Mess Technik

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Mess Technik

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  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 1

    EINFHRUNG UND GESETZLICHE EINHEITEN

    Messen = Vergleichen einer physikalischen Gre unbekannten Wertes mit einem Gert oder einer Einrichtung,welche diese physikalische Gre so genau wie erforderlich darstellt.

    Basiseinheiten = Grundlage des Grensystems, aus dem alle anderen Gren abgeleitet werden ( abgeleiteteEinheiten).

    Basisgren im SI-Einheitensystem (= internationalen Einheitensystem):Basisgre Basiseinheit Einheitenzeichen Wichtigste Vielfache von Einheiten

    Lnge Meter mMasse Kilogramm kg Zehnerpotenz Vorsatz Zeichen

    Zeit Sekunde s 10^12 Tera TElektr. Stromstrke Ampere A 10^9 Giga G

    Thermodyn. Temperatur Kelvin K 10^2 Hekto hLichtstrke Candela cd 10^1 Deka da

    Definitionen der Einheiten:

    phys. Gre Einheit abgeleitete Formel / Definition

    Kraft F 1 Newton [N] 22 1111 smkg

    s

    mkgN ==1 Newton ist diejenige Kraft, dieeine Masse von 1kg um 1m/s

    beschleunigt.

    Energie 1 Joule [J]2

    2

    1111s

    mkgWsNmJ ===

    Leistung P 1 Watt [W]3

    2

    111s

    mkgs

    NmW ==

    Strom I 1 Ampere [A]Stromstrke von 1 Ampere entspricht der Kraft 2x10-7N zwischen 2 unendli-chen langen parallelen Leitern (1m Abstand, gleiche Stromstrke) auf 1m

    Lnge.

    Spannung U 1 Volt [V]As

    NmA

    WV

    == 111

    Widerstand R 1 Ohm [] 1 = 1 V / Amagn. Feldstrke H 1 Ampere / Meter 1 A / mmagn. Flu 1 Weber [Wb] 1Wb = 1Vsmagn. Induktion B 1 Tesla [T] 211 m

    VsT =

    Induktivitt L 1 Henry [H]A

    VsH 11 =

    FEHLER UND KLASSEN VON MESSGERTEN

    Mefehler systematische Fehler zufllige Fehler

    Definition

    Gleichbleibende Unvollkommenheitder Megerte und Meverfahren, diebei Wiederholung des Mevorgangsgleich gro sind und durch Korrektu-

    ren beseitigt werden knnen.

    Unvorhersehbare nderungen an den Megerten, in derUmwelt und durch den Beobachter, die bei jeder Messungnach Gre und Vorzeichen verschieden und daher auch

    nicht durch Korrekturen zu beseitigen sind ( durch Mess-wiederholung und Mittelwertbildung verminderbar!).

    Beispiele Gertefehler, Verfahrensfehler, er-fate UmwelteinflsseAblesefehler, Streuung,

    nicht erfabare Umwelteinflsse

    Angezeigter Wert A = Istanzeige, falscher Wert.

    Wahrer Wert W = Sollanzeige, richtiger Wert. }Absoluter Fehler F = A - W

    pos. oder neg. Abweichung / Differenz derIstanzeige A von der Sollanzeige W inEinheiten der physikal. Gre.

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 2

    Relativer Fehler f nach DIN-Vorschrift 1319 nach VDE-Vorschrift 0410

    Definition Bezug des absoluten Fehlers Fauf den wahren Wert in Prozent

    Bezug des absoluten Fehlers Fauf den Mebereichsendwert in Prozent

    Formel %100=W

    WAf %100=sendwertMebereich

    WAf

    Messgerte-Klasse = Angabe der Genauigkeit eines Megertes unter Bercksichtigung der Einflugren ( =Einflu der Umwelt). Dies entspricht des relativen Fehlers eines Megertes in Prozent bezogen auf den Me-bereichsendwert. Megerte, die allen Bestimmungen der VDE-Vorschrift entsprechen, erhalten ein ent-sprechendes Klassenzeichen: Feinmegerte: 0,1 - 0,2 - 0,5 Betriebsmegerte: 1 -1,5 - 2,5

    Einflugren = Lage, Temperatur, Anwrmvorgang, Frequenz, Fremdfeld, Einbau, ... Jeder dieser Einflugrenwird nach VDE ein Nennwert oder Nennbereich zugeordnet, bei denen oder innerhalb derer das Megertden Forderungen hinsichtlich des Anzeigefehlers entsprechen mu.Zur Ermittlung des Einflusses auf die Anzeige eines Megertes werden alle Einflugren bis auf eine aufNennbedingungen eingestellt. Diese Gre kann dann innerhalb des durch die Vorschrift vorgegebenenEinflubereiches gendert werden, ohne da die nderung die Anzeige der zulssigen Grenzen ber-schreitet.

    FEHLERFORTPFLANZUNG

    Fehlerfortpflanzung = die Zusammenfassung von zwei oder mehr fehlerbehafteten Megren durch Rechnungzu einem Meergebnis, wodurch der Fehler des Meergebnisses durch den Fehler der Megren, ve r-knpft ber die Gesetze der Fortpflanzung, bestimmt wird.

    worst case = physikalisch ungnstigste Fall, wenn sich z.B. alle Einflsse in einer Richtung addieren (s.Formels.).

    Wahre Wert )1(1

    fAfAW

    =

    Multiplikation ( )[ ]212121 1 ffAAWWX +==Division ( )[ ]21

    2

    1

    2

    1 1 ffAA

    WWX +==

    Maximaler Fehler =Summe der Einzelfehler der Mewerte

    Addition ( )

    +

    ++=+=21

    22112121 1 AA

    fAfAAAWWXFehler des greren Mewertes wird mag e-

    bend sein, da die Mewerte selbst bei derFehlerbildung mit bercksichtigt werden.

    Subtraktion ( )

    +==21

    22112121 1 AA

    fAfAAAWWXSehr groer Fehler, besonders wenn die Diffe-

    renz zwischen den beiden Megren sehrklein ist und die Mewerte sehr gro sind.

    mglichst vermeiden!

    Bestimmung des mittleren Fehlers kann nach dem Gesetz der Fehlerfortpflanzung von Gau ermittelt werden.

    ARBEITSWEISE ELEKTRISCHER MESSGERTE DAS AUSSCHLAGVERFAHREN

    Merkmale:# Die zu messende Gre wird unmittelbar als Ausschlag gebildet.# Die Darstellung erfolgt durch die Angabe eines Winkels oder einer Lnge.# Die Anzeige ist analog der zu messenden Gre.# Ab Genauigkeiten von 10-3 stark steigende Anschaffungskosten.

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 3

    Funktionsweise: Die elektrische Gre erzeugt eine Kraft oder ein Drehmoment

    Mel (abhngig vom Megert-Aufbau), dem ein mechanischerzeugtes Gegendrehmoment Mmech (Verdrehung von Spiral-federn oder Aufhngebndern) entgegenwirkt.

    Mit der Konstante der Spiralfeder oder des Aufhngebandes kmechergibt sich (Reibungsmomente, Nicht-Linearitten der Feder, Rckwir-kungen beim Einstellvorgang, Anzeigefehler verursachen, ... unbercksichtigt!):

    == mechmechel kMM

    Beim Einschalten der Megre stellt sich der Ausschlag des Meg e-rtes erst nach einer best. Zeit (= Einstellzeit) auf den Endwert ein.

    Der dynamische Einstellvorgang und damit die Einstellzeit TE des Me-gertes werden durch das Massentrgheitsmoment des Mesy-stems, die Feder und durch die Dmpfung ( Dmpfungsfaktor D)bestimmt (oder kurz: durch Megertebauart und Dmpfung).

    D Dmpfung Bezeichnung TE1 starkgedmpfte periodische

    Schwingung(schwingende Einstellung ber

    den statischen Wert hinaus)lang

    Sonderfall: Einstellvorgang mit krzester Einstellzeit beimDmpfungsfaktor D 0,7, wobei ein einmaliges ber-schwingen ber den statischen Wert hinaus zugelas-sen wird, ohne da der Megerteausschlag dieFehlergrenzen verlt.

    Merke: Die Dmpfung beeinflut nicht die Anzeigegenauigkeit(= statische Einstellung), sondern ist magebend frden dynamischen Einstellvorgang, da sie nur wirksamwird, wenn sich das Mesystem bewegt.

    Die zum Einstellen des Ausschlags erforderliche Energie wird von der Megre selbst geleistet. DerAnzeigevorgang ist damit immer mit einem Energieverbrauch verknpft.

    ARBEITSWEISE ELEKTRISCHER MESSGERTE DAS ABGLEICHVERFAHREN (NULL-ABGLEICH)

    Funktionsweise: Die zu messende unbekannte Gre wird mit einer genau bekannten Greverglichen ( Tafelwaage). Es erfolgt also hier keine Umwandlung der zu messendenGre in eine analoge physikalische Gre (z.B. Ausschlagswinkel ), sondern es findeteine sog. Kompensation unter Verwendung eines Nullinstrumentes statt.

    Anwendungen: techn. Kompensator zur Spannungs- oder Widerstandsmessung mit Hilfe vonMebrcken.

    ARBEITSWEISE ELEKTRISCHER MEGERTE DIE DIGITALE ANZEIGE

    Funktionsweise: Nach Anlegen der zu messenden Spannung schaltet das Megert eine Spannung der zu mes-senden Spannung entgegen, die linear ansteigt (Sgezahn). Gleichzeitig liefert ein Generator Impulse be-stimmter Frequenzen, die von einem Zhler und mit Ziffern-Anzeigerhren wiedergegeben werden. Erreichtdie Kompensationsspannung den Wert der zu messenden Spannung, so schaltet ein Komparator (Verglei-cher) den Impulsgeber ab und gleichzeitig die interne Sgezahnspannung auf null. Der Mewert wird ange-zeigt und der Mevorgang beginnt von vorn.Die Genauigkeit wird dabei im wesentlichen durch die Empfindlichkeit des Komparators, durch die Linea-ritt der Sgezahnspannung und durch die Frequenz des Impulsgebers bestimmt.

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 4

    Vorteile:+ Ablesefehler nicht mehr mglich, da der Mewert

    direkt in Zahlenwerten erscheint.+ Genauigkeiten von 0,1% und besser sind leicht er-

    reichbar (und dabei ab Genauigkeiten von 10-3gnstiger als analoge Megerte).

    + Mewerte liegen in digitaler Form vor und knnenso leicht weiterverarbeitet werden.

    Anwendungen: datenverarbeitende Anlagen, Mewertfern-bertragung, als Baugruppen in Prozeregelungen

    AUFBAU ELEKTRISCHER MESSGERTE: DER MAGNETISCHE KREIS

    Allgemein: Das elektrische Moment oder Memoment der analog anzeigenden Megerte wird bis auf wenigenAusnahmen durch die Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter im magnetischen Feld (verur-sacht durch Luftspule (wird spter erklrt) oder Dauermagnet) erzeugt.

    Auenmagentsystem (Dauermagnet): Das magnetische Feld eines Dauermagneten wirdber Polschuhe an einen ringfrmigen Luftspalt herangefhrt, der durch einenKern in seiner Breite festgelegt ist. Dadurch wird die gesamte magnetische Ener-gie im Luftspalt konzentriert und ist so zur Drehmomentbildung verfgbar.Durch die Abmessungen des Dauermagneten und die Breite des Luftspaltes wirdder magnetische Kreis so eingestellt, da optimale Energieverhltnisse im Luftspalt herrschen. Als ge-bruchliche Werkstoffe verwendet man sog. AlNiCo-Sthle, mit denen sich Induktionen von 0,1-0,45 T imLuftspalt erreichen lassen.Innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereiches ergibt sich keine Ab-hngigkeit der Induktion im Luftspalt vom Winkel. Die Feldlinien tretenradial durch den Luftspalt, da der Winkel beim bergang von Eisen inLuft und umgekehrt von Luft in Eisen fast 90 betrgt.Fr den bergang magnetischer Feldlinien von Material 1 in Material 2 gilt:

    2

    1

    2

    1

    tantan

    r

    r

    =

    r1, r2 = relative Permeabilitten der Materia-lien1, 2 = Winkel der magnetischen Feldlinie

    bezogen auf das Lot zur Grenz-schicht

    Beim bergang von Eisen in Luft ist r1 >> r2,also wird der Winkel 2 0.

    Kernmagnetsystem (Dauermagnet): Es besteht aus einem runden Magneten, um denunter Beibehaltung eines konstanten Luftspaltes ringfrmig der Rckschlu-ring angeordnet ist. Der Verlauf der Induktion im Luftspalt ist jetzt nicht mehrkonstant, sondern ndert sich sinusfrmig ber den Umfang.Der Arbeitsbereich des Gertes ergibt sich wie dargestellt:(Mebereich kann ebenfalls nicht von 0 bis 180 ausgenutzt werden!)Ist ein sinusfrmiger Verlauf des magnetischen Feldes nicht erwnscht, so kannder Feldverlauf durch Aufsetzen von Kalotten aus Weicheisen auf den Kern be-einflut werden.Kernmagnetmewerke erlauben geringere Auenabmessungen als Auenma-gentmewerke, wodurch jedoch ca. 70% des im Magneten erzeugten Flusses alsStreuflu verloren geht (solche Gerte wurden erst mit der Herstellung energiereicher Magnet-sthle mglich).

