Elektrische Meßtechnik

Elektrische Meßtechnik
Von Melchior S T Ö C K L und Karl Heinz
WINTERLING
unter Mitwirkung
von Hans F R I C K E , Roman T H I E L und Paul VASKE
Herausgegeben von Paul V A S K E und Hans F R I C K E
5., neubearbeitete und erweiterte Auflage 1973
Mit 324 Bildern und 39 Beispielen
B. G. Teubner Stuttgart
Inhalt
1 Messen und Meßfehler (Karl Heinz W i n t e r l i n g und R o m a n T h i e l )
1.1 Grundbegriffe
1
1.2 Digitale und analoge Anzeige
1
1.3 Meßfehler
1.31 Fehlerquellen und Fehlerarten
1.32 Fehlergrößen
1.33 Statistische Größen
1.34 Fehlerfortpflanzung
2
2
3
4
6
1.4 Auswertung von Meßreihen
1.41 Graphische Darstellung
1.42 Regression und Korrelation
:
1.43 Auswertung stochastischer Meßreihen
1.44 Korrelationsanalyse von stochastischen zeitabhängigen Vorgängen . .
7
7
8
9
12
2 Analog anzeigende und schreibende Meßgeräte (Karl Heinz W i n t e r l i n g )
2.1 Elemente der anzeigenden Meßgeräte
2.11 Begriffserklärungen
2.12 Meß werk als Drehmomentenwaage
2.13 Anzeige und Einstellvorgang
2.131 Statische Anzeige. 2.132 Einstellvorgang
2.14 Bauelemente
2.141 Lagerung des beweglichen Organs. 2.142 Gegendrehmomente.
2.143 Dämpfungsvorrichtungen. 2.144 Skala. 2.145 Zeiger. 2.146 Lichtzeiger
2.15 Typische Bauarten
2.151 Schalttafelmeßgeräte. 2.152 Lichtmarkeninstrumente.
2.153 Meßgeräte mit Schaltkontakten
14
14
15
16
2.2 Allgemeine Bestimmungen
2.21 Genauigkeitsklassen
2.22 Skalenaufschriften und Sinnbilder
2.23 Einflußgrößen
2.3 Drehspulmeßgeräte
2.31 Aufbau und Wirkungsweise
2.311 Bauprinzip. 2.312 Wirkungsweise und Skalengleichung.
2.313 Dämpfung. 2.314 Magnetischer Kreis
22
22
22
24
24
24
17
20
VII
2.32 Drehspulmeßwerke als Strom- und Spannungsmesser
2.321 Spannungsmesser. 2.322 Strommesser
2.33 Drehspulgalvanometer
2.331 Empfindlichkeit und Anpassung. 2.332 Grenzwiderstand
2.34 Stromstoßgalvanometer
2.341 Ballistisches Galvanometer. 2.342 Kriechgalvanometer
2.35 Drehspulquotientenmeßwerke
2.36 Drehspulgeräte mit Gleichrichter
2.361 Gleichrichter. 2.362 Mittelwertgleichrichtung. 2.363 Spitzengleichrichtung
2.37 Vielfachmeßgeräte
27
30
31
33
33
37
2.4 Dreheisenmeßgeräte
2.41 Aufbau und Wirkungsweise
2.42 Strommesser
2.43 Spannungsmesser
38
38
39
40
2.5 Elektrodynamische Meßgeräte
2.51 Wirkungsweise und Skalengleichung
2.52 Bauarten
2.521 Eisenfreie Meßwerke. 2.522 Eisengeschlossene Meßwerke.
2.523 Elektrodynamische Strom- und Spannungsmesser
2.53 Wirkleistungsmesser
2.531 Schaltung. 2.532 Meßbereiche
2.54 Elektrodynamische Quotientenmesser
2.541 Kreuzspulmeßwerk. 2.542 Kreuzfeldmeßwerk
41
41
42
44
44
2.6 Weitere Meßgeräte
2.61 Drehmagnetmeßgeräte
2.611 Aufbau und Wirkungsweise. 2.612 Drehmagnet-Vibrationsgalvanometer
2.62 Induktionsmeßgeräte
2.63 Thermische Meßgeräte
2.631 Grundlagen. 2.632 Bimetallmeßgeräte. 2.633 Thermoumformer
2.64 Elektrostatische Meßgeräte
2.641 Wirkungsweise. 2.642 Spannungsmesser. 2.643 HochspannungsMeßgeräte. 2.644 Elektrometer
2.65 Zungenfrequenzmesser
45
45
2.7 Schreibende Meßgeräte
2.71 Wiedergabetreue schreibender Meßgeräte
2.72 Linienschreiber
2.721 Schreibarten. 2.722 Schreibfläche und Antrieb. 2.723 Federführung. 2.724 Meßwerk. 2.725 Schreiber mit mechanischer Drehmomentkompensation. 2.726 Schnellschreiber. 2.727 MehrfachLinienschreiber
2.73 Punktdrucker
2.74 Lichtstrahloszillographen
2.741 Schleifenschwinger. 2.742 Spulenschwinger. 2.743 Aufnahmeteehnik
51
51
53
46
47
48
50
56
57
VIII
2.8 Elektronenstrahl-Oszillographen
2.81 Oszillographenröhren
2.811 Wirkungsweise. 2.812 Ablenkempfindlichkeit. 2.813 Laufzeiteinfluß und Frequenzgrenze. 2.814 Nachbeschleunigung und Leuchtschirm
2.82 Schaltung und Baugruppen
2.821 Verstärker. 2.822 Zeitablenkteil. 2.823 Zusätzliche Einrichtungen
2.83 Sonderausführungen
59
59
63
67
3 Elektrizitätszähler (Karl Heinz W i n t e r l i n g )
3.1 Induktionszähler
3.11 Wirkungsweise
3.12 Bauteile
3.121 Läuferscheibe. 3.122 Triebwerk
3.13 Bauarten
3.131 Wirkverbrauchszähler. 3.132 Blindverbrauchszähler. 3.133 Mittelwert- und Maximumzähler. 3.134 Zähler mit Zusatzeinrichtungen
69
69
70
3.2 Zähler für Gleichstrom
3.21 Motorzähler
3.211 Amperestunden-Motorzähler. 3.212 Wattstundenzähler
3.22 Elektrolytzähler
74
74
3.3 Vorschriften
76
72
76
4 Normale, Widerstände und Meßwandler (Karl Heinz W i n t e r l i n g )
4.1 Einheiten und Normale
4.11 Einheiten
4.111 Absolute elektrische Einheiten. 4.112 Internationale Einheiten
4.12 Spannungsnormale
4.121 Normalelemente. 4.122 Normalspannungsgeräte
4.13 Normalwiderstände
4.2 Gleich- und Wechselstromwiderstände
4.21 Wirkwiderstände
4.211 Widerstandswerkstoffe. 4.212 Eigenschaften bei Wechselstrom.
4.213 Wicklungsarten. 4.214 Schleifdrähte und Potentiometer.
4.215 Schichtwiderstände
4.22 Induktivitäten
4.23 Kapazitäten
4.3 Meßwandler
4.31 Stromwandler
4.311 Schaltung. 4.312 Wirkungsweise. 4.313 Belastbarkeit. 4.314 Genauigkeitsklassen. 4.315 Nenndaten. 4.316 Arten. 4.317 Wandler
