Laboranleitung "Labor Grundlagen Messtechnik M3"

Laboranleitung
für das
Labor Grundlagen Messtechnik
Bachelor
Studiengang: MEC
Prof. Dr.-Ing. S. Beißner
Prof. Dr.-Ing. M. Kesting
Prof. Dr.-Ing. M. Koch
Prof. Dr.-Ing. M. Lassahn
Dipl.-Ing. A. Lieker
Dipl.-Ing. R. Schicht
Prof. Dr.-Ing. D. Stolle
Stand: 12.09.2017
Anleitung Labor Grundlagen elektrische Messtechnik
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Allgemeine Hinweise
Ziel des Labors Grundlagen der Messtechnik ist es, die in der Vorlesung Grundlagen der
Messtechnik dargestellten Zusammenhänge begleitend auch praktisch zu erlernen. Es wird
vorausgesetzt, dass die Teilnehmer den Inhalt der Lehrveranstaltung „Gleichstromtechnik“
beherrschen.
Die Versuche sind prinzipiell einfach durchzuführen. Trotzdem ist eine Vorbereitung zu dem
jeweiligen Labortermin unbedingt erforderlich, da Sie den Versuch ansonsten nicht in der
vorgesehenen Zeit beenden können. Bevor Sie das Labor beginnen, müssen Sie die Laborordnung
http://www.f1.hs-hannover.de/fachgebiete/elektrische-messtechnik/labore/index.html
zur Kenntnis genommen haben. Hier werden Sicherheitshinweise und die geltenden
Verhaltensregeln im Laborbereich des Fachgebietes elektrische Messtechnik dargelegt. Ziel ist es
die Sicherheit und die Unversehrtheit von Personen und Einrichtungen zu gewährleisten.
Im Labor sind im Studiengang MEC drei Versuche (nur Versuch 3, 4 und 6) im Semester
durchzuführen. Die Versuchstermine werden gemäß gesonderter Terminplanung im Mittel in ca. 2
bis 3 wöchigen Abständen jeweils in zwei Doppelstunden durchgeführt. Die konkreten Termine
werden durch einen Aushang im Messtechnik-Kasten und im Intranet auf den Seiten des
Fachgebietes
http://www.f1.hs-hannover.de/fachgebiete/elektrische-messtechnik/labore/laborplaene/index.html
bekannt gegeben. Die Durchführung erfolgt in der Regel in Zweier-Gruppen. Dabei ist für jeden
Versuchstermin ein Verantwortlicher zu bestimmen.
Zu den Versuchen ist es erforderlich, anhand der Versuchsanleitung ein Messprotokoll
vorzubereiten, in das Sie dann während des Versuches die von Ihnen ermittelten Messwerte
eintragen. Deshalb sind Tabellen und eine zeichnerische Darstellung der Schaltung vorzubereiten.
Weiterhin sollten Sie die verwendeten Geräte in eine Inventarliste eintragen. Empfehlung:
Verwenden Sie eine laufende Nummer oder eine eindeutige Kennzeichnung Bsp.: R1 für das
eingesetzte Gerät bzw. das eingesetzte Element. Nur so können Sie einfach einen eindeutigen
Bezug zwischen den verwendeten Geräten und den Positionen in der Schaltung herstellen.
Beispiel: Sie haben zwei Spannungsmesser.
Es muss ersichtlich sein welchen Spannungsmesser Sie wo eingesetzt haben. Dies ermöglicht erst
ein eindeutiges Nachmessen falls es erforderlich sein sollte.
Die ermittelten Messwerte sind sofort in ein Diagramm einzutragen, damit Sie schnell sehen
können, ob die Messwerte plausibel sind und in welchen Bereichen der Messkurve noch weitere
Messwerte aufzunehmen sind, weil z. B. dort die Messkurve nichtlinear ist. Achten Sie bitte auf
korrekte Darstellung der Kurven. Zur direkten Darstellung der Messkurven bringen Sie bitte
kariertes Papier oder einen Rechner mit entsprechendem Tabellenkalkulationsprogram mit.
Je Teilnehmer des Studiengangs Mechatronik (MEC) ist ein Laborbericht und als Gruppe ein
Laborprotokoll anzufertigen. Der Bericht ist dann 14 Tage nach der Durchführung beim nächsten
Labortermin abzugeben. Der Laborbericht soll den in der Industrie üblichen technischen Berichten
entsprechen und sollte auch nach den entsprechenden Richtlinien verfasst werden. Lesen Sie hierzu
bitte noch mal das Kapitel 2.7 des Skriptes Elektrische Messtechnik 1 „Technische Berichte“ und
die Hinweise unter:
http://www.f1.hs-hannover.de/fachgebiete/elektrische-messtechnik/labore/protokollbericht/index.html
bzw.
http://www.f1.hs-hannover.de/fileadmin/media/doc/f1/emt/Hinweise_Protokolle_V1_1.pdf
durch.
Stand 12.09.2017
Anleitung Labor Grundlagen elektrische Messtechnik
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Der Bericht ist vom jeweiligen Verantwortlichen der Gruppe anzufertigen. Bitte kennzeichnen Sie
den Namen deutlich und vermerken den Namen des Betreuers, damit eine Zuordnung erfolgen
kann.
Diese Protokolle sollten um die wesentlichen Versuchsergebnisse ergänzt werden. Es ist anzustreben, dass Sie diese Messprotokolle bereits bis zum Ende des Labortermins fertig stellen.
Bringen Sie bitte zum Labortermin ein Deckblatt für das Protokoll mit, das die Versuchsnummer,
die Mitglieder der Gruppe, die Gruppennummer, den Namen des Laborbetreuers und das Datum des
Versuches enthält. Sie können hierzu das Deckblatt auf der Fachgebietsseite verwenden. Am Ende
des Versuchstermins erfolgt ein kurzes Gespräch über die von Ihnen erzielten Messergebnisse, die
Sie dem Laborbetreuer näher erläutern sollen. Das Gespräch schließt mit einem Testat ab, das dann
auf dem Deckblatt bestätigt wird. Bitte fügen Sie das Protokoll mit dem vom Laborbetreuer unterschriebenen Deckblatt Ihrem Laborbericht bei. Wir behalten uns vor, die durchzuführenden
Versuchsteile zu Beginn des Versuches abzuändern.
Am Ende aller Versuche werden die Laborberichte zurückgegeben. Bitte holen Sie sich die Berichte
ab und kopieren die Berichte für den jeweiligen Laborpartner / die Laborpartnerin, damit Sie Ihre
Erfahrungen langfristig dokumentiert haben.
Technische Hinweise - Grundschaltungen und Schaltungsaufbau
Die Spannungsmessung
Bei der Spannungsmessung wird das Messinstrument zum Messobjekt parallel geschaltet.
Beispiel:
Messen einer
Gleichspannung
U
V

