißen Meßinstrumente (engl.: measuring instrument oder meter), bei größeren Gehäuseabmessungen sprechen wir von Meßgeräten (engl.: measuring device). Reichen Einzelfunktionsgeräte zur Erfüllung der gestellten Aufgaben nicht aus, so bietet sich als Lösung die Zusammenschaltung verschiedener Meßgeräte und Hilfseinrichtungen zu einem System bzw. einer Anlage an. Derartige Formen heißen Meßsystem (engl.: test system) oder Meßplatz (engl.: test set), werden aber auch als Meßanlage (engl.: measuring system) bezeichnet.

13 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 1. Grundlagen. Definitionen. Von der Arbeitsweise einer beliebigen Meßeinrichtung her gesehen, können wir drei Hauptgruppen unterscheiden: manuell (engl.: manual), d.h. von Hand betätigt; automatisch (engl.: automatic), d.h. selbsttätig; halbautomatisch (engl.: semi-automatic) vollautomatisch (engl.: full-automatic) programmiert (engl.: programmable), d.h. durch Programm gesteuert.

14 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 1. Grundlagen. Definitionen. Jede Meßeinrichtung hat stets nur einen bestimmten Arbeitsbereich. Der Bereich zwischen dem minimal und dem maximal zulässigen Eingangswert der Meßgröße heißt Meßbereich (engl.: measurement range, in Kurzform: range). Werte der Meßgröße außerhalb des Meßbereiches ergeben auch eine Ausgangsgröße, jedoch ist ihre Genauigkeit (engl.: precision) nicht garantiert, während innerhalb des Meßbereiches exakte Angaben bezogen auf die Meßgenauigkeit der Einrichtung gegeben sind. Aus verschiedenen Gründen kann es bei Meßeinrichtungen zweckmäßig oder notwendig sein, den möglichen Gesamtbereich in mehrere Einzel-Meßbereiche unterteilen;

15 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 1. Grundlagen. Definitionen. um von einem Teilbereich zum anderen wechseln zu können benutzt man ein Meßbereichsumschalter (engl.: measurement range selector, in Kurzform: range selector) der, abhängig vom Typ der Meßeinrichtung manuell, automatisch oder programmgesteuert ausgelöst werden kann.

16 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 1. Grundlagen. Definitionen. Als Benutzer einer Meßeinrichtung erwarten wir, daß am Ausgang der Meßwert oder das Meßergebnis eindeutig und leicht erkennbar und/oder ablesbar ist. Den klassischen Fall einer Meßwertausgabe stellt das Meßwerk dar. Hierbei wird ein Zeiger (engl.: pointer oder needle) in Verbindung mit einer Skala (engl.: scale) benutzt. Zwischen dem Skalenanfangswert und dem Skalenendwert kann dabei jeder beliebige Wert zur Anzeige kommen. Wir sprechen daher von einer analogen Anzeige (engl.: analog readout oder analog display). Die Ablesegenauigkeit dieses Anzeigeverfahrens ist von verschiedenen Faktoren abhängig, z.B. von der Abmessung der Skala. Der Endwert wird auch Skallenvollausschlag (engl.: full scale deviation FSD) genannt. Die wertemäßige Teilung der Skala kann linear oder nicht-linear (der typische Fall: ein logarithmischer Verlauf) sein.

17 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 1. Grundlagen. Definitionen. Die bisher behandelte analoge Anzeige ermöglicht zwar theoretisch die Anzeige jedes beliebigen Meßwertes innerhalb des Meßbereiches, jedoch ist wegen der mechanischen Dimensionen nur eine begrenzte Auflösung möglich. Abhilfe ist durch die Form der digitalen Anzeige (engl.: digital readout oder digital display) realisierbar. Die Genauigkeit einer digitalen Anzeige wird von der Zahl der angezeigten Ziffern (Stellenzahl) bestimmt. N=6 ½ (Stellenzahl); Meßbereich Umax=200V  Auflösung =200/ =0.1mV

18 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik / Grundlagen. Definitionen. Für die Darstellung der Ziffern bzw. Zahlen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bezogen auf die verwendeten Technologien können wir folgende Gruppen unterscheiden: Flüssigkristall - Anzeige (engl.: liquid crystal display LCD) Fluoreszenz - Anzeige (engl.: fluorescence display) Gasentladungs - Anzeige (engl.: gas-discharge display; Nixie tube - "Numerical Indicator eXperimental)

