Description
Book SynopsisDieses Buch bietet Ihnen eine verständliche Einführung in die Messtechnik, mitsamt den nötigen mathematischen und statistischen Grundlagen. Der Autor führt Sie dabei mit zahlreichen praxisnahen Beispielen durchs gesamte Thema. Der Fokus liegt auf der modernen Messtechnik, also beispielsweise dem Einsatz von digitalen Multimetern. Lernen Sie, die Geräte korrekt zu nutzen, Messabweichungen zu erkennen und zu vermeiden sowie nach den Messungen alles präzise zu berechnen. Von den verschiedenen Messmethoden über die Messung von Widerstand und Leistung bis zur Bestimmung der Impedanz ist alles dabei. Dank anschaulichen Abbildungen und Diagrammen steht dem Lernerfolg nichts mehr im Wege.
Table of ContentsÜber den Autor 11
Danksagung 11
Einleitung 23
Über dieses Buch 24
Konventionen in diesem Buch 25
Was Sie nicht lesen müssen 25
Törichte Annahmen über den Leser 25
Wie dieses Buch aufgebaut ist 26
Teil I: Einführung, Messmethoden und Messgeräte – Sie lernen die Grundlage 26
Teil II: Messabweichungen – perfekt genau messen geht nicht 27
Teil III: Messung zeitlich konstanter elektrischer Signale –
Sie messen Strom, Spannung, Widerstand, Leistung 28
Teil IV: Messung zeitlich veränderlicher (sinusförmiger) Größen 28
Teil V: Der Top-Ten-Teil 29
Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 29
Wie es weitergeht 30
Teil I: Einführung, Messmethoden und Messgeräte – Sie lernen die Grundlagen 31
Kapitel 1: Motivation und Einführung – warum hilft messen? 33
Aufgabe der Messtechnik 35
Das SI-Basissystem der Einheiten und einige Vorsätze vor Einheiten 36
Begriffsdefinitionen: Was ist denn messen? 39
Kapitel 2: Messmethoden nach DIN 1319-2 – Normen helfen 41
Direkte Messmethode 41
Indirekte Messmethode 41
Ausschlags-Messmethode 43
Differenz-Messmethode 44
Nullabgleich-Messmethode (auch: Kompensations-Messmethode) 45
Analoge Messmethode 46
Digitale Messmethode 47
Anwendungen (Beispiele) aus der Elektrotechnik 47
Abgleichbrücke als Nullabgleich-Messmethode 47
Differenz-Messmethode: Ausschlagbrücke 50
Kapitel 3: Messprozess und Auswertung sowie Darstellung von Messergebnissen 53
Messen besteht aus einer Vielzahl von Aufgaben – Sie haben einen
Messprozess 54
Auswertung von Messergebnissen 55
Kennlinie 56
Linearisierung von Messsignalen: Empfindlichkeit und Offset 57
Beispiel eines möglichen Sensordatenblatts 61
Grafische Darstellung von Messergebnissen 62
Kapitel 4: Eigenschaften von Messgeräten 65
Statische Eigenschaften 65
Dynamische Eigenschaften 67
Verhalten und Empfehlung 72
Kapitel 5: Grundlegende Funktionsweise von zwei Messgerätearten 73
Funktionsweise des digitalen Multimeters – (fast) ein Alleskönner 73
Messung von Gleichspannung 74
Messung des Stroms 75
Messung des Widerstands 76
Messung von Wechselspannungen 76
Funktionsweise des analogen Drehspulinstruments – ein Urgestein
unter den Messgeräten 77
Temperaturabhängigkeit der Spule 79
Messung der Gleichspannung 80
Messung von Wechselgrößen 80
Teil II: Messabweichungen – perfekt genau messen geht nicht 81
Kapitel 6: Voraussetzungen, Festlegungen, Messabweichung und Auflösung 83
Voraussetzungen für eine genaue Messung mit einem Messgerät 84
Definitionen – wir sollten uns einigen 84
Allgemeine Festlegungen der verwendeten Werte 85
Definition der Messabweichung 86
Definition der Auflösung des Messgeräts 88
Kapitel 7: Systematische Messabweichungen: Messgerät und Messaufbau sind nicht perfekt 89
Die systematische Messabweichung von Messgeräten 91
Messabweichung eines digitalen Messgeräts 92
Die systematische Messabweichung des Messaufbaus 96
Fortpflanzung systematischer Messabweichungen – auch Fehler vermehren sich 98
Vereinfachtes Vorgehen bei Produkten und Quotienten – man
darf es sich auch leichter machen 101
Es geht noch leicht weiter: vereinfachtes Vorgehen bei Summen und Differenzen 103
Einfach geht nicht immer: der allgemeine Fall an einem Beispiel 106
Kapitel 8: Zufällige Messabweichungen: »Würfeln« abschätzen 109
Zur Wiederholung: das Wichtigste aus der
Wahrscheinlichkeitsrechnung 111
Wesentliche Eigenschaften der Wahrscheinlichkeit 111
Relative und absolute Häufigkeit 111
Verteilungsfunktion und Wahrscheinlichkeitsdichte 114
Die gaußsche Wahrscheinlichkeitsdichte (Normalverteilung) und der zentrale Grenzwertsatz 116
Der Erwartungswert und Momente 119
Zentrale Momente, Varianz und Standardabweichung 120
Sie messen nicht unendlich oft: Mittelwert und Standardabweichung einer Stichprobe 121
Fehlerfortpflanzung von zufälligen Messabweichungen – auch diese vermehren sich 123
Vertrauensbereich des Mittelwerts, Student-t-Verteilung und erweiterte Toleranzangabe bei Stichprobenmessungen 127
Vertrauensbereich für den Mittelwert 128
»Korrekturfaktor« auf Basis der Student-t-Verteilung 131
Vollständige Angabe eines zufälligen (statistischen) Messwerts 135
Ausreißer-Bestimmung: grobe Abweichungen, die getrost weggelassen werden können 138
Vorgehen bei systematischen und zufälligen Messabweichungen 139
Ein Beispiel mit allem drin 140
Teil III: Messung zeitlich konstanter elektrischer Signale – Sie messen Strom, Spannung, Widerstand, Leistung 147
Kapitel 9:Messung der Gleichspannung 149
Eigenschaften anhand der Spannungsmessung einer Spannungsquelle – wir starten einfach 149
Qualitative Betrachtung und Merkregel zur Spannungsmessung 150
Genauigkeitsuntersuchung zur Spannungsmessung – Sie möchten präzise messen 152
Gleichspannungsmessung an einem Widerstand – jetzt messen Sie wirklich an einem Widerstand 154
Äquivalente Schaltungsumwandlung – Umwandlung macht das Leben leichter 155
Genauigkeitsbetrachtung der Spannungsmessung an einem Widerstand 157
Messbereichserweiterung der Spannungsmessung 158
Kapitel 10: Messung des Gleichstroms 163
Eigenschaften anhand der Strommessung mit einer Spannungsquelle – wir starten wieder einfach 163
Qualitative Betrachtung und Merkregel zur Strommessung 164
Genauigkeitsuntersuchung zur Strommessung – so messen Sie präzise 165
Messbereichserweiterung der Strommessung 168
Kapitel 11: Messung des elektrischen Widerstands und der elektrischen Leistung 175
Messung des Widerstands direkt mit einem Digitalmultimeter – und schnell 176
Widerstandsmessung durch gleichzeitiges Messen von Strom und Spannung – wenn‘s präzise sein soll 176
Stromrichtige Schaltung 176
Spannungsrichtige Schaltung 179
Auswahlregel für die zwei Messverfahren 183
Messung der elektrischen Leistung: wieder durch gleichzeitige Stromund Spannungsmessung 184
Messung von Widerständen mit der Wheatstone-Brücke – genauer wird‘s nicht 186
Abgleichbrücke 187
Ausschlagbrücke zur Messung kleiner Widerstände ΔR 190
Genauigkeit der Wheatstone-Brücke – das Voltmeter hat doch einen kleinen Einfluss 197
Teil IV: Messung zeitlich veränderlicher (sinusförmiger) Größen 205
Kapitel 12: Grundbegriffe, damit wir uns richtig verstehen 207
Amplitude (Scheitelwert) und Periodendauer 208
Arithmetischer Mittelwert 209
Gleichrichtwert 209
Effektivwert 211
Darstellung und Zusammenfassung der wichtigen Kenngrößen 212
Kapitel 13: Das Oszilloskop – Sie können zeitlich veränderliche Größen darstellen und messen 215
Wesentliche Baugruppen eines modernen Oszilloskops 215
Die Vertikalbaugruppe 216
Die Horizontalbaugruppe 216
Die Triggerbaugruppe – Sie brauchen ein stehendes Bild 217
Anzeigebaugruppe – So lesen Sie richtig ab 218
Verstärkungseigenschaften – auch Signale brauchen Verstärkung 220
Ersatzschaltbild der Oszilloskop-Eingangsklemme 220
Verstärkungsbandbreite und Tastkopf: Sie teilen die Signale
frequenzunabhängig 221
Genauigkeit eines Oszilloskops: nothing is perfect 231
Kapitel 14: Messung der Signalform, Frequenz und Wechselspannungsleistung mit dem Oszilloskop 233
Messung der Signalform, Frequenz, Amplitude und Effektivwert mit dem Oszilloskop 233
Leistungsmessung von Wechselspannungen mit dem Oszilloskop 235
Grundbegriffe: Wirk-, Blind- und Scheinleistung – was ist das? 235
Leistungsmessung mit dem Oszilloskop 241
Kapitel 15: Bestimmung von Wirk- und Blindwiderstand (Impedanz) 247
Grundbegriffe von Wirk- und Blindwiderstand (Impedanz) 247
Serienersatzschaltung eines realen induktiven Wechselstromwiderstands 248
Serienersatzschaltung eines realen kapazitiven Wechselstromwiderstands 250
Bestimmung der Impedanz aus Gleich- und Effektivwertmessung 251
Bestimmung der Impedanz und des Verlustwinkels mit dem Oszilloskop 253
Impedanzbestimmung mit der Wechselspannungsbrücke 261
Grundlagen der Wechselspannungsbrücke – Abwechslung in der Betrachtung 262
Nicht abgleichbare Wechselspannungsbrücke 263
Kapazitätsbestimmung mit der Wien-Brücke (kapazitive Impedanz) 265
Induktivitätsmessbrücke nach Maxwell-Wien (induktive Impedanz) 268
Genauigkeit der Wechselspannungsbrücke, auch hier wieder 271
Teil V: Der Top-Ten-Teil 275
Kapitel 16: Zehn Tipps zum Erlernen der Messtechnik-Theorie und zur praktischen Umsetzung 277
Nicht sofort aufgeben – nachdenken, auch Mitstreiter fragen und mit diesen diskutieren 277
Sorgfältig lesen – wenn das so einfach wäre 278
Schreiben Sie sich das Wesentliche raus 279
Übung macht den Meister 280
Vergessen Sie nicht abzuschalten – auch Feiern gehört dazu 280
Nach viel Theorie gehört auch praktisches Messen dazu 281
Messergebnisse zu Beginn direkt auf Plausibilität prüfen 282
Eine plausible Messung hat mehr als einen Messwert 282
Messaufbau und Versuchsinstrumente kontrollieren – viel hilft hier viel 283
Im Zweifelsfall Zeit nehmen und sorgfältig arbeiten 283
Kapitel 17: Meine zehn Lieblingsbücher zur Messtechnik 285
DIN 1319-1: Grundlagen der Messtechnik, Teil 1: Grundbegriffe und DIN 1319-2: Grundlagen der Messtechnik, Teil 2: Begriffe für Messmittel Beide sind erschienen im Beuth Verlag, Berlin 285
Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in measurement, Working Group 1 of the Joint Committee for Guides in Metrology ( JCGM/WG 1) 286
Elmar Schrüfer, Leonhard Reindl und Bernhard Zagar Elektrische Messtechnik, Carl Hanser Verlag, 2018 286
Reinhard Lerch: Elektrische Messtechnik, Springer Vieweg, 2016 286
Lerch, Kaltenbacher, Lindinger, Sutor: Elektrische Messtechnik Übungsbuch, Springer, 2005 286
Thomas Mühl: Elektrische Messtechnik Grundlagen, Messverfahren, Anwendungen Springer Vieweg, 2017 287
Hans-Rolf Tränkler und Leonhard M Reindl (Hrsg.): Sensortechnik. Handbuch für Praxis und Wissenschaft Springer Vieweg, 2018 287
Lothar Litz: Wahrscheinlichkeitstheorie für Ingenieure – Grundlagen, Übungen, Anwendungen Bookboon, 2015 Lothar Litz: Zufallsvariablen für Ingenieure Bookboon, 2015 287
Gert Hagmann: Grundlagen der Elektrotechnik Aula-Verlag, 2013 288
Michael Felleisen: Elektrotechnik für Dummies WILEY-VCH, 2019 288
Anhang A: Lösungen der Übungsaufgaben 289
Übungsaufgabe 1 289
Übungsaufgabe 2 290
Übungsaufgabe 3 291
Übungsaufgabe 4 291
Abbildungsverzeichnis 293
Stichwortverzeichnis 301
