Handbuch der modernen Messwerterfassung

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38 Ja h re K o mp ete
in Me sste c h n ik!
Handbuch der modernen Messwerterfassung
Teil 1: Mehr über Messgrößen • Wichtige Messgeräte im Überblick • DC-Messwerterfassung
Erwähnte Firmen- und Produktnamen sind zum Teil eingetragene
Warenzeichen der jeweiligen Hersteller. Irrtum und Änderung vorbehalten.
© 2015 Meilhaus Electronic.
MEsstechnik fängt mit ME an.
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12.03.15 15:05
Einleitung
Messwerterfassung ist ein Überbegriff für
den Aufgabenkomplex
Messwertverarbeitung ist heute durch Mikroprozessoren, Einplatinencomputer und PCs
gekennzeichnet.
• Messwertaufnahme,
• Messwertverarbeitung und
• Messwertspeicherung/-anzeige.
Doch bei aller Leistungsfähigkeit diese Technik ist es noch nicht damit getan, irgend ein
Messgerät zu kaufen und anzuschließen oder
ein paar Module vor einen PC zu schalten.
Eine gestörte oder inakzeptabel verfälschte
Anzeige mit all ihren negativen Folgen könnte die Quittung sein. Und vielleicht erweist
sich das Ganze im Endeffekt sogar als Fehlkauf. Denn so umfangreich und vielfältig,
ausgereift und preiswert moderne Messgeräte, Messmodule und ihr Zubehör heute auch
sind − der Anwender kommt nicht umhin,
sich folgenden Fragen zu stellen:
Nutzt man dabei einen PC, so spricht man
auch von Datenerfassung (Data Acquisition,
DAQ). Ein Datenerfassungssystem besteht
aus mindestens
• einem Sensor,
• Hardware in Form eines Geräts, Moduls
oder einer Karte zur Signalkonditionierung
und Analog/Digital-Wandlung,
• einem geeigneten Bussystem sowie
• dem Computer mit Treiber- und
DAQ-Software.
• Welches ist das richtige Messgerät
oder Messmodul für meinen Zweck?
• Wie zuverlässig werden die Messwerte
erfasst und verarbeitet?
• Wie genau ist die Speicherung/Anzeige?
Der PC ermöglicht höchste Verarbeitungsleistung, komfortable Darstellung und optimale Auswertung der Messwerte.
Es geht also um Auswahl der Technik, Störsicherheit des gesamten Aufbaus und Toleranz der Anzeige mit all ihren Facetten. Das
sind die drei wichtigsten Fragen bei jeder
praktischen Messwerterfassung!
Die Erfassung von Messwerten ist heute bedeutsamer und umfangreicher, gleichzeitig
aber auch problemloser denn je. Wie geht das
zusammen? Ganz einfach: Die moderne Elektronik − sei es im Wohnbereich, im Kraftfahrzeug oder in der Produktion − bringt
auch immer mehr Messaufgaben mit sich. Da
sind beispielsweise Temperaturen zu erfassen, Druck- und Zugkräfte zu ermitteln, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen oder
Drehwinkel und Umdrehungszahlen präzise
festzustellen. All diese Größen lassen sich
nur auswerten, wenn sie durch elektrische
Werte repräsentiert werden. Diese liefern
Sensoren oder Messbrücken, und moderne
Geräte und Messmodule werten sie dann gemäß den Anwenderwünschen aus.
Messtechnik fängt mit ME an.
Dieses dreiteilige Handbuch liefert ausführliche Antworten und ist dabei so aufgebaut,
dass der Leser möglicht geradlinig und leichten Fußes an sein individuelles Ziel kommt.
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Inhaltsverzeichnis
Teil 1: Messgrößen, Messgeräte und DC-Messwerterfassung
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
Mehr über Messgrößen ................................................................................
DC-Größen ...................................................................................................
AC-Größen ...................................................................................................
Impulse und digitale Größen ........................................................................
Bauteil- und Anlagentest ..............................................................................
Thermografie ................................................................................................
Fehlerarten ....................................................................................................
4
4
4
5
5
6
6
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Wichtige Messgeräte im Überblick ..............................................................
Das Oszilloskop ............................................................................................
Der Spektrumanalysator ..............................................................................
Das Multimeter ............................................................................................
Der multifunktionale MEphisto ...................................................................
Das „Messlabor“ ..........................................................................................
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14
14
15
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
DC-Messwerterfassung ...............................................................................
Multimeterauswahl ......................................................................................
Spannungsmessung mit dem Multimeter .....................................................
Direkte Strommessung mit dem Multimeter ................................................
Indirekte Strommessung mit dem Multimeter ..............................................
Pegelerfassung mit dem Datenlogger ...........................................................
Spannungsmessung mit dem „Messlabor“ ...................................................
Messverstärker und -umformer ....................................................................
Die traditionelle Messbrücke und ihre Alternative ......................................
Der DMS für Druck- und Zugmessung ........................................................
Temperaturmessung − ein weites Feld .........................................................
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20
21
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Teil 2: Erfassung von Wechsel-/Pulsgrößen und Testverfahren
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4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.11
Erfassung von Wechselspannungen, -strömen und -leistungen ..................
Kennwerte einer Wechselgröße ...................................................................
Der Messkreis: symmetrisch oder unsymmetrisch? ....................................
Messen von Sinusgrößen mit dem Multimeter ...........................................
Das True-RMS-Multimeter .........................................................................
Fehlerquellen beim Messen mit dem Scope ................................................
Teilertastköpfe nicht überschätzen ..............................................................
Rauschspannungen richtig messen ..............................................................
Tipps für die HF-Strommessung ..................................................................
Was leistet ein Spektrumanalysator? ...........................................................
Netzwerkanalyse: die S-Parameter ..............................................................
Isolation − warum und wann? ......................................................................
Schwingung/Beschleunigung/Erschütterung ...............................................
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5.3
5.4
5.5
Frequenzmessung mit Scope und Zähler ......................................................
Frequenzermittlung mit dem Oszilloskop .....................................................
Wie genau messen? .......................................................................................
Frequenzzähler in der Praxis .........................................................................
Die wichtigsten Messtipps ...........................................................................
Referenzfrequenzquellen ................................................................................
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6.1
6.2
6.3
6.4
Erfassung pulsierender/digitaler Größen .....................................................
Eigenanstiegszeit eines Oszilloskops ...........................................................
Eigenanstiegszeit eines Tastkopfs ................................................................
Eigenanstiegszeit des Systems Scope/Tastkopf ...........................................
Der Logikanalysator .....................................................................................
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43
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7.6
7.7
7.8
Anlagen- und Bauteiltest ..............................................................................
Durchgangs- und Diodenprüfung .................................................................
R, C und L messen ........................................................................................
Transistoren ausmessen ................................................................................
Ein- und Ausgangswiderstand ermitteln .......................................................
Innenwiderstand einer Stromquelle ermitteln ................................................
Arbeitspunkte ermitteln .................................................................................
Das Impuls-Reflektometer ............................................................................
Isolationsmessung .........................................................................................
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Teil 3: ADCs, Bussysteme, Computer und Software
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8.5
A/D-Wandler und Bussysteme ....................................................................
ADC-Grundtypen ........................................................................................
Wichtige Kennwerte ....................................................................................
Weitere Umsetzverfahren ............................................................................
Hauptsächliche Fehlerquellen .....................................................................
ADC-Auswahl .............................................................................................
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Welches Bussystem? ................................................................................... 56
9.1 Bussysteme für die Datenerfassung ............................................................ 56
9.2 Auswahl anhand der Datenmenge .............................................................. 59
9.3 Auswahl anhand der I/O-Anforderungen ................................................... 59
9.4 Sind mehrere Geräte zu synchronisieren? ................................................... 60
9.5 Wie mobil muss das System sein? ................................................................ 60
9.6 Auswahl anhand der Entfernung zwischen Messstelle und PC .................... 61
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10.2
10.3
10.4
10.5
Last not least: PC und Software ..................................................................
Welcher PC-Typ ist optimal? ......................................................................
Das passende Analysewerkzeug ..................................................................
Welche Treibersoftware eignet sich am besten? .........................................
Wahl der Anwendungssoftware ...................................................................
Das passende Datenformat finden ...............................................................
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Ergänzende/weiterführende Literatur ........................................................... 68
Messtechnik fängt mit ME an.
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1 Mehr über Messgrößen
Es macht Sinn, Messgrößen in allgemeine
und spezielle einzuteilen. Zur ersten Gruppe
gehören die mit den Kürzeln DC und AC verbundenen sowie die Puls- und digitalen Größen. Zur zweiten Gruppe zählen unter anderen die Ergebnisse von Anlagen- und Komponententests sowie der Thermografie. Allgemeine Messgrößen lassen sich mit universellen Geräten und Modulen erfassen, während
man für spezielle Messwerte auch eine ganz
spezifische Messtechnik benötigt.
Bei hohen Frequenzen verwendet man homogen aufgebaute Leitungen (verdrillter Zweidraht, Koaxialkabel). Eine solche Leitung ist
durch den sogenannten Wellenwiderstand
gekennzeichnet, der sich aus ihrer eigenen
Parallelkapazität und Reiheninduktivität pro
Längeneinheit ergibt. Er kann als rein ohmscher Widerstand aufgefasst werden.
Ein besonderes Problem bei solchen Leitungen sind Reflexionen. Dies bedeutet die Zurückweisung von ankommender Leistung
und erfolgt immer dann, wenn sich an einer
Stelle der Wellenwiderstand abrupt ändert
(Verbindung zweiter Leitungen mit verschiedenen Wellenwiderständen) oder wenn der
äußere Widerstand nicht dem Wellenwiderstand entspricht. Beispielsweise wird am Eingang eines Verstärkers mit 75 Ohm Eingangswiderstand reflektiert, der sein Eingangssignal über ein 50-Ohm-Kabel erhält.
Die Folgen einer Fehlanpassung sollte man
aber nicht überschätzen: Beispielsweise bei
einem Leitungsabschluss mit halbem oder
doppeltem Wellenwiderstand werden nur
11% der ankommenden Leistung reflektiert.
1.1 DC-Größen
DC steht für Direct Current (Gleichstrom),
gemeint sind aber auch Gleichspannungen,
denn Voraussetzung für einen Strom ist eine
Spannung. Sensoren für Druck, Zug oder
Temperatur liefern relativ kleine Gleichspannungen oder -ströme. Diese müssen in der Regel verstärkt werden. Kommt dann noch ein
mittlerer oder gar hoher Innenwiderstand der
Quelle hinzu, ist bei einfachem Aufbau die
Störsicherheit gering und muss meist verbessert werden (Verdrillung der Zuleitung, Abschirmung, Erdung, Filterung).
1.2 AC-Größen
AC bedeutet Alternating Current
(Wechselstrom) und meint auch Wechselspannungen. Als Signalspannungen können
diese sowohl in Größe als auch Frequenz äußerst stark differieren und beruhen meist auf
der Sinusform.
Ein vollständig angepasstes Leitungssystem. Würde die Leitung nicht dämpfen, ergäben sich elektrische Verhältnisse, als wäre der Lastwiderstand direkt
mit der Quelle verbunden. Er erhielte die
halbe Urspannung und die maximal aus
der Quelle erhältliche Leistung bei einem
Wirkungsgrad von 50 Ohm / (50 Ohm +
50 Ohm) = 0,5.
Wechselspannungen sind in der Messtechnik
auch deshalb recht beliebt, weil man hier die
Messgröße als Frequenz darstellen und übertragen kann. Eine Frequenz ist jedoch durch
übliche Störeinflüsse nicht beeinflussbar.
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Digitale Größen sind bezüglich Pegel und
Zeiten definierte Impulse. Von der mathematischen Logik her kann der hohen Spannung
auch 0 und der niedrigen Spannung 1 zugeordnet sein. Diese „negative Logik“ verspricht oft eine höhere Störsicherheit.
Nur am Eingang angepasstes Leitungssystem. Es kommt am Ausgang zu einer
Reflexion, die reflektierte Leistung geht
dann vollständig in die Quelle zurück.
Würde die Leitung nicht dämpfen, existierten auch hier elektrische Verhältnisse
wie bei Direktanschluss des Lastwiderstands. Er erhielte gemäß Spannungsteilerregel 0,6 V bei einem Wirkungsgrad
von 75 Ohm / (50 Ohm + 75 Ohm) = 0,6.
1.4 Bauteil- und Anlagentest
Ein Test unterscheidet sich durch eine Messung durch sein lediglich qualitatives Ergebnis (gut/schlecht, funktionsfähig/fehlerhaft,
geeignet/ungeeignet). Ein Test geht oft einer
Messung voraus.
Als Bauteiltest bezeichnet man die Überprüfung einzelner Bauelemente oder Elemente.
(Unter Komponententest, engl. Unit Test,
versteht man hingegen das Prüfen der einzelnen Module einer Software.) Übliche Objekte für den Bauteiltest sind Widerstände, Kondensatoren und Spulen sowie Kabel/
Leitungen und Antennen. Oft ist es auch
sinnvoll, selbst montierte Verbindungen
(Stecker, Buchsen) auf Kurzschluss bzw.
Durchgang zu testen.
1.3 Impulse und digitale Größen
Ein Impuls ist ein Einzelereignis. Beispielsweise bei einem idealen positiven Impuls
springt die Spannung von 0 V auf 10 V,
bliebt für 1 ms stabil und fällt danach in unendlich kurzer Zeit wieder auf null. Ein realer Impuls ist infolge unvermeidlicher Störkapazitäten und Induktivitäten durch eine bestimmte Anstiegs- und Abfallzeit (Rise-/
Falltime) gekennzeichnet. Das sind die Zeiten, die lt. allgemein anerkannter Definition
vergehen, wenn die Spannung den Bereich
10...90 % vom Maximum durchquert. Sie
sind sind oft gleich, daher spricht man meist
nur von Anstiegszeit.
Ein Anlagentest baut meist auf einem schrittweisen Baugruppentest auf. Funktionieren
alle Baugruppen innerhalb der Anlage, so
sollte auch diese funktionieren.
Beim Test von leitungsgebundenen Übertragungssystemen wird oft die Time Domain
Reflectometry (TDR) einbezogen. Time Domain bedeutet Zeitbereich und meint eine
einmalige Darstellung von Ereignissen innerhalb einer bestimmten Zeitspanne. Dies ist
mit einem Oszilloskop im sogenannten OneShot-Modus möglich, wobei die Aufzeichnung meist mit Auftauchen der ersten Signalflanke gestartet (getriggert) wird.
Ein Puls ist eine zeitlich begrenzte Folge von
Impulsen. Das sogenannte Tastverhältnis ist
Impulsbreite / (Impulsbreite + Pausenzeit).
Die Anzahl der in einem Puls enthaltenen
Impulse kann einer Messgröße entsprechen.
Die TDR liefert weitaus mehr Informationen
als ein einfacher Test. Es wird ein möglichst
schmaler einzelner Impuls auf die Leitung
gegeben. Parallel zum Impulsgenerator
schließt man ein Oszilloskop an. Dieses stellt
sowohl den Impuls als auch eine eventuelle
Reflexion dar. Die Gesamtdarstellung ist sehr
informativ, man kann daraus leicht ersehen,
in welcher Entfernung die Reflexion aufge-
Idealer und nichtidealer (realer) Impuls
(Quelle: Wikipedia)
Messtechnik fängt mit ME an.
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treten ist und wie sie verursacht wurde. So
lassen sich recht bequem Unterbrechungen,
Kurzschlüsse, Wasserschäden, Quetschungen
und Fehlabschlüsse bereits verlegter Leitungen aufspüren.
Heutzutage wird Thermografie meist als Synonym für die Infrarotthermografie verwendet.
Der damit verbundene Begriff FLIR steht für
Forward Looking InfraRed („nach vorne
schauendes Infrarotsystem“). Das ursprünglich an Luftfahrzeugen montierte eindimensional nach unten oder zur Seite schauende
System wurde durch nach vorne schauende
Scannerkameras abgelöst, die nicht mehr auf
eine Bewegung des Trägersystems angewiesen sind. Moderne FLIR sind mit unterschiedlichen gekühlten und ungekühlten
zweidimensionalen, abbildenden Detektorsystemen ausgestattet, die Wärmebilder in
bei Wellenlängen von 2 bis 14 µm erzeugen.
Dadurch sind FLIR universell nutzbar, z.B.
zur Bauthermografie.
TDR im Prinzip. Die TDR Device setzt sich
aus Einzelimpulsgenerator und Oszilloskop im „One-Shot“-Modus zusammen.
1.5 Thermografie
Mithilfe der Thermografie erfasst man die
Oberflächentemperatur von Objekten. Diese
ist nämlich ein Maß der abgehenden Wärmestrahlung. Diese wurde um 1800 entdeckt
und später Infrarotstrahlung genannt. Eine
mobile Wärmebildkamera wandelt diese für
das menschliche Auge unsichtbare Strahlung
in elektrische Bildsignale um. Das entsprechende Bild liefert zwar Falschfarben, diese
lassen sich jedoch Temperaturen zuordnen.
Eine externe Lichtquelle ist nicht erforderlich. Spezialsensoren erlauben die Temperaturbestimmung auch aus größerer Entfernung. Auch der Temperaturmessbereich ist
deutlich ausgeweitet worden, zudem lassen
sich winzige Temperaturunterschiede feststellen.
Eine einfachere Anwendung ist das Infrarotthermometer.
1.6 Fehlerarten
Es sind verschiedenartige Messfehler möglich. Praktikern genügt es, drei zu kennen:
• der methodische Fehler
• der Gerätefehler
• der Ablesefehler
Der methodische Fehler ist der unvermeidliche Fehler, der durch den Anschluss des
Messinstruments an eine Messschaltung entsteht. Er wäre nur bei einem idealen Messinstrument null. Beim Testen von einzelnen
Bauelementen entsteht er jedoch nicht.
Aufgebaut ist eine Wärmebildkamera im
Prinzip wie eine normale elektronische Kamera. Nur die Sensoren unterscheiden sich in
Aufbau und Funktionsweise je nach zu detektierender Wellenlänge.
Der Gerätefehler ist ebenfalls unvermeidlich.
Er ergibt sich dadurch, dass man Messgeräte
mit hundertprozentiger Genauigkeit nicht
bauen kann. Diesen Fehler macht das Messgerät bei jeder Messung – auch beim Messen
von einzelnen Bauelementen. Bei einem Digitalmultimeter setzt er sich aus zwei Teilen
zusammen. Der eine resultiert aus der Ungenauigkeit des Analogteils. Er wird Toleranz
genannt und in Prozent vom Messbereich angegeben. Er gilt, wenn nicht anders gekennzeichnet, immer in beide Richtungen. Der
andere Teilfehler ergibt sich prinzipiell aus
der Arbeitsweise des Digitalteils. Er wird
Auflösung genannt und entspricht immer der
Thermografie: Die Farbe verrät die Temperatur (Quelle: NASA/IPAC)
Messtechnik fängt mit ME an.
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letzten Stelle. Endet beispielsweise der Messbereich bei 199,9 V, so beträgt er 0,1 V. Bei
jeder beliebigen Anzeige kann der wirkliche
Messwert also auch 0,1 V geringer oder 0,1
V größer sein als der angezeigte.
Soll man nun mit 3 multiplizieren oder durch
3 teilen? Teilen ist richtig, beim Multiplizieren würde man 10 % zu wenig herausbekommen. Zweitens kommt der mögliche Fehler
durch „schiefe“ Betrachtung hinzu, daher haben gute Analoginstrumente eine Spiegelskala. Man liest nur richtig ab, wenn das ZeigerSpiegelbild unter dem Zeiger verschwunden
ist.
Schließlich der Ablesefehler: Bei der Digitalanzeige kann man sich leicht um den Faktor
10 irren, wenn man den Messbereich nicht
beachtet oder die Anzeige falsch interpretiert.
Das Digitalmultimeter zeigt daher auch in
bestimmten Bereichen einen Punkt an, der
hierzulande ein Komma repräsentiert. Bei
analoger Anzeige ist das auch möglich. Hier
kommen aber noch zwei weitere mögliche
Fehler hinzu: Erstens der Umrechnungsfehler, wenn beispielsweise die Skale bis 30
geht, man aber im 1- oder 10-V-Bereich ist.
Messtechnik fängt mit ME an.
Allgemein und insbesondere für die Messdatenerfassung, deren Komplexität manchmal
den Blick darauf verstellt, gilt: Ein bei der
Messwertaufnahme gemachter Fehler kann
auch durch noch so großen Hardware- und
Softwareaufwand nicht mehr ausgebügelt
werden.
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2 Wichtige Messgeräte im Überblick
Bei der Auswahl des richtigen Messgeräts
oder -moduls ist es von Vorteil, sich darüber
klar zu sein, um welchen Grundtyp es sich
handelt.
immer wieder neu erfasst. Man spricht dabei
von der Darstellung im Zeitbereich (Time
Domain). Darüber hinaus sind viele Oszilloskope in der Lage, kurze einmalige Ereignisse, wie einen einzigen Impuls, abzubilden.
Es erfolgt eine einmalige Erfassung und dauerhafte Speicherung. Man spricht vom Single- oder One-Shot-Modus.
Universelle Messgeräte und -module sind
zwar vielseitig zu gebrauchen, aber auf eine
einzige physikalische Größe fixiert. Innerhalb dieser Beschränkung sind sie aber sehr
flexibel und insofern universell. So vermag
das bekannteste universelle Messgerät, das
Oszilloskop, im Grunde nur Spannungen anzuzeigen, dies können aber kleine bis große
Gleich- oder Wechselspannungen auch sehr
hoher Frequenz sein. Man sieht die Kurvenform, sodass die Messgröße im Wesentlichen
auf einen Blick erfasst werden kann.
Lange Zeit gab es Oszilloskope nur mit Kathodenstrahlröhre (Analog Real-Time Scope,
ART). Die grundsätzlichen Ausführungsformen waren Einstrahl-, Zweistrahl- und Zweikanalgerät (ein Elektronenstrahl wird für
zwei Kanäle genutzt). Das Zweikanal-Scope
bietet das beste Verhältnis von Messmöglichkeiten zum Preis, besitzt allerdings auch die
meisten Bedienelemente. Denn hier gibt es
die Betriebsarten „Alternate“ und „Chopper“.
In der ersten schreibt das Oszilloskop einen
kompletten Schwingungszug des einen Signals, dann einen kompletten Schwingungszug
des zweiten Signals usw. In der zweiten erfolgt das Umschalten mit einer festen Frequenz von beispielsweise 50 kHz.
Das bekannteste Multifunktionsgerät ist das
Multimeter. Multifunktionalität liegt im
Trend. So gibt es multifunktionale Oszilloskope, wie den MEphisto. Oder das sogenannte Messlabor, ein Modul, das in entsprechender Auslegung sowohl analoge wie digitale Eingangsgrößen verarbeiten kann.
Weiter gibt es eine ganze Reihe von speziellen Messgeräten und -modulen. Bekannte
Vertreter sind die Wärmebildkamera und das
Impuls-Reflektometer für die TDR.
2.1 Das Oszilloskop
Das mit Abstand wichtigste Auswahlkriterium eines analogen Scopes ist die 3-dBBandbreite. Dies ist eine Frequenzabgabe,
und bei dieser Frequenz wird eine Spannung
mit einem Fehler von -3 dB entsprechend -29
% angezeigt. Dieser „krumme“ Wert ist so
populär, weil mit ihm ein Leistungsfehler
von 50 % verbunden ist (denn -29 % bei der
Spannung bedeutet auch -29 % beim Strom
bzw. die Leistung ist proportional zum Quadrat der Spannung).
Das Oszilloskop (kurz: Scope) kann eine
kontinuierliche Wechselspannung abbilden,
indem es dieses in regelmäßigen Zeitabständen, immer an der gleichen Stelle beginnend,
Digitale Oszilloskope speichern das digitalisierte Signal und können daher auch einmalige Vorgänge leicht erfassen. Man braucht nur
den Speicherinhalt „einzufrieren“. Gegen-
Einzelgeräte besitzen meist wenige Kanäle.
Module (in Standalone-Ausführung mit Gehäuse oder als Steckkarte) bieten eine mittlere bis hohe Kanalanzahl.
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über analogen Scopes sind weitere interessante Features möglich, wie erweiterte Triggermöglichkeiten (Pre- und Post-Trigger,
Slew-Rate-Trigger, Pulsbreiten-Trigger, Logik-Trigger), diverse mathematische Operationen (etwa die Addition, Subtraktion oder
Integration zweier Signale oder die schnelle
Fourier-Analyse), numerische Ausgabe von
Werten, Zoom, Cursor und PC/DruckerAnschluss.
DSOs sind sehr komfortabel und besitzen
meist zwei Kanäle. Signalaufzeichnungen
können gespeichert und somit später analysiert, archiviert, ausgedruckt oder versