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.

Ü ber den Autor 11
Danksagung 11
Einleitung 23
Ü ber dieses Buch 24
Konventionen in diesem Buch 25
Was Sie nicht lesen mü ssen 25
Tö richte Annahmen ü ber den Leser 25
Wie dieses Buch aufgebaut ist 26
Teil I: Einfü hrung, Messmethoden und Messgerä te - 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 verä nderlicher (sinusfö rmiger) Grö ß en 28
Teil V: Der Top-Ten-Teil 29
Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 29
Wie es weitergeht 30
Teil I: Einfü hrung, Messmethoden und Messgerä te - Sie lernen die Grundlagen 31
Kapitel 1: Motivation und Einfü hrung - warum hilft messen? 33
Aufgabe der Messtechnik 35
Das SI-Basissystem der Einheiten und einige Vorsä tze 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
Abgleichbrü cke als Nullabgleich-Messmethode 47
Differenz-Messmethode: Ausschlagbrü cke 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 mö glichen Sensordatenblatts 61
Grafische Darstellung von Messergebnissen 62
Kapitel 4: Eigenschaften von Messgerä ten 65
Statische Eigenschaften 65
Dynamische Eigenschaften 67
Verhalten und Empfehlung 72
Kapitel 5: Grundlegende Funktionsweise von zwei Messgerä tearten 73
Funktionsweise des digitalen Multimeters - (fast) ein Alleskö nner 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 Messgerä ten 77
Temperaturabhä ngigkeit der Spule 79
Messung der Gleichspannung 80
Messung von Wechselgrö ß en 80
Teil II: Messabweichungen - perfekt genau messen geht nicht 81
Kapitel 6: Voraussetzungen, Festlegungen, Messabweichung und Auflö sung 83
Voraussetzungen fü r eine genaue Messung mit einem Messgerä t 84
Definitionen - wir sollten uns einigen 84
Allgemeine Festlegungen der verwendeten Werte 85
Definition der Messabweichung 86
Definition der Auflö sung des Messgerä ts 88
Kapitel 7: Systematische Messabweichungen: Messgerä t und Messaufbau sind nicht perfekt 89
Die systematische Messabweichung von Messgerä ten 91
Messabweichung eines digitalen Messgerä ts 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: Zufä llige Messabweichungen: 'Wü rfeln' abschä tzen 109
Zur Wiederholung: das Wichtigste aus der
Wahrscheinlichkeitsrechnung 111
Wesentliche Eigenschaften der Wahrscheinlichkeit 111
Relative und absolute Hä ufigkeit 111
Verteilungsfunktion und Wahrscheinlichkeitsdichte 114
Die gauß sche 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 zufä lligen Messabweichungen - auch diese vermehren sich 123
Vertrauensbereich des Mittelwerts, Student-t-Verteilung und erweiterte Toleranzangabe bei Stichprobenmessungen 127
Vertrauensbereich fü r den Mittelwert 128
'Korrekturfaktor' auf Basis der Student-t-Verteilung 131
Vollstä ndige Angabe eines zufä lligen (statistischen) Messwerts 135
Ausreiß er-Bestimmung: grobe Abweichungen, die getrost weggelassen werden kö nnen 138
Vorgehen bei systematischen und zufä lligen 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 mö chten prä zise messen 152
Gleichspannungsmessung an einem Widerstand - jetzt messen Sie wirklich an einem Widerstand 154
Ä quivalente 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 prä zise 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 prä zise sein soll 176
Stromrichtige Schaltung 176
Spannungsrichtige Schaltung 179
Auswahlregel fü r die zwei Messverfahren 183
Messung der elektrischen Leistung: wieder durch gleichzeitige Stromund Spannungsmessung 184
Messung von Widerstä nden mit der Wheatstone-Brü cke - genauer wird's nicht 186
Abgleichbrü cke 187
Ausschlagbrü cke zur Messung kleiner Widerstä nde R 190
Genauigkeit der Wheatstone-Brü cke - das Voltmeter hat doch einen kleinen Einfluss 197
Teil IV: Messung zeitlich verä nderlicher (sinusfö rmiger) Grö ß en 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 Kenngrö ß en 212
Kapitel 13: Das Oszilloskop - Sie kö nnen zeitlich verä nderliche Grö ß en 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 rkungseigenschaften - auch Signale brauchen Verstä rkung 220
Ersatzschaltbild der Oszilloskop-Eingangsklemme 220
Verstä rkungsbandbreite und Tastkopf: Sie teilen die Signale
frequenzunabhä ngig 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 Wechselspannungsbrü cke 261
Grundlagen der Wechselspannungsbrü cke - Abwechslung in der Betrachtung 262
Nicht abgleichbare Wechselspannungsbrü cke 263
Kapazitä tsbestimmung mit der Wien-Brü cke (kapazitive Impedanz) 265
Induktivitä tsmessbrü cke nach Maxwell-Wien (induktive Impedanz) 268
Genauigkeit der Wechselspannungsbrü cke, 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
Sorgfä ltig lesen - wenn das so einfach wä re 278
Schreiben Sie sich das Wesentliche raus 279
Ü bung macht den Meister 280
Vergessen Sie nicht abzuschalten - auch Feiern gehö rt dazu 280
Nach viel Theorie gehö rt auch praktisches Messen dazu 281
Messergebnisse zu Beginn direkt auf Plausibilitä t prü fen 282
Eine plausible Messung hat mehr als einen Messwert 282
Messaufbau und Versuchsinstrumente kontrollieren - viel hilft hier viel 283
Im Zweifelsfall Zeit nehmen und sorgfä ltig arbeiten 283
Kapitel 17: Meine zehn Lieblingsbü cher zur Messtechnik 285
DIN 1319-1: Grundlagen der Messtechnik, Teil 1: Grundbegriffe und DIN 1319-2: Grundlagen der Messtechnik, Teil 2: Begriffe fü r 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 Schrü fer, 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 Ü bungsbuch, Springer, 2005 286
Thomas Mü hl: Elektrische Messtechnik Grundlagen, Messverfahren, Anwendungen Springer Vieweg, 2017 287
Hans-Rolf Trä nkler und Leonhard M Reindl (Hrsg.): Sensortechnik. Handbuch fü r Praxis und Wissenschaft Springer Vieweg, 2018 287
Lothar Litz: Wahrscheinlichkeitstheorie fü r Ingenieure - Grundlagen, Ü bungen, Anwendungen Bookboon, 2015 Lothar Litz: Zufallsvariablen fü r Ingenieure Bookboon, 2015 287
Gert Hagmann: Grundlagen der Elektrotechnik Aula-Verlag, 2013 288
Michael Felleisen: Elektrotechnik fü r Dummies WILEY-VCH, 2019 288
Anhang A: Lö sungen der Ü bungsaufgaben 289
Ü bungsaufgabe 1 289
Ü bungsaufgabe 2 290
Ü bungsaufgabe 3 291
Ü bungsaufgabe 4 291
Abbildungsverzeichnis 293
Stichwortverzeichnis 301