19 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik / Grundlagen. Definitionen. Leuchtdioden - Anzeige (engl.: light emitting diode display LED) Luminiszenz - Anzeige (engl.: luminiscence display) Plasma - Anzeige (engl.: plasma display)

20 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik / Grundlagen. Definitionen. Die Realisierung der gewünschten Anzeige ist in vielfältiger Weise möglich: Segment - Anzeige (engl.: segment display) 7-Segment - Anzeige; 14-Segment – Anzeige Matrix - Anzeige (engl.: matrix display) 5x7 Matrix - Anzeige; 5x9 Matrix - Anzeige Sentec Coracle – Intelligenter EnergiezählerPowerPlayer, NL EWE-Box, Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, ISE

21 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 1. Grundlagen. Definitionen. Bei den bisher behandelten Anzeigen kann stets nur eine Information gleichzeitig zur Ausgabe gelangen. Für viele meßtechnische Probleme ist das jedoch nicht befriedigend. Als Problemlösung bietet sich dabei der Einsatz eines Bildschirmes (engl.: screen oder display) als Ausgabeeinrichtung an. Die Bildschirm - Anzeige (engl.: video display) ermöglicht eine recht universelle Art der Meßwertausgabe, da auf einer relativ kleinen Fläche Anzeigen mit großer Informationsdichte vorliegen können.

22 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 Grundlagen. Meßverfahren Als Messprinzip bezeichnet man den charakteristischen physikalischen Effekt, der zur Erfassung der Messgröße benutzt wird. Das Messverfahren bezeichnet die Art der Anwendung und Umsetzung des Messprinzips. Bei direkten Messverfahren wird der Zahlenwert einer zu messenden Größe durch direkten Vergleich mit einer Maßverkörperung der gleichen Größe gewonnen. Bei indirekten Messverfahren wird die zu ermittelnde Größe über eine andersartige Messgröße bestimmt. Sensoren arbeiten zwangsläufig mit indirekten Messverfahren.

23 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 Grundlagen. Meßverfahren

24 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 Grundlagen. Meßverfahren Analoge und digitale Messverfahren unterscheiden sich in der Art der Signalausgabe. Bei analogen Verfahren sind unendlich viele Zwischenwerte möglich. Bei digitalen Verfahren sind es diskrete Werte. Die Auswertung kann zeitkontinuierlich erfolgen oder zeitdiskontinuierlich. Informationsverluste treten beim Abtasten (engl.: sampling) von kontinuierlichen Zeitfunktionen auf, wenn das Abtasttheorem (engl.: Shannon /Nyquist theorem) nicht eingehalten wird. Es besagt, dass die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein muss, wie die höchste abzutastende Frequenz (engl.: sampling rate) im Spektrum der zu erfassenden Zeitfunktion. Zur Unsicheheitsvermeidung werden Anti-Aliasing-Filter eingesetzt.

25 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 Grundlagen. Meßverfahren Schließlich kann man nach einer Ausschlagmethode messen oder mit einer Kompensationsmethode. Bei der Ausschlagmethode wirken sich Nichtlinearitäten der Signalwandler störend aus. Bei der Kompensationsmethode findet ein Nullabgleich statt. Die Differenz zwischen Messgröße und Vergleichsgröße wird in einem Regelkreis minimiert. Der Wert der Vergleichsgröße stellt den Messwert dar.

26 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 2. Maßeinheiten und Maßsysteme. Die Festlegung von Maßeinheiten bildet daher die Grundlage des Messens. Die physikalischen Naturgesetze können durch mathematische Beziehungen wiedergegeben werden. z.B., die Spannung U ist dem Produkt RI proportional: U = konst R I im allgemeinen die Konstante=1, wenn die Einheiten für Strom, Spannung und Widerstand festgelegt sind. Indem man nur zwei Einheiten festlegt, (sei für den Strom - Ampère und für die Spannung - Volt) - kann man den Widerstand wie folgt definieren: „1  ist der Widerstand, durch den bei der Spannung 1 V, ein Strom von 1 A fließt".  U = 1 I R; 1V = 1A 1   1  ist damit eine abgeleitete Einheit. Jede Beziehung kann zur Definition einer abgeleiteten Größe herangezogen werden.

