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Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 Meßtechnik Vorlesungen Wirtschaftsingenieurwesen und Ingenieurswesen [Elektronik] FILS II Studienplan 2015: 14 x 2 = 28 Stunden Vorlesung (Dienstags 14-16, CB105-ungerade Wochen; Freitag 9-11, EG 109-gerade Wochen) Übungen: 14 Stunden (Gruppe 1223G: Montags14-16, EI106-ungerade Wochen) Übungen: 14 Stunden (Gruppe 1221G: Montags14-16, EI106-gerade Wochen) Labor (nur Gruppe 1223G): Mittwoch 12-14 EB109 Mihaela Albu [email protected] 1/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 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. Mihaela Albu [email protected] 2/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 Vorlesungen-Schwerpunkte: Wandler und Teiler. Spannungsteiler (reine Widerstandsteiler, gemischte RC Teiler). Shunts. Meßwandler. Messungen in Drehstromssytemen. Wirkleistungsmessung mit Hilfe der Wattmeter. Blindleistungsmessung. Wirk- und Blindleistungsenergiemessung. Direktes Einschalten der Meßgeräte und Meßschaltungen mit Meßwandler. Meßverstärker. Verstärker. Ideales und reales Verstärker. Meßverstärker. Invertierende – und nichtinvertierende Verstärker-schaltungen. Komparator. Anwendungen in der Meßtechnik. Präzisionsmeßmethode. Gleichstrombrücke. Wechselstrombrücke. Kompensatoren. Selbstabgleichende Brücke und -Kompensatoren. Mihaela Albu [email protected] 3/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 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, MultipleSlope). 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. Mihaela Albu [email protected] 4/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 Literaturverzeichnis [1] Armin Schöne, Meßtechnik, Springer Verlag, 1997 [2] Reinhard Lerch, Elektrische Messtechnik, Springer, 2007. [3] Elmar Schrüfer, Elektrische Meßtechnik, Hanser Verlag, 1992. [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 Mihaela Albu [email protected] 5/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 Schätzung der Studenten Kentnisse und Aktivität: Prüfung Juni 2013: 50% Test (beim Kurs): 10% Hausaufgaben : 20% Übungsstundearbeit: 30% Kommunikation: http://www.vlab.pub.ro/courses/messtechnik/ [email protected] Sprechstunden: EB129, Dienstags:16-18 Mihaela Albu [email protected] 6/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.2. Das Drehmagnetmeßwerk Das Drehmagnetmeßwerk (engl.: moving magnet instrument) verwendet wieder eine stromdurchflossene Spule und ein Dauermagnet. Verglichen mit dem Drehspulmeßwerk ist jetzt die Funktion dieser beiden Komponenten vertauscht. Im Bild ist HI das Magnetfeld der stromdurchflossenen Ablenkspule, HM das Magnetfeld des Richtmagnets und HR die resultierende magnetische Feldstärke. Die stromdurchflossene Spule der Länge l ist fest angeordnet und erzeugt in ihrem Inneren ein Magnetfeld mit der Induktion: B = µ0 (NI)/l Mihaela Albu [email protected] 7/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.2. Das Drehmagnetmeßwerk In diesem Feld ist ein kleines Dauermagnet drehbar aufgehängt. Die notwendige Rückstellkraft wird durch eine Feder oder durch das Feld eines zusätzlichen Richtmagnets gebildet. Das bewegliche Magnet zeigt die Richtung der resultierenden Feldstärke HR = HI + HM an, die von dem zu messenden Strom I abhängt: =K() I. Das Drehmagnetmeßwerk ist einfach und robust aufgebaut. Seine Empfindlichkeit ist jedoch geringer als die des Drehspulmeßwerks. Der Eigenverbrauch ist größer, da das benötigte Magnetfeld von dem zu messenden Strom selbst erzeugt werden muß. Mihaela Albu [email protected] 8/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.3. Das Dreheisenmeßwerk Das Dreheisenmeßwerk (engl.: moving iron instrument) oder das Weicheiseninstrument verwendet eine feststehende Spule, in deren Feld zwei Eisenplättchen magnetisiert werden. Es ist ein elektrisches Meßinstrument für Wechselströme und -spannungen. Nach der Ausführung der Spule unterscheidet man Rundspulinstrumente und Flachspulinstrumente. Im Spuleninneren befindet sich ein feststehender Eisenteil E1, und ein um die Spulenachse drehbarer Eisenteil E2. Sie werden gleichsinnig vom Spulenfeld aufmagnetisiert und stoßen sie sich ab. Diese abstoßende Kraft erzeugt das Drehmoment. Die Drehmomentrichtung ist unabhängig von der Stromrichtung! (Die Eisenplättchen stoßen sich immer ab!) Mihaela Albu [email protected] 9/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.3. Das Dreheisenmeßwerk Mihaela Albu [email protected] 10/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.3. Das Dreheisenmeßwerk Laut dem Gesetz der virtuellen Verschiebungen, ist die magnetische Energie der beiden Eisenplatten gleich der Energie der Spule: Ma dW 1 1 dL 2 ; W L I 2; M a I d 2 2 d Das Rückstellmoment wird durch Feder erzeugt, d.h.: Im Abgleichzustand : M r D 1 dL 2 I 2 D d Die quadratische Skalenteilung läßt sich durch Formgebung der Eisenteile beliebig verändern (bis sie praktisch linear wird). Mihaela Albu [email protected] 11/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.3. Das Dreheisenmeßwerk Bei Wechselströmen (fi>>f0, Meßfrequenz viel größer als Eigenfrequenz ) wird das elektrische Moment durch seinen Mittelwert erscheinbar: T T 1 1 dL 1 dL 2 M el M el (t )dt i 2 (t )dt I T 0 2T d 0 2 d 1 dL 2 I M r D D 2 D d Wegen seines einfachen und robusten Aufbau, der hohen Überlastbarkeit der feststehenden Spule und der unmittelbaren Anzeige des Effektivwertes ist dieses Instrument ein sehr wichtiges Betriebsmeßinstrument. Nachteil: Der Frequenzbereich ist infolge Wirbelstrombildung im Eisen auf einige 100 Hz begrenzt. Mihaela Albu [email protected] 12/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.4. Das Elektrostatische Meßinstrument (Elektrometer) • Ist ein elektrisches Meßinstrument, das auf die elektrostatische Kraftwirkung zwischen geladenen Metallelektroden beruht. Das Elektrometer dient zur Messung von elektrischen Ladungen, Spannungen und Leistungen bei Gleich- und Wechselstrom. Messungen bei Gleichspannungen erfolgen nahezu leistungslos. Fel Q E Q Q C U ; D 2 A C d Q 2A D ; Fel A U 2 2 d M el Fel d A U 2 2 d ; M r D konst. U 2 Mihaela Albu [email protected] 13/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.5. Elektrodynamische Instrumente. Wirkungsweise Bei dem elektrodynamischen Meßwerk (Dynamometer) ist das Dauermagnet des Drehspulmeßwerks durch ein Elektromagnet ersetzt.Für den magnetischen Kreis gilt bei etwa konstantem Polschuhquerschnitt Ap: Hds H p l p 2 H 0 l0 H p l p1 H 0 l0 i2 w2 Aus der Bedingung an der Grenzfläche zwischen Polschuhe und Luftspalt: Bp = B0 B p 0 r H p B0 0 H 0 r 103 ; H p H 0 2 H 0 l0 i2 w2 i2 2 H 0 l0 w2 Mihaela Albu [email protected] 14/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.5. Elektrodynamische Instrumente. Wirkungsweise die Durchflutung praktisch nur im Luftspalt aufgebracht werden muß. H0 i2 w2 i w B0 0 2 2 2l 0 2l 0 w i M el A B0 w1 i1 A w1 i1 0 2 2 ; 2l0 A M r D D 0 w1 w2 i1 i2 2l0 CE i1 i2 D mit CE 0 A w1 w2 2l0 Mihaela Albu [email protected] 15/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.5. Elektrodynamische Instrumente. Bauarten a) Eisengeschlossener magnetischer Kreis b) Eisenlose elektrodynamische Instrumente. Bei diesen Instrumenten ist B0 w2 i2 f ; mit f K cos M el d F d F sin d F sin d F cos 2 K M el w1 i1 l d cos B0 w1 i1 l d cos w2 i2 ; cos CE M el M r D i1 i2 mit C E w1 w2 d l K D Mihaela Albu [email protected] 16/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.5. Elektrodynamische Instrumente. Bauarten a) Eisengeschlossener magnetischer Kreis b) Eisenlose elektrodynamische Instrumente. Vorteil: Geringere Fehler bei hohen Frequenzen (Wirbelstromfehler entfallen, wegen der Eisenlosigkeit), d.h., das dieses Instrument kann bis mehrere kHz verwendbar sein. Nachteil: Das Drehmoment ist klein, d.h. geringere Empfindlichkeit und größerer Fremdfeldeinfluß. Mihaela Albu [email protected] 17/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.5. Elektrodynamische Instrumente. Bauarten Möglichkeiten zur Verringerung des Fremdfeldeinflusses: a) Magnetische Abschirmung durch Eisenummantelung (Abschirm bleche, in die das ganze System eingekleidet wird); b) Astatisierung (Astatisches Instrument). Diese Anordnung der Spulen ergibt oben und unten ein entgegengesetztes Moment, das sich aufhebt; in der gezeichneten Lage ( = 90°) gilt also (B0 = f(i2)): M el1 K i1 B0 BF M el 2 K i1 B0 BF M el M el1 M el 2 K i1 2B0 Mihaela Albu [email protected] 18/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.5. Elektrodynamische Instrumente. Bauarten Astatisierung Mihaela Albu [email protected] 19/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.5. Elektrodynamische Instrumente. Messung von Wechselgrößen Ist f die Frequenz der Meßgröße größer als f0 , die Eigenfrequenz des Meßwerks (f >>f0) wird konstant bleiben und der Ausschlag ergibt sich aus dem Mittelwert der einwirkenden Momente: T T 1 1 M r M el ; M r D D M el M el (t )dt M el (t )dt T 0 D T 0 Seien i1 î1 sin t ; i2 î 2 sin( t ) î1 î 2 M el (t ) C E i1 i2 C E î1 î 2 sin t sin( t ) C E cos( ) cos( 2t ) 2 î î C M el C E 1 2 cos C E I1 I 2 cos E I1 I 2 cos 2 D Mihaela Albu [email protected] 20/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.5. Elektrodynamische Instrumente. Messung von Wechselgrößen Beispiel: Wechselstrommessung. In der nebenstehenden Abbildung werden die beiden Spulen vom gleichen Strom durchflossen: i1 i2 î sin(t ) CE î 2 CE 2 I D 2 D Damit liegt ein Effektivwertmesser für Wechselstrom mit quadratischer Skalenteilung vor. Die Empfindlichkeit ist: E d C E 2 IdI C 2 E I Konst.! dI D dI D Mihaela Albu [email protected] 21/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.6. Elektrodynamische Instrumente. Leistungsmessung Für Ströme beliebiger Kurvenform gilt: (die Fourier-Reihenentwicklung). it I 0 iˆ1 sin 1t 1 iˆ2 sin 2t 2 ... T 1 2 2 2 I i 2 (t )dt I 0 I1 ... I n ... T 0 Sei u t uˆ sin t ; it iˆ sin t Mihaela Albu [email protected] 22/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.6. Elektrodynamische Instrumente. Leistungsmessung Die Wirkleistung ist der arithmetische Mittelwert der zeitlich veränderlichen Wechselstromleistung p(t) = u(t) i(t): 1 T Pw u(t ) i(t )dt U I cos T 0 Die Blindleistung ist: Pb U I sin Die Scheinleistung ist: Ps U I Pw 2 Pb2 Mihaela Albu [email protected] 23/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.6. Elektrodynamische Instrumente. Leistungsmessung im Einphasensystem. Wirkleistungsmessung (elektrodynamisches Wattmeter) CE ^ I1 I 2 cos I 1 , I 2 ; D U C I1 I; I 2 E I U cos konst. Pw Rsp D Die Empfindlichkeit ist hier konstant und die Skala ist linear geteilt. Anmerkung: Bei der praktischen Durchführung der Messung ist fogendes zu beachten: Rsp muß so liegen, daß keine hohe Spannung zwischen den Spulen anliegt. Da das Instrument die Leistung Pw anzeigt, kann auch bei einer Anzeige innerhalb des Meßbereiches der Strom- oder Spannungspfad (oder beide!) überlastet werden! Mihaela Albu [email protected] 24/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.6. Elektrodynamische Instrumente. Leistungsmessung im Einphasensystem. Wirkleistungsmessung (elektrodynamisches Wattmeter) Es bestehen zwei grundsätzlichen Anschlußmöglichkeiten : a) Stromrichtig : b) Spannungsrichtig Panz Pv R1 I v Pv Panz R1 I v 2 2 Panz Uv2 Uv2 Pv Pv Panz R sp R sp Mihaela Albu [email protected] 25/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 5. Elektromechanische Meßinstrumente. (Analoge Meßgeräte) 5.6. Elektrodynamische Instrumente. Leistungsmessung im Einphasensystem. Blindleistungsmessung Pb U I sin U I cos / 2 Um mit dem elektrodynamischen Meßwerk einen der Blindleistung proportionalen Ausschlag zu erhalten, ist eine zusätzliche Phasen-verschiebung von 90 erforderlich. Mihaela Albu [email protected] 26/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das [analoge] Oszilloskop. In der elektrischen Meßtechnik sind häufig Vorgänge zu erfassen, die sich so schnell abspielen, daß die unmittelbare Beobachtung (Aufgrund der Trägheit der menschlichen Sinne) nicht möglich ist. Viele dieser Vorgänge wiederholen sich allerdings periodisch immer wieder in der gleichen Form, sie lassen sich dann gut mit einem Oszilloskop darstellen. Grundgedanke der oszilloskopischen Meßwerterfassung ist es, den interessierenden Vorgang (z.B. den zeitlichen Verlauf einer Spannung) als Linienzug so auf einen Bildschirm zu schreiben, daß bei jeder der periodischen Wiederholungen immer das gleiche Bild gezeichnet wird. Geschieht dies öfter als ca. 20 mal pro Sekunde, sieht der Beobachter ein (scheinbar) stillstehendes Bild des untersuchten Vorgangs. Mihaela Albu [email protected] 27/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das analoge Oszilloskop. 6.1. Prinzipieller Aufbau Mihaela Albu [email protected] 28/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das analoge Oszilloskop. 6.1. Prinzipieller Aufbau Zentraler Bestandteil: die Bildröhre Arbeitsweise: durch zwei elektrische Spannungen (nicht unmittelbar zu beobachten!) ein Lichtpunkt auf einem Bildschirm in jede beliebige Position gebracht werden kann. Mihaela Albu [email protected] 29/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das analoge Oszilloskop. 6.1. Prinzipieller Aufbau Am linken Ende befindet sich die Kathode (Elektronenquelle), z.B. geheizter Wolframdraht. Die daraus aufgrund ihrer thermischen Energie austretenden Elektronen werden durch ein elektrisches Feld zwischen Kathode und Anode beschleunigt. Die Spannung an dem Wehneltzylinder (Steuerelektrode) beeinflußt die Intensität des Elektronenstrahls, der durch ein Loch im Zentrum des kreisförmigen Anodenbleches in Richtung Bildschirm austritt; ein System von Hilfsanoden (unterschiedlich vorgespannte zylindermantelförmige Elektroden) bündelt außerdem den Strahl auf einige Zehntel Millimeter Durchmesser. Das System der Strahlerzeugung ist so ausgerichtet, daß der Elektronenstrahl normalerweise auf die Mitte des Bildschirmes treffen würde. Der Strahl durchquert jedoch vorher die Ablenkplattenpaare und mit den daran angelegten Spannungen kann er auf jeden beliebigen Punkt des Bildschirmes gelenkt werden. Dabei ist die Auslenkung in der hoizontalen (oder X - ) Richtung durch eine Spannung (im Idealfall) vollkommen unabhängig von der Auslenkung in der vertikalen (oder Y - ) Richtung durch die andere Spannung. Mihaela Albu [email protected] 30/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das analoge Oszilloskop. 6.1. Prinzipieller Aufbau Der Wert der erforderlichen Ablenkspannung hängt u.a. von der Zeit ab, die die Elektronen zum Durchqueren des Ablenkfeldes brauchen, (d.h. von ihrer Geschwindigkeit). Je kleiner die Elektronengeschwindigkeit ist, desto länger kann das Ablenkfeld auf sie einwirken und desto geringer sind die zur Ablenkung erforderlichen Spannungen. Anderseits sinkt mit der Elektronengeschwindigkeit auch die höchste anwendbare Ablenkfrequenz. Eine hohe Elektronenstrahlgeschwindigkeit ist auch in Interesse einer guten Bildhelligkeit wünschenswert. Da diese Geschwindigkeit aber aufgrund der erzeugbaren maximalen Ablenkspannung begrenzt ist beschleunigt man die Elektronen nach der Ablenkung nochmals (die notwendige Nachbeschleunigungsfeldverteilung wird von einem auf der Innenseite des konischen Bildröhrenteiles aufgebrachten wendelförmigen Graphitbelag erzeugt). Mihaela Albu [email protected] 31/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das analoge Oszilloskop. 6.1. Prinzipieller Aufbau •Eine Leuchtstoffschicht wandelt die kinetische Energie der Elektronen auf dem Bildschirm in sichtbares Licht um. Aufgabe der X - und Y - Ablenkverstärker: die Erzeugung der Ablenkspannungen ( Größenordnung von einigen zehn Volt ). •Für die X - Richtung ist eine zeitproportionale Auslenkung vorgesehen. Die notwendige Spannung: ein linearer Sägezahn, der den Elektronenstrahl mit konstanter Geschwindigkeit vom linken zum rechten Bildschirmrand laufen läßt, und vom Ablenkgenerator erzeugt. Durch vergrößern der Sägezahnamplitude kann man das Bild in X - Richtung dehnen und durch einen veränderlichen Gleichspannungsanteil verschieben, so daß interessierende Bildteile vergrößert und detailliert untersucht werden können. Damit der während der schnell abfallenden Flanke des Sägezahns rücklaufende Strahl das Bild nicht stört, wird er nach Erreichen des rechten Bildrandes dunkelgesteurt und in die Startposition am linken Bildrand zurückgeführt. Mihaela Albu [email protected] 32/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das analoge Oszilloskop. 6.1. Prinzipieller Aufbau •Als Auslösekriterium dient der Triggerschaltung das Über - oder Unterschreiten (wählbar) eines bestimmten Spannungspegels (einstellbar!) der darzustellenden oder einer externen Spannung. • Trotz dieser beiden Einstellmöglichkeiten ist eine periodische Spannung vorstellbar, bei der damit kein eindeutiger Triggerpunkt (Triggerbedingung, die pro Periode genau einmal auftritt) eingestellt werden kann. In solchen Fällen ist man gezwungen zur Triggerung ein externes Signal zu verwenden, z.B. ein entsprechend gefiltertes in dem ein eindeutiger Triggerpunkt enthalten ist viele Oszilloskope enthalten übrigens schon ein Filter für einen speziellen dieser Fälle, nämlich die Triggerumschaltung auf Bild- oder Zeilensynchronimpuls eines BAS oder FBAS - Fernsehsignales. Beide Impulse haben bekanntlich gleiche Amplitude. Die Triggerung auf den breiteren Bildsynchronimpuls wird erreicht, indem ein (meist als "TV" bezeichneter) Schalter einen Tiefpaß vor die Triggerschaltung legt, der die schmaleren Zeilensynchronimpulseabschwächt. Mihaela Albu [email protected] 33/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das analoge Oszilloskop. 6.2. Funktionsweise •Liegt überhaupt kein Eingangssignal an, so tritt auch die Triggerbedingung nie ein und es wird kein Bild geschrieben. Um auch hier eine waagerechte Linie (wie es der Eingangsspannung Null entspricht) zu erhalten, besitzen fast alle Geräte eine sog. "Triggerautomatik”. Der Triggerpegel wird in dieser Betriebsart auf seinen kleinsten Wert (z.B. 2 mm Bildhöhe) festgelegt, damit auch bei fehlender Eingangsspannung schon eine Nulllinie, mit der man den Offset einstellen kann, geschrieben wird. Ist die Umstellung auf einen höheren Triggerpegel notwendig, muß auch der Automatikbetrieb abgeschaltet werden. Mihaela Albu [email protected] 34/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das analoge Oszilloskop. 6. 2. Funktionsweise •Im Signalzweig für die Vertikalablenkung befindet sich bei Zweikanalgeräten vor dem Y - Ablenkverstärker ein (schneller) elektronischer Umschalter, der die gleichzeitige Darstellung zweier verschiedener Vorgänge (und deren zeitliche Beziehung zueinander) gestattet. •Wegen der niedrigen Mehrkosten für den notwendigen zweiten Y Vorverstärker und den elektronischen Umschalter sind Zweikanalgeräte heute weit verbreitet. Davon zu unterscheiden sind jedoch die ("echten") Zweistrahloszilloskope. (Ihre Bildröhre enthält zwei unabhängige Strahlerzeugungssysteme und Y - Ablenkeinrichtungen). Mihaela Albu [email protected] 35/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das analoge Oszilloskop. 6. 2. Funktionsweise Für den Schalter sind zwei Betriebsarten möglich: Entweder es wird in einem Strahldurchlauf das erste Signal, im nächsten das zweite, dann wieder das erste usw. durchgeschaltet ("alternate"). Nachteilig bei dieser Betriebsart ist, daß jeder Vorgang nur bei jedem zweiten Strahldurchlauf dargestellt wird, was bei niedrigen Wiederholraten zu einem stärkeren Bildflimmern führt. Dann kann man die zweite Möglichkeit, nämlich das sehr schnelle Umschalten (ca. 100 000 mal pro Sekunde) zwischen beiden Signalquellen während eines Strahldurchlaufes verwenden ("chopped"). Dies hat wiederum bei schneller X - Ablenkung den Nachteil, daß man Hin - und Herschalten zwischen den beiden Kurvenzügen auf dem Bildschirm sieht. Mihaela Albu [email protected] 36/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das analoge Oszilloskop. 6. 2. Funktionsweise •Die Y - Verstärker passen die zu messenden Spannungen an den Umschalter und den Ablenkverstärker an. Außerdem gestatten sie das Hinzufügen eines veränderlichen Gleichspannungsanteils, mit dem man das Bild (für beide Kanäle unabhängig) in vertikaler Richtung verschieben kann. Ein vorschaltbarer Kondensator erlaubt die Abtrennung des Gleichspannungsanteils der massenden Spannung. •Die Y - Verstärker sollen die Form der angelegten Spannung möglichst wenig verändern. eine fehlerfreie Übertragung mit einem großen Frequenzbandes (Gleichspannung bis in den GHzbereich). •Der Eingangswiderstand beträgt meist 1 M, parallel zu einer Eingangskapazität von 10... 30 pF. Letztere belastet bei höheren Frequenzen das Meßobjekt nicht unbeträchtlich. Mihaela Albu [email protected] 37/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das analoge Oszilloskop. 6. 2. Funktionsweise Die Belastung des Meßobjektes kann durch die Verwendung eines 10:1 - Teilertastkopfes vermindert werden. Mit Ck läßt sich das Teilerverhältnis frequenzunabhängig auf 10:1 abgleichen (natürlich sinkt dann auch die Y - Eingangsempfindlichkeit des Oszilloskops um den Faktor 10). Mihaela Albu [email protected] 38/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das analoge Oszilloskop. 6. 2. Funktionsweise Im sogennanten XY - Betrieb wird auch die horizontale Strahlauslenkung durch eine externe Spannung bestimmt. Bei Zweikanalgeräten wird dann oft einer der Y - Verstärker als X - (Vor - Verstärker) verwendet. Die Grenzfrequenz der Horizontalablenkung liegt aber (aufgrund des Ablenkverstärkers) meist deutlich unter der der Vertikalablenkung, da für die sägezahnförmige Spannung die Bandbreite nicht so groß sein muß. Der XY - Betrieb wird vorwiegend bei genauen Frequenz - und Phasenvergleichen mittels Lissajous'sche Figuren (vgl. Versuch Frequenzmessung) sowie zur Kennliniendarstellung (vgl. Versuch Operationsverstärker) verwendet. Mihaela Albu [email protected] 39/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das Oszilloskop. 6.3. Aufgaben 1. Die Bestimmung der Dämpfung und Pasenverschiebung eines passiven Vierpols soll mit einem 2-Kanal-Oszilloskop erfolgen. Dazu werden die Eingangsspannung UE (2V/Div.; Tastkopf 1:1) und die Ausgangsspannung UA (20 mV/Div; Tastkopf 1:10) auf den Bildschirm im alternierenden Betrieb dargestellt (Zeitablenkung: 0.1 ms/Div). a) Bestimmen Sie die Frequenz der Spannungen. b) Wie groß ist die Dämpfung in dB? c) Wieviel Grad beträgt die Phasenverschiebung zwischen UA und UE? Mihaela Albu [email protected] 40/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das Oszilloskop. 6.3. Aufgaben 2. Auf dem Bildschirm wird eine 10 cm lange Zeitlinie geschrieben. Für den Strahlrücklauf und die Wiederherstellung der Triggerbereitschaft werden einheitlich 5 s benötigt. a) Wie groß ist bei einer X - Ablenkgeschwindigkeit von 1 s/cm, 20 s/cm, sowie 5ms/cm die Zeit, die nach einer Triggerung vergeht, bis erneut Triggerbereitschaft besteht ? b) Wie hoch darf also die Frequenz eines angelegten Sinussignals sein, damit bei jeder Periode getriggert wird ? c) Wiefiel Prozent der Periode sieht man jeweils auf dem Bildschirm ? d) Was geschieht, wenn die Frequenz über dem berechneten Wert liegt? Mihaela Albu [email protected] 41/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das Oszilloskop. 6.3. Aufgaben 3. Es ist das Oszillogramm der folgenden Spannung aufzunehmen: u(t) = 2.5 V + 0.5Vsin t Man ist bestrebt die Y - Ablenkempfindlichkeit so hoch zu wählen, daß die für Messungen nutzbare Bildschirmhöhe von 6 cm möglichst weit ausgenutzt wird. Die Y - Ablenkempfindlichkeit kann in folgenden Stufen geschaltet werden:10 V/cm; 5 V/cm; 2 V/cm; 1 V/cm; 500 mV/cm; 200 mV/cm; 100 mV/cm; 50 mV/cm; 20 mV/cm; 10 mV/cm. Welche der Einstellungen ist zu wählen wenn: a) Gleich - und Wechselspannungsanteil dargestellt werden und die vertikale Strahlposition ohne Signal auf Bildschirmmitte eingestellt ist ? b) Die vertikale Strahlposition mit dem "Y - shift" - Einsteller beliebig aber höchstens um ± 10 cm bezüglich der Bildschirmhöhe verschoben werden kann ? c) Nur der Wechselspannungsanteil dargestellt wird ? d)Wie groß ist in den drei Fällen die Amplitude des Wechselspannungsanteils auf dem Bildschirm (in cm) ? Mihaela Albu [email protected] 42/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das Oszilloskop. 6.3. Aufgaben 4. Der Y - Verstärker eines Oszilloskops habe einen Eingangswiderstan von 1 M, parallel dazu eine Eingangskapazität von 30 pF. Die Meßspannung ist mit einem 80 cm langen Koaxialkabel angeschlossen, das einen Kapazitätsbetrag von 50 pF/m besitzt. a) Wie groß ist für 50 Hz und für 5 MHz der Eingangsscheinwiderstand der Leitung? b) Am Eingang der Leitung wird nun ein 10:1 - Teilertastkopf angebracht. Wie groß ist Ck im Abgleichsfall? c) Welche Werte ergeben sich jetzt für den Eingangsscheinwiderstand bei den obigen Frequenzen ? Mihaela Albu [email protected] 43/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das Oszilloskop. 6.3. Aufgaben 5. Der gebündelte Elektronenstrahl habe beim Auftreffen auf den Bildschirm 0.4 mm Durchmesser. Es wird eine 10 cm lange Zeitlinie normaler Helligkeit geschrieben. Nun wird die X - Ablenkung abgeschaltet ohne die Helligkeit zu vermindern. Wievielfach stärker wird der Leuchtpunkt jetzt gegenüber vorher (als er nur ein Punkt der Zeitlinie war) belastet ? (Austastung des Strahls während des Rücklaufes braucht nicht berücksichtigt zu werden). Mihaela Albu [email protected] 44/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das Oszilloskop. 6.3. Aufgaben 6. Ein periodisches Signal s1(t) habe die im untenstehenden Bild dargestellte Form. Das Triggersignal ist s2(t) und die Ablenkspannung des Sägezahngenerators ist s3(t). Zeichnen Sie das auf dem Bildshirm des Oszilloskops zusehenden Signal (Coupling Schalter auf "AC"). Welche ist die Einstellung für den Triggerpegel? Mihaela Albu [email protected] 45/46 Vorlesung: Elektrische Meßtechnik 2014-2015 6. Das Oszilloskop. 6.3. Aufgaben 7. Aus dem Triggersignal (Auslösesignal) werden die Triggerimpulse abgeleitet. Bei einem periodischen Triggersignal wird die Ablenkung periodisch getriggert. Im Bild ist den Verlauf einer Ablenkspannung gezeichnet. Antworten Sie: a) der Sägezahngenerator wird einmal getriggert alle ........... s. b) Zu welchen Zeitpunkten befindet sich der Leuchtfleck am linken Rand des Schirmes? c) Auf welchen Wert ist der Schalter "Zeitkoeffizient" eingestellt, wenn uss (Spitze - Spitze Spannung) gerade ausreicht, den Leuchtfleck über die ganze Bildschirmbreite (zehn Raster) abzulenken? Mihaela Albu [email protected] 46/46
