Taschenbuch der Meßtechnik

Mit Schwerpunkt Sensortechnik

Hans-Rolf Tränkler

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2015
• ISBN drucken:
  9783486236705
• eBook-ISBN:
  9783486790184
• Thema: Technology & Engineering
• Thema: Engineering General

Dieses Buch setzt Schwerpunkte auf den Gebieten: Meßverstärker und Meßoszillatoren, Digitale Zeit- und Frequenzmessung, Sensoren und sensorspezifische Meßsingalverarbeitung und Strukturen analoger und digitaler Meß- und Sensorsysteme. Es liefert damit die Grundlage für den Wandel von einer bisher eher komponenten-orientierten Meßtechnik hin zu einer rechnerorientierten Meßsystem-Technik.

Inhaltsverzeichnis

• Vorwort
• A) Einführung in die Meßtechnik
• 1. Bedeutung der Meßtechnik
• 1.1 Allgemeine Aufgabenstellung
• 1.2 Meßsignalverarbeitung
• 1.3 Anwendungsgebiete und spezielle Aufgabenstellungen in der Meßtechnik
• 1.4 Auswahl des Gliederungskonzeptes
• 2. Klassische Meßwertausgabe mit linearem Drehspulmeßwerk
• 2.1 Bedeutung der analogen Meßwertausgabe
• 2.2 Sonderstellung und Prinzip des linearen Drehspulmeßwerks
• 2.3 Konstruktive Gesichtspunkte
• 2.4 Dimensionierung des Permanent-Magnetkreises
• 2.5 Statische Eigenschaften des linearen Drehspulmeßwerks
• B) Übertragungseigenschaften analoger Meßglieder
• 3. Statische Übertragungseigenschaften analoger Meßglieder
• 3.1 Die statische Kennlinie eines Meßgliedes
• 3.2 Strom- und Spannungsempfindlichkeit von Drehspulmeßwerken
• 3.3 Fehler, Fehlerkurven und Fehleranteile
• 3.4 Linearitätsfehler und zulässige Fehlergrenzen
• 3.5 Einflußgrößen und Einflußeffekt
• 3.6 Fehlerfortpflanzung systematischer Fehler
• 4. Elementare Kenngrößen statistisch schwankender Meßwerte (zufällige Fehler)
• 4.1 Abgrenzung zufälliger und systematischer Fehler
• 4.2 Diskrete Verteilungsfunktionen zufälliger Meßwerte
• 4.3 Gaußsche Verteilungsfunktion (Normalverteilung)
• 4.4 Gaußsche Fehlerwahrscheinlichkeit
• 4.5 Anwendungen der Gaußschen Normalverteilung
• 4.6 Andere Verteilungsfunktionen
• 4.7 Fehlerfortpflanzung zufälliger Fehler
• 4.8 On-Line-Verarbeitung zu statistischen Kennwerten
• 5. Dynamische Übertragungseigenschaften analoger Meßglieder am Beispiel des Meßgliedes 1. Ordnung
• 5.1 Zeitverhalten linearer Meßglieder
• 5.2 Antwort auf typische Testfunktionen
• 5.3 Frequenzverhalten
• 5.4 Dynamische Korrektur eines Temperaturaufnehmers
• 6. Dynamisches Verhalten von Meßgliedern 2. und höherer Ordnung
• 6.1 Das Drehspulmeßwerk als Meßglied 2. Ordnung
• 6.2 Sprungantwort eines Meßgliedes 2. Ordnung
• 6.3 Kenngrößen bei schwingender Einstellung ( (ξ‹ 1)
• 6.4 Aperiodischer Grenzfall ( (ξ= 1)
• 6.5 Die Dämpfung beim Drehspulmeßwerk
• 6.6 Frequenzgang eines Meßgliedes 2. Ordnung
• 6.7 Definition von Kenngrößen für Meßglieder höherer Ordnung aus der Sprungantwort
• C) Analoge Meßtechnik
• 7. Analoge Signalumformung mit verstärkerlosen Meßschaltungen
• 7.1 Strom-Spannungs-Umformung mit Meßwiderstand
• 7.2 Spannungsteiler und Stromteiler
• 7.3 Meßbereichserweiterung mit umschaltbarem Stromteiler
• 7.4 Direktanzeigende Widerstandsmessung
