Messtechnik für Dummies

Dieses 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.

Autorentext
Steffen Reichel ist seit 2016 Professor für Messtechnik und Photonik an der Hochschule Pforzheim. Er hat in Kaiserslautern und in East Lansing (USA) Elektrotechnik studiert. Nach Promotion und langjähriger Industrietätigkeit wurde er 2013 Honorarprofessor der Hochschule Darmstadt und seit 2019 als Fellow der SPIE ausgezeichnet.

Inhalt

Über 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 R 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

Verstä…