für Schaltanlagen
4.32 Spannungswandler
4.321 Schaltung. 4.322 Wirkungsweise. 4.323 Belastbarkeit.
4.324 Genauigkeitsklassen. 4.325 Ausführungen
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78
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81
81
81
85
86
88
88
93
IX
4.33 Kapazitive Spannungswandler
4.34 Wandlerfehler
4.35 Gleichstrom-Meßwandler
4.351 Hochstromwandler. 4.352 Gleichstromwandler für kleine Ströme
96
96
97
5 Elektrische Meß Verstärker (Karl Heinz W i n t e r l i n g )
5.1 Aktive Verstärkerbauelemente
100
5.11 Transistoren
100
5.111 Bipolare Transistoren. 5.112 Feldeffekttransistoren. 5.113 Integrierte Festkörperschaltkreise
5.12 Andere aktive Verstärkerbauelemente
101
5.121 Elektronenröhren. 5.122 Lichtelektrische Verstärker. 5.123 Magnetische Verstärker
5.2 Eigenschaften von Meßverstärkern
5.21 Meßverstärker als Vierpol
5.211 Ströme und Spannungen am Meßverstärker. 5.212 Verstärkung
und Verstärkungsmaß
5.22 Frequenzbandbreite
5.23 Verstärkerrauschen und Störspannungen
5.231 Rauschspannung. 5.232 Störspannungen
5.24 Operationsverstärker
5.241 Aufgabe. 5.242 Eingangsgrößen. 5.243 Frequenzgang
103
103
104
105
107
5.3 Schaltungen
109
5.31 Wechselspannungsverstärker
109
5.32 Gleichspannungsverstärker
110
5.321 Direkt gekoppelte Verstärker. 5.322 Verstärker mit Modulation
der Eingangsspannung. 5.323 Zerhackerstabilisierte Operationsverstärker
5.4 Gegenkopplung
5.41 Rückführung einer Spannung
5.411 Spannungsgegenkopplung. 5.412 Stromgegenkopplung.
5.413 Spannungsrückführung bei Differenzeingang
5.42 Rückführung eines Stromes
5.421 Inverter- und Summierschaltung. 5.422 Integrationsschaltung.
5.423 Differentiationsschaltung. 5.424 Kopplung und Gegenkopplung
mit linearen Netzwerken
5.43 Mchtlineare Schaltungen
5.431 Spannungskomparator. 5.432 Gegenkopplung mit Dioden.
5.433 Logarithmische Verstärker. 5.434 Speicherschaltungen.
5.435 Multiplikatoren
5.44 Multivibratoren und Oszillatorschaltungen
114
114
118
120
125
6 Messung von Strom, Spannung, Frequenz und Leistung (Karl Heinz
W i n t e r l i n g unter Mitwirkung von P a u l V a s k e )
6.1 Gleichstrom- und Gleichspannungsmessungen mit anzeigenden Meßgeräten 126
6.11 Einfluß von Meßgeräten auf den Meßkreis
126
X
6.12 Messung kleinster Ströme, Spannungen und Ladungen
127
6.121 Natürliche Grenze der Meßbarkeit. 6.122 Praktisches Messen.
6.123 Ladungsmessung
6.13 Messung großer Ströme und Spannungen
129
6.2 Kompensatoren
6.21 Kompensatoren für Gleichspannung
6.211 Kompensationsprinzip. 6.212 Kompensator nach Poggendorf.
6.213 Kompensator nach Lindeck-Rothe
6.22 Strom- und Spannungsmessimg mit Kompensatoren
6.23 Selbstabgleichende Kompensatoren
6.231 Selbstabgleichender Kompensator mit konstantem Hilfsstrom.
6.232 Selbstabgleichende Lindeck-Rothe-Kompensatoren
6.24 Stromkompensatoren
6.3 Wechselstrommessungen
6.31 Wechselstromgrößen
6.32 Strom- und Spannungsmessung
6.321 Wechselstrommessung. 6.322 Wechselspannungsmessung. 6.323
Wechselspannungskompensatoren. 6.324 Messung kleiner Spannungen
und Ströme
6.33 Wechselstrom-Gleichstrom-Komparatoren
6.34 Messung von Mischstrom und Mischspannung
6.35 Messung hochfrequenter Spannungen und Ströme
6.351 Drehspulmeßgeräte mit Gleichrichter. 6.352 Transistor- und
Röhrenvoltmeter. 6.353 Hochfrequenz-Strommesser
6.36 Messungen mit dem Elektronenstrahl-Oszillographen
6.361 Messung der Kurvenform. 6.362 Messung der Spannung.
6.363 Frequenz- und Phasenmessung. 6.364 Nullspannungsanzeiger.
6.365 Kennlinienschreiber
6.37 Vektormesser
6.371 Schalterarten. 6.372 Messung des linearen Mittelwerts. 6.373 Messung des Phasenwinkels und der Wirk- und Blindkomponenten.
6.374 Messung des Zeitwerts
6.4 Frequenzmessung
6.41 Zeigerfrequenzmesser
:
6.411 Zeigerfrequenzmesser mit elektrodynamischem Quotientenmeßwerk. 6.412 Zeigerfrequenzmesser mit Drehspulmeßwerken
6.42 Resonanzverfahren
6.43 Messung durch Frequenzvergleich
6.431 Mischverfahren. 6.432 Frequenzspektrometer
6.44 Synchronisierschaltungen
129
130
133
133
135
136
136
138
140
141
141
144
147
150
151
152
153
154
6.5 Messung von Arbeit, Leistung, Leistungsfaktor und Phasenwinkel
156
6.51 Schaltungen der Leistungsmesser
156
6.511 Schaltungsarten. 6.512 Eigenverbrauch
6.52 Leistungsmessung bei Gleich-und Wechselstrom
161
6.521 Gleichstrom. 6.522 Wirkleistung bei Wechselstrom. 6.523 Schemleistung. 6.524 Blindleistung. 6.525 Mittelbare Leistungsmessung bei
Wechselstrom. 6.526 Multiplikatoren
XI
6.53 Leistungsmessung bei Drehstrom
164
6.531 Dreileistungsmesser-Verfahren. 6.532 Zweileistungsmesser-Verfahren bei Vierleitersystem. 6.533 Zweileistungsmesser-Verfahren bei
Dreileitersystem (Aronschaltung).
6.534 Einleistungsmesser-Verfahren. 6.535 Blindleistungsmessung
6.54 Messung von Leistungsfaktor und Phasenwinkel
171
6.541 Unmittelbare Messung des Leistungsfaktors. 6.542 Mittelbare
Messung des Leistungsfaktors. 6.543 Messung des Phasenwinkels
6.6 Kalibrieren von Meßgeräten
6.61 Kalibrierschaltungen für Strom-, Spannungs- und Leistungsmesser. .
6.62 Kalibrierung von Galvanometern und anderen empfindlichen Meßgeräten
6.63 Kalibrierschaltungen für Zähler
6.631 Zählerfehler. 6.632 Meßgrößen. 6.633 Kalibrierschaltungen
176
177
178
180
7 Messung von Widerständen (Karl Heinz W i n t e r l i n g unter Mitwirkung
von R o m a n T h i e l )
7.1 Meßschaltungen für Gleichstrom-Widerstände
7.11 Strom-und Spannungsmessung
7.12 Strom- und Spannungsvergleich
7.121 Stromvergleich. 7.122 Spannungsvergleich. 7.123 Widerstandsmessung durch Vergleich der Meßwerkanzeigen (Ohmmeter)
7.13 Quotientenmeßverfahren
7.14 Wheatstone-Brücke
7.141 Abgeglichene Brückenschaltung. 7.142 Nicht abgeglichene
Brückenschaltung (Ausschlagbrücke). 7.143 Präzisionsmeßbrücken.
7.144 Schleifdrahtbrücken. 7.145 Messung kleiner Widerstände mit
der Schleif drahtbrücke
7.15 Thomson-Doppelbrücke
183
183
184
186
187
191
7.2 Messung großer Widerstände
7.21 Messung mit Drehspulgeräten
7.22 Messung mit elektrostatischen Spannungsmessern
7.221 Stationäres Verfahren. 7.222 Nichtstationäres Verfahren
7.23 Messung mit Verstärkerelektrometern
7.24 Messungen an Isolierstoffen
7.241 Durchgangswiderstand. 7.242 Widerstand zwischen Stöpseln.
7.243 Oberflächenwiderstand
7.25 Isolationsmessungen an Leitungen und Anlagen
192
193
194
7.3 Fehlerortsbestimmung
7.31 Begriffe
7.32 Fehlerortsbestimmung durch Widerstands- und Kapazitätsmessung
7.321 Brückenverfahren nach Murray. 7.322 Fehlerortsbestimmung
bei Leiterbruch
7.33 Fehlerortsbestimmung mit Hochfrequenz oder Impulsen
200
200
200
196
197
198
202
7.4 Messung von Wirkwiderständen mit Wechselstrom
203
7.41 Messung elektrolytischer Widerstände
203
7.42 Messung des inneren Widerstandes von galvanischen Elementen und
Akkumulatoren
204
XII
7.43 Messung von Erdungswiderständen
205
7.431 Erdungswiderstand. 7.432 Wiechert-Zipp-Brücke. 7.433 Kompensationssehaltung nach Behrend
7.5 Messung von Induktivitäten und Kapazitäten mit anzeigenden Meßgeräten . 207
7.51 Eigenschaften von Kondensatoren
207
7.52 Eigenschaften von Drosseln
208
7.53 Meßspannung und Abschirmung
209
7.54 Kapazitätsmessung mit anzeigenden Meßgeräten
209
7.55 Induktivitätsmessung mit anzeigenden Meßgeräten
211
7.56 Messung von Gegeninduktivitäten
213
7.6 Meßbrücken für Scheinwiderstände
7.61 Abgleichbedingungen
7.62 Erdung und Schirmung
7.621 Störkapazitäten. 7.622 Erdung. 7.623 Wagnerseher Hilfszweig.
7.624 Aufbau der Brücke
7.63 Brücken mit vier Blindwiderständen
7.631 CCCC-Brücke. 7.632 LLLL-Brücke. 7.633 LLCC-Brücke
7.64 Brücken mit zwei Wirk-und zwei Blindwiderständen
7.641 CCRR-Brücke. 7.642 Schering-Brücke. 7.643 LLRR-Brücke.
7.644 LRRC-Brücke. 7.645 Frequenzbrücke nach Wien-Robinson
7.65 Übertragerbrücken
7.651 Meßprinzip. 7.652 Scheinleitwertmessung
214
214
215
217
218
223
8 Messung magnetischer Größen (Paul V a s k e )
8.1 Messung magnetischer Feldgrößen
8.11 Feldgrößen und Einheiten
8.12 Messung des magnetischen Flusses
8.121 Messung von Wechselflüssen. 8.122 Messung von Gleichflüssen.
8.123 Messung der magnetischen Streuung
8.13 Messung der magnetischen Induktion
8.131 Messung mit Prüfspulen. 8.132 Hallgenerator. 8.133 Feldplatte.
8.134 Magnetometer. 8.135 Kernresonanz-Magnetfeldmesser.
8.136 Kalibrierung von Feldsonden
8.14 Messung der magnetischen Feldstärke
8.15 Messung der magnetischen Spannung
8.2 Untersuchung von ferromagnetischen Stoffen
8.21 Magnetische Eigenschaften ferromagnetischer Stoffe
.
8.211 Magnetisierung. 8.212 Ummagnetisierungsverluste
8.22 Meßeinrichtungen
8.221 Ringkerne. 8.222 Epsteinrahmen. 8.223 Weitere Blech-Prüfeinrichtungen
8.23 Gleichstrommagnetisierung
8.231 Aufnahme von Magnetisierungskurven. 8.232 Aufnahme von
Hystereseschleifen
225
225
226
229
231
232
233
233
235
237
XIII
8.24 Weehselstrommagnetisierung
238
8.241 Bestimmung der Ummagnetisierungsverluste mit dem Leistungsmesser. 8.242 Bestimmung der Ummagnetisierungsverluste
nach dem Brüekenverfahren. 8.243 Aufnahme von Magnetisierungskurven. 8.244 Aufnahme von Hystereseschleifen
9 Digital-Meßtechnik (Hans P r i c k e u n d K a r l Heinz W i n t e r l i n g )
9.1 Arbeitsweise digitaler Meßgeräte
9.11 Quantisieren
9.12 Codieren
9.13 Logische Schaltungen
9.131 Verknüpfung binärer Veränderlicher. 9.132 Ausführungen
9.14 Speicher für binäre Informationen
9.15 Zähisohaltungen
9.151 Zählketten. 9.152 Zählringe. 9.153 Ziffernanzeige
245
245
246
247
9.2 Digital-Meßgeräte
9.21 Universalzähler
9.211 Funktionsgruppen. 9.212 Wirkungsweise. 9.213 Eigenschaften
und Fehler
9.22 Digital-Analog-Umsetzer
9.221 Übertragung digitaler Meßwerte. 9.222 Funktionsprinzipien
9.23 Analog-Digital-Umsetzer und Digital-Spannungsmesser
9.231 Quantisierung von Spannungen. 9.232 Stufenkompensatoren.
9.233 Spannungs-Zeit-Umsetzer.
9.234 Spannungs-Frequenz-Umsetzer. 9.235 Digital-Spannungsmesser
9.24 Digitale Messung der elektrischen Arbeit
9.25 Selbsttätige, digitalanzeigende Meßbrücken
254
254
248
250
259
261
266
268
10 Fernmessung (Karl Heinz W i n t e r l i n g )
10.1 Unmittelbare Fernmessung
269
10.2 Analoge Fernübertragung
271
10.21 Gleichstrom-Fernübertragung
271
10.211 Grundlagen. 10.212 Meßwertübertragung mit eingeprägtem Strom. 10.213 Meßwertübertragung mit eingeprägter Spannung
10.22 Wechselstrom-Fernübertragung
273
10.23 Analoge Impuls-Fernübertragung
274
10.3 Digitale Fernübertragung
276
10.4 Mehrfach-Übertragungsverfahren
10.41 Frequenz-Multiplex-Übertragung
10.42 Zeit-Multiplex-Übertragung
10.43 Gruppenfernübertragung
277
277
277
279
XIV
11 Elektrische Messung nichtelektrischer Größen (Roman T h i e l )
11.1 Meßverfahren
280
11.2 Messung mechanischer Größen
11.21 Meßfühler
11.211 Widerstands-Meßfühler.
11.212 Induktive Meßfühler.
11.213 Kapazitive Meßfühler. 11.214 Elektrodynamische (generatorische) Meßfühler. 11.215 Piezoelektrische Meßfühler
11.22 Aufnehmer für translatorische mechanische Größen
11.221 Dehnungsaufnehmer. 11.222 Wegaufnehmer;
11.223 Schwingweg-, Schwinggeschwindigkeits- und Beschleunigungsaufnehmer. 11.224 Kraftaufnehmer. 11.225 Druckaufnehmer
11.23 Aufnehmer für rotatorische mechanische Größen
11.24 Einheitsmeßumformer
282
282
297
300
11.3 Thermisch-elektrische Meßumformer
11.31 Widerstandsthermometer
11.32 Thermoelemente
11.33 Strahlungspyrometer
300
300
302
305
11.4 Optisch-elektrische Meßumformer
11.41 Photowiderstände
11.42 Photozellen
11.43 Photoelemente
11.431 Selenphotoelement. 11.432 Germanium- und SiliziumPhotodioden und -Phbtotransistoren
306
306
307
308
11.5 Meßkette
290
.309
Anhang
1. Schrifttum
313
2. Gesetze, VDE-Bestirnmungen und Normblätter
315
3. Schaltzeichen (nach DIN 40 700 bis 40 717)
317
4. Formelzeichen
320
Sachverzeichnis
323
Hinweise auf DIN-Normen in diesem Werk entsprechen dem Stande der Normung bei Abschluß des Manuskriptes. Maßgebend sind die jeweils neuesten Ausgaben der Normblätter
des DNA im Format A 4, die durch den Beuth-Vertrieb GmbH, Berlin und Köln, zu beziehen sind. — Sinngemäß gilt das gleiche für alle in diesem Buche angezogenen amtlichen
Bestimmungen, Richtlinien, Verordnungen usw.