Springer-Lehrbuch

Reinhard Lerch

Elektrische Messtechnik

Analoge, digitaleund computergestützte Verfahren

5., neu bearbeitete Auflage

123

Mit 532 Abbildungen und 64 Tabellen sowie DVD

Professor Dr.-Ing. Reinhard LerchFriedrich-Alexander-UniversitätErlangen-NürnbergLehrstuhl für SensorikPaul-Gordan-Str. 3/5D-91052 Erlangenreinhard.lerch@lse.eei.uni-erlangen.de

ISSN 0937-7433ISBN 978-3-642-05454-9 e-ISBN 978-3-642-05455-6DOI 10.1007/978-3-642-05455-6Springer Heidelberg Dordrecht London New York

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Vorwort zur funften Auflage

Fur die 5. Auflage dieses Buches sind wichtige inhaltliche Erweiterungen vor-genommen worden. So wurde beispielsweise im Kapitel Messverstarker einAbschnitt uber Operationsverstarker mit differentiellem Ausgang hinzugefugtund im Kapitel Analoges Messen elektrischer Großen ein Abschnitt uberStrommeßzangen neu aufgenommen. Außerdem wurden dort die Operations-verstarker-Datentabellen aktualisiert. Da insbesondere die Hard- und Softwa-re zur Messdatenerfassung und Laborautomation kontinuierlicher Innovationunterliegen, wurden die entsprechenden Kapitel auf den neuesten Stand derTechnik gebracht, so zum Beispiel auch der Abschnitt uber PXI-Systeme, wel-che in letzter Zeit immer mehr an Bedeutung gewinnen. Auch der Abschnittuber Analog-Digital-Umsetzer wurde aktualisiert. Das Angebot an Software,Rechenbeispielen und sonstigen Ubungsaufgaben, die sich auf der beiliegen-den DVD befinden, wurde erganzt und ebenfalls auf den neuesten Stand ge-bracht. Weiterhin wurden alle Kapitel im Hinblick auf Inkompabilitaten inder Schreibweise von Formeln und Formelzeichen uberpruft und bestehendeAbweichungen korrigiert.

Bei all diesen Arbeiten konnte ich wieder auf das bewahrte Team meinesLehrstuhls vertrauen. Mein besonderer Dank gilt Frau B. Melberg und FrauC. Salley-Sippel sowie den Herren Dipl.-Ing. Th. Albach, Dr. techn. S. J.Rupitsch, Dr.-Ing. A. Sutor und M. Gunther fur Ihre tatkraftige Mithilfe.Fur die Unterstutzung bei der technischen Erstellung des Werkes sowie beimMarketing gebuhrt Frau Hestermann-Beyerle und Frau Kollmar-Thoni vomSpringer-Verlag Heidelberg mein Dank.

Abschließend darf ich mich bei allen Lesern bedanken, die dieses Werkkaufen, und darf Ihnen große Freude beim Lesen wunschen.

email: reinhard.lerch@lse.eei.uni-erlangen.de

Erlangen, im Sommer 2010 Reinhard Lerch

Vorwort zur vierten Auflage

Zunachst einmal gilt mein besonders herzlicher Dank all denjenigen Lesern,die im letzten Jahr dieses Buch kauflich erworben haben. Denn dank ihnenist es moglich geworden, schon ein Jahr nach Erscheinen der letzten Aufla-ge die nunmehr 4. Edition dieses Werkes herauszugeben. Dadurch ist es inrelativ kurzer Frist gelungen, neben anstehenden kleineren Korrekturen we-sentliche Erweiterungen bzw. Verbesserungen am Text und der beiliegendenDVD vorzunehmen. Viele der Vorschlage dazu stammen von Fachkollegen anUniversitaten und Fachhochschulen. In diesem Zusammenhang gebuhrt mei-nen Kollegen aus dem Kreise des AHMT (Arbeitskreis der HochschullehrerMeßtechnik; www.ahmt.de) mein besonderer Dank. Denn vor allem von ih-nen kamen konstruktive Vorschlage, das vorliegende Werk in Richtung Meß-signalverarbeitung, Korrelationsmeßtechnik, Regressions- und Test-Verfahrenauszubauen. Fur diese sehr wertvollen Hinweise und Anmerkungen bei derEvaluierung der letzten Auflage mochte ich an dieser Stelle nochmals meinenbesonderen Dank aussprechen.

Desweiteren sind die Ubungs- und Demonstrationsbeispiele auf beiliegen-der DVD in großem Umfang, insbesondere fur die eben genannten Kapitel,ausgebaut worden. Diese basieren im wesentlichen auf dem Programm Lab-VIEW (National Instruments), das auch bei dieser Auflage auf der DVD inseiner neuesten Version (Studentenversion) vorliegt. Mit Hilfe der auf derDVD enthaltenen Ubungen, Programmier- und Demonstrationsbeispielen istes moglich, daß der Leser sein mit dem Studium desWerkes erworbenesWissenunmittelbar auf praktische ingenieurmaßige Problemstellungen anwendet. Dasdieses Lehrbuch begleitende Ubungsbuch “Elektrische Messtechnik - Ubungs-buch” rundet die Ubungsmoglichkeiten in den Bereichen ab, fur die Compu-terubungen weniger geeignet sind als Rechnungen mit Papier und Bleistift.Fur die entsprechende Unterstutzung beim Erstellen der DVD und die ge-winnbringende Kooperation mit der Firma National Instruments mochte ichmich vor allem bei den Herren Marc Backmeyer und Dipl.-Ing. Rahman Jamalbedanken.

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Mein vorrangiger Dank gilt aber vor allem meinem Team des Lehrstuhls furSensorik, das durch seinen unermudlichen Einsatz in der letzen Zeit die schnel-le Erstellung dieser 4. Auflage ermoglicht hat. Hier sind vor allem zu nennen:Herr Dipl.-Ing. Thorsten Albach, Frau Bettina Melberg, Frau Cornelia Salley-Sippel, Herr Dr.-Ing. Alexander Sutor.

Nicht zuletzt darf ich auch die wiederum exzellente Zusammenarbeit mitdem herausgebenden Verlag und seinen Mitarbeitern, vor allem Frau EvaHestermann-Beyerle und Frau Monika Lempe, hervorheben.

email: reinhard.lerch@lse.eei.uni-erlangen.de

Erlangen, im Sommer 2007 Reinhard Lerch

Vorwort zur dritten Auflage

Dank der recht großen Beliebtheit dieses Buches ist es moglich, bereits zweiJahre nach Erscheinen der letzten Auflage nunmehr die 3. Auflage dieses Wer-kes vorstellen zu konnen.

Gegenuber der 2. Auflage wurden vor allem die Kapitel zur Rechner-gestutzten Meßdatenerfassung dem allerneuesten Stand der Technik angepaßt.So wird der jungst eingefuhrte LXI-Standard zur Vernetzung von Meßgeratenebenso behandelt wie die neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Spei-cherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), der Digitaloszilloskope, der USB-Meßmodule sowie moderne Source Measuring Units. Damit ist dieser Blockauf nunmehr 200 Seiten bzw. ein Drittel des Gesamtwerkes angewachsen.

Das Kapitel”Elektromechanische Meßgerate“(Kapitel 6.1) wurde beibe-

halten trotz der Tatsache, daß es sich dabei um eine in ihrer Bedeutungzuruckgehende Meßgerateklasse handelt. Dennoch halte ich diesen Abschnittfur außerst wertvoll fur Studierende des Faches Sensorik bzw. fur das ge-samte Gebiet der Mechatronik, da man anhand der Funktionsprinzipien furelektromechanische Meßgerate sehr schon die Interaktionen zwischen mecha-nischen und elektromagnetischen Feldern lernen kann. Demzufolge sind diehier behandelten elektromechanischen Grundprinzipien und Gesetzmaßigkei-ten (z. B. die Lorentzkraft oder die Wirbelstromdampfung) insbesondere furdas Verstandnis von modernen elektromechanischen Sensoren und Aktorenwichtig.

An dieser Stelle gilt es auch, zunachst einmal all denjenigen herzlich zudanken, die mich in den beiden letzten Jahren auf Fehler bzw. unklare Dar-stellungen in der 2. Auflage aufmerksam gemacht haben. Meistens handelte essich dabei um Studierende der Technischen Fakultat der Friedrich-Alexander-Universitat Erlangen-Nurnberg oder auch um Studierende anderer Univer-sitaten und Fachhochschulen, die sich auf Prufungen in ingenieurwissenschaft-lichen Fachern vorbereitet haben. Alle berechtigten Einwande und Hinweisewurden in der vorliegenden Auflage berucksichtigt.

Bei der Erweiterung des Buches haben mich die Mitarbeiter des Lehr-stuhls fur Sensorik der Universitat Erlangen-Nurnberg wiederum mit großem

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Einsatz unterstutzt. In allererster Linie bin ich unserem akadem. Rat, HerrnDr.-Ing. Alexander Sutor, ebenso wie Herrn Dipl.-Ing. Martin Meiler, HerrnDipl.-Ing. Erich Leder sowie dem Leiter unserer Elektronikwerkstatt, HerrnMichael Gunther, fur ihre Beitrage zu diesem Werk zu großem Dank verpflich-tet. Fur ihren unermudlichen Einsatz bei der elektronischen Fertigstellung deskamerafertigen Manuskriptes samt aller darin enthaltenen, teilweise diffizilenGrafiken gilt mein besonders herzlicher Dank wiederum Frau Cornelia Salley-Sippel und Frau Bettina Melberg.

Bedanken mochte ich mich auch bei den beiden verantwortlichen Mitar-beiterinnen des Springer-Verlages, Frau Eva Hestermann-Beyerle und FrauMonika Lempe, fur die hervorragende Unterstutzung und exzellente Zusam-menarbeit.

Diesem Buch liegt eine CD-ROM mit Ubungsaufgaben zurRechnergestutzten Meßdatenerfassung in NI LabVIEW R© sowiezur Programmierung von Speicherprogrammierbaren Steuerun-gen (SPS) mit CoDeSys R© bei. Dabei gibt es Programmieraufga-ben, deren Losung via Internet auf eine am Lehrstuhl fur Sensorik (Friedrich-Alexander-Universitat Erlangen-Nurnberg) aufgebaute Speicherprogrammier-bare Steuerung heruntergeladen werden konnen. Anhand helligkeitsgesteuer-ter Lampen und LEDs laßt sich mittels einer WebCam die erfolgreiche Pro-grammierung dieser SPS beobachten.

Das oben gezeigte Icon weist an entsprechenden Stellen des Buches aufthematisch passende Ubungsaufgaben auf der CD-ROM hin. Weitere Ubungs-beispiele und Hinweise findet man unterwww.lse.e-technik.uni-erlangen.de/elektrische_messtechnik

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Erlangen, im Sommer 2006 Reinhard Lerch

Vorwort zur zweiten Auflage

Die zweite Auflage tragt insbesondere den aktuellen Entwicklungen im BereichComputerunterstutzte Meßdatenerfassung Rechnung. Daher sind die entspre-chenden Kapitel in der zweiten Auflage stark angewachsen und nehmen nun-mehr uber ein Drittel des Gesamtumfanges ein. Infolgedessen konnen alle we-sentlichen Hard- und Software-Komponenten der modernen rechnergestutztenMeßdatenerfassung behandelt werden. So werden beispielsweise die weltweiteVernetzung von Meßdaten- und Prozeßrechnern wie auch die Meßdatenerfas-sung unter Zuhilfenahme von Virtual Private Networks besprochen.

Die zweite Auflage wurde ebenfalls erweitert auf dem Gebiet der Aus-gleichsvorgange in elektrischen Netzwerken, was der detaillierten Erlauterungder dynamischen Meßfehler und ihrer Korrekturmoglichkeiten zugute kommt.Auch die Analyse und Messung von nichtlinearen Bauelementen wurde in denStoff aufgenommen.

Bei der Erweiterung des Buches haben mich die Mitarbeiter des Lehrstuhlsfur Sensorik der Universitat Erlangen-Nurnberg mit großem Engagement un-terstutzt. In allererster Linie bin ich Herrn Dr.-Ing. Alexander Sutor undHerrn Dipl.-Ing. Martin Meiler fur ihre fachlichen Beitrage zu diesem Werkzu großem Dank verpflichtet. Fur ihren unermudlichen Einsatz bei der Er-stellung des Manuskriptes und der Grafiken gilt Frau Cornelia Salley-Sippelund Frau Bettina Melberg mein besonderer Dank. An der Korrekturlesungdes Werkes waren alle Mitarbeiter des Lehrstuhls sowie Herr Dr.-Ing. GunterPretzl vom Lehrstuhl fur Technische Elektronik und meine Ehefrau Elke be-teiligt. Auch ihnen sei an dieser Stelle dafur herzlich gedankt. Dank gilt auchden Mitarbeitern des Springer-Verlages fur die hervorragende Kooperation,insbesondere Frau Eva Hestermann-Beyerle und Frau Monika Lempe.

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Erlangen, im Sommer 2005 Reinhard Lerch

Vorwort zur ersten Auflage

Die in der zweiten Halfte unseres Jahrhunderts erfolgten innovativen Ent-wicklungen auf dem Gebiet der Elektrotechnik haben fur die ElektrischeMeßtechnik eine Vielzahl neuer Verfahren und Meßschaltungen mit sich ge-bracht. So basiert die Messung elektrischer und nicht-elektrischer Großen heu-te vorwiegend auf Schaltungen, die erst durch in jungster Vergangenheit ent-wickelte elektronische Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltkreise, wiebeispielsweise Operationsverstarker, digitale Grundschaltungen und Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Umsetzer, ermoglicht wurden. Die Nutzung die-ser modernen Elektronik und die enormen Fortschritte auf dem Gebiet derDigitalrechner haben zu einer sehr engen Verflechtung von Elektrischer Meß-technik und Computertechnik bzw. Informatik gefuhrt. Dies zeigt sich unteranderem in der Tatsache, daß die heutige Meßdatenerfassung und Meßsignal-verarbeitung zunehmend auf Digitalrechner oder digitale Signalprozessorenverlagert werden und zum Teil in Software implementiert sind. Nachdem inden letzten Jahren eine Vielzahl von leistungsfahigen Sensoren zur Detekti-on nicht-elektrischer Meßgroßen entwickelt wurde, verstarkt sich der Trend,daß viele nicht-elektrotechnische Wissenschaftszweige, wie z. B. der Maschi-nenbau und die Verfahrenstechnik, ihre meßtechnischen Probleme mit reinelektrotechnischen bzw. informationstechnischen Mitteln losen.

Es wurde versucht, dieser Entwicklung mit der Struktur des vorliegen-den Werkes Rechnung zu tragen, ohne die klassischen Grundlagen zu ver-nachlassigen. So werden nach einem einfuhrenden Kapitel uber Meßfehler,die konventionellen elektromechanischen Meßwerke besprochen, welche zwarzunehmend von digitalen Meßgeraten abgelost werden, deren grundlegendeWandlungsmechanismen aber fur das Gebiet der elektromechanischen Meß-wertaufnehmer (Sensoren) von großer Bedeutung sind. Nach den Abschnittenzur Messung von elektrischer Spannung, elektrischem Strom und elektrischerImpedanz folgen als thematische Schwerpunkte die Methoden und Verfah-ren sowie die daraus resultierenden elektronischen Schaltungen der modernenElektrischen Meßtechnik. Diese werden in den Kapiteln Operationsverstarker,Darstellung elektrischer Signale, Digitale Meßtechnik, Messung von Frequenz

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und Zeit sowie Meßsignalverarbeitung und Rechnergestutzte Meßdatenerfas-sung behandelt.

Die in diesem Buch angesprochenen Themen und Fragestellungen deckenden Stoff einer einfuhrenden Vorlesung Elektrische Meßtechnik ab. Daruber-hinaus ist die Thematik einer weiterfuhrenden Vorlesung RechnergestutzteMeßdatenverarbeitung und Meßsignalverarbeitung enthalten, die als Wahlvor-lesung fur Studenten hoherer Semester Bestandteil des an der Johannes KeplerUniversitat Linz im Jahre 1990 eingerichteten Diplomingenieurstudiengan-ges Mechatronik ist. Das Buch wendet sich jedoch nicht nur an Studentender Fachrichtungen Elektrotechnik, Mechatronik, Maschinenbau, Informati-onstechnik, Physik und Chemie sondern auch an die bereits auf dem Gebietder Meßtechnik praktisch tatigen Ingenieure und Naturwissenschaftler, dieihr Wissen uber Meßtechnik auffrischen bzw. vertiefen wollen. Mit dem vor-liegenden Werk sollen sowohl Kenntnisse uber die bei der Messung elektri-scher Großen eingesetzten Standardverfahren vermittelt als auch der neuesteStand der zur modernen Elektrischen Meßtechnik zahlenden computergestutz-ten Meßdatenerfassung und Meßsignalverarbeitung beschrieben werden.

Das Buch ist in Verbindung mit dem Begleitwerk”Ubungen zur Elek-

trischen Meßtechnik“ (R. Lerch; M. Kaltenbacher; F. Lindinger: Ubungenzur Elektrischen Meßtechnik. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag 1996) zumSelbststudium geeignet. In diesem Ubungsbuch werden neben kurzen Repe-titorien zahlreiche praktische Aufgaben und weiterfuhrende Beispiele zu demgesamten im Lehrbuch behandelten Stoff angeboten. Fur das Verstandnisdes in den beiden genannten Werken dargebotenen Stoffes werden lediglichGrundkenntnisse auf den Gebieten Elektrotechnik, Mathematik sowie Schal-tungstechnik erwartet.

Bei der Ausarbeitung des Manuskriptes habe ich viele Anregungen undwesentliche Unterstutzung von allen am Institut fur Elektrische Meßtechnikder Universitat Linz tatigen Mitarbeitern erfahren. In allererster Linie bin ichHerrn Dipl.-Ing. Manfred Kaltenbacher und Herrn Dipl.-Ing. Franz Lindin-ger fur ihre wesentlichen fachlichen Beitrage zu diesem Werk sowie ihren un-ermudlichen Einsatz im Zusammenhang mit der Erstellung des Manuskripteszu großtem Dank verpflichtet. Die wahrlich nicht immer einfachen Aufgabendes computergerechten Textschreibens sowie der Anfertigung von Abbildun-gen lagen in den Handen von Frau Waltraud Kratzer, die die immer wieder an-stehenden Texterweiterungen und Anderungen der Abbildungen mit großemEngagement und Sachverstand vorgenommen hat. Ihr gebuhrt mein herzlicherDank, ebenso wie Frau Sylvia Preßl, die ebenfalls viele der Grafiken angefer-tigt hat, wie auch Frau Ingrid Hagelmuller, die fur die Texteingabe sowie dieErstellung der Abbildungen der ersten Manuskriptversion verantwortlich war.All denjenigen, die an der Korrekturlesung dieses Werkes beteiligt waren undVerbesserungsvorschlage eingebracht haben, d. h. meinen Kollegen, meinenAssistenten, insbesondere den Herren Dipl.-Ing. Todor Sheljaskov und Dipl.-Ing. Roland Exler, den Linzer Mechatronik-Studenten sowie meiner Ehefrau

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Elke, mochte ich ebenfalls meinen herzlichen Dank fur ihren großen Einsatzaussprechen.

Mein Dank gilt auch dem Springer-Verlag, insbesondere Herrn Dr. Huber-tus Riedesel, der die Anregung zur Abfassung des vorliegendenWerkes gab, so-wie seinen Mitarbeiterinnen Frau Marianne Ozimkowski und Frau Gaby Maasfur ihre Unterstutzung bei der Erstellung des kamerafertigen Manuskriptes.Allen eben genannten Personen mochte ich auch danken fur ihr Verstandnisund ihre Geduld bei der mehrmals verzogerten Abgabe des Manuskriptes.

Da es erwartungsgemaß auch bei noch so sorgfaltiger Bearbeitung des Tex-tes nicht moglich sein durfte, die Erstauflage eines solchen Buches fehlerfrei zuhalten, mochte ich mich schon vorab bei allen Lesern fur diese Fehler entschul-digen und sie ermutigen, von ihnen eventuell entdeckte Fehler an die folgendeAdresse mitzuteilen:

O. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Reinhard LerchInstitut fur Elektrische MeßtechnikJohannes Kepler Universitat LinzAltenberger Straße 69A-4040 Linzemail: R.Lerch@jk.uni-linz.ac.at

Linz, im Januar 1996 Reinhard Lerch

Inhaltsverzeichnis

1 Umfang und Bedeutung der Elektrischen Meßtechnik . . . . . . 11.1 Zur Historie und Bedeutung der Meßtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Der Begriff des Messens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Begriffsdefinitionen in der Meßtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3.1 Allgemeine Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3.2 Meßgerat und Meßeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.3 Meßkette (Struktur einer elektrischen Meßeinrichtung) 5

1.4 Vorschriften und Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.5 Klassifizierung von Meßmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.5.1 Ausschlagmethode - Kompensationsmethode . . . . . . . . . 71.5.2 Analog - Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.5.3 Kontinuierlich - Diskontinuierlich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.5.4 Direkt - Indirekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.6 Die Informationstrager im Meßsignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Die Grundlagen des Messens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1 Maßsysteme, Einheiten, Naturkonstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.1 Maßsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.2 Naturkonstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1.3 Abgeleitete Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2 Großen- und Zahlenwertgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Ausgleichsvorgange, Frequenz-Transformation undVierpol-Ubertragungsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.1 Fourier-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2 Ausgleichsvorgange in linearen Netzwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3 Die Laplace-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.4 Die Laplace-Transformierte elementarer Zeitfunktionen . . . . . . 273.5 Die Eigenschaften der Laplace-Transformation —

Laplace-Transformation einfacher mathematischerOperationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

XVIII Inhaltsverzeichnis

3.5.1 Uberlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.5.2 Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.5.3 Differentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.5.4 Produkt zweier Laplace-Funktionen — Faltung . . . . . . . 313.5.5 Multiplikationssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.5.6 Verschiebung im Zeitbereich (Oberbereich) . . . . . . . . . . 333.5.7 Verschiebung im Laplace-Bereich (Unterbereich) . . . . . . 343.5.8 Dehnung bzw. Stauchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.5.9 Anfangswert-Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.5.10 Endwert-Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.5.11 Tabelle mathematischer Operationen . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.6 Analyse eines RC-Netzwerkes mittels Laplace-Transformation . 363.7 Die Rucktransformation von Laplace-Transformierten in den

Zeitbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.8 Losung von linearen Differentialgleichungen mit konstanten

Koeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.9 Berechnung von Einschwingvorgangen in elektrischen

Netzwerken mit konzentrierten linearen passiven Bauelementen 413.10 Rucktransformation mittels Residuenmethode -

Heavisidescher Entwicklungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.11 Vierpol-Ubertragungsfunktion im Zeit- und Frequenzbereich . . 563.12 Beschreibung von linearen zeitinvarianten Netzwerken durch

ihre Sprungantwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.13 Bode-Diagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.13.1 Regeln fur Bode-Diagramme (reelle Pole undNullstellen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.13.2 Regeln fur Bode-Diagramme mit komplexen Polpaaren 67

4 Nichtlineare elektrische Bauelemente, Schaltungen undSysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.1 Nichtlineare konzentrierte Bauelemente (R,L,C) . . . . . . . . . . . . 73

4.1.1 Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.1.2 Nichtlinearer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.1.3 Nichtlineare Induktivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.1.4 Nichtlineare Kapazitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.2 Gesteuerte Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.3 Analyse nichtlinearer elektrischer Netzwerke . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5 Meßfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955.1 Systematische Meßfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.2 Zufallige Meßfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.2.1 Normalverteilung, Mittelwert, Standardabweichung . . . 985.2.2 Vertrauensbereich fur den Schatzwert . . . . . . . . . . . . . . . 1015.2.3 Fortpflanzung zufalliger Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.3 Genauigkeitsklassen bei Meßgeraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Inhaltsverzeichnis XIX

5.4 Dynamische Meßfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1065.4.1 Das Ubertragungsverhalten von Meßsystemen . . . . . . . . 1075.4.2 Definition des dynamischen Meßfehlers . . . . . . . . . . . . . . 1115.4.3 Bestimmung des dynamischen Meßfehlers . . . . . . . . . . . . 1125.4.4 Meßsystem mit Tiefpaßverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

6 Analoges Messen elektrischer Großen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1176.1 Elektromechanische Meßgerate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.1.1 Drehspulmeßwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186.1.2 Galvanometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1236.1.3 Elektrodynamisches Meßwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266.1.4 Dreheisenmeßwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1296.1.5 Drehspulquotientenmeßwerk (Kreuzspulmeßwerk) . . . . 1306.1.6 Drehmagnetmeßwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1326.1.7 Elektrostatisches Meßwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1336.1.8 Schaltzeichen fur Meßgerate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

6.2 Messung von Gleichstrom und Gleichspannung . . . . . . . . . . . . . . 1366.2.1 Messung von Gleichstromen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1366.2.2 Messung von Gleichspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1396.2.3 Gleichzeitiges Messen von Strom und Spannung . . . . . . 142

6.3 Messung von Wechselstrom und Wechselspannung . . . . . . . . . . . 1436.3.1 Begriffsdefinitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1436.3.2 Gleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1446.3.3 Messung des Scheitelwertes (Spitzenwert, Peak Value) . 1466.3.4 Messung des Gleichrichtwertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1496.3.5 Messung des Effektivwertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1506.3.6 Meßwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1516.3.7 Strommeßzange fur Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1586.3.8 Hallelement (Galvanomagnetischer Effekt) . . . . . . . . . . . 1646.3.9 Strommeßzange fur Gleichstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

7 Meßverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1717.1 Operationsverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

7.1.1 Idealer Operationsverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1727.1.2 Realer Operationsverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1737.1.3 Definitionen von Operationsverstarker-Kenngroßen . . . 1767.1.4 Operationsverstarker-Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . 1837.1.5 Operationsverstarker mit differentiellem Ausgang . . . . . 196

7.2 Spezielle Meßverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2007.2.1 Differenzverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2007.2.2 Instrumentenverstarker (Instrumentierungsverstarker) . 2017.2.3 Zerhacker-Verstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2037.2.4 Ladungsverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

7.3 Rauschen von Meßverstarkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

XX Inhaltsverzeichnis

8 Messung der elektrischen Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2198.1 Leistungsmessung im Gleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2198.2 Leistungsmessung im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

8.2.1 Begriffsdefinitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2218.2.2 Leistungsmessung im Einphasennetz . . . . . . . . . . . . . . . . 2218.2.3 Leistungsmessung in Drehstromsystemen . . . . . . . . . . . . 223

8.3 Messung der elektrischen Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

9 Messung von elektrischen Impedanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2359.1 Messung von ohmschen Widerstanden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

9.1.1 Strom- und Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2359.1.2 Vergleich mit einem Referenzwiderstand . . . . . . . . . . . . . 2369.1.3 Verwendung einer Konstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . 2389.1.4 Verwendung eines Kreuzspulinstrumentes . . . . . . . . . . . . 239

9.2 Kompensationsschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2409.2.1 Gleichspannungskompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2409.2.2 Gleichstromkompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

9.3 Gleichstrom-Meßbrucken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2429.3.1 Gleichstrom-Ausschlagbrucken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2439.3.2 Gleichstrom-Abgleichbrucken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

9.4 Messung von Schein- und Blindwiderstanden . . . . . . . . . . . . . . . 2459.5 Wechselstrom-Meßbrucken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

9.5.1 Wechselstrom-Abgleichbrucken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2499.5.2 Einflusse von Erd- und Streukapazitaten . . . . . . . . . . . . 2529.5.3 Halbautomatischer Bruckenabgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . 2539.5.4 Wechselstrom-Ausschlagbrucken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

10 Darstellung des Zeitverlaufes elektrischer Signale . . . . . . . . . . 26310.1 Analoges Elektronenstrahl-Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

10.1.1 Aufbau und Funktion der Elektronenstrahl-Rohre . . . . 26310.1.2 Zeitablenkung und Triggerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26710.1.3 Funktionsgruppen eines Analog-Oszilloskops . . . . . . . . . 27010.1.4 Sampling-Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

10.2 Spannungsteiler in Elektronenstrahl-Oszilloskopen . . . . . . . . . . . 27610.3 Fehler bei der analogen Elektronenstrahl-Oszilloskopie . . . . . . . 278

10.3.1 Statische Fehler (Fehler der Ablenkkoeffizienten) . . . . . 27810.3.2 Linearitatsfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27910.3.3 Dynamische Fehler des Oszilloskops . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

10.4 Digital-Speicheroszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28710.4.1 Prinzipielle Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28710.4.2 Wiedergabe des aufgezeichneten Bildes . . . . . . . . . . . . . . 28910.4.3 Betriebsarten des Digital-Speicheroszilloskops . . . . . . . . 29110.4.4 Einsatz von Digital-Oszilloskopen in Verbindung mit

Computern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29210.5 Vergleich Analog- und Digital-Oszilloskope . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

Inhaltsverzeichnis XXI

10.6 Digital-Phosphor-Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29310.7 Stand der Technik bei Digital-Oszilloskopen . . . . . . . . . . . . . . . . 294

11 Digitale Meßtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29711.1 Duales Zahlensystem und Binarcodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

11.1.1 Dualzahlendarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29711.1.2 BCD-, Hexadezimal- und Gray-Code . . . . . . . . . . . . . . . . 29811.1.3 Fehlererkennung und Fehlerkorrektur . . . . . . . . . . . . . . . 299

11.2 Binare Signale und ihre Verknupfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29911.2.1 Grundregeln bei der logischen Verknupfung . . . . . . . . . . 29911.2.2 Digitale Grundschaltungen (Gatterschaltungen) . . . . . . 30011.2.3 Digitale Addierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

11.3 Bistabile Kippschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30511.3.1 RS-Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30611.3.2 Taktzustandgesteuertes RS-Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . 30711.3.3 Taktflankengesteuertes RS-Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . . 30811.3.4 Taktzustandgesteuertes D-Flip-Flop (Data-Latch) . . . . 30811.3.5 Taktflankengesteuertes D-Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . 31011.3.6 Taktflankengesteuertes JK-Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . . 31111.3.7 Taktflankengesteuertes T-Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

11.4 Monostabile Kippstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31311.5 Zahler-Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

11.5.1 Dualzahler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31511.5.2 BCD-Zahler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

11.6 Digital-Analog-Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31811.6.1 Grundlagen und Kenngroßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31811.6.2 Schaltungstechnische Realisierungen . . . . . . . . . . . . . . . . 32011.6.3 Fehler bei der Digital-Analog-Umsetzung . . . . . . . . . . . . 325

11.7 Analog-Digital-Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32811.7.1 Abtastung (Sampling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32911.7.2 Abtast-Halte-Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33211.7.3 Direktvergleichende Analog-Digital-Umsetzer . . . . . . . . 33411.7.4 Analog-Digital-Umsetzung mit Delta-Sigma-Modulator 34211.7.5 Time-Division-Multiplizierer (Impulsbreiten-

Multiplizierer, Sagezahn-Multiplizierer) . . . . . . . . . . . . . 35011.7.6 Analog-Digital-Umsetzung mit Zeit oder Frequenz . . . . 35211.7.7 Vergleich der Grundprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36011.7.8 Fehler bei der Analog-Digital-Umsetzung . . . . . . . . . . . . 361

11.8 Digital-Multimeter (DMM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36511.8.1 Anzahl der Stellen und Genauigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 36511.8.2 Beispiel eines 4 1/2 -stelligen Digital-Multimeters . . . . . . 36611.8.3 Messungen des echten Effektivwertes von Signalen

mit Gleichanteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36811.8.4 Gesamtfehler infolge Scheitelfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

XXII Inhaltsverzeichnis

11.9 Strom-/Spannungsquellen mit Ruckmeßfunktion (SourceMeasure Units) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36911.9.1 Source Measure Units in automatischen Testsystemen . 36911.9.2 Messung kleiner Strome bzw. Spannungen mit SMUs . 371

12 Die Messung von Frequenz und Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37312.1 Mechanische Frequenzmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37412.2 Digitale Frequenzmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37512.3 Digitale Zeitmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

12.3.1 Zeitintervallmessung (Zeitdifferenzmessung) . . . . . . . . . . 37612.3.2 Periodendauermessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

12.4 Digitale Phasenwinkelmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38112.5 Rechnender Zahler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38212.6 Zeit-Spannungs-Umsetzer (t/U-Umsetzer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38312.7 Frequenz-Spannungs-Umsetzer (f/U-Umsetzer) . . . . . . . . . . . . . . 38312.8 Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

12.8.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38412.8.2 Harmonische Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38612.8.3 LC-Oszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38712.8.4 Relaxationsoszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38912.8.5 Quarzoszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39212.8.6 Operationsverstarker-Schaltung eines Quarzoszillators . 39512.8.7 Fehler von Schwingquarzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396

12.9 Fehler bei der digitalen Zeitintervall- bzw. Frequenzmessung . . 39812.10 Atomuhren, Zeitzeichensender und Funknavigation . . . . . . . . . . 401

12.10.1 Atomuhren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40112.10.2 DCF-77 Zeitzeichensender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40312.10.3 NAVSTAR/GPS-Satellitennavigation . . . . . . . . . . . . . . . 40412.10.4 Galileo-Satellitennavigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40812.10.5 Storfaktoren bei der Satellitennavigation . . . . . . . . . . . . 411

13 Meßsignalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41313.1 Aufgaben und Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41313.2 Signalarten und Analyseformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41513.3 Multiplizieren, Dividieren, Quadrieren, Radizieren . . . . . . . . . . . 41613.4 Ermittlung des Effektivwertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

13.4.1 Messung des Effektivwertes fur beliebige Signalverlaufe 42113.5 Bestimmung von Mittelungswerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42213.6 Kenngroßen nicht-sinusformiger periodischer Signale . . . . . . . . . 42413.7 Messung von Signaleigenschaften mittels Korrelationsfunktion 42713.8 Außere Storeinwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43813.9 Optimalfilter (Wiener-Filter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

13.9.1 Ubertragungsfunktion eines Optimalfilters . . . . . . . . . . . 44113.9.2 Beispiel fur ein Optimalfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445

Inhaltsverzeichnis XXIII

14 Regression, lineare Korrelation und Hypothesen-Testverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45114.1 Regressionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451

14.1.1 Ausgleichsgerade (lineare Regression) . . . . . . . . . . . . . . . 45214.1.2 Gute der Anpassung bei der linearen Regression

(Varianz, Kovarianz, Restvarianz undKorrelationskoeffizient) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

14.1.3 Ausgleichspolynome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45914.1.4 Mehrfache lineare Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460

14.2 Lineare Korrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46214.3 Testverfahren (Hypothesen-Testverfahren) . . . . . . . . . . . . . . . . . 465

14.3.1 Testen von Hypothesen, Entscheidungen. . . . . . . . . . . . . 46514.3.2 Beispiele fur Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469

15 Grundlagen der Rechnergestutzten Meßdatenerfassung . . . . 47515.1 Grundstrukturen von rechnergestutzten Meßsystemen . . . . . . . 47515.2 Basis-Hardware zur Meßdatenerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482

15.2.1 Multifunktions-Einsteckkarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48415.2.2 Multiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48715.2.3 Storungen infolge Erdschleifen und Einkopplungen . . . . 48815.2.4 Serielle Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49015.2.5 Parallelbussysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49115.2.6 Datenlogger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491

15.3 Grundtypen des Datentransfers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491

16 Meßdatenerfassung im Labor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49316.1 Die serielle RS232C-Schnittstelle (V.24-Schnittstelle) . . . . . . . . 495

16.1.1 Ubertragungsmedien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49516.1.2 Leitungsbelegung und Steckerverbindung der

RS232C-Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49616.1.3 Pegelfestlegung und deren logische Zuordnung. . . . . . . . 49916.1.4 Logikdefinition fur Datenleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49916.1.5 Logikdefinition fur Steuer- und Meldeleitungen . . . . . . . 50016.1.6 Synchronisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50016.1.7 Handshake-Verfahren (Quittierungsverfahren) . . . . . . . . 50116.1.8 Software-Handshaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50116.1.9 Hardware-Handshaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50216.1.10 Hardware-Realisierung von seriellen Schnittstellen . . . . 503

16.2 Kenngroßen der seriellen Datenubertragung . . . . . . . . . . . . . . . . 50616.3 Die RS485-Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507

16.3.1 Eine Twisted-Pair-Leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50816.3.2 Zwei Twisted-Pair-Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508

16.4 Die 20mA-Stromschleife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50916.5 Die USB-Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50916.6 Der IEC-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510

XXIV Inhaltsverzeichnis

16.6.1 Historie des IEC-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51116.6.2 Bezeichnungen des IEC-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51116.6.3 IEC-Bus-Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51116.6.4 Gerategrundfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51216.6.5 IEC-Bus-Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51316.6.6 Bus-Logik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51416.6.7 Handshake-Verfahren (Dreidraht-Handshake) . . . . . . . . 51516.6.8 Nachrichtenarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51716.6.9 Schlußzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52316.6.10 Statusabfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52316.6.11 IEC-Bus-Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524

16.7 VXI-Bus, PXI-Bus und MXI-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52716.7.1 VXI-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52716.7.2 Resource Manager (System Manager) . . . . . . . . . . . . . . . 52816.7.3 Commander . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52816.7.4 Servant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52916.7.5 Busgliederung/Teilbusse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52916.7.6 VXI- und IEC-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52916.7.7 PXI-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53016.7.8 PCI-Express . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53316.7.9 PXI-Express (PXIe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53316.7.10 MXI-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53416.7.11 PXI MultiComputing (PXImc) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53616.7.12 Historie der bisher diskutierten Bus-Standards . . . . . . . 537

17 Meßdatenerfassung im Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53917.1 Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) . . . . . . . . . . . . . . 539

17.1.1 Aufbau einer SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53917.1.2 Programmstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53917.1.3 Permanent-zyklischer Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54017.1.4 Ausnahmen vom permanent-zyklischen Betrieb . . . . . . . 54217.1.5 Besonderheiten der Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . 54217.1.6 Programmiersprachen fur SPS nach IEC 61131-3 . . . . . 54217.1.7 Beispiele fur die IEC-genormten SPS-

Programmiersprachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54417.2 Neue Entwicklungen bei Speicherprogrammierbaren

Steuerungen (SPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54917.2.1 Vernetzung von Speicherprogrammierbaren

Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54917.2.2 Visualisierung von SPS-Daten und -Prozessen . . . . . . . . 553

17.3 Hierarchie industrieller Bussysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55817.4 Vorschrift fur eine einheitliche Kommunikation: Das

ISO-Schichtenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55917.5 Netzwerktopologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56117.6 Bus-Zugriffsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562

Inhaltsverzeichnis XXV

17.6.1 Klassifizierung der Bus-Zugriffsverfahren . . . . . . . . . . . . 56317.7 Modulationsverfahren und Bitcodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563

17.7.1 Alternierende Puls Modulation (APM) . . . . . . . . . . . . . . 56317.7.2 Fehlererkennung und Datensicherung . . . . . . . . . . . . . . . 56517.7.3 Bitcodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566

17.8 Schnittstellenkonverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56717.9 Der Feldbus (FAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568

17.9.1 ASI-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57117.9.2 CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57217.9.3 PROFIBUS-DP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57417.9.4 FIP-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57717.9.5 INTERBUS-S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57817.9.6 BITBUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58017.9.7 EIB (European Installation Bus) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58117.9.8 LON (Local Operating Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58317.9.9 DIN-Meßbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585

17.10 Primare Sensorelement-Schnittstelle (PrimSens) . . . . . . . . . . . . 586

18 Vernetzung von Meßdatenrechnern (Industrie-LAN, WAN)58918.1 IP-Adressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59018.2 Subnetzmasken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59118.3 Internet-Protokoll (IP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59218.4 Transmission Control Protocol (TCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59218.5 Echtzeitfahigkeit des Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59218.6 Ubergeordnete Kommunikationsebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59318.7 Physikalische Ethernet-Ubertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59318.8 Ethernet-Telegrammstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59418.9 Verbindung mehrerer lokaler Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59418.10 Standortubergreifende Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596

18.10.1 Breitband-ISDN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59618.10.2 Datex-P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59718.10.3 GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59718.10.4 Powerline-Kommunikation (Power Line

Communication, PLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59818.10.5 Satellitenkommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59918.10.6 Metropolitan Area Network (MAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . 60018.10.7 Wide Area Network (WAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60018.10.8 Hochgeschwindigkeits-Glasfasernetz FDDI . . . . . . . . . . . 600

18.11 Rechnernetze zur Meßdatenubertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60118.11.1 Spezielle Bussysteme zur Meßdatenerfassung . . . . . . . . . 60118.11.2 Vernetzung von Meßdatenerfassungssystemen mittels

Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60118.12 Virtuelle Instrumentierung auf der Basis von USB-Meßmodulen605

18.12.1 Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60518.12.2 Beispiele fur USB-Meßgerate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606

XXVI Inhaltsverzeichnis

18.13 Ethernet-Nutzung zur Meßdatenerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61018.13.1 LXI - Ein neuer Standard fur die Meßtechnik . . . . . . . . 61018.13.2 Die technische Basis von LXI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61118.13.3 Die 3 Gerateklassen A, B und C des LXI-Standards . . . 61218.13.4 Triggermoglichkeiten von LXI-Geraten . . . . . . . . . . . . . . 61418.13.5 Triggerung gemaß IEEE-1588 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61418.13.6 Die Situation des LXI-Geratemarktes . . . . . . . . . . . . . . . 616

18.14 VPN - Virtual Private Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616

19 Programmierung von Meßdatenerfassungssystemen . . . . . . . . 61919.1 Allgemeine Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61919.2 IEC- und VXI-Bus-Kommunikation, SCPI-Standard . . . . . . . . . 620

19.2.1 Syntax der SCPI-Sprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62219.2.2 SCPI-Datenformate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625

19.3 Einsatz kommerzieller Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62619.4 Kategorien von Softwarelosungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626

19.4.1 Dialoggefuhrte Komplettpakete (Fertiglosungen) . . . . . 62619.4.2 Modul-Bibliotheken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62719.4.3 Graphikorientierte Entwicklungssysteme

(Programmgeneratoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62719.4.4 Systeme mit speziellen Kommandosprachen . . . . . . . . . . 628

19.5 LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62919.6 LabWindows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63419.7 MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635

20 Gebaudeautomatisierung (Smart Home) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63920.1 Struktur des Gesamtsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64020.2 Datenerfassung mit frequenzanaloger Schnittstelle . . . . . . . . . . . 64120.3 Datenerfassung mit digitaler Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64320.4 Datenerfassung mit energieautarker digitaler Funkschnittstelle 64420.5 Lokale und weltweite Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647

20.5.1 LAN - lokales Netzwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64720.5.2 Standortubergreifende Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64820.5.3 Weltweite Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649

20.6 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661

. . . . . . . . E1Druckfehler zum Kapitel 13 : Meßsignalverarbeitung . . .