27 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 2. Maßeinheiten und Maßsysteme. Nehmen wir nun an, daß ein bestimmtes Wissensgebiet durch n Beziehungen zwischen unterschiedlichen physikalischen Größen beschrieben wird. Dieses Gebiet umfaßt r physikalischen Größen. Sei p Größen als Grundgrößen gewählt. Das bedeutet, daß nur n Größen mit den n Beziehungen abgeleitet werden können. Wenn n+p = r ist, alle Größen dieses Gebietes werden Maßeinheiten haben. Die p Grundgrößen können willkürlich festgelegt werden. Das Ziel ist möglichst mehrere Konstanten gleich 1 sein.

28 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 2. Maßeinheiten und Maßsysteme. Für die in der Meßtechnik vorgesehenen Einheiten bedarf es präziser Festlegungen oder Vereinbarungen. Dieses wurde im internationalen Rahmen durch das sog. Internationale Einheitensystem erreicht. Dieses System wurde 1960 von der "11. Generalkonferenz für Maß und Gewicht" verabschiedet und ist wegen der im Ursprung französischen Bezeichnung "Système International d'Unités" meist nur unter der Bezeichnung "SI - System" bekannt. Es ist seit 1970 durch das "Gesetz über Einheiten im Meßwesen" auch für Deutschland verbindlich. Heutzutage ist in Vorbereitung eine neue Art zur Definition des Internationalen Einheitensystems das auf die grundlegenden Konstanten basieren wird: /44/1/010/met7_1_010.pdf?request-id=4b64676f-92ea-4bcc d37e7fa3a856

29 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 2. Maßeinheiten und Maßsysteme. Der Vorteil des SI - Systems besteht darin, daß für eine Umrechnung zwischen den Einheiten keine besonderen Zahlenfaktoren erforderlich sind. Die Einheit einer Größe ergibt sich also nur aus den Einheiten anderer Größen des Systems. GebietBasisgrößeFormelzeichenBasiseinheite n Einheitenzeichen MechanikLängelMeterm MassemKilogrammkg ZeittSekundes ElektrotechnikStromstärkeIAmpereA ThermodynamikThermodynamische Temperatur TKelvinK OptikLichtstärkeILIL Candelacd ChemieStoffmengeMolmol Das SI System - Basisgrößen und Basiseinheiten:

30 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 3. Signale und Pegel In der Meßtechnik interessieren uns besonders die Größen Spannung, Strom und Leistung. Da sich, bezogen auf einen vorgegebenen Widerstand mit Hilfe des Ohm'schen Gesetzes: I = U/R und der Leistungsformel: P= U I = U²/R= I² R die drei Größen problemlos ineinander umrechnen lassen, soll für die weiteren Betrachtungen stets nur die Spannung als Beispiel herangezogen werden. Um eindeutige Aussagen bei der Darstellung der quantitativen Zusammenhänge zu erhalten, muß der zeitliche Verlauf der physikalischen Größe beachtet werden.

31 Mihaela Albu Vorlesung: Elektrische Meßtechnik /31 6. In der folgenden Tabelle fehlen die Maßeinheiten der Naturkonstanten. Mit hilfe der Naturgesetze, finden sie die entsprechende Ausdrücke, als Funktion der abgeleiteten SI Einheiten und dann, nur als Funktion der SI- Basiseinheiten. NaturkonstanteFormelzeichenZahlenwertEinheitBeziehung (SI basis Einheiten) Avogadro-KonstanteNANA 6.022·10 23 Boltzmann- KonstanteK1.380· elektrische Elementarladung e0e · elektrische Feldkonstante 0 · Faraday-KonstanteF= e 0 · N A 9.648·10 4 GravitationskonstanteG6.673· Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c0c magnetische Feldkonstante 0 ·10 -6 Masse des Elektronsm0m · Plancksches Wirkungsquantum h6.626· universelle Gaskonstante R= k· N A Beispiele und Aufgaben: nach Schrüfer, Elektrische Meßtechnik, Hanser Verlag, 1992


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