• 7.5 Nichtlineare Umformung mit Halbleiterdioden
• 8. Das Kompensationsprinzip zur Spannungs-, Strom- und Widerstandsmessung (Kompensatoren und Meßbrücken)
• 8.1 Qualitative Behandlung der Prinzipschaltungen
• 8.2 Teilkompensation und vollständige Kompensation von Spannungen
• 8.3 Stromkompensation
• 8.4 Meßbrücken im Ausschlagverfahren (Teilkompensation)
• 8.5 Wheatstone-Brücke im Abgleichverfahren (Vollständige Kompensation)
• 8.6 Thomson-Brücke für niederohmige Widerstände in Vierleitertechnik
• 8.7 Wechselstrombrücken
• 9. Funktionsbildung und Verknüpfung mit Meßwerken
• 9.1 Kernmagnetmeßwerk mit radialem Sinusfeld
• 9.2 Quotientenbestimmung mit Kreuzspulmeßwerken
• 9.3 Bildung von linearen Mittelwerten und Extremwerten
• 9.4 Bildung von quadratischen Mittelwerten
• 9.5 Multiplikation mit elektrodynamischen Meßwerken
• 9.6 Integralwertbestimmung mit Induktionszählern
• 10. Lineare Meßverstärker mit idealen Operationsverstärkern
• 10.1 Innenschaltung von Operationsverstärkern
• 10.2 Ersatzschaltbild des Operationsverstärkers
• 10.3 Anwendung von Operationsverstärkern als reine Nullverstärker
• 10.4 Das Prinzip der Gegenkopplung am Beispiel des reinen Spannungsverstärkers
• 10.5 Die vier Grundschaltungen gegengekoppelter Meßverstärker
• 10.6 Eigenschaften gegengekoppelter Meßverstärker
• 11. Eigenschaften und Anwendungen von Meßverstärkern
• 11.1 Bestimmung realer Kennwerte des reinen Spannungsverstärkers
• 11.2 Einfluß auf die Übersetzung
• 11.3 Erhöhung des Eingangswiderstandes durch Gegenkopplung
• 11.4 Verringerung des Ausgangswiderstandes bei Gegenkopplung
• 11.5 Einfluß der Gegenkopplung auf die Grenzfrequenz
• 11.6 Gründe für die Anwendung der vier Grundschaltungen gegengekoppelter Meßverstärker
• 11.7 Vom Stromverstärker mit Spannungsausgang zum Invertierer
• 11.8 Elektrometerverstärker (Instrumentation Amplifer)
• 11.9 Aktive Brückenschaltung und Präzisions- Spannungsquelle
• 12. Analoge Meßsignalverarbeitung mit Operationsverstärkern und Funktionsbausteinen
• 12.1 Addition und Subtraktion
• 12.2 Aktive Filter
• 12.3 Ladungs- und Integrationsverstärker
• 12.4 Präzisionsgleichrichtung
• 12.5 Logarithmierung von Meßsignalen
• 12.6 Analoge Multiplizierer und Anwendungen
• 13. Prinzipien und Anwendungen von Meßoszillatoren
• 13.1 Prinzip der harmonischen Oszillatoren
• 13.2 R—C-Oszillatoren
• 13.3 Linearer harmonischer Meßoszillator
• 13.4 L—C-Oszillator
• 13.5 Prinzip der Relaxations-Oszillatoren
• 13.6 Präzisions-Relaxations-Oszillator
• 13.7 Umsetzung von Spannungen in Zeit- oder Frequenzsignale
• 14. Prinzip und Anwendung des Elektronenstrahl-Oszillographen
• 14.1 Elektronenstrahlröhre
• 14.2 Bestimmung der Ablenkempfindlichkeit der Elektronenstrahlröhre
• 14.3 Darstellung des zeitlichen Verlaufs y(t) periodischer Meßsignale
• 14.4 Blockschaltbild eines Elektronenstrahl-Oszillographen in Standardführung
• 14.5 Anwendung eines Elektronenstrahl-Oszillographen im x-y-Betrieb
• 14.6 Frequenzkompensierter Eingangsteiler
• 14.7 Sondereinrichtungen und Ausblick
• 15. Die drei Grundstrukturen und das Modulationsprinzip
• 15.1 Meßsignalverarbeitung durch strukturelle Maßnahmen
• 15.2 Kettenstruktur
• 15.3 Parallelstruktur
• 15.4 Kreisstruktur
• 15.5 Modulationsprinzip
• 15.6 Theorie der Modulation und Demodulation
• 15.7 Praktisch ausgeführte Modulatoren
• 15.8 Modulatoren zur Messung nichtelektrischer Größen
• D) Digitale Meßtechnik
• 16. Quantisierung und digitale Meßsignaldarstellung
• 16.1 Informationsreduktion durch Quantisierung
• 16.2 Relativer Quantisierungsfehler
• 16.3 Wichtige Codes zur Zahlendarstellung
• 17. Dynamische Übertragungseigenschaften digitaler Meßsignale
• 17.1 Shannonsches Abtasttheorem
• 17.2 Frequenzgang bei Extrapolation 0. Ordnung
• 17.3 Abtastfehler eines Haltekreises
• 17.4 Maximalfrequenz für Nachlaufumsetzung
• 18. Struktur eines digitalen Instrumentierungs-Systems
• 18.1 Erhöhung des nutzbaren Informationsgehalts
• 18.2 Struktur von Mikroelektronik-Systemen mit dezentraler Intelligenz
• 18.3 Beschreibung der Komponenten eines mikrorechnerorientierten Instrumentierungs-Systems
• 19. Digitale Grundbausteine und digitale Zähler
• 19.1 Binäre Quantisierung durch Komparatoren und Schmitt-Trigger
• 19.2 Logische Grundschaltungen (Gatter)
• 19.3 Aufbau von bistabilen Kippstufen (Flipflops) aus Gattern
• 19.4 Aufbau und Funktion eines digitalen Zählers
• 20. Digitale Zeit- und Frequenzmessung
• 20.1 Prinzip der digitalen Zeit- und Frequenzmessung
• 20.2 Quarzoszillator
• 20.3 Digitale Zeitmessung
• 20.4 Digitale Frequenzmessung
• 20.5 Auflösung und Meßzeit bei der Periodendauer- bzw. Frequenzmessung
• 20.6 Reziprokwertbildung und Multi-Periodendauermessung
• 20.7 Meßsignalverarbeitung bei der Digitalumsetzung
• 21. Analog-Digital-Umsetzung über Zeit oder Frequenz als Zwischengröße
• 21.1 Prinzip der Analog-Digital-Umsetzung über Zeit oder Frequenz als Zwischengröße
• 21.2 Sägezahn-Umsetzer
• 21.3 Einfacher Spannungs-Frequenz-Umsetzer
• 21.4 Charge-Balancing-Umsetzer
• 21.5 Dual-Slope-Umsetzer
• 21.6 Integrierende Filterung bei integrierenden Umsetzern
• 21.7 Ausblick
• 22. Analog-Digital-Umsetzer nach dem Kompensationsprinzip
• 22.1 Prinzip der Analog-Digital-Umsetzung nach dem Kompensationsprinzip
• 22.2 Digital-Analog-Umsetzer mit bewerteten Leitwerten
• 22.3 Digital-Analog-Umsetzer mit Widerstands- Kettenleiter
• 22.4 Inkremental-Umsetzer mit Einrichtungszähler
• 22.5 Nachlauf-Umsetzer mit Zweirichtungszähler
• 22.6 Inkremental-Umsetzer mit Zähleraufteilung
• 22.7 Analog-Digital-Umsetzer mit sukzessiver Approximation
• 22.8 Beispiel für den Ablauf der Umsetzung
• 23. Schnelle Analog-Digital-Umsetzung und Transientenspeicherung
• 23.1 Laufzeit-Umsetzer (Kaskaden-Umsetzer)
• 23.2 Parallele Analog-Digital-Umsetzer (Flash-Converter)
• 23.3 Seriell-Parallel/Analog-Digital-Umsetzer
• 23.4 Transienten-Speicherung
• E) Meßgrößen-Aufnehmer (Sensoren)
• 24. Sensoren und deren Umfeld
• 24.1 Einbindung der Sensoren
• 24.2 Meßeffekt und Einflußeffekt
• 24.3 Konstruktion und Fertigung von Sensoren
• 24.4 Auswerteschaltungen für Sensoren
• 24.5 Kalibrierung von Sensoren
• 24.6 Anforderungen an Sensoren
• 24.7 Signalform der Sensorsignale
• 24.8 Güteklassen von Sensoren und Anwendungsbereiche
• 25. Sensoren für geometrische Meßgrößen
• 25.1 Bedeutung und Meßprinzipien
• 25.2 Resistive Weg und Winkelaufnehmer
• 25.3 Induktive Weg- und Winkelaufnehmer
• 25.4 Kapazitive Aufnehmer für Weg und Höhenstand
• 25.5 Meßschaltungen für induktive und kapazitive Aufnehmer
• 25.6 Magnetische Aufnehmer
• 25.7 Codierte Weg- und Winkelaufnehmer
• 25.8 Inkrementale Aufnehmer
• 25.9 Laser-Interferometer
• 26. Sensoren für mechanische Beanspruchung
• 26.1 Dehnungsmessung mit Dehnungsmeßstreifen
• 26.2 Kraftmessung mit Dehnungsmeßstreifen
• 26.3 Druckmessung mit Dehnungsmeßstreifen
• 26.4 Drehmomentmessung mit Dehnungsmeßstreifen
• 26.5 Messung von Kräften über die Auslenkung von Federkörpern
• 26.6 Messung von Drücken über die Auslenkung von Federkörpern
• 26.7 Kraft- und Druckmessung über Schwingsaiten
• 26.8 Aufnehmer mit elektrodynamischer Kraftkompensation
• 26.9 Piezoelektrische Kraft- und Druckaufnehmer
• 26.10 Präzisions-Druckaufnehmer und -erzeuger
• 27. Sensoren für Durchfluß, Geschwindigkeit und Drehzahl
• 27.1 Durchflußmessung nach dem Wirkdruckverfahren
• 27.2 Durchflußmessung über Stauscheibe und Schwebekörper
• 27.3 Dichtekorrektur und Mengenbestimmung
• 27.4 Durchflußmessung über magnetische Induktion
• 27.5 Ultraschall-Durchflußmessung
• 27.6 Turbinendurchflußmesser (mittelbare Volumenzähler mit Meßflügeln)
• 27.7 Verdrängungszähler (unmittelbare Volumenzähler)
• 27.8 Drehzahl-Aufnehmer
• 27.9 Beschleunigungs-Aufnehmer mit Feder-Masse-System
• 27.10 Ausblick
• 28. Sensoren zur Temperaturmessung
• 28.1 Internationale Praktische Temperaturskala
• 28.2 Platin-Widerstandsthermometer
• 28.3 Nichtplatin-Widerstandsthermometer
• 28.4 Thermoelemente als Temperaturaufnehmer
• 28.5 Strahlungsthermometer
• 28.6 Quarzthermometer
• 28.7 Diodenthermometer (Transistorthermometer)
• 29. Sensoren für Analysenwerte
• 29.1 pH-Messung
• 29.2 Konzentrationsmessung
• 29.3 Feuchtemessung in Luft
• 29.4 Gasanalyse über der Wärmeleitfähigkeit
• 29.5 Magnetische Sauerstoffmessung
• 29.6 Gas-Chromatographie
• 29.7 Gasanalyse durch nichtdisperische Infrarot-Absorption
• 29.8 Spezielle Gassensoren
• 30. Sensorspezifische Meßsignalverarbeitung
• 30.1 Rückblick auf analoge und inkrementale Meßsignalverarbeitung
• 30.2 Grundverknüpfungen und Grundfunktionen
• 30.3 Beispielhafte physikalische Modellfunktionen
• 30.4 Skalierung und Linearisierung durch Interpolation
• 30.5 Interpolation mit kubischen Splines
• 30.6 Ausgleichskriterien zur Approximation
• 30.7 Korrektur von Einflußeffekten
• 30.8 Dynamische Korrektur von Sensoren
• 30.9 Ausblick auf weitere Aufgabenstellungen der sensorspezifischen Meßsignalverarbeitung
• F) Anhang
• 31. Einheiten, Materialeigenschaften und statistische Tabellen
• 31.1 Meßgrößen und Einheiten
• 31.2 Naturkonstanten und Materialeigenschaften
• 31.3 Tabelle zur barometrischen Höhenmessung
• 31.4 Tabellen für statistische Auswertung
• Literaturverzeichnis
• Sachregister