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 5

    AUFBAU ELEKTRISCHER MESSGERTE: MESSWERKE-LAGERUNG UND RICHTMOMENT-ERZEUGUNG

    Lagerungsarten in anzeigenden Megerten: Zapfen- (nicht weiter erlutert), Spitzen-, Spannband-, Tragband-Lagerung. Die Lagerung der beweglichen Spule ist entscheidend fr die Genauigkeit, Zuverlssigkeit undBetriebssicherheit des Mewerkes.

    Lagerungsart Spitzenlagerung Spannbandlagerung Tragbandlagerung

    Beschreibung

    Eine Stahlachse mit kugel-frmigen Spitzen ruht ineinem Edelstein, wobei derRadius und der ffnungs-winkel des Lagers grer istals der der Spitze.

    Bewegliches System, eingespanntzwischen zwei Bndern aus Bronzeoder einer Platinlegierung. Gleichzeitigdienen die Spannbnder zur Erzeu-gung des mech. Gegendrehmomen-tes und als Stromzufhrung.

    Darstellung

    Vorteile /Nachteile

    + sehr fest gelagert empfindliche Mewerke

    aufgrund der Reibung (wg.fester Lagerung) nicht her-stellbar

    empfindlich gegen starkeSte

    + keine uere Reibung+ Schttel- und Stofestigkeit+ hhere Empfindlichkeit als spitzengela-

    gerte Mewerke bei Erschtterung unruhige Anzeige,

    aufgrund federnder Aufhngung desMewerkes

    + sehr geringes Rckstell-moment

    + sehr hohe Empfindlichkeit kritische Aufstellung der

    Gerte, dadurch begrenzterAnwendungsbereich

    Anwendungen schwere Mewerke, z.B. inSchreibernMegertebau fr hoch-empfindliche Galvanometer

    Forderungen an Spiralfedern / Spannbnder zur Erzeugung des Rckstellmomentes:1. Linearer Zusammenhang zwischen Drehmoment und Drehwinkel2. Gleiche Kennlinie der Feder beim Spannung und Entspannen3. Geringer ohmscher Widerstand4. Unabhngigkeit des Widerstandes und des Drehmomentes von der Temperatur5. Korrosionsbestndigkeit und gute Ltbarkeit6. Federn sollen ohne Nachwirkung arbeiten, d.h. die Zndordnung zwischen Moment und Ausschlagwinkel mu auch

    nach lngerer Zeit und unabhngig von der Drehrichtung des Mesystems erhalten bleiben.

    Querschnitt der Spannbnder = tonnenfrmig, in der Grenordnung von 10m ... 50m ... 100m.

    Federkonstante (Richtmomente) fr spitzengelagerte Megerte = 10-4Ncm/90 bis 2x 10-3Ncm/90.

    AUFBAU ELEKTRISCHER MESSGERTE: DMPFUNG DER MESSWERKE

    Allgemein: Die Dmpfungseinrichtung eines Mewerkes soll den Bewegungsvorgang des drehbaren Systemswhrend der Bewegung beeinflussen, whrend bei der statischen Einstellung keine Wirkung der Dmpfungvorhanden sein darf. Nochmals, die Dmpfung dient damit nur zur Beeinflussung des dynamischen Ein-stellvorgangs und hat dabei keinen Einflu auf die Genauigkeit eines Megertes.

    Dmpfungsart Beschreibung Aufbau Anwendungen

    Wirbelstrom-dmpfung

    Am drehbaren System wird eine Aluminiumfahnebefestigt, die sich zwischen den Polen eines Dauer-

    magnete bewegt. Whrend der Bewegung derScheibe werden in dieser Spannungen induziert, diewiederum Strme zur Folge haben. Wirbelstrom undueres Magnetfeld ergeben eine Kraftwirkung, die

    der bewegenden Kraft entgegengerichtet ist.

    Nur bei spitzen-gelagerten

    Megerten(aufgrund der gro-en und schwerenAluminiumfahne)

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 6

    Rhmchen-dmpfung

    Als Trger fr die bewegliche Spule wird ein Aluminiumrhmchen verwendet,welches infolge seine Bewegung im Luftspalt des Megertes nach dem glei-chen Prinzip der Wirbelstromdmpfung eine dmpfende Wirkung erzeugt. DieStrke der Dmpfung kann durch Schlitze im Rhmchen eingestellt werden.

    spannbandgela-gerte Megerte

    Spulendmp-fung

    ber die Bewegung der (selbsttragenden) Spule(n) im Feld eines Dauerma-gneten werden in der Spule selbst Spannungen induziert, die nur einen Strom

    ber den Mekreis flieen lassen. Dadurch ist die Strke der Dmpfung von derGre des ueren Widerstandes abhngig. Die Dmpfung ist dann am strk-

    sten, wenn der grte Strom fliet.

    Galvanometer

    Luft-(kammer)-dmpfung

    Hier bewegt sein ein Flgel oder Kolben in einemgeschlossenen Zylinder und beeinflut so den Ein-

    stellvorgang des Gertes.

    Megerte,deren Momen-tenbildung im

    Feld einerLuftspule erfolgt

    AUFBAU ELEKTRISCHER MESSGERTE: ZEIGER, SKALA, AUFSCHRIFTEN NACH VDE, GEHUSE

    Allgemein: Durch die Form des Zeigers und der Ausfhrung der Skala soll eine mglichst objektive Ablesung unterVermeidung von Beobachtungsfehlern erreicht werden. Da sich Zeiger und Skala in verschiedenen Ebenenbefinden, sind Ablesefehler bei schrger Blickrichtung durch Parallaxe mglich.

    Spiegelskala mit Messerzeiger: Die Spitze des Zeigers wird als Messerzeiger aus-gefhrt, und die Skala dabei mit einem Spiegel unterlegt, so da bei der Able-sung immer dann der geringste Ablesefehler entsteht, wenn sich Zeiger undSpiegelbild des Zeigers decken.

    Lichtzeiger: Hier wird auf dem beweglichen Organ ein Spiegel angebracht, der voneiner Lampe punktfrmig beleuchtet wird. Der reflektierte Strahl beleuchtetdie Skala, wodurch sich ein fast masse- und trgheitsloser Zeiger ergibt,dessen Lnge durch den Abstand des Megertes zur Skala bestimmt wird.Durch die beliebige Lnge des Zeigers und durch eine Verdopplung desAusschlagwinkels des Lichtzeigers gegenber dem Winkel des Spiegels isteine betrchtliche Steigerung der Empfindlichkeit mglich.Anwendung: bei leicht beweglichen Meorganen und Forderung nach hoher

    Empfindlichkeit, z.B. Spiegelgalvonometer.

    Allgemeine Aufschriften auf Megerten der Klassen 0,1 bis 0,5 und schreibenden Megerten nach VDE:# Fertigungsnummer# Ursprungszeichen# Prfspannungszeichen# Einheit der Megre# Klassenangabe

    # zulssige Stromart# Sinnbild des Mewerkes# Nennbedingungen# Anschlubedingungen oder Auenwiderstnde# Innenwiderstnde

    Gehuseformen: Bestimmung je nach Verwendungsart oder gewnschtem ueren Aussehen von den Mege-rteherstellern. Bedingungen fr die ueren Abmessungen werden nicht gestellt.

    Der konstruktive Aufbau elektrischer Megerte wird bestimmt durch:+ anzeigendes oder schreibendes Megert+ zulssige uere Abmessungen+ erforderliche elektrische Empfindlichkeit

    + erforderliche Genauigkeit+ zu messende physikalische Gre+ Ort des Einsatzes (Labor, tragbar, ...)

    Die Gesichtspunkte des konstruktiven Aufbaus bestimmen: Aufbau des magnetischen Kreises Prinzip der Dmpfung

    Art der Lagerung Zeiger, Gehuse, ...

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 7

    Wichtige Megerte-Zeichen nach VDE 0410:

    NORMALE FR ELEKTRISCHE GRSSEN

    Allgemein: Fr Vergleich- und Eichzwecke sind inder Metechnik Normale erforderlich. Diewichtigsten sind der Normalwiderstandund das Normalelement (zunehmend durchelektronische Einrichtungen ersetzt). Weiteresind Induktivitts- und Kapazittsnormale.

    Weston-Normal-Element(Normal fr die elektrische Spannung):

    + Quellspannung UNE = 1,0186V 0,1mV+ Zeitliche Konstanz der Quellspannung von 0,1%0 ber

    mehrere Jahre+ Geringe Quellspannungs-Toleranz einzelner Elementen

    + Temperaturkoeffizient der Quell-spannung von 0,004%/K

    geringe Belastbarkeit (max. 100A) hoher Innenwiderstand (150-250)

    Anwendung: Kompensation von Spannungen.

    Normalwiderstnde (Einheit des elektrischen Widertands):1. (An-)Forderungen:

    # Unabhngigkeit des Widerstandes von der Belastung# Mglichst kein Temperaturkoeffizient# Zeitliche Konstanz des Widerstandswertes# Keine oder nur sehr kleine Thermospannungen gegen Kupfer

    2. Widerstandsmaterialien: Manganin, Novokonstant, ...; allg. Kupfer-Mangan-Legierungen mit geringenZustzen von Nickel oder Aluminium.

    3. Genauigkeit: 10-5 des Nennwertes; Lieferung/Herstellung nur in dekadisch gestuften Werten.4. Beschreibung: Normalwiderstnde unter 10 mssen mit Potentialabgriff ausgerstet werden, um den

    Einflu der bergangswiderstnde auszuschalten. Die Stromzufhrung erfolgt getrennt von denKlemmen, mit denen die Spannung am Widerstand gemessen wird. Der Widerstandswert ist alsozwischen den Klemmen U vorgegeben.

    DREHSPULMESSGERT

    Grundstzlicher Aufbau: Im Luftspalt eines magnetischen Kreises, der von einemDauermagneten erregt wird, ist drehbar eine Spule gelagert. Der Weicheisen-kern wird durch eine besondere nichtmagnetische Halterung im Luftspalt un-verrckbar zentriert; diese Halterung trgt auch die Lagerung fr das bewegli-che Organ.

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 8

    Funktionsweise: Die Kraftwirkung ergibt sich daraus, da der Leiter so angeordnet ist, dadie Richtung des Stromes senkrecht zur Richtung der magnetischen Feldlinien ist. Dajeder stromdurchflossene Leiter mit einem Magnetfeld verknpft ist, ergibt sich ausder berlagerung der beiden Magnetfelder ein resultierendes Feld, da den Leiter mitder Kraft F verdrngt.

    Unter der Voraussetzung, da I, B und F senkrecht zueinander stehen,ergibt sich fr die Kraft F folgende Formel:

    BlIF =I = Strom durch den Leiter [A]l = Lnge des Leiters im Magnetfeld [m]B = Induktion des ueren magnetischen Feldes [T =Vs/m]

    Diese Formel ist auch fr die Kraftwirkung auf die Drehspule anwendbar, da durchdie radiale und homogene Ausbildung des magnetischen Feldes im Luftspalt dieBedingung fr die Richtung zwischen Strom und Magnetfeld in jeder Lager derDrehspule erfllt ist.Fr die statische Einstellung des Megertes ergeben sich folgende Formeln:

    === mechelmech kMMIBNlrFr el == 22

    l = wirksame Lnge des Leiters im Magnetfeld[m] (entspricht etwa Lnge des Rhm-chens L)

    2 x r = Breite des Rhmchens [m]

    BNlrkel = 2 Ikkmech

    el =

    Eigenschaften:= Das elektr. Moment wird durch die Bewegung eines

    stromdurchfloss. Leiters im Magnetfeld erzeugt.+ Strommesser, der nicht nur Betrag sondern auch

    Stromrichtung anzeigt.+ Linearer Zusammenhang zwischen Strom I und Aus-

    schlagwinkel ( lineare Skalenteilung ).+ Sehr empfindlich infolge der hohen Induktion im Luftspalt ( Feinmegerte bis Kl. 0,1 herstellbar). Nur wenig berlastbar (thermisch und mechanisch leicht zu beschdigen!).

    Drehspul-Kreisskalenmewerk = Drehspulen-Megert, mit einem grerenAnzeigebereich, z.B. fr Groanzeiger. Die Drehspule ist hier unsymme-trisch gelagert, so da nur die eine Hlfte im Luftspalt des Mesystemswirksam wird. Der Magnet ist kreisfrmig angebracht, so da der volle Be-reich von etwa 270 ausgenutzt werden kann. Die Gewichte des bewegli-chen Organs sind im Vergleich mit der herkmmlichen Bauart hher unddie Empfindlichkeit geringer.

    Galvanometer = empfindliche, ungeeichte Drehspulgerte, die zur Nullanzeige in Mebrcken und Kompensati-onsschaltungen dienen.Die hohe Empfindlichkeit wird hier durch geringes Systemgewicht, Bandaufhngung und Verwendung einesLichtzeigers erreicht. Kennzeichnend fr die Empfindlichkeit ist die sog. Stromkonstante CI (1pA ... 1A /Skt), die angibt, welcher Strom fr einen Ausschlag von einem Skalenteil notwendig ist.Die Dmpfung erfolgt ber den Widerstand des auen angeschlossenen Stromkreises.

    QUOTIENTENMESSWERKE: KREUZSPUL-MESSWERK (gleiches Symbol wie T-Spul-Messwerk)

    Allgemein: Die Anzeige eines Quotientenmewerkes (= Sonderbauformvon Drehspulmegerten) verwendet zur Rckstellung keine Spi-ralfeder (= mech. Rckstellung), sondern eine zweite Spule (=elektr. Rckstellung), die mit der Mespule starr verbunden ist. Diebeiden Spulen sind gegeneinander um den Winkel versetzt.

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 9

    Funktionsweise: Das magnetische Feld wird wieder durch einen Dauermagneten erzeugt, wobei die Breite desLuftspaltes in Drehrichtung der Spule zunimmt Dadurch wird ein fast sinusfrmiger Magnetfeldverlauf imLuftspalt erreicht. Die beiden Spulen werden in entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossen, soda ein statischen Gleichgewicht mglich ist.

    2)(1)(21 IBlNIBlNMM elel === +

    )()(

    )(

    1

    2

    fBB

    II

    ==

    +

    1

    2

    IIk =

    Die Gre des elektrischen Feldes, in Abh. vom Winkel, wird durch die Kurzschreibweise B() fr die Spule 1und B(+) fr die Spule 2 angegeben. Dadurch sollangedeutet werden, da das magn. Feld sich in seinerGre mit dem Ausschlagswinkel ndert.

    Eigenschaften:= Das Gert mit das Verhltnis zweier Strme. Die Genauigkeit (Herstellung bis Klasse 1) und Empfindlichkeit wird durch den konstruktiven Aufbau

    bestimmt. Die Strme mssen dabei so hoch sein, da Strmo-mente wie Lager, Reibung, Moment der Stromzufhrung nichtmerklich wirksam werden. Andererseits drfen die Spulen ther-misch nicht berlastet werden.

    + Die Anzeige ist theoretisch unabhngig von der Speisespannung(siehe obige Gleichung). Da sich aber mit nderung der Speisespan-nung auch die Strme und damit die Empfindlichkeit ndert, drfendie Gerte mit Spannungen < 3V nicht betrieben werden. Zulssigsind nderungen um 50% der Nennspannung ( keine stabili-sierten Spannungsquellen ntig!).

    Die Teilung der Skala ergibt sich aus der rechts dargestellten Kon-struktion und ist dabei analog der Skala von Drehspulmewerken(s.S.8). Der nutzbare Winkelbereich ist jedoch relativ klein.

    Anwendungsbeispiel: Schaltung eines Kreuzspulmegertes als Widerstandsmesser:Der Strom I1 wir durch den Widerstand R1, der Strom I2 durch R2 bestimmt.

    QUOTIENTENMESSWERKE: T-SPUL-MESSWERK (gleiches Symbol wie Kreuzspul-Messwerk)

    Aufbau und Funktionsweise: Der Magnetkreis besteht aus einem Innen-kernmagneten mit einem Rckschluring, der fr einen Luftspalt kon-stanter Breite sorgt. Dadurch ergibt sich ein sinusfrmiger Verlauf derInduktion im Luftspalt.Das bewegliche Organ besteht aus einer Hauptspule, die das Memo-ment erzeugt und einer senkrecht dazu angeordneten Hilfsspule, die sovom Strom IT durchflossen wird, da ihr Moment dem Moment derHauptspule entgegen gerichtet ist.Wenn der Strom I2 grer I1 ist, erfhrt die Hauptspule ein rechtsdre-hendes Moment, ist I2 kleiner I1 ein linksdrehendes Moment. Sind dieStrme gleich gro, wird das Megert die Mittellage des Arbeitsbereiches ein-nehmen.Ein statisches Gleichgewicht wird immer dann erreicht, wenn die Momente vonHaupt- und Hilfsspule gleich gro sind.

    Eigenschaften: siehe Kreuzspul-Mewerk, da diese direkt vergleichbar sind.

    DREHEISEN-MESSWERK

    Allgemein: Dreheisen-Mewerke sind sehr robuste Strommesser, die infolge ihres Aufbaus elektrisch sehr un-empfindlich, aber dafr auch sehr berlastungssicher sind. Infolge der gleichsinnigen Magnetisierung zwei-er Eisen ist die Anzeige unabhngig von der Stromrichtung, wodurch diese Mewerke fr Gleich- undWechselstrommessungen geeignet sind. Dreheisen-Mewerke werden in einer Vielzahl verschiedenerBauarten hergestellt, u.a. mit einem Ausschlagwinkel von 250.

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 10

    Aufbau: Das Dreheisen-Messwerk besteht im wesentlichen aus einer Luftspule (Rundspule), inder zwei Eisen ein festes und ein bewegliches angebracht sind. Das bewegliche Ei-sen ist an einer Achse befestigt, die wiederum den Zeiger trgt und mit den Rckstell-federn verbunden ist. Die Dmpfung des Megertes erfolgt ber eine Dmpferkam-mer mit Flgel ( Luftdmpfung).

    Funktionsweise: Die Spule des Megertes wird vom Strom I durchflossen, der wiederum einMagnetfeld verursacht, welches im Innern der Spule als annhernd homogen ange-nommen werden kann. Die beiden Eisen im Innern der Spule werden gleichsinnig ma-gnetisiert (zu einem Strom +I gehrt auch ein magnetische Feld +B). An den Eisen stehen sich al-so jeweils Nord- und Nordpol bzw. Sd- und Sdpol ge-genber, wodurch eine abstoende, immer gleichgerich-tete Kraftwirkung entsteht ( Kraftrichtung ist unabhngigder Stromrichtung!).Die Gre der Kraft zwischen den beiden Eisen wird durchdie Strke des magnetischen Feldes und damit durch dieStromgre bestimmt.

    2~~ HHBWm da HB r = 0

    2IKM elel = 2I

    KK

    mech

    el =Wm = magnetische EnergieH = magnetische InduktionB = magnetische Feldstrke

    Eigenschaften:= Das Dreheisen-Megert ist ein Strommesser. Das Gert zeigt nur den Betrag des Stromes an, da die

    Kraftrichtung unabh. der Stromrichtung ist. Die Skala ist quadratisch aufgebaut, die jedoch innerhalb

    des nutzbaren Bereiches weitgehend linearisiert ist (eine Li-nearisierung der Skala lt sich durch geeignete Formgebung der Eisen erreichen). Am Anfang der Skala sind dieMewerte stark zusammendrngt, im oberen Bereich eher gedehnt.

    Sehr hohe Leistungsaufnahme der Gerte im Vergleich zu Drehspul-Mewerken, da zur Erzeugungdes magnetischen Feldes in einer Luftspule eine relativ hohe Durchflutung erforderlich ist.

    + Sehr berlastungssicher! Infolge des dicken Drahtes der festen Spule ist eine thermische Zerstrungkaum mglich, wh4rend eine mechanische Zerstrung dadurch verhindert wird, da ber den Quer-schnitt der Eisen die wirksamen Krfte begrenzt werden (bei ca. dem 1,5fachen Nennstrom sind die Eisen ma-gnetisch gesttigt, so da eine weitere Erhhung des Stromes keine Erhhung des Memomentes bewirken kann).

    ELEKTRODYNAMISCHES MESSWERK

    Allgemein: Die Arbeitsweise eines elektrodynamischen Mewerkesberuht auf der Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen Leiterim Feld einer Luftspule. Dadurch mit das Gert das Produktzweier Strme nach Betrag und Richtung ( Megert mudeswegen hoch berlastbar sein!). Es dient zur Leistungsmes-sung bei Gleich- und Wechselstrom.

    Aufbau: Kennzeichnend ist die Anordnung einerbeweglichen Spule im Feld einer Luftspule.Die Anordnung der Spulen zueinander, dieLagerung der drehbaren Spule und die Be-festigung des Zeigers und der Federn sindim rechten Bild zu erkennen. Die Beeinflus-sung des dynamischen Einstellvorgangskann nur ber Wirbelstrom oder Luftkam-merdmpfung erfolgen (das Feld der Spule 2 istzu schwach fr eine dmpfende Wirkung).

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 11

    Funktionsweise: Die fest angeord-nete Spule 1 wird von einemStrom I1 durchflossen und er-zeugt ein magnetisches FeldB1. Die bewegliche Spule 2wird von I2 durchflossen. DieBewegung des Systems er-folgt aufgrund der Kraftwirkungauf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld. DieBildung der Kraft Fe1 erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie beimDrehspul-Mewerk (Verdrngung aufgrund summierter Felder).Das Gegenmoment wird wiederum ber Spiralfedern erzeugt.Die Drehung ist beendet, wenn das elektrisch erzeugte Momentgleich dem mechanischen Moment der Gegenfedern ist oder wenn die Richtung der drehbaren Spule mitder Richtung der festen Spule bereinstimmt.

    elmechelmech FrkMM === 22 r2 = Radius der drehbaren Spule

    2101

    2212122 IIl

    lNNIBNlFel ==

    101 HB = 1

    111 l

    NIH = 21 IIkkmech

    el =

    l1 = mittl. Lnge der Feldlinien Spule 1l2 = Lnge des Leiters der Spule 2 im Feld B1

    N1, N2 = Windungszahlen Spule 1 / 2

    Eigenschaften:= Das elektrodynamische Megert mit das Produkt zweier

    Strme, womit die Leistung von Gleich- und Wechselstrom ge-messen werden kann.Die Produktbildung erfolgt unter Bercksichtigung des Vorzei-chens der Strme I1 und I2 (aus der Richtung der Anzeige kann allerdingsnicht auf die Richtung eines Stromes geschlossen werden).

    + Lineare Skalenteilung. Elektrisch unempfindlich, da die Magnetisierung ber eine

    Luftspule erfolgt, so da eine hohe Durchflutung erforderlich ist. Die Empfindlichkeit kann erhht wer-den (Faktor 1000!), wenn anstelle der Luftspule ein Eisenkreis verwendet wird, der nicht mit einemDauermagneten, sondern ber eine Spule erregt wird.

    = Dauernde berlastung von ca. 100% mglich, kurzzeitige berlastung bis 1,5fache Nennwerte.= Eisenlose Mewerke werden mit hoher Genauigkeit gebaut, sind aber relativ empfindliche gegen

    Fremdfelder. Bei eisengeschlossenen Mewerken ist die Genauigkeit geringer und auch der Fremd-feldeinflu ist zu vernachlssigen.

    ELEKTROSTATISCHES MESSWERK

    Allgemein: Die Arbeitsweise beruht auf der Anziehungskraft zwischen zweielektrisch geladenen Platten. Elektrostatische Mewerke sind echteSpannungsmesser mit sehr hohem Isolationswiderstand, die jedoch nurauf den Betrag der Spannung reagieren.

    Funktionsweise: Wird an die Platten eine Spannung U gelegt, so laden sichdiese auf (Q1 / Q2). Es entsteht eine anziehende Kraftwirkung zwischenden Platten, die zur Ruhe kommt, wenn die elektrische Kraft gleich der Kraft ist, die durch die Gegenfedererzeugt wird. Die Bewegung der Platten wird ber eine Zahnradbersetzung auf einen Zeiger bertragenund so als Winkel dargestellt.

    221

    1r

    QQkF = 221 QdkFel =

    222

    21 U

    kkU

    dkCk

    mech

    el

    mech

    =

    = CUQ = mechelmech kFF ==

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 12

    Eigenschaften:= Das elektrostatische Mewerk ist ein

    Spannungsmesser, ohne Leistungsver-brauch.

    + Isolationswiderstand bis 1014. Die Anzeige ist proportional dem Quadrat

    der Spannung. Das Megert zeigt dem-nach nur den Betrag, aber nicht dieRichtung an.

    + Die Skala ist durch geeignete Formge-bung der Platten linearisiert.

    Elektrisch sehr unempfindlich (100V kV-Bereich), da die Ladungen auf den Platten relativ gering sind(die Kapazitt liegt bei 10pF bis 100pF) und somit auch die zwischen den Platten wirksamen Krfte.

    Eine Umschaltung des Mebereichs ist nicht mglich (Anwendung: Messung von Hochspannungen).

    THERMISCH WIRKENDE MESSGERTE: THERMO-UMFORMER

    Allgemein: Die Erwrmung eines Heizdrahtes (durch den ein Strom von 10-50mA fliet) wird mit einem sehr dnnen Thermoelement gemes-sen. Die Temperatur des Drahtes wird durch die Leistung bestimmt,die der Strom im Heizwiderstand umsetzt.Die Spannung am Thermoelement wird mit einem Drehspul-Mewerk zur Anzeige gebracht.

    Funktionsweise: Die zu messende Gre wird ber einen Vorverstrker der Strombegrenzung zugefhrt, die denHeizdraht speist. Die Spannung des Thermoelementes wird wiederum verstrkt und einer analogen oderdigitalen Anzeige zugefhrt. Der Eingangs-widerstand des Vorverstrkers wird so aus-gelegt, da eine Strom- oder auch eineSpannungsmessung mglich ist. Desweite-ren knnen unterschiedliche Mebereichevorgegeben und Gleich- und Wech-selspannungen gemessen werden.

    Eigenschaften:+ Strom- und Spannungsmessung bei Gleich- und Wechselspannungen in mehreren Mebereichen. Thermo-Umformer allein sehr berlastungsempfindlich; Abhilfe: Vorschaltung einer Strombegrenzung. Anzeige ist proportional I2. Es wird also nur der Betrag des Stromes gemessen, nicht seine Richtung.= Die Empfindlichkeit wird fast ausschlielich durch den Vorverstrker bestimmt.+ Die Genauigkeit kann besser als 0,1% sein.

    THERMISCH WIRKENDE MESSGERTE: BIMETALLMESSWERK

    Allgemein: Bimetallmewerke nutzen die Lngennderung zweier aufeinander befestig-ter Blechstreifen mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten aus.

    Funktionsweise: An der Achse des Mewerkes greift eine Spiralfeder aus Bimetallblechan. Diese wird durch den Strom erwrmt, verformt sich und dreht so die Mewer-kachse und den Zeiger. Zur Kompensation der Raumtemperatur ist auf diesenMewerken noch eine zweite Feder im umgekehrten Drehsinn angebracht, diejedoch nicht vom Strom durchflossen wird.Eine Rckstellfeder ist nicht erforderlich, da das Mewerk selbstttig in beidenRichtungen die erforderliche Bewegung des Zeigers durchfhrt.

    2Ik =

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 13

    Eigenschaften:+ Das ausgebte Drehmoment ist etwa 1000x grer als das anderer Mewerke. Die Mewerke sind thermisch stark verzgert (8-15min), so da schnelle nderungen von Strmen

    oder kurzzeitig auftretende Hchst- oder Niedrigstwerte nicht angezeigt werden.+ Die berlastbarkeit der Bimetallmewerke ist praktisch unbegrenzt. Elektrisch unempfindlich (ca. 6A). Anzeige ist proportional I2. Es wird also nur der Betrag des Stromes gemessen, nicht seine Richtung.

    Anwendung: bevorzugt zur berwachung von Stromverteilungsanlagen.

    BERECHNUNG VON VOR- UND NEBENWIDERSTNDEN

    Schaltung zur Erweiterung des Stromme-bereiches mit Nebenwiderstand:

    N

    iM

    M

    N

    RR

    II

    = MN III =

    )1( = nRR iMN

    MII

    n =

    Da der Mebereichserweiterungsfaktor n immer grer ist als 1, ist derNebenwiderstand immer kleiner als der Widerstand des Mewerkes selbst.(Um die erforderliche Genauigkeit zu erhalten, sind Nebenwiderstnde wie Normalwi-

    derstnde mit Potentialabgriff zu versehen.)

    Mebereichserweiterung eines Strom-messers zur Spannungsmessung:

    iM

    V

    M

    V

    RR

    UU

    =MV UUU +=

    )1( = nRR iMV

    MUU

    n = Der Mebereichserweiterungsfaktor n ist fr die Berechnung der Vor- und Nebenwiderstndehier nicht erforderlich. (Er wird nur angefhrt, weil er in der gngigen Literatur immer wieder auftaucht.)

    Megerte mit vier Spannungsbereichen: Die Berechnungdieser Vorwiderstnde fr eine Reihe von Spannungs-mebereichen gestaltet sich sehr einfach, da immerProportionalitt zwischen Spannungen und Widerstn-den im unverzweigten Stromkreis besteht. Die Vorwider-stnde addieren sich dabei zum Gesamtwiderstand.

    Schaltung eines Strommessers mit mehreren Mebereichen: Bei derSchaltung rechts wurden jeweils die Nebenwiderstnde fr dengewnschten Mebereich mit einem Umschalter parallel zumMewerk gelegt.Diese Schaltung ist sehr nachteilig, da durch den Kontaktwider-stand oder bergangswiderstand des Schalters, der in Reihe mitdem in der Regel sehr niederohmigen Widerstand liegt, die Me-genauigkeit des Gertes erheblich beeinflut werden kann. Des-weiteren kann das Mewerk leicht berlastet werden, da beimUmschalten der Nebenkreis unterbrochen wird und der volle Stromber das Mewerk fliet. Abhilfe: Untere Schaltung verwenden! (Die bergangswiderstndedes Schalters sind zwar immer noch vorhanden, jedoch liegen sie nichtim Nebenschlu und bewirken so auch keinen Fehler der Anzeige.)

    )( 313

    1M

    iMM

    IIIRIIR

    =

    123

    3212 )(

    )(IIIIRIIIIR

    M

    iMM

    =

    23

    323 )(

    )(III

    RIIIRM

    iMM

    =

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 14

    Temperaturkompensation: Die Megertespulen werden immer mit Kupferdraht gewickelt. Da Kupfer einen Temperaturkoeffizi-

    enten von Cu = 0,4 %/K besitzt, mu mit Hilfe von Vor- oder Nebenwiderstnden die Tempera-turabhngigkeit des Mewerkes ausgeglichen werden.

    Bei der Auswahl des Werkstoffes fr Vor- und Nebenwiderstnde ist immer noch zu klren, ob dasMewerk selbst noch einen von null verschiedenen Temperaturkoeffizienten hat oder ob dieser be-reits kompensiert ist.

    Als Werkstoffe fr temperaturabhngige Wiederstnde kommen hauptschlich Manganin und Kon-stantan in Frage. Beide haben einen verschwindend geringen Temperaturkoeffizienten. Konstantanhat allerdings eine groe Thermospannung gegen Kupfer und ist aus diesem Grund in Zusammen-hang mit Kupfer nur beschrnkt verwendbar.

    Verfahren zur Kompensation der Temperaturabhngigkeit:1. Nebenwiderstnde zur Mebereichserweiterung bei Strommessern mssen immer den gleichen TK wie

    das Meinstrument selbst haben. Fr die Anzeige ist ja nicht der absolute Widerstandswert ent-scheidend, sondern eine bleibende Verstellung des Stromes auf das Mewerk und den Nebenwi-derstand.

    2. Mit dem Mewerk in Reihe knnen Widerstnde mit negativen Temperaturkoeffizienten geschaltetwerden. Der TK dieser NTC-Widerstnde ist aber etwa 10x so gro wie der von Kupfer. Deshalbmu mit Kombinationen gearbeitet werden, indem zum NTC-Widerstand Widerstnde in Reiheoder parallel oder auch beides geschaltet werden.

    3. Wird nur ein Vorwiderstand zum Ausgleich der Temperaturabhngig-keit verwendet, so soll der temperaturabhngige Vorwiderstand RVden Einflu der temperaturabhngigen Kupferwicklung verringern,so da ein bestimmter zulssiger Fehler nicht berschritten wird.Bei dieser Schaltung ist die Spannungsempfindlichkeit verringert worden, die Stromempfindlichkeit aber blieberhalten. Soll die Spannungsempfindlichkeit erhalten bleiben, so kann die Kompensation durch einen tempe-raturabhngigen Widerstand parallel zum Mewerk erfolgen. Dann wird allerdings die Stromempfindlichkeitverringert.

    MVM RR

    UI+

    = %100%100%100 +

    =

    =

    =

    VM

    M

    M

    M

    RRR

    II

    WWAf

    Berechnung des zulssigen Fehlers: %100+

    =

    MVerf

    Mzul RR

    Rf

    Berechnung des notwendigentemperaturabhngigen Vorwiderstandes: M

    zulVerf RfR

    = 1

    4. Die Swinburne-Schaltung besteht aus zwei tempera-turabhngigen Widerstnden R2 und R4 und einemWiderstand R3, dessen TK im einfachsten Fall ge-rade gleich dem des Mewerkes ist. Mit dieserKunstschaltung lt sich der Temperaturfehler vllig beseitigen.

    Zusammenfassung:# Die Mebereichserweiterung von Megerten kann auf einfache Weise mit Hilfe von Vor- oder Neben-

    widerstnden durchgefhrt werden. Durch diese Manahme ergibt sich aber immer eine Verringe-rung der Empfindlichkeit des Megertes.

    # Die Innenwiderstnde von Spannungsmessern werden in /V, bezogen auf den Mebereichsendwert,angegeben. Dieser Kennwert erlaubt einen schnellen Vergleich der Eigenschaften dieser Gerte.Der Innenwiderstand von Strommessern wird immer als Gesamtwiderstand angegeben.

    # Soll der Mebereich eines Mewerkes erweitert werden, mssen immer zustzliche Manahmen zurTemperaturkompensation vorgesehen werden. Die nderung des Kupferwiderstandes der Spulenbewirkt immer einen Fehler der Anzeige der Megerte.

    23

    4

    RR

    RR iM

    =

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 15

    OSZILLOGRAPHEN UND GRUNDSTZLICHES ZUM ELEKTRONENSTRAHL-OSZILLOSKOP

    Arten von Oszillographen (= Schwingungsschreiber): Flssigkeitsstrahl-Oszillograph: Aufzeichnung zeitlich vernderlicher Megren (bis ca. 1 kHz) mittels

    Tinte auf Papierstreifen. Lichtstrahl-Oszillograph: Aufzeichnung zeitlich vernderlicher Megren (bis ca. 10 kHz) mittels Licht-

    strahl auf fotoempfindlichem Papierstreifen.

    Wichtigste Vorteile des Elektronenstrahl-Oszilloskops (bersetzt: Schwingungssichtgert):+ geringe Belastung des Meobjekts infolge des hohen Eingangswiderstandes von ca. 1 M.+ zweidimensionale Darstellung von Vorgngen, entweder uy = f(t) oder uy = f(ux).+ gleichzeitige Darstellung mehrerer Vorgnge mit Mehrkanal- oder Mehrstrahlgert.+ groe Bandbreite von 0 Hz (Gleichspannung) bis in den MHz- oder GHz-Bereich.+ hohe vertikale Ablenkempfindlichkeit von ca. 1 mV/cm.+ Darstellung von Impulsen mit Anstiegszeiten von ca. 1 ns.+ Schreibgeschwindigkeit fr fotografische Registrierung ca. 10 cm/ns.

    Bedienelemente des Elektronenstrahl-Oszilloskops: Zeitablenkung (time base): rechts oben Triggerung (trigger): rechts Mitte Kanal 1 und Kanal 2: rechts unten

    (Eingangsabschwcher bzw. Vertikalverstrker)

    Intensity HelligkeitRamp Output Ausgang SgezahnspannungCal Output (calibrationoutput)

    Ausgang Eichspannung(Rechteck, 1 VSS)

    Focus Schrfe, Fokus X-Shift) Horizontalverschiebung Y-Shift) VertikalverschiebungLevel Pegel, hier: TriggerpegelCal (calibration) Geeichte Ablenkzeit, wie auf mittlerem Drehschalter angezeigtVariable Einstellbare Ablenkzeit, stets kleiner als auf mittlerem Drehschalter gewhltACF (ac fast) Wechselstrom bzw. -spannung hoher FrequenzAC (alternating current) Wechselstrom bzw. -spannung (Normalfall)TVF Triggerung auf Bildfrequenz eines FernsehsignalsCH1 / 2; Ext (+/-) Kanal1 / 2 oder externe Triggerung auf positive oder negative FlankeAC (alternating current) Wechselstrom bzw. -spannungGnd (ground) Masse (Verbindung des Y-Eingangs mit Masse)DC (direct current) Gleichstrom bzw. -spannung

    ELEKTRONENSTRAHLRHRE

    Wichtigste Bestandteile des hoche-vakuierten Glaskolbens:

    das Strahlerzeugungssy-stem mit Helligkeit-seinstellung und Fo-kussierung

    das Ablenksystem die Nachbeschleunigung die Leuchtschicht

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 16

    Bestandteile des Strahlerzeugungssystems (Elektronenkanone): Indirekt geheizte Katode: Aus der mit Bariumoxid beschichteten Katode werden durch die indirekte Be-

    heizung freie Elektronen emittiert (thermische Elektronenemission). Durch die Anodenspannungwerden diese Elektronen zu den Anoden hin beschleunigt (ohne Anodenspannung verbleiben die Elektronenals Elektronenwolke in der Nhe der Katode). Nach dem Durchlaufen der Anodenspannung Ua hat einElektron mit der Elementarladung e = 1,602 x 10-19 und der Masse m = 9,108 x 10-31 Ws3/m2 = kg

    folgende Geschwindigkeit v: aUm

    ev = 2

    ][593

    Vas

    km Uv =

    Wehnelt-Zylinder: Der Wehnelt-Zylinder bndelt erstens durch seine Linsenwirkung den Elektronenstrahlvor und steuert zweitens durch seine mehr oder weniger negative Spannung gegenber der Katodedie Menge der am Elektronenstrahl beteiligten Elektronen und damit die Helligkeit des Lichtpunktes.

    geringe negativeVorspannung gengend Elektronen fr ausreichende Helligkeit

    zunehmende negativeVorspannung Anzahl der durchgelassenen Elektronen nimmt ab Bild wird dunkler

    hoher negativerVorspannung

    keine Elektronen werden durchgelassen dunkler Bildschirm ( wirdfr die sog. Dunkeltastung whrend des Strahlrcklaufs verwendet!)

    Anoden: Die beiden scheibenfrmigen Anoden haben in der Mitte je eine kreisfrmige ffnung, durchdie ein Teil der Elektronen in Richtung Leuchtschirm hindurch fliegen kann. Der restliche Teil derElektronen trifft auf das Anodenblech und fliet ungenutzt als Anodenstrom ab. Der durch die An-odenffnung tretende Elektronenstrahl ist aufgrund der abstoenden Krfte auseinanderstrebendund mu gebndelt (fokussiert) werden.

    Fokussierelektrode: Die Fokussierung desElektronenstrahls wird durch geeig-nete ausgebildete elektrische Feldervorgenommen. Mit der Spannung ander Fokussierelektrode wird die Feld-strke der beiden Elektronenlinsenund damit die Brennweite der Elek-tronenoptik verndert. Ein kleiner,scharfer Lichtpunkt entsteht, wennder Brennpunkt in die Leuchtschichtfllt.

    Ablenksystem: Hier erfolgt eine der Megre/n proportionale Ablenkung des Elektronenstrahls mit elektrischenFeldern (bei Fernsehgerten mit magnetischer Ablenkung). Das Ablenksystem besteht aus zwei Paaren planparal-leler Platten (X- und Y-Platten), die um 90 gegeneinander verdreht sind. Die fr die Ablenkung erforderli-chen Spannungen (bei voller Ablenkung ca. 200V) liefern der X- und der Y-Verstrker.Der Elektronenstrahl durchluft zuerst die Y-Platten, weil durch den greren Abstand zum Leuchtschirmeine etwas grere Ablenkempfindlichkeit fr die Y-Richtung erreicht wird. Danach gelangt der Elektronen-strahl in das Ablenkfeld der X-Platten, wobei hier eine um 90 um die Rhrenachse gedrehte Ablenkunggegenber der Y-Ablenkung erfolgt.Die Geschwindigkeit der Elektronen ist unmittelbar nach den X-Platten nicht viel grer als vor dem Eintrittin den Y-Ablenkraum, sie wird im wesentl. durch die Anodenspannung von ca. 800-1600V bestimmt.

    Y-Ablenkempfindlichkeit y = Verhltnis der Y-Ablenkung in cm zur verursachenden Ablenkspannung Uy in V.

    Nachbeschleunigungselektrode = Graphitwendel mit hohemWiderstand zwischen Ablenksystem und Bildschirm zurSteigerung der Helligkeit bei einer leistungsfhigen Rhre,die ein wesentlich hheres Potential (3-30kV) als die An-ode hat. Dadurch wird eine entsprechend hohe Aufprall-geschwindigkeit der Elektronen auf dem Bildschirm er-reicht.

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 17

    Gitterelektrode = Drahtnetz auf Anodenpotential, um ein Durchgreifen des Nachbeschleunigungsfeldes in denAblenkraum zu verhindern. Diese Netz- oder Gitterelektrode erhht die Verweildauer des Strahls im Bereichder Ablenkplatten und vergrert dadurch die Ablenkempfindlichkeit; diese kann zustzlich durch eine be-sondere Formgebung der Gitterelektrode weiter verbessert werden ( nahezu kugelfrmige quipotentiallinien).

    L-C Laufzeitleitung = Unterteilung der Platten in einzelne Plattenpaare (Kapazittssegmente) und Verbindungdurch Induktivitten, wodurch sich die Ablenkempfindlichkeit und die Grenzfrequenz erhht. Pat mannmlich die Laufzeit an die Strahlgeschwindigkeit an, wandert das Ablenksignal mit den Elektronen desStrahls durch das Ablenksystem.

    Mikrokanal-Elektrode = Sekundrelektronenvervielfacher vor der Leuchtschicht, wodurch die Helligkeit bei hohenSignalfrequenzen wesentlich gesteigert wird.

    Leuchtschicht = Schicht aus Materialien, die als Leuchtstoff geeignet sind, z.B. Oxide, Sulfide oder Silikate vonZink oder Cadmium. Fr das Auswerten von Schirmbildern mit dem menschlichen Auge werden die Licht-farben grn oder gelb gewhlt, weil das Auge bei diesen Farben am empfindlichsten ist.

    Geometriefehler = Abbildungsfehler, unter dem man eine kissen- oder tonnenfrmige Verzerrung der Kanten einesrechteckigen Testbildes versteht.

    Astigmatismus = Abbildungsfehler Verzerrung des Leuchtflecks von der Punkt- zur Stabform.

    VERTIKALABLENKUNG (Y-ABLENKUNG)

    Eingangsimpedanz = mglichst hochohmiger Eingangswiderstand des Abschwchers in Verbindung mit dem Ab-lenkverstrker, um die zu untersuchende Mespannungsquelle mglichst nicht zu belasten (Mefehler!).Die Eingangsimpedanz bleibt fr alle Schaltstufen des Abschwchers konstant.

    Eingangswahlschalter = Schalter vor dem Abschwcher mit den drei Wahlmglichkeiten GND, DC, AC:GND: Eingangsbuchse wird auf Masse gelegt Nulllinie.DC (direkt current): Eingangsbuchse wird direkt (galvanisch) mit dem Abschwcher und dem Verstrker ver-

    bunden Messungen von Mischspannungen aus Gleich- und Wechselspannungsanteilen.AC (alternating current): Eingangsbuchse wird parallel zu einem groen Koppelkondensator CK geschaltet, um

    einen im Mesignal enthaltenen Gleichspannungsanteil abzutrennen.

    Abschwcher = ein in kalibrierten Stufen schaltbarer frequenzkompensierter Spannungsteiler, mit dem die ver-schiedenen Eingangsempfindlichkeiten der Y-Ablenkung eingestellt werden. Zustzlich haben die meistenGerte eine stufenlos ein-stellbare Verstrkung. Derpannungsteiler des Ab-schwchers ist frequenz-kompensiert (= frequen-zunabhngig), wenn gilt:

    1

    2

    2

    1

    2

    1

    CC

    XX

    RR

    C

    C

    ==

    Daraus folgt:

    nn CRCRCR == 2211

    1 2

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 18

    Kompensation des Abschwchers:

    Spannungsteiler unterkompensiert frequenzkompensiert berkompensiert

    Ablenkspannung

    Kondensator C zu klein passend zu gro

    Wichtigste Anforderungen an den (auf den Abschwcher folgenden) Vertikalverstrker: groe Bandbreite (bei Gleichspannung beginnend) frequenzunabhngiger Verstrkungsfaktor Unabhngigkeit von Netzschwankungen geringe Verzerrungen (Klirrfaktor)

    geringes Rauschen geringe Nullpunktdrift hohe Linearitt

    Bandbreite = die in der Verstrkertechnik bliche 3-dB-Bandbreite. Sie reicht bei einfacheren Gerten inder Schalterstellung DC von 0 Hz (Gleichspannung)bis einige 10 MHz, in der Schalterstellung AC voneinigen Hz bis zur gleichen oberen Grenzfrequenzwie bei DC. Bei aufwendigeren Gerten reicht dieBandbreite bis in den GHz-Bereich.

    Nullpunktdrift = die noch verbleibende Nullpunktverschie-bung, verursacht durch die galvanischen Kopplun-gen zwischen den einzelnen Verstrkerstufen im Y-Verstrker zur Darstellung von Gleichspannungsantei-len, trotz Kompensation durch Gegenkopplungen oder Verwendung von Differenzverstrkern. Die Grund-einstellung des Nullpunktes kann mit Hilfe des Stellwiderstandes Bal (= Balance) korrigiert werden.

    Vertikalverschiebung (Y-Shift / Position vertikal) = Einstellmglichkeit einer beliebigen Ruhelage des Strahles. Hier-bei wird der Mespannung uy eine einstellbare positive oder negative Gleichspannung berlagert.

    HORIZONTALABLENKUNG (X-ABLENKUNG, ZEITABLENKUNG)

    Betriebsarten der Horizontalablenkung: XY-Betrieb (nur Zwei- oder Mehrkanalgerte - hier wird der Y-Verstrker des Kanals 2 fr die Vertikala-

    blenkung und der Y-Verstrker des Kanals 1 fr die Horizontalablenkung geschaltet.) Zeitablenkbetrieb (= zeitproportionale X-Ablenkung; hufigere Betriebsart; alle Gerte).

    Sgezahngenerator = Generator, der nach dem Prinzip der Aufladung eines Kondensators aus einer Konstant-stromquelle arbeitet ( bootstrap-Schaltung) und die Sgezahnspannung erzeugt.

    Sgezahnspannung = einmalige oder wiederkehrende linear mit derZeit ansteigende Spannung fr die Darstellung des zeitlichenVerlaufs von einmalig oder periodisch auftretenden Span-nungsformen. Die Sgezahnspannung wird an die X-Plattender Elektronenstrahlrhre gelegt und fhrt so den Elektronen-strahl und damit den Lichtpunkt mit konstanter Geschwindig-keit ber den Bildschirm von links nach rechts.

    Horizontalverstrker = Verstrker fr die Sgezahnspannung auf die fr die X-Ablenkung ber die volle Breite desBildschirms erforderliche Spannung. Wird die Amplitude dieser Spannung weiter erhht, kann die Horizon-talablenkung gedehnt (meist durch Bettigen eines Schalters X10 auf das 10-fache).

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 19

    Zeitmastab = die in Stufen und dazwischen fein einstellbare, gewhlte Periodendauer der Sgezahnspannung.Durch Verdrehen des Drehknopfes Variable nimmt der Zeitmastab vom kalibrierten Wert ausgehendstufenlos ab. Bei Zeitmessungen mu fr eine ausreichende Megenauigkeit dieser Drehknopf in der Pos i-tion Cal stehen, so da die mit dem Stufenschalter gewhlten Zeitmastbe gelten.

    Arten der Austastung:Tastung: Dunkeltastung Helltastung

    Funktions-weise:

    Unabhngig davon, ob eine Y-Spannung anliegt, wirdder Elektronenstrahl whrend des Rcklaufs ausgeta-stet ( Wehnelt-Zylinder!).

    Der Elektronenstrahl wird whrenddes Hinlaufs nur freigegeben,wenn eine Y-Spannung ansteht.

    Nachteil:Bei Langzeitbetrieb ohne Y-Spannung, geringer oder keiner X-Spannung und hoch eingestellter Bildpunkt-Helligkeit besteht dieGefahr des Einbrennens (= Zerstrung der Leuchtschicht).

    Bedingungen / Mglichkeiten fr ein stehendes Bild:a) geeignete Ablenkfrequenz: die Frequenz der Sgezahnspannung mu mit der Frequenz der Y-

    Spannung (z.B. einer periodischen Spannung uy (t) deckungsgleich oder ein ganzzahliges Vielfa-ches sein: fy = n x fx Tx = n x Ty.

    b) freilaufende Zeitablenkung: der Sgezahngeneratorarbeitet unabhngig von der Y-Spannung; dieFrequenz der Sgezahnspannung mu hierbeisorgfltig von Hand eingestellt werden, damitein stehendes Bild zustande kommt (nicht freinen lngeren Zeitraum geeignet, da zwischenfx und fy stets kleine Differenzen bestehen unddas Bild wieder anfngt zu laufen).

    c) Synchronisation: der Sgezahngenerator arbeitetzunchst freilaufend, synchronisiert sich jedochnach einer Zeit durch Ableitung eines Impulsesaus der Mespannung mit derselben.

    d) Triggerung: der Ablenkgenerator hat eine Ruhe-stellung und jeder einzelne Sgezahnanstieg(Hinlauf) wird von einem neuen Triggerimpulsausgelst. Nach jedem Ablenkvorgang springtdie Sgezahnspannung auf ihren negativenScheitelwert (linker Bildrand) und bleibt in die-ser Position dunkelgetastet in Wartestellung,bis der nchste Triggerimpuls einen neuenAblenkvorgang startet.Whrend des Ablenkvorgangs auftretendeTriggerimpulse werden von einem Sperrsignalgesperrt und haben keine Auswirkung.( Verwendung bei allen modernen Oszilloskopen)

    Triggerpegel = Pegel, ab dessen berschreitung durch die Mespannung dieselbe bis zum Ablauf der gewhltenAblenkzeit dargestellt wird. Der Triggerpegel kann mit dem Steller Level stufenlos auf jeden beliebigenWert eingestellt werden.

    Triggerselektor = Einstellung der Triggerung auf ansteigende (+) oder abfallende (-) Mespannung (= Signalflan-ke; engl: slope). Der Triggerselektor kann wahlweise fr Kanal 1, Kanal 2 oder fr die externe Triggerungverwendet werden.

    Schiebeschalter ACF-AC-TVF = Einstellung des Frequenzverhaltens der Triggerung. AC = Normalstellung fr Wechsel- und Mischspannungen. ACF = Darstellung schneller Wechselspannungen an der oberen Grenzfrequenz und steiler Span-

    nungsflanken. TVF = zur Darstellung des TV-Signals (= Video-Signal) mit der Triggerung auf Bildfrequenz.

    Automatische Triggerung = Umschaltung auf freilaufende Zeitablenkung bei uy = 0 oder uy = konstant undselbstttige Rckschaltung auf normale Triggerung bei uy = f (t).

    DIE TRIGGERUNG:

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 20

    BLOCKSCHALTBILDER

    Einfaches, getriggertes Einkanal-Oszilloskop:

    Zweikanal-Oszilloskop:

    BETRIEB DES ELEKTRONENSTRAHLOSZILLOSKOPS

    Vorgehensweise zur Strahlfindung und Einstellung der Basislinie (= Nulllinie):# Netz einschalten und Steller fr Intensitt und Fokus in die Mitte stellen# fr Zeitablenkbetrieb mit Kanal 1 ist der Kanal 2 abzuschalten# Steller

    Steller !#"$%&(' )* +,* -.%0/1 !2# Y-Abschwcher auf eine mittlere bis unempfindliche Stufe stellen, damit beim spteren Anlegen einer

    hheren Mespannung der Strahl nicht verschwindet# interne X-Ablenkung bzw. Triggerung whlen# die Horizontalablenkung frei laufen lassen durch Wahl der Schaltfunktion Trigger automatisch# einen mittleren Zeitmastab fr die X-Ablenkung (time base) whlen# mit der Vertikal- und Horizontalverschiebung (shift) die Basislinie in die gewnschte Lage bringen# Intensitt auf den gewnschte Wert und Fokus auf die optimale Schrfe stellen

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 21

    Zeitablenkbetrieb mit interner Triggerung = Ableitung der Triggerimpulse von der anliegenden Y-Spannung (wirdin den meisten Fllen verwendet). Mit dem Schalter fr die Trigger-Polaritt (= Triggerselektor) wird gewhlt, obauf positive oder negative Flanke der Y-Spannung getriggert werden soll. Durch Drehen des KnopfesLevel wird der Triggerpegel eingestellt. Die Gre der Amplitude und die Anzahl der dargestellten Peri-oden knnen durch entsprechende Stellung der Y- und X-Ablenkkoeffizienten gewhlt werden.

    Zeitablenkbetrieb mit externer Triggerung = Triggerimpuls kann oder soll nicht unmittelbar aus der Y-Spannungabgeleitet werden, sondern wird aus einer anderen externen Spannung, die in zeitlichem Zusammenhangmit der Y-Spannung steht, vorgegeben (z.B. Auslseimpuls fr ein Blitzlicht als Triggerimpuls zum Oszillographieren deszeitlichen Verlaufs des dazugehrigen Lichtstromes). Sonstige Einstellungen wie bei interner Triggerung mglich.

    XY-Betrieb = Betriebsart zur Darstellung von zwei voneinander abhngigen Megren (in Spannungsform!) ohneVerwendung der Zeitablenkung und damit ohne die Megre Zeit. Durch Stellen des Stufenschalters derZeitbasis auf den linken Anschlag (X-Y) wird der Zeitablenkgenerator mit der Triggerung vom X-Endverstrker abgetrennt und der Y-Kanal 1 hinzugeschaltet. Auch die Chop-Einrichtung ist jetzt auerFunktion.

    ZUSATZEINRICHTUNGEN

    Meleitung = abgeschirmte Leitung, zur Vermeidung von Fremdeinflssen. Dadurch wird aber die Eingangskapa-zitt des Oszilloskops erhht, wodurch sich das Tiefpaverhalten der Eingangsschaltung erhht, was zu Si-gnalverformungen bei Hochfrequenz oder steilen Signalflanken fhrt.

    Teiler-Tastkopf = Hilfsmittel, das den Eingangswiderstand an der Mestelle erhht und gleichzeitig die Eingangs-kapazitt verkleinert. Hierbei wird jedoch die Ein-gangsempfindlichkeit vermindert (= Erweiterung desSpannungsmebereiches), die durch Wahl einesgreren Y-Ablenkkoeffizienten (je nach Tastkopf x10,x20, x50) wieder ausgeglichen werden mu. Damitdas Mesignal nicht verformt wird, mu derTastkopf (mit einer geeigneten Rechteckspannung, z.B.aus der im Gert befindlichen Kalibrier-Spannungsquelle)ber das Schirmbild abgeglichen werden:Tastkopfabgleich: ( )LOSOSTT CCRCR +=

    Tastkopf-Arten: Teiler-Tastkpfe mit umschaltbaren Teilerverhltnissen Hochfrequenztastkpfe mit eingebautem Demodulator Verstrkertastkpfe mit eingebautem Vorverstrker

    Zwei- und Mehrkanalschalter = schnelle,kontaktlose elektronische Schalter,mit deren Hilfe zwei oder mehrerezweiabhngige Spannungen schein-bar gleichzeitig mit einer nur ein-strahligen Bildrhre dargestellt wer-den knnen.Diese Schalter sind entweder in be-sonderen Zusatzgerten oder im Elektronenstrahl-Oszilloskop selbst untergebracht.Der als Chop-Mutivibrator bezeichnete Generator liefert eine Rechteckspannung als Schaltspannung, mitder die beiden Y-Mespannungen abwechselnd auf den Y-Endverstrker geschaltet werden:

    Betriebsart: alternierend (alternated) choppend (chopped)Anwendung: hohe Ablenk- und Signalfrequenzen 0,5ms(zumindest ber der Flimmergrenze des Auges)

    niedrige Ablenk- und Signalfrequenzen 1ms.

    Funktions-weise:

    Erst wird die eine Y-Spannung zusammen-hngend, d.h. ohne jegliche Unterbrechung,von einer X-Sgezahnspannung abgelenkt,dann die zweite Y-Spannung von der folgen-den Sgezahnspannung.

    Die beiden Y-Spannungen werden whrenddes Ablaufs einer Zeitablenkspannung ab-wechselnd mit hoher Schaltfrequenz umge-schaltet ( zeitmultiplexe Darstellung zweieroder mehrerer Signale).

    9M beiTeiler 10:1

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 22

    Schirmbil-der:

    Zweistrahloszilloskop = Oszilloskop mit einer Zweistrahlrhre mit zwei vllig getrennten Strahlerzeugungs- und Y-Ablenksystemen in einem gemeinsamen Kolben. Damit lassen sich stndig zwei Signale ohne alternieren-de oder choppende Umschaltung abbilden. Das X-Ablenkplattenpaar gibt es bei der einen Variante als ge-meinsames Plattenpaar, in der anderen Variante als zwei getrennte Ablenkpaare (natrlich auch mit zwei ge-trennten Zeitablenkeinrichtungen mit Triggerung), die wahlweise zeitlich ge- / entkoppelt betrieben werden knnen.

    Verzgerte Ablenkung = Einrichtung bei Oszilloskopen mit einer oberen Grenzfrequenz von weit mehr als 10 MHz.Dadurch wird bei Mespannungen mit steilen Signalflanken oder hoher Frequenz sichergestellt, da die Si-gnalspannung zu einem Zeitpunkt an den Y-Platten ansteht, an dem die Zeitablenkspannung gerade startetoder sich im unteren Bereich des Hinlaufs befindet.

    MESSUNGEN MIT DEM ELEKTRONENSTRAHLOSZILLOSKOP

    Messung einer Wechselspannung:

    Form: Sinus Dreieck Sgezahn Rechteck(zeitlich symmetrisch!)

    Bild:

    Formel: ssss

    eff uuU =

    = 354,022 ss

    sseff u

    uU =

    = 289,032 ss

    sseff u

    uU == 5,02

    Messung einer Mischspannung:Die beim Umschalten von DC auf AC auftretende Ver-tikalverschiebung der Spannung entspricht dem arith-metischen Mittelwert der Mischspannung (= Gleich-spannungsanteil).

    Vcm

    VcmU arM 1152,2 == (= Gleichspannung)

    Vcm

    VcmuSS 5,1755,3 == (= Wechselspannung)

    mscm

    mscmT 5,1653,3 == Hz

    Tf 6,601 ==

    Zeitmessungen (Vorgehensweise):(a) Zur Messung z.B. der Schwingungsdauer T eines periodischen Signals whlt man zur genaueren

    Auswertung des Bildes einen Zeitablenkkoeffizienten, der mglichst nur eine Periode des Signalsauf dem Bildschirm abbildet.

    (b) Durch geeignete Wahl der X- und Y-Ablenkkoeffizienten wird das Signal mglichst gro dargestellt unddie Triggerschwelle auf ca. 5-10% der Scheitelspannung gelegt.

    (c) Die Anstiegs- und Abfallzeiten der beiden Impulsflanken zwischen den 10%- und 90%-Spannungswerten sind so jedoch nur ungenau zu ermitteln. Dies wird behoben, indem der X-Verstrker auf 10-fache Dehnung umgeschaltet wird.

    (d) Die Abfallzeit der negativen Flanke kann nach Umschalten auf negative Triggerung entsprechend ge-messen werden.

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 23

    Periodendauer T:

    scm

    scmT 5,4255,8 ==

    Impulsdauer ti:

    scm

    scmti

    5,1653,3 ==

    Pausendauer tp:ssstTt ip 265,165,42 ===

    Tastverhltnis v:

    58,21388,0

    5,425,16

    ====

    s

    s

    Tt

    v i

    Anstiegszeit tan:

    scm

    scmtan

    55,25101,5

    ==

    Frequenzmessungen:Die Frequenz kannindirekt aus derZeitmessung be-stimmt werden mit:

    Tf 1=

    Eine weitere Mg-lichkeit der Fre-quenzmessung be-steht im XY-Betrieb,indem aus derSpannung mit derunbekannten Fre-quenz und einerSpannung mit einerbekannten Frequenzeine sog. Lissajous-Figur dargestellt undausgewertet wird.

    Messung von Phasenunterschieden:Bringt man die Nullinien derbeiden Kanle der RC-Schaltung zur Deckung, sowerden die beiden phasen-verschobenen Spannungenentsprechend dargestellt.

    Der Zeitablenkkoeffizient ist im Interesse einer hohenAblesegenauigkeit so zu whlen, da die Perioden-dauer T und die Zeitdifferenz t mglichst gro abge-bildet werden.

    = 360T

    t

    t ist positiv, wenn die Ausgangsspannung u2 der Eingangsspannung u1 voreilt. t ist negativ, wenn die Ausgangsspannung u2 der Eingangsspannung u1 nacheilt.

    fx Zahl vert. Berhrungspunkte-- = -----------------------------

    fy Zahl hori. Berhrungspunkte

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 24

    Mit einem Einkanaloszilloskop kann unter Verwendung der externen Triggerungebenfalls eine Phasenverschiebung gemessen werden. Hierzu wird u1 an den Y-Eingang und den Eingang fr die ext. Triggerung gelegt und eine Halbwelle berdie volle Bildschirmbreite dargestellt. Danach wird u2 an den Y-Eingang gelegt (u1bleibt weiter auf ext. Triggereingang!) und die Zeitdifferenz zwischen den Null-durchgngen ist wiederum auswertbar.

    = 18010

    /cm

    cmtDesweiteren kann im XY-Betrieb unter Auswertung dersich ergebenden Lissajous-Figur der Phasenunterschiedbestimmt werden.Hier kann die Polaritt des Phasenwinkels jedoch nurbestimmt werden, wenn die Frequenz der Spannungenso niedrig ist, da die Bewegungsrichtung des Licht-punktes erkennbar ist. Bei einer rechtsdrehenden Bewe-gung ist der Phasenwinkel negativ, bei einer linksdre-henden positiv.

    max

    0arcsinYY

    =

    Beispiele fr Lissajous-Figuren fr verschiedene Phasenwinkel bei gleicher Frequenz:

    DARSTELLUNG VON KENNLINIEN (IM XY-BETRIEB!)

    Diodenkennlinie Ausgangskennlinienfeld einesTransistor in Emitterschaltung Durchlakurve eines Filters

    Der Diodenstrom wird durchden Vorwiderstand in eineproportionale Spannung umge-setzt. Die Meschaltung wirdmit einer Wechselspannung mitfr die Diode zulssiger Ampli-tude betrieben, damit alleArbeitspunkte der Diode, d.h.die kontinuierliche Kennlinie,abgebildet werden.

    Die Betriebsspannung der Transistorstufe isteine periodische Sgezahnspannung. Freinen bestimmten, konstanten Basisstromdurchluft die Sgezahnspannung eine Peri-ode. Danach schaltet der Treppengenerator aufden nchsten Wert des Basisstroms um unddie Sgezahnspannung durchluft erneut diePeriode. Bei ausreichend hoher Umschaltfre-quenz wird so das gesamte Kennlinienfeldabgebildet, und es wird ein scheinbar stehen-des Bild sichtbar.

    Der Wobbelsender liefert eine Wechselspannung u1 mitkonstanter Amplitude und mit kontinuierlich sich ndernderFrequenz, deren Hub einstellbar ist. Die Ausgangsspan-nung u2 des Filters wird zur Darstellung der reinen Durch-lakurve (Hllkurve) gleichgerichtet (demoduliert). Auer-dem liefert der Wobbelsender eine der jeweiligen Fre-quenz von u1 proportionalen Spannung (Sgezahn), mitder die X-Ablenkung vorgenommen wird. Das Bild stelltsomit die Ausgangsspannung des Filters u2 als Funktionder Frequenz bei konstanter Amplitude der Eingangs-spannung u1 dar.

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 25

    EINFLUSS DES MESSGERTES AUF DEN MESSKREIS

    Eigenverbrauch = die dem Meobjekt vom verwendeten Megert entzogene Leistung zur Aufrechterhaltung derAnzeige. Dieser Eigenverbrauch verflscht das Meergebnis, und zwar um so mehr, je kleiner das Verhlt-nis des Innenwiderstandes des Megertes zum Innenwiderstand des Meobjektes ist.

    Eigenverbrauch einiger Megerte:

    Megert Drehspul-mewerke

    Dreheisen-mewerke

    Meverstrker Os-zilloskope

    elektrostatischeMegerte

    Ri 20/V 100k/V 1M 100M bis zu 1014PV W mW 100mW W 0Eigenverbrauch gering hoch vernachlssigbar vernachlssigbar

    GLEICHSTROM- BZW. GLEICHSPANNUNGS-MESSUNGEN

    Megerte fr direkte und indirekte Messungen:Gleich-strom

    direkte Messung mit Megerten, deren Anzeigeunmittelbar vom Strom bewirkt wird

    indirekte Messung mit Megerten, derenAnzeige von einer anderen Gre bewirkt wird

    Megerte

    DrehspulinstrumentDreheiseninstrument

    elektrodynamische MewerkThermoumformerBimetallinstrument

    elektrostatische MewerkTransistorvoltmeter

    Elektronenstrahloszilloskop

    Gleich-spannung

    indirekte Messung mit Megerten, deren Anzei-ge von einer anderen Gre bewirkt wird

    direkte Messung mit Megerten, deren Anzei-ge unmittelbar von der Spannung bewirkt wird

    Merke: Bei der indirekten Messung mu jedoch die andere Gre immer in physikalischem Zusammen-hang mit der zu messenden Gre stehen, z.B. nach dem Ohmschen Gesetz ( wird errechnet!).

    Megerte fr die passende Strom- / Spannungsstrke:

    Strke Werte Strom Spannung

    gro kA u. kV und darber HallgeneratorenDrehspulinstrumenteohmsche o. kapazitive Spannungsteiler

    elektrostatische oder anderehochohmige Megerte

    mittel A kA; mV kV Drehspulinstrumente mit ge-eigneten Nebenwiderstnden

    Drehspulinstrumente mit entsprechen-den Vorwiderstnden

    klein bis zu nA und V empfindliche Galvanometerkleinst nA u. V und darunter geeignete Meverstrker mit geringem Eigenrauschen

    Prinzipschaltung der Gleichspannungskompensation = eine unbekannte Spannung wird mit einer einstellbaren,geeichten Spannung mittels Kompensator verglichen.

    Die geeichte Kompensationsspannung UK wird so eingestellt, da der Nullindikator G (meist Galvanometeroder Gleichstromverstrker=OP mit nachgeschaltetem Anzeigegert) keinen Strom anzeigt. An den Innenwiderstn-den RiX und RiK der beiden Spannungsquellen fllt dann keine Spannung ab und es gilt UX = UK.

    Gleichspannungskompensationsverfahren = Potentiometer- oder Strommesserverfahren fr Meberei-che bis zu einigen Volt (stromlose Messung). Fr hhere Spannungen werden Spannungsteiler 1:10bis 1:1000 vorgeschaltet (keine stromlose Messung!).

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 26

    Vorteil des Strommesserverfahrens = im Kompensationskreis befinden sich keine Kontakte, wodurchkontaktbedingte Strspannungen vermieden werden fr kleine Spannungen unter 100mV be-sonders geeignet.

    Selbstabgleichende Kompensatoren fr Gleichspannungen:1. Prinzipschaltung eines Kompensationsschreibers nach

    dem Poggendorf-Verfahren zur Spannungsmessung(mit Schreibeinrichtung auch Darstellung / Aufzeichnung langsamerzeitlicher nderungen mglich):

    2. Prinzipschaltung eines selbstabgleichenden Kompensatorsnach dem Lindeck-Rothe-Verfahren zur Temperaturmessung:

    Die selbstttige Einstellung des Hilfsstroms erfolgt hierdurch einen Fotowiderstand. Das Galvanometer hat an-stelle eines Zeigers eines Spiegel.

    SG = Spiegelgalvanometer S = SchirmLDR = Fotowiderstand Th = ThermoelementL = Lichtquelle Uth = Thermospannung

    WECHSELSPANNUNGS- UND WECHSELSTROMMESSUNG BEI NIEDRIGEN FREQUENZEN

    Reine Wechselspannung = eine periodisch in der Zeit vernderliche Spannung u = f(t) mit dem arithmetischen(linearen) Mittelwert Null. Sie kann, mu aber nicht sinusfrmig sein.

    Messungen mit dem Drehspulinstrument und Gleichrichter:Bei sehr niedrigen Frequenzen folgt der Zeigerausschlag eines Drehspulinstrumentes (ohne Gleichrichter)

    den Momentanwerten des Stromes. Es kommt zu keinem Zeigerstillstand. Mit zunehmender Fre-quenz wird der Zeigerausschlag immer kleiner und dann gleich null.

    Abhilfe: Einweg-, Zweiweg- (Mittelpunktsschaltung) oder Brckengleichrichtung (letztere ist die hufigste!).Drehspulinstrumente mit Gleichrichter werden hufig zur Messung der Effektivwerte von sinusfrmigen

    Spannungen und Strmen verwendet, weil sie z.B. gegenber dem Dreheiseninstrument einegrere Empfindlichkeit, einen greren Frequenzbereich und eine lineare Skala haben.

    Brckengleichrichtung Gleichrichtung fr kl.WechselspannungenZweiweggleichrichtung

    (Mittelpunkt-Gleichrichtung)Einweg-

    gleichrichtung

    + hufigste Anwendung Mespannung mu die

    doppelte Schwellspan-nung einer Diodeberwinden

    Skalen sind im Anfangsbe-reich nichtlinear wg. nicht-linearer Diodenkennlinien

    + Messung von Wechselspan-nungen, die kleiner sindals die Schwellspannungeiner Diode

    halber Eingangswiderstand Skalen ebenfalls im

    Anfangsbereich nichtlinear

    + Messung kl. Wechselspannungen alsdie doppelte oder einfacheSchwellspannung ( Anhebung derMespannung mit Trafo), beigleichzeitigem Gewinn an Linearitt.

    teures Meverfahren wg. spez. Trafo+ bessere Linearitt

    + einfachsteSchaltung

    halb so groeEmpfindlichkeit

    Die hchste Frequenz der zu messenden Strme / Spannungen wird vor allem durch die Eigenkapazitt derGleichrichter bestimmt (Vielfachmegerte 10-100kHz; besondere kapazittsarme Gleichrichter fr Strom- bzw.Spannungsmessungen bis ca. 500MHz ntig).

    Aufgrund der Nichtlinearitt der Gleichrichterkennlinien sind nur Genauigkeiten bis ca. 1,5% erreichbar.Mebereichserweiterungen fr grere Wechselstrme knnen mit Nebenwiderstnden oder

    Stromwandlern, fr hhere Wechselspannungen mit Vorwiderstnden oder Spannungswandlernund fr (sehr) kleine Wechselspannungen und -strme mit Meverstrkern erzielt werden.

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 27

    Messungen mit quadratisch anzeigenden Megerten:

    quadratisch anzeigende Megerte: Frequenzbereich:Dreheisen- bzw. Weicheisenmegerte aufgrund des stark induktiven Innenwiderstandes nur bis ca. 1kHzelektrostatische MegerteBimetallmegerte dazwischen (je nach Zusammensetzung des Ri)

    Megerte mit Thermoumformer aufgrund des berwiegend ohmschen Eingangswiderstandes frhochfrequente StrmeDer Zeigerausschlag quadratisch anzeigender Megerte entspricht dem Quadrat der angelegten Wech-

    selgre und zeigt (im zulssigen Frequenzbereich) den Effektivwert an, unabhngig der Kurvenform!Mebereichserweiterungen fr Dreheisenmegerte:

    A. als Strommesser: keine Nebenwiderstnde, da sie hohe Temperatur- u. Frequenzfehler verursachen= in geringem Umfang durch Abgriffe an der Spule+ sehr gut geeignet sind Stromwandler

    B. als Spannungsmesser:= Vorwiderstnde geeignet, zur Vermeidung von Temperaturfehlern mssen diese jedoch

    temperaturunabhngig und wesentlich grer sein als der Spulenwiderstand. Fre-quenzfehler bei niedrigen Frequenzen knnen mit einem Parallelkondensator zumVorwiderstand weitgehend ausgeglichen werden.

    + Spannungswandler sehr gut geeignet

    Mebereichserweiterungen fr elektrostatische Spannungsmesser:mit Hilfe eines kapazitiven Spannungsteilers fr hhere und hchste SpannungenC1, C2 = kapazitiver SpannungsteilerM = elektrostatischer SpannungsmesserCM = Eigenkapazitt des Spannungsmessers

    21

    211 UC

    CCCU M ++=

    Messen von Spitzenwerten:Messung von Scheitelwerten von Spannungen mit der Spit-zengleichrichtung:

    U0 = Leerlaufspannung des MeobjektesRi0 = Innenwiderstand des MeobjektesU

    ~ = zu messende Wechselspannung

    V = Diode mit Durchlawiderstand RDC = LadekondensatorUc = Spannung am KondensatorM = Megert (Drehspulinstrument)RiM = Innenwiderstand des Megertes

    Bedingung an das Megert: RiM >> Ri0 + RD

    Messen des Spitze-Spitze-Wertesmit Zweiweggleichrichtung

    Messen des Spitze-Spitze-Wertesmit Greinacher-Schaltung

    Merke: Bei nicht allzu groen Mespannungen sind die Dioden-Schwellspannungen zu bercksichtigen.

    Mit Hilfe von Schreibern, Licht- und Elektronenstrahloszilloskopen knnen ebenfalls Spitzenwerte ermit-telt werden!

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 28

    Strom- und Spannungswandler = Transformatoren mit geringer Leistung u. hoher Genauigkeit fr Mezwecke.

    Wandler: Stromwandler Spannungswandler Mehrere Megerte werden parallel verschaltet. Betrieb der Sekundrseite nahezu im Leerlauf. Ein Kurzschlu auf der Sekundrseite zerstrt

    den Wandler ( Sicherung, am besten so-wohl primr als auch sekundr!).Allgemeines:

    Mehrere Megerte werden in Reihe verschaltet. Stromwandler sollen sekundrseitig nicht offen

    betrieben werden, da sonst an den Sekundr-klemmen gefhrlich hohe Spannungen entste-hen knnen und der Kern stark erwrmt undevtl. thermisch zerstrt wird. Deswegen auchsekundrseitig keine Schmelzsicherungen!

    Soll whrend des Betriebes eines Stromwandlersdie Brde entfernt werden, so ist der Sekun-drstromkreis kurzzuschlieen.

    Schaltung:

    Aufgaben: Strme bzw. Spannungen auf leicht zu messende Werte zu transformieren Galvanische Trennung der Megerte von gefhrlichen Hochspannungen Schutz der Megerte durch Strombegrenzung vor Kurzschlustrmen bzw. berspannungen

    Genauigkeit: Fr Przisionsmessung Herstellung der Genauigkeitsklasse 0,1 mglich.Ansonsten Genauigkeitsklassen von 0,2 bis 3 vertreten.

    Bauform:techn. Frequenzen: Kerne aus Blechen hochpermeablen Nickel-Eisenlegierungen

    hhere Frequenzen: Ferrite als Kernesehr hohe Frequenzen: nur noch Luftspulen

    MESSEN DES LEISTUNGSFAKTORS

    Mit elektrodynamischen Quotientenmewerk (Abwandlung eines Kreuzspul-Mewerks):Hier ist eine unmittelbare Messung des Leistungsfaktors cos mglich, jedoch mit relativ groem Mefeh-

    ler ( nur fr Betriebsmessungen geeignet). Das drehbare System besteht aus zwei mechanisch mitein-ander befestigten Spulen, die gegenseitig um 90 versetzt sind. Anstelle eines ueren Dauerma-gneten wird jedoch ein durch einen Wechselstrom I3 erzeugtes Magnetfeld verwendet. Der Span-nungspfad mit I1 wird mit dem Strompfad mit I3 wie ein Wirkleistungsmesser angeschlossen undder Spannungspfad mit I2 wie ein Blindleistungsmesser.

    Formel Schaltzeichen Mewerk

    tancos

    sin~ =

    Schaltungen des Leistungsfaktormessers bei Wechselstromdirekt indirekt Zeigerdiagramm

    MERKE: Wegen der Frequenzabhngigkeit des Blindwiderstandes im Spannungspfad 2gilt die Eichung der Skala nur fr eine Frequenz (meist 50 Hz)

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 29

    Schaltungen des Leistungsfaktormessers bei Drehstromdirekt indirekt Zeigerdiagramm

    Die Schaltung sind weitgehend frequenzunabhngig; allerdings ndert sich der Zusammenhangzwischen dem Ausschlag und dem Phasenwinkel aufgrund des Phasenunterschiedes von 60

    (statt 90!) bei Drehstrom mit symmetrischer Last.

    Mit Wirkleistungsmesser und zustzlicher Strom- und Spanssungsmessung:Mittelbare Messung des cos durch Bestimmung der Wirkleistung mit dem

    Wirkleistungsmessung und der Scheinleistung mittels Strom- undSpannungsmessung. Fr Wechsel- und Drehstrom gilt:

    Mit Elektronenstrahloszilloskop:Messung des Phasenwinkels und nachfolgende Berechnung des cos ( grerer Mefehler).

    MESSEN DER ELEKTRISCHEN ARBEIT UND DES LEISTUNGSMAXIMUMS

    Die Wirkarbeit W ist das Produkt aus Wirkleistung und Zeitdauer: W = P x t [Ws oder kWh]Zur Messung der Arbeit ist also zustzlich zur Leistungsmessung die Zeitdauer der Leistungsbeanspruchung zuerfassen, was von einem Induktionsmewerk erfllt wird:

    Prinzipeller Aufbau eines Induktionsmewerks (Wechselstrom!) Verlauf der Wirbelstrme in derAluminiumscheibe durch

    Spannungseisen Stromeisen

    Funktionsweise: Die berlagerung der Wirbelstrme bewirkt ein Drehmoment gegen die Uhrzeigerrich-tung. Der Dauermagnet wirkt als Wirbelstrombremse. Mit der Zhlerkonstanten k lt sich die Zahlder Umdrehungen bestimmen: n = k x W.

    IUS =SP

    =cos

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 30

    FREQUENZMESSUNGEN MIT DIGITALEN FREQUENZZHLERN

    Funktionsweise: Der Schmitt-Trigger erzeugt je Periode der zumessenden Frequenz einen Impuls. Die von der Torschal-tung durchgelassene Zeit n der Impulse aus dem Schmitt-Trigger ist ein Ma fr die Frequenz fx. Mit Hilfe eines um-schaltbaren Frequenzteilers knnen verschiedene Mebe-reiche eingestellt werden.

    Eine weitere Mglichkeit der Frequenzmessung bietet das Oszil-loskop, sowohl im Zeitablenk- als auch XY-Betrieb.

    EIGENSCHAFTEN DER (ABGEGLICHENEN) WHEATSTONE-MESSBRCKE

    Im Abgleichzustand ist die Brcke unabhngig vonder Speisespannung, d.h. die Spannungsquellebraucht nicht stabilisiert zu sein.

    Die Genauigkeit der Messung hngt nur von derGenauigkeit der Widerstnde R2, R3, R4 ab, d.h.bei entsprechendem Schaltungsaufbau sindPrzisionsmessungen mit einem relativen Fehler

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 31

    Mewertaufnehmer formen die physikalische Gre entweder direkt oder ber eine weitere physikalische Grein eine elektrische Gre um. Man unterscheidet passive (die Energieversorgung erfolgt aus dem Mever-strker) und aktive (Energiewandler) Mewertaufnehmer.

    Meverstrker (Meumformer) dienen zur Anpassung und Signalaufbereitung (= Verstrkung), damit das vomAufnehmer gelieferte Signal bertragen, angezeigt, registriert oder weiterverarbeitet werden kann. Meistensliefern Meverstrker einen eingeprgten Gleichstrom, der proportional zur Megre ist.

    Mewertausgeber liefern den Mewert entweder direkt analog oder digital ber Anzeige, Schreiber oder Zhleroder aber indirekt ber Magnetband, Lochkarten oder sonstige Speicher.

    Netzgert versorgt den Meverstrker mit der ntigen elektrischen Energie (Hilfsenergie).Vorteile der elektrischen Messung nichtelektrischer Gren:

    Rationelle Einsetzbarkeit der Mekette ( durch das Austauschen des Mewertaufnehmers lassensich viele verschiedene physikalische Gren messen).

    Hohe Meempfindlichkeit durch die Wahl von Meverstrkern mit hoher Verstrkung. Vernachlssigbar geringe Beeinflussung der Megre durch die Mewertaufnehmer. Analoge oder digitale Anzeige mglich, die leicht weiterverarbeitet werden kann ( zentrale Mewer-

    terfassung, berwachung und Regelung, ...). Groe Zuverlssigkeit und hohe Megenauigkeit.

    Mefhler = megrenempfindlicher Teil des Mewertaufnehmers, zur direkten Umwandlung der physikalischenMegre in eine elektrische Gre. Dem Mefhler kann ein Megrenumformer vorgeschaltet sein, derdie aufgenommene Eingangsgre in eine nichtelektrische Ausgangsgre umformt (z.B. Umformer: KraftF Dehnung ; Mefhler: Dehnung Widerstandsnderung R). Man unterscheidet:Passive Mefhler: Die zu messende physikalische Gre beeinflut eine elektrische Gre (z.B. U, I, R,

    L, C) und steuert bzw. moduliert eine Hilfsenergie. Die dem Meobjekt entnommene Energie istmeist vernachlssigbar klein. Arten der Mefhler: Widerstands-, Induktive und Kapazitive Mefhler

    Aktive Mefhler: Dem Meobjekt wird vom aktiven Mefhler mechanische, thermische, optische oderchemische Energie entnommen und durch Energieumwandlung elektrische Energie (U, I oder Q)erzeugt. Zur Vermeidung von Rckwirkungen auf den Mevorgang mu die dem Meobjekt en t-nommene Energie mglichst vernachlssigbar klein bleiben, wodurch die Abgabeleistung der akti-ven Mefhler ebenfalls nur sehr gering ist. Arten der Mefhler: Elektrodynamische, Piezo-, Thermo-, Fotoelektrische Mefhler

    WIDERSTANDS-MESSFHLER (PASSIV)

    Allgemein: Die physikalische Megre beeinflut und verndert direkt den Widerstand des Mefhlers. Der W i-derstand kann ber die Lnge l, den Querschnitt A (mechanisch), den spezifischen Widerstand (optisch)und ber die Temperatur (thermisch) verndert werden. Das besagt auch die bekannte Formel:

    ( ) += 2020 1RR mit AlR = 2020

    Dehnungsmestreifen (DMS):Aufbau: manderfrmige, auf dnne Isolierkrper aufgebrachte elektrische Widerstandsstrecken, die durch

    Wickeln eines dnnen Widerstandsdrahtes (d < 20m) zu Flachspulen, als Gitterform in einer Ebe-ne oder durch fotomechanisches tzen von dnnen Metall-Widerstandsfolien (Strke < 0,5m)hergestellt werden.

    Funktionsweise: Ausgenutzt wird die Abhngigkeit des Widerstandes R von l, A und . Durch Dehnung er-fhrt der Medraht (o. Megitter) eine Lngennderung und eine Querkontraktion (= Schrumpfungdes Querschnitts). Durch Gitterdeformation (Atomgitter) erhht sich der spezif. Widerstand.

    Lebensdauer: praktisch unbegrenzt, jedoch nur einmal auf das Meobjekt aufbringbar.

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 32

    Verschiedene Formen von Folien-Dehnungsmestreifen:Form fr verschiedene Koordinateneinfache

    FormForm fr Drehmo-mentaufnehmer

    Rosette f. Membran-Druckaufnehmer

    Zugrichtung -90 Zugrichtungen 120 + \ Zug \ / Druck / -

    Temperaturfhler:Allgemein: Bei reinen Metallen nimmt der elektrische Widerstand ber einen groen Temperaturbereich li-

    near mit der Temperatur zu. Der Temperaturbeiwert gibt die relative Widerstandsnderung proKelvin an.

    Temperaturfhler-Mewiderstnde = gewickelte Drahtwiderstnde aus Platin (korrosionsbestndig, hoheSchmelztemperatur) oder Nickel (hherer Temperaturbeiwert = 0,006 1/K fr empfindlichere Messungen) auf Krper ausGlas, Keramik oder Glimmer mit einem Nenn- oder Grundwiderstand R0 von allgemein 100 0,1%bei 0C.

    Halbleiter-Mewiderstnde (= Thermistoren):NTC PTC

    Heileiter Kaltleiterneg. Temperaturbeiwert -0,03 bis -0,06 1/K sehr hoher, pos. Temperaturbeiwert 0,6 1/K

    groer Temperaturbereich schmaler Temperaturbereich+ Kleine Temperaturdifferenzen knnen ohne groen Schaltungsaufwand gemessen werden. Bei groen Temperaturbereichen macht sich die Nichtlinearitt der Kennlinien bemerkbar. Halbleiterwiderstnde unterliegen greren Fertigungstoleranzen und altern. Der Mestrom durch die Thermistoren darf nur wenige mA betragen, damit keine Eigenerwr-

    mung auftritt, die den Mewert verflscht.

    Fotoelektrische Fhler:Fotowiderstnde:

    Aufbau: Eine lichtempfindliche Substanz wird in einer 30-50m starken Schicht auf einen Isolatorals Trger aufgedampft und in einem vakuumdichten Glaskolben eingeschlossen.

    Die Widerstandsnderung erfolgt in etwa linear, aber nicht trgheitslos, d.h. nach einer nde-rung der Beleuchtungsstrke ndert sich der Widerstand erst nach einigen Millisekunden.

    Fotodioden:Aufbau: Der pn-bergang aus Silizium oder Germanium einer Halbleiterdiode ist dem Licht gut zu-

    gnglich aufgebaut.Funktionsweise: Fllt kein Licht auf den pn-bergang, fliet nur ein sehr kleiner Sperrstrom. Bei

    Lichteinfall werden Elektronenpaarbindungen gelst, es entstehen freie Ladungstrger undder Sperrstrom steigt fast linear zur Beleuchtungsstrke um einige Zehnerpotenzen an.

    Schalter / Schaltkontakte:Allgemein: Sie zhlen ebenfalls zu den Widerstandsfhler, werden mechanisch bettigt und ndern ihren

    Widerstand unstetig zwischen extremen Werten.Anwendung: Schutzgaskontaktrelais (Reedrelais) als Grenzwertgeber, wo diese Kontakte berhrungslos

    durch ein Magnetfeld bettigt werden.

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 33

    INDUKTIVE MESSFHLER (PASSIV)

    Allgemein: Als Mefhlerprinzip wird hauptschlich der Einflu einer Lageverschiebung s eines Eisenkerns im Feldvon einer oder zwei Spulen ausgenutzt.

    Einfachinduktivitten:vernderliche Selbst-induktivitt durch:

    Doppel-spule

    Einzelspuleund Anker

    Schaltung:

    Funktionsweise: Bei einer Luftspaltnderung ist dieInduktivittsnderung nur im Bereich klei-ner Verschiebungen des Anfangsluftspal-tes linear ( nur fr kleine Mewege brauch-bar!).Die L-Messung erfolgt mit Wechselstrom-mebrcken.Je nach Trgerfrequenz der Brckenspan-nung haben die Spulen L-Werte von z.B.5mH bei 5kHz bzw. 0,5mH bei 50kHz.

    Aufbau:

    Differentialdrosseln:Differential-drossel mit: Queranker

    Lngs- undTauchanker

    Schaltung:

    Funktionsweise: Differentialdrosseln besitzen inBrckenschaltungen ber den ganzenNutzbereich lineare Kennlinien.

    Mewege von 20m bis 1mm: Queranker

    Mewege von 1mm bis 50cm: Tauchanker

    Drehbewegungen bis 90: gekrmmterTauchanker

    Aufbau:

    Differentialtransformatoren:Differentialtransformator

    mit beweglichem EisenkernSchaltung: Aufbau:

    Aufbau: Primrspule und zwei gegeneinandergeschalteteSekundrspulen.

    Funktionsweise: In den Sekundrspulen werden zwei entge-gengesetzte, gleich oder verschieden groe Wech-selspannungen induziert (je nach Stellung des durch dieMegre beeinfluten Eisenkerns).Die am Mefhlerausgang erzeugte resultierendeSpannung Ua ist proportional der Verschiebung s. 1 = Primrspule

    KAPAZITIVE MESSFHLER (PASSIV)

    Allgemein: Beim Bau kapazitiver Mefhler macht man von allen Mglichkeiten der Kapazittsbeeinflussung Ge-brauch eine Vernderung des Dielektrikums r, der Plattenoberflche A oder des Plattenabstandes d.

    Einfach-Kondensator Differential-KondensatorZylinder-

    Kondensator Mehrschicht-KondensatorDrehkonden-

    sator

    In einer Mebrcke istdie relative C-nderung

    nicht linear zur Ver-schiebung d der Plat-ten (= Megre); nurbei kleinen Wegnde-rungen d

  • Vorbereitung auf Messtechnik (DAA) MWH Seite 34

    ELEKTRODYNAMISCHE MESSFHLER (AKTIV)

    Allgemein: Grundlage ist das Induktionsgesetz. Wird ein Leiter der Lnge l bzw. eine Spule mit der WindungszahlN in einem Magnetfeld der magnetischen Fludichte B mit einer Geschwindigkeit v bewegt, entsteht eineInduktionsspannung u = N x l x B x v. Wenn N, l, B konstant sind, ist bei einer Lngsbewegung die indu-zierte Spannung proportional v und bei einer Drehbewegung proportional der Winkelgeschwindigkeit .

    Anwendung: Winkelgeschwindigkeitsmessung als sog. Tachogeneratoren.

    PIEZOELEKTRISCHE MESSFHLER (AKTIV)

    Allgemein: Wird ein Quarzprisma in Richtung seiner elektrischen Achse X1 mechanischdurch Druckkrfte beansprucht, entsteht durch den direkten longitudinalen Pie-zoeffekt (d.h. F-Richtung und X1-Achse sind gleich) bei sehr kleinen Verformungenauf den Flchen A eine entgegengesetzte Ladung Q.

    Bild rechts: Stark vereinfachte Strukturzelle eines Quarzes (SiO2):Funktionsweise: Die Atomladungen werden durch Verformung des Kristallgitters ver-

    schoben, wodurch auf den einander entgegengesetzten Seiten Ladungsunter-schiede entstehen. Die entstehende Ladung Q ist proportional der wirkenden Kraft F.Zur Erhhung der Empfindlichkeit werden immer mehrere Kristalle mechanisch in Reihe geschalten.

    Eigenschaften:+ hohe Druckfestigkeit der Quarzkristalle ( gut geeignet zur Messung groer Krfte bis ca. 10MN) allmhlicher Ladungsausgleich bei gleichbleibender Verformung

    ( fr rein statische Messungen unge