Ra
A
V
A
OFF
10 A
Stand 12.09.2017
μA mA Ω
COM
V
Rb
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Die Strommessung:
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Der Strommesser wird in den Stromkreis eingeschaltet. Er wird in Reihe mit dem Messobjekt
gebracht.
U
Beispiel:
Messen eines
Gleichstroms < 300 mA
Bei Strömen > 300 mA
muss die Buchse 10 A
beschaltet werden.
V

Ra
A
V
A
OFF
10 A
μA mA Ω
COM
V
Die Widerstandsmessung
Bei der Widerstandsmessung ist folgendes zu beachten:
1. Am Messobjekt darf keine Spannung anliegen!
2. Achten Sie darauf, dass der Rest der Schaltung abgetrennt ist!
V

Rx
A
V
A
OFF
10 A
Stand 12.09.2017
μA mA Ω
COM
V
Rb
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Allgemeine Hinweise zu Messgeräten
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Welche Funktion hat die Buchse COM bzw. die LO?
Die Buchse COM (engl. Common = gemeinsam (dt.)) ist die gemeinsame Buchse für Spannungsund Strommessung des Digitalmultimeters und ist bei Messgeräten der negative Bezugspunkt. Die
Buchse LO (engl. LOW = niedrig (dt.)) ist beschreibt die Seite mit dem niedrige Potential.
Abschalten des Messgerätes
Bei Handmultimetern, die batteriebetrieben sind, schaltet sich, zur Verlängerung der BatterieLebensdauer, das Gerät nach einiger Zeit (z. B. ca. 10 Minuten) nach dem letzten Betätigen einer
Taste ab. Zur Wiederaufnahme des Messbetriebes ist eine beliebige Taste zu betätigen.
Anschlüsse von Tischmultimeter
Die Anschlussbelegung von Tischmultimetern unterscheidet sich zum Teil von den
Handmultimetern. Nachfolgend ist hierzu ein Beispiel für ein Agilent U3402A gegeben.
+
Strommessung
bis 500 mA
-
Strommessung
ab 500 mA
+
+
Spannungs- und
Widerstandsmessung
-
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Wie verdrahte ich eine Schaltung?
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Im Sinne einer größtmöglichen Übersichtlichkeit sind zu beachten:






Der +Pol der Quelle und das angeschlossene Bauelement werden mit roter Messleitung verbunden
Der -Pol der Quelle und das angeschlossene Bauelement werden mit blauer Messleitung verbunden
Die Farben Rot und Blau werden nur benutzt, wenn das Messgerät oder das Bauteil direkt mit der
Spannungsquelle verbunden sind
Zum weiteren Verdrahten werden die Farben der Messleitung so gewählt, dass die Schaltung für einen
Außenstehenden übersichtlich wird
Messleitung soll knickfrei und so kurz wie möglich verwendet werden
Messleitungen müssen isoliert verlegt werden (Bild 1)
Bild 1: Der Stecker der Messleitung darf aus Sicherheitsgründen (Gefahr bei Berührung von Spannungen) nicht
ohne Isolierung auf dem Labortisch liegen.

Es sollen maximal zwei Stecker auf einer Buchse stecken (Bild 2)
Bild 2: Eine Steckeranhäufung an einer Buchse ist aus mechanischen Gründen zu vermeiden

Anschluss eines Schiebewiderstands mit Schleifkontakt (Bild 3)
C
C
A
B
A
B
Bild 3: Schiebewiderstand mit Schleifkontakt

Nachdem die Schaltung verdrahtet ist, wird sie vom aufsichtführenden Personal überprüft. Erst danach darf die
Spannungsversorgung eingeschaltet werden!
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So wird folgende Messschaltung verdrahtet:
B
Rp
C
S1
A
Uq
1
2
V Ug
L1
R1
A I1
A I2
Bild 4: Stromlaufplan der Messschaltung
Tabelle 1: Geräteliste
Lfd. Nr.
Bezeichnung
Identifikation
Kennung
1
2
3
…
Spannungsversorgung
Potentiometer
Digitalmultimeter HGL-3275
…
EML 18624
EML 15337
EML 12493
…
Uq
Rp
Ug
…

Die Bauteile werden so auf den Labortisch platziert, wie sie im Stromlaufplan eingezeichnet sind.
Bild 5: Platzierung der Bauteile

Wenn Sie keine Erfahrung mit dem Verdrahten von Schaltungen haben, dann sollten Sie einen
Verdrahtungsplan erstellen. Im Verdrahtungsplan wird angegeben, von wo nach wo eine Verbindung mit
welcher Farbe der Messleitung ausgeführt wird.
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Tabelle 2: Verdrahtungsplan
Farbe von
nach
Rot
Rot
Blau
Blau
Blau
Blau
Schwarz
Gelb
Gelb
Grün
Grün
Spannungsmesser, +Pol
Schiebewiderstand, Buchse B
Spannungsmesser, -Pol
Schiebewiderstand, Buchse A
Strommesser A1, -Pol
Strommesser A2, -Pol
Schalter S1, Eingang
Lampe L1, Buchse A
Strommesser A1, +Pol
Widerstand R1, Buchse A
Strommesser A2, +Pol
Netzteil, +Pol
Spannungsmesser, +Pol
Netzteil, -Pol
Spannungsmesser, -Pol
Schiebewiderstand, Buchse A
Strommesser A1, -Pol
Schiebewiderstand, Buchse C
Schalter S1 - Stellung 1, Ausgang
Lampe L1, Buchse B
Schalter S1 - Stellung 2, Ausgang
Widerstand R1, Buchse B
B
C
Rp
S1
A
Uq
1
2
V Ug
Bild 6: Stromlaufplan mit Farbkennzeichnung der Messleitungen
Bild 7: Vollständig verdrahtete Messschaltung
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L1
R1
A I1
A I2
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Versuch 3: Kalibrieren und Messen von U, I, R
Bei der Messung ist neben der Ermittlung der Messwerte auch die Beurteilung der Messwerte
hinsichtlich der Unsicherheit und möglicher systematischer Fehlereinflüsse wichtig. In diesem
Versuch sollen Sie Erfahrungen im Umgang mit Messgeräten gewinnen, mögliche systematische
Fehlereinflüsse zahlenmäßig ermitteln und Messunsicherheiten quantitativ beurteilen.
Das Kalibrieren von Messgeräten ist insbesondere im Hinblick auf Qualitätsprüfungen von
Produkten (ISO 9000) eine wesentliche Aufgabe von Prüfingenieuren.
Der Versuch soll deutlich machen, dass nur mit kalibrierten Geräten gemessen werden darf und wie
eine derartige Kalibrierung durchzuführen ist. Man kann ein Messgerät entweder mit einer sehr
genauen Strom- oder Spannungsquelle oder mit einem sehr guten Messgerät (Referenzmessgerät)
vergleichen. Dabei ist zu beachten, dass das Referenzmessgerät mindestens eine um den Faktor 10
geringere Fehlergrenze haben sollte als das zu kalibrierende Messgerät (Betriebsmessgerät). Durch
die Kalibriermessung erfolgt eine Übertragung der Fehlergrenzen des Referenzmessgerätes auf das
Betriebsmessgerät, wenn bei jeder späteren Messung die Fehlerkurve berücksichtigt wird. In der
Praxis erfolgt dies jedoch häufig nicht, so dass das Ergebnis der Kalibrierung lediglich die Feststellung der weiteren Eignung des Betriebsmessgerätes ist. Zu beachten ist, dass sowohl das
Referenzmessgerät als auch das Betriebsmessgerät jeweils mit derselben Messgröße beaufschlagt
werden müssen.
Ermitteln Sie die Herstellerangaben zu den Fehlergrenzen für alle Messgeräte und dokumentieren
Sie diese.
Zur Versuchsvorbereitung:
Man unterscheidet absolute und relative Abweichungen:
Absolute Abweichung (absolute Größen häufig großer Buchstabe):
(3.1)
bzw. Index a - angezeigter Messwert xa minus Index w - wahrer Messwert xw
Relative Abweichung (relative Größen häufig kleiner Buchstabe):
(3.2)
bzw. die Abweichung A wird auf den Messwert bezogen.
Herstellerangaben zu Fehlergrenzen:
Bei der Angabe der Fehlergrenzen von Messgeräten (engl. accuracy) gibt der Hersteller an welche
maximalen Abweichungen das Messgerät nicht überschreitet. Fehlergrenzen von Messgeräten sind
in der Regel als ± Werte zu verstehen, da der Hersteller das Vorzeichen meist nicht einschränken
kann. Die Hersteller unterscheiden bei den Angaben zwischen analogen und digitalen Messgeräten.
Bei analogen Messgeräten wird meist die Klassengenauigkeit k in % angegeben. Diese bezieht
sich auf den Messbereichsendwert xmax (Maximalwert im Messbereich). Die Fehlergrenze ergibt
sich dann aus
(3.3)
Bei digitalen Messgeräten geben die Hersteller meist einen relativen Anteil (Bsp. 0.3% der
Ablesung) an, der sich auf den angezeigten Messwert des Messgerätes bezieht. Dieser wird noch
Stand 12.09.2017
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- 10 um einen im Messbereich konstanten zusätzlichen Anteil erweitert, der häufig in Form von
Vielfachen (beispielsweise als counts, Digits oder LSB‘s), der Auflösung (Wertigkeit des kleinsten
unterscheidbaren Anzeigewertes) angegeben wird. Dieser Fehleranteil wird meist Digitfehler
genannt. Aus der Addition beider Anteile ergibt sich dann die Fehlergrenze des Messgerätes für
eine Messung. Die Fehlergrenze ergibt sich dann aus
%
∗
∗
ö
(3.4)
oder wenn nur ein Absolutwert Angabe (Bsp. 5mV) vorliegt
%
∗
.
(3.5)
Beispiel zu Herstellerangaben:
a) ±(0,4% of Reading + 3 digits)
Hier muss noch die Auflösung aus dem Datenblatt des Herstellers ermittelt werden um die
Fehlergrenze bestimmen zu können.
b) ±1,2% ± 7 mV
Hier ergibt sich die Fehlergrenze mit der angezeigten Spannung Ua zu
1,2% ∗
7
Die relative Unsicherheit einer Messung kann dann für den gemessenen Wert mit
(3.6)
(3.7)
berechnet werden. Im Gegensatz zu Gl. (3.2) setzt man hier im Nenner den Anzeigewert xa ein, da
man den wahren Wert nicht kennt.
Informieren Sie sich zu systematischen Fehlern selbstständig, wenn dieses Thema noch nicht in der
Vorlesung behandelt wurde.
Stand 12.09.2017
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3.1 Kalibrieren eines digitalen Spannungsmessgerätes
Ermitteln Sie bereits während des Labortermins die Abweichungen für das Messgerät, welche Basis
für die zu erstellende Kalibrierkurve (d.h. den Wert des Referenzmessgerätes als Funktion des
Wertes des Betriebsmessgerätes), ist. Stellen Sie außerdem die Kurve der absoluten Abweichungen
als Funktion des Wertes des Betriebsmessgerätes dar. Zeichnen Sie die Fehlergrenzen des
Betriebsmessgerätes und die Fehlergrenzen des Referenzmessgerätes mit in die Kurve ein. Für den
Bericht erstellen Sie außerdem die Kurve der relativen Abweichungen als Funktion des
Betriebsmessgerätes.
Das digitale Betriebsmessgerät ist mit einer Spannungsquelle zu speisen (siehe Bild 3.1). Als
Referenzmessgerät soll ein 5½ stelliges Präzisionsvoltmeter verwendet werden. Der Bereich von
0,5 V bis 6 V ist (in 0,5 Volt Schritten) zu prüfen.
USP
V
UB
V
UP
Bild 3.1: Versuchsaufbau zur Kalibrierung eines Spannungsmessers
(Index SP – Spannungsquelle; Index P – Prüfgerät; Index B – Betriebsmessgerät)
3.2 Messen von U,I
Eine reale Spannungsquelle wird dargestellt durch eine ideale Spannungsquelle Uq mit einem
künstlichen Innenwiderstand Rx1 (Bild 3.2). Stellen Sie Uq  2 V ein und messen Sie die Leerlaufspannung der realen Spannungsquelle mit einem digitalen Messgerät.
3.2.1 Messen Sie den Kurzschlussstrom IK der
Reale
Rx1
Spannungsquelle und bestimmen Sie mit
Spannungsquelle
den gemessenen Größen den Wert des
Innenwiderstandes der Spannungsquelle.
Uq
Ua
a) Wie groß ist der tatsächliche Wert des
Innenwiderstandes und des
Kurzschlussstromes?
b) Wie groß ist die relative systematische
Bild 3.2: Messung der Leerlaufspannung
Messabweichung des
Innenwiderstandes?
c) Mit welcher Fehlergrenze haben Sie den Strom, die Spannung und den Innenwiderstand
bestimmt?
3.2.2 Messen Sie den Strom Ia und die
Spannung Ua mit den digitalen Messgeräten spannungsrichtig an einem
einstellbaren Widerstand Ra (Bild 3.3)
mit 0  < Ra < 100 
a) Stellen Sie die Kurve Ia = f(Ua) dar.
b) Zeichnen Sie ebenfalls die normierten
Pa
 Ra 
Ia
Ra
 f 
Kurven  f   und
P max  Rx1 
Ik
 Rx1 
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Reale
Spannungsquelle
Uq
Rx1
Ia
Ra
Bild 3.3: Messung der Lastspannung
Ua
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Wobei für Rx1 der nicht korrigierte Messwert aus 3.2.1 zu verwenden ist.
 Erläutern Sie die Ergebnisse.
3.3 Messen von Widerständen
Nun sollen mit einer Strom-Spannungsmessung der Wert von zwei unbekannten Widerständen ermittelt werden. Messen Sie hierzu sowohl in der „spannungsrichtigen“ (Bild 3.4)
als auch in der „stromrichtigen“ (Bild 3.5) Schaltung. Die zu verwendenden Messgeräte sind
in der Tabelle 3.1 bzw. Tabelle 3.2 angegeben.
Ia
Uq
A
A
V
Ua
Bild 3.4: Messung (spannungsrichtig)
Rx
Uq
V
Ia
Ua
Rx
Bild 3.5: Messung (stromrichtig)
3.3.1 Stellen Sie für den Widerstand Rx2 eine Spannung am Messgerät von 1V ein. Führen Sie die
in Tabelle 3.1 aufgeführten Messungen durch.
Hinweis: Evtl. ist die Spannung Uq nachzustellen.
Tabelle 3.1 Einstellhinweise für die Messung von Rx2
Messung Messart
Ua/V
Analoges Gerät 1
Messbereich
1
spannungsrichtig
1
1V - Bereich
2
spannungsrichtig
1
3V - Bereich
3
stromrichtig
1
1V - Bereich
Analoges Gerät 2
Messbereich
optimaler Strombereich
optimaler Strombereich
optimaler Strombereich
3.3.2 Stellen Sie für den Widerstand Rx3 einen Strom am Messgerät von 100 mA ein. Führen Sie
die in Tabelle 3.2 aufgeführten Messungen durch. Hinweis: evtl. ist der Strom nachzustellen.
Tabelle 3.2 Einstellhinweise für die Messung von Rx3
Messung Messart
Ia/mA
Analoges Gerät 1
Messbereich
4
spannungsrichtig
100
1V - Bereich
5
stromrichtig
100
100 mA - Bereich
6
stromrichtig
100
300 mA - Bereich
Digitales Gerät 2
Messbereich
mA – Bereich
V – Bereich
V – Bereich
Auswertung:
a) Berechnen Sie für jede Messungen den Widerstand Rx2 und Rx3.
b) Korrigieren Sie die jeweiligen systematischen Abweichungen.
c) Bestimmen Sie die Fehlergrenzen der Messungen für Rx2 und Rx3.
d) Erläutern Sie warum sich die Messwerte am Messgerät 2 bei Wechsel des Messbereiches am
analogen Messgerät (Messung 1 und 2 bzw. 5 und 6) ändern.
Stand 12.09.2017
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Versuch 4: Anwendungen der Brückenschaltung
4.1 Ausschlagmessbrücke
Beim Betrieb einer Messbrücke (Bild 4.1) als Ausschlagmessbrücke ist die in der Messdiagonalen ermittelte Spannung Um0 ein Maß für die Verstimmung der Brücke und damit ein
Maß für eine Widerstandsänderung. Es sind im Folgenden verschiedene Varianten dieser
Messbrücke aufzubauen.
a)
b)
Zunächst ist eine Viertelbrücke aufzubauen. Die Brücke besteht aus einem einstellbaren
Widerstand R1 und drei Widerständen R2 = R3 = R4 = R = 100  , sowie Rabgl1 = 2  und
Rabgl2 = 100  . In der Brückendiagonale ist ein
Isp
empfindliches Spannungsmessgerät zu verwenden.
Bei einer Speisespannung von USP = 2 V ist die
R1
R3
Ri
Diagonalspannung Um0 zu messen für R1 = R ± R
Rabgl2
mit 0  < R < 100  .
Rabgl1
Usp
V
Das Diagramm Um0 = f(R/R) ist graphisch
Um0
darzustellen. Wiederholen Sie den Versuch bei
Stromeinspeisung mit ISP = 20 mA. Vergleichen Sie
R2
R4
die Ergebnisse. Wozu dienen die Abgleichwiderstände?
Bild 4.1: Viertelbrücke mit
Abgleichwiderständen
Der Versuch ist für eine Halbbrücke für U = konst.
zu wiederholen. Dabei gilt, dass der Widerstand
R1 = R + R und R2 = R - R ist. Das heißt, dass die Widerstände um denselben Betrag
vergrößert bzw. verkleinert werden. Es gilt: R3 = R4 = R = 100 .
c)
Wiederholen Sie nun den Versuch für eine Halbbrücke bei der jedoch R1 = R + R und
R3 = R - R gilt.
d)
Wiederholen Sie nun den Versuch für eine Halbbrücke bei der jedoch R1 = R + R und
R4 = R + R gilt.
Stellen Sie die Ergebnisse aus 4.1 b; c und d in ein Diagramm Um0 = f(R/R) graphisch dar und
vergleichen Sie die Kurven.
4.2 Abgleichmessbrücke
Bei einer Abgleichmessbrücke werden die Widerstände so eingestellt, dass die Diagonalspannung Um0 Null ist. Der Vorteil hierbei ist, dass kein Strom in der Brückendiagonalen
fließt.
a)
Bestimmen Sie nun den Widerstandswert von drei unbekannten Widerständen. Hierzu ist die
Brücke als Abgleichbrücke zu betreiben. Der unbekannte Widerstand ist anstelle von R2
einzusetzen. Bauen Sie die Brückenschaltung sinnvoll auf.
Stand 12.09.2017
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b)
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Als weitere Anwendung ist der Fehlerort (Erdschluss) auf einer Zweidrahtleitung zu
bestimmen, indem man den Anfang und das Ende einer Leitung zu einer Brückenschaltung
ergänzt. Dabei dient ein genaues Potentiometer bzw. Drahtwiderstand (Walzendraht) als
veränderliche Widerstände R1 und R2 (Abgleichelement Bild 4.2). Die Widerstände R3 und R4
der Brücke werden durch die zu untersuchende Leitung gebildet
Durch Vertauschen der Anschlüsse sowie Vertauschen der Einspeisung erhält man vier
Messungen. Mittels einer anschließenden Mittelwertbildung kann eine eventuelle
Messungenauigkeit eliminiert werden. Der Vorteil ist weiterhin, dass lediglich die
Widerstandsverhältnisse maßgeblich sind und direkt auf die Längenverhältnisse übertragen
werden können.
Zunächst ist die Leitung eingangsseitig mit der Brücke zu verbinden und ausgangsseitig kurz
zu schließen. Das bei Abgleich an dem Walzdraht eingestellte Widerstandsverhältnis
entspricht dem Längenverhältnis.
R1 R 3 2 l  lx

~
R2 R4
lx
R1
Leitungsnachbildung
Um0
R3
USp
R4
R2
lx
Länge l
Bild 4.2: Brückenschaltung zur Fehlerortbestimmung
Bestimmen Sie die Länge lx zum Fehlerort und geben Sie die Fehlergrenze Ihrer Messung an.
Stand 12.09.2017
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Versuch 6: Oszilloskop
6.1 Einleitung
Das Oszilloskop ist eines der wichtigsten Messgeräte in der Elektrotechnik. Es ist universell
einsetzbar. Mit einem Oszilloskop kann man nur Spannungen direkt messen. Im yt-Betrieb lässt
sich der zeitliche Verlauf der Eingangsgröße u(t) darstellen. Im xy-Betrieb wird eine Spannung y
als Funktion einer anderen Spannung x dargestellt. Hiermit lassen sich beispielsweise Bauteilkennlinien abbilden.
In diesem Versuch soll der sichere Umgang mit dem Oszilloskop erlernt werden, und es sollen die
Möglichkeiten, die dieses Messgerät bietet, aufgezeigt werden.
6.2 Grundlagen
6.2.1 Aufbau analoger Oszilloskope
Obwohl digitale Oszilloskope eine immer weitere Verbreitung finden, ist das Verständnis der
Funktionsweise eines analogen Oszilloskops für die Nutzung hilfreich, da die Bedienung der Geräte
ähnlich ist.
Die Elektronenstrahlröhre des analogen Oszilloskops erzeugt einen Elektronenstrahl, der auf dem
Bildschirm als Punkt abgebildet wird. Da es sich bei dem Elektronenstrahl um bewegte Ladungen
handelt, verändert dieser Punkt seine Lage auf dem Bildschirm bei Anlegen einer vertikalen bzw.
horizontalen Ablenkspannung (Bild 6.1).
Bild 6.1: Elektronenstrahlröhre
Legt man an die Platten zur x-Ablenkung eine ansteigende Spannung an, so bewegt sich der Punkt
horizontal über den Bildschirm. Ist der Punkt am Ende des Bildschirms angekommen, so muss der
Vorgang erneut beginnen. Hierfür muss die x-Ablenkspannung schlagartig zurückgesetzt werden.
Der zeitliche Verlauf der horizontalen Spannung entspricht damit einer Sägezahnspannung (siehe
Bild 6.3 Mitte).
Während des Rücksetzens der Ablenkspannung wird der Elektronenstrahl ausgeschaltet, damit der
rücklaufende Punkt das Schirmbild nicht stört. Die Horizontalablenkung erzeugt zunächst nur eine
waagerechte Linie. Die Geschwindigkeit, mit der der Punkt über den Bildschirm läuft, ist über die
Steigung der Sägezahnspannung einstellbar. Damit ist die für den Bildschirmdurchlauf erforderliche
Zeit festgelegt. Der Sägezahngenerator wird daher auch als Zeitbasis bezeichnet.
Die zeitlich veränderliche Amplitude des Messsignals soll eine Lageveränderung des Punktes in
vertikaler Richtung (y-Richtung) bewirken. Dazu wird das Messsignal an die y-Platten gelegt.
Bewegt sich der Lichtpunkt nun von links nach rechts und gleichzeitig entsprechend dem Signal in
y-Richtung, so entsteht das Abbild des zeitlichen Verlaufs des Signals auf dem Bildschirm.
Stand 12.09.2017
Anleitung Labor Grundlagen elektrische Messtechnik
- 16 Hat der Lichtpunkt den rechten Rand des Bildschirms erreicht, so springt er wieder zurück. Wird
jedoch direkt anschließend das periodische Signal wieder dargestellt, und sind die Frequenzen des
Signals und der Sägezahnspannung nicht identisch, erfolgt die Darstellung des nächsten Signals
etwas nach links oder rechts verschoben. Bei häufiger Wiederholung lässt sich kein stehendes Bild
mehr erkennen. Um ein stehendes Bild zu erzeugen, muss die x-Ablenkung so lange warten, bis das
Messsignal wieder die gleiche Startposition hat wie bei dem ersten Durchlauf. Nur dann schreibt
der Lichtstrahl das nächste Bild wieder genau über das Vorherige. Diese Aufgabe erfüllt das
Triggersystem des Oszilloskops.
6.2.2 Aufbau digitaler Oszilloskope
Bei digitalen Oszilloskopen werden die Spannungsverläufe durch schnelle Analog-Digital-Wandler
erfasst und in einen Speicher geschrieben, wobei jedem gespeicherten Wert ein Messzeitpunkt
zugeordnet wird (Bild 6.2). Die gespeicherten Werte werden dann auf einem Bildschirm dargestellt.
Auch mit digitalen Oszilloskopen ist eine zeitabhängige y(t)-Darstellung und eine x(y)-Darstellung
möglich. In der y(t)-Darstellung werden die gespeicherten Zeit/Messwert-Paare auf dem Bildschirm
dargestellt.
Bild 6.2: Vereinfachtes Blockschaltbild eines Digitaloszilloskops.
Mit digitalen Oszilloskopen lassen sich transiente (einmalige) Vorgänge in einfacher Weise messen.
Hierfür verwendete man den sogenannten single-shot-Modus. Da die Messwerte in digitaler Form
vorliegen, lassen sie sich leicht speichern, drucken und mathematisch weiterverarbeiten.
Stand 12.09.2017
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- 17 -
6.2.3 Triggersystem
Das Triggersystem sorgt dafür, dass auf dem Bildschirm des Oszilloskops ein stehendes Bild
erzeugt wird. Hierzu wird die Horizontalablenkung immer genau dann gestartet, wenn das
abzubildende periodische Signal einen bestimmten, vorher eingestellten Wert, die sogenannte
Triggerspannung durchläuft (Bild 6.3).
Bild 6.3 : Oben: Darzustellendes Signal mit eingezeichnetem Triggerlevel.
Mitte: Zeitlicher Verlauf der Ablenkspannung an den X-Platten.
Unten: Hieraus erzeugtes Oszillogramm.
6.2.4 Eingänge
Die Masseanschlüsse aller Eingänge sind im Oszilloskop miteinander verbunden. Bei
netzbetriebenen Oszilloskopen besteht in der Regel auch eine Verbindung der Masseanschlüsse
zum Schutzleiter. Werden mehrere Eingänge verwendet, so muss man stets darauf achten, dass über
die Masseanschlüsse kein Kurzschluss erzeugt wird.
6.2.5 Kopplung
Die Eingänge können in verschiedenen Kopplungs-Modi betrieben werden:
GND: Ground, dient zum Einstellen der Nulllinie.
DC: Direct Coupling, Das Messsignal wird direkt weiterverarbeitet. Gleich- und
Wechselspannungen werden dargestellt.
AC: Alternate Coupling, das Messsignal wird über einen in Reihe geschalteten Kondensator
geführt. Nur der Wechselanteil wird weiterverarbeitet.
Zumeist verwendet man die DC-Kopplung. Die AC-Kopplung wird angewandt, wenn man sich nur
die Wechselanteile, die einer Gleichspannung überlagert sind, genauer anschauen möchte.
6.2.6 Tastköpfe
Wenn man größere Spannungsamplituden messen muss, als das Oszilloskop darstellen kann
(typisch ±20 V), so werden diese Spannungen mit einem Spannungsteiler herunter geteilt. Derartige
Stand 12.09.2017
Anleitung Labor Grundlagen elektrische Messtechnik
- 18 Teiler gibt es in kompakter Bauform mit der üblichen Bezeichnung Tastkopf (engl. Probe). Der
Spannungsteiler, der sich aus dem Widerstand R1 im Tastkopf und dem Eingangswiderstand R2 des
Oszilloskops ergibt, ist in Bild 6.4 dargestellt. Das Spannungsteilerverhältnis muss den meisten
Oszilloskopen über das Bedienungsmenü mitgeteilt werden.
Bild 6.4: Tastkopf am Oszilloskopeingang.
Um den Einfluss der Kapazitäten auf die Signalform zu beseitigen, ist im Tastkopf die einstellbare
Kapazität C1 untergebracht. Mit ihr lässt sich der Tastkopf abgleichen. Die richtige Einstellung lässt
sich durch ein bekanntes Eingangssignal, das alle Frequenzen enthält, vornehmen. Verwendet wird
ein Rechtecksignal, dass in der Regel von dem Oszilloskop selbst zur Verfügung gestellt wird.
Nur wenn das Bild auf dem Oszilloskop ebenfalls eine Rechteckspannung darstellt, ist der Tastkopf
richtig abgeglichen. Andernfalls ergeben sich die Bilder für einen unter- oder überkompensierten
Tastkopf (Bild 6.5).
Bild 6.5: Oszillogramm eines über einen Tastkopf gemessenen Rechtecksignals.
6.3 Inbetriebnahme
Oszillografieren Sie die von dem Rechteckgenerator des Oszilloskops an dem Anschluss Demo2
zur Verfügung gestellte Rechteckspannung mit Hilfe des bereitgestellten 10/1-Tastkopfes.
Speichern Sie hierbei jeweils ein Oszillogramm eines unterkompensierten sowie eines
überkompensierten Tastkopfes. Nutzen Sie anschließend die Rechteckspannung zum Abgleich des
zur Verfügung stehenden Tastkopfes. Speichern Sie das Oszillogramm eines kompensierten
Tastkopfes.
Das Oszilloskop kann im Triggermodus „Auto“ oder im Triggermodus „Normal“ betrieben werden.
Prüfen Sie das Verhalten des Oszilloskops in den beiden Modi jeweils wenn der Triggerlevel das
Signal schneidet, und wenn er es nicht schneidet. Erläutern Sie in Ihrem Laborbericht den
Unterschied zwischen den beiden Triggermodi.
6.4 Mischspannung
Erzeugen Sie mit dem separaten Funktionsgenerator eine Mischspannung mit einem Gleichanteil
von 2 V und einer überlagerten Sinusspannung mit einer Amplitude von 1 V bei einer Frequenz von
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- 19 100 Hz. Verbinden Sie hierzu den Ausgang des Funktionsgenerators mit einem der Kanäle des
Oszilloskops. Oszillografieren Sie die Spannung jeweils einmal mit DC- und einmal mit ACKopplung. Welchen Unterschied stellen Sie fest? Koppeln Sie das Signal jetzt über einen 1,5 µF
Kondensator in der Signalleitung an das Oszilloskop an. Was messen Sie jetzt mit DC-Kopplung?
Was für eine Schaltung wird von dem 1,5 µF Kondensator und dem Eingangswiderstand des
Oszilloskops gebildet? Welche Grenzfrequenz entsteht hierbei?
6.5 Spannungsteiler
Bauen Sie gemäß Bild 6.6 einen Spannungsteiler aus zwei Widerständen R1 und R2 auf. Versorgen
Sie diesen Spannungsteiler mit einer Spannung mit einem Effektivwert von ca. 9 V und einer
Frequenz von 50 Hz aus dem bereit gestellten Steckernetzteil.
Bild 6.6: Spannungsteiler
6.5.1 Niederohmiger Spannungsteiler
Wählen Sie R2 zu 39 Ω. Berechnen Sie R1 so, dass sich der Spannungsteilungsfaktor
U OUT
1

U IN
10
ergibt. Bauen Sie den Spannungsteiler auf.
a) Oszillografieren Sie die Spannungen UIN und UOUT. Überprüfen Sie, ob der berechnete
Spannungsteilerfaktor realisiert wurde.
b) Lassen Sie das Oszilloskop außerdem über das mathematische Menü (Math) die Differenz
U D  U IN  U OUT der beiden Spannungen anzeigen. Speichern Sie das Oszillogramm.
c) Oszillografieren Sie die Teilspannungen an den Widerständen R1 und R2 gleichzeitig in
einem Oszillogramm und speichern sie dieses. Beachten Sie dabei, dass die Masseleitungen
des Oszilloskops miteinander verbunden sind.
6.5.2 Hochohmiger Spannungsteiler
Wählen Sie R2 zu 1 MΩ. Berechnen Sie R1 so, dass sich der Spannungsteilungsfaktor
U OUT
1

U IN
10
ergibt. Bauen Sie den Spannungsteiler auf.
a) Oszillografieren Sie die Spannungen UIN und UOUT. Überprüfen Sie, ob der berechnete
Spannungsteilerfaktor realisiert wurde. Speichern Sie das Oszillogramm.
b) Lassen Sie das Oszilloskop außerdem über das mathematische Menü (Math) die Differenz
U D  U IN  U OUT der beiden Spannungen anzeigen. Speichern Sie das Oszillogramm.
c) Oszillografieren Sie die Teilspannungen an den Widerständen R1 und R2 gleichzeitig in
einem Oszillogramm und speichern sie dieses. Beachten Sie dabei, dass die Masseleitungen
des Oszilloskops miteinander verbunden sind.
6.5.3 Messung der Wechselstromleistung
Wählen Sie in Bild 6.6 R1 zu 351 Ω sowie R2 als Strommesswiderstand zu 1 Ω.
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- 20 a) Stellen Sie die Spannung an R1 sowie den Strom durch R1 auf dem Oszilloskop dar. Hierzu
müssen Sie den stromproportionalen Messkanal des Oszilloskops unter den Menütasten
„Tastkopf/Einheiten“ auf die Anzeigeeinheit A (Ampere) umstellen.
b) Lassen Sie das Oszilloskop außerdem über das mathematische Menü (Math) den zeitlichen
Verlauf der Leistung an R1 darstellen. Speichern Sie das Oszillogramm.
c) Bestimmen Sie aus dem Oszillogramm die Frequenz f P , die maximale Leistung PMAX sowie
den Mittelwert P der Leistung. Überprüfen Sie rechnerisch, ob der Wert für PMAX plausibel
ist.
d) Bestimmen Sie den Mittelwert P der Leistung zur Kontrolle über das Measure (Meas)
Menü des Oszilloskops (Meas/Mittelwert-N Zyklen). Mit dieser Funktion erhalten sie den
Mittelwert über eine ganze Anzahl von Perioden.
6.6 RC-Tiefpass 1. Ordnung an Sinusspannung
Bild 6.7: RC-Tiefpass erster Ordnung
Bauen Sie aus einem 10 kΩ-Widerstand und einem 15 nF-Kondensator gemäß Bild 6.7 einen
Tiefpass auf. Berechnen Sie die Grenzfrequenz dieses Tiefpasses. Verwenden Sie als
Eingangsspannung für diesen Tiefpass eine Sinusspannung mit einem Spitze-Spitze-Wert von
5 Vpp, die Sie aus dem Funktionsgenerator entnehmen. Stellen Sie die Frequenz der
Eingangsspannung auf 100 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 1,5 kHz, 2 kHz und 3 kHz ein. Oszillografieren Sie
jeweils die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung gleichzeitig auf den beiden Kanälen des
Oszilloskops und speichern diese Bilder für Ihren Bericht auf einem USB-Stick. Bestimmen Sie aus
jedem dieser Bilder die Amplitude der Ausgangsspannung sowie die Phasendifferenz
   IN  OUT in Grad zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung. Stellen Sie in Ihrem
Bericht die normierte Ausgangsspannungsamplitude ÛOUT / ÛIN sowie die Phasendifferenz φ über
der Frequenz dar.
6.7 RC-Tiefpass 1. Ordnung an Rechteckspannung
Verwenden Sie als Eingangsspannung für den Tiefpass nun eine Rechteckspannung mit einer
Frequenz von 10 Hz und einem Spitze-Spitze-Wert von 5 Vpp, die Sie dem Funktionsgenerator
entnehmen. Stellen Sie in einem Oszillogramm die steigende Flanke der Eingangsspannung sowie
die Aufladekurve des Kondensators dar und speichern Sie dieses Bild für Ihren Bericht. Bei einem
Spannungssprung am Eingang des Tiefpasses lässt sich die Kondensatoraufladung über einen
Widerstand nach der Formel
t
 

 

U OUT t   U IN  1  e 
(6.1)


beschreiben. Hierbei stellt
die Zeitkonstante des Aufladevorgangs dar. Berechnen Sie die
Steigung der Aufladekurve zum Zeitpunkt t = 0 s. Wie lässt sich hiermit grafisch an dem
gespeicherten Bild die Zeitkonstante der RC-Kombination bestimmen? Vergleichen Sie den
grafisch bestimmten Wert für die Zeitkonstante mit dem errechneten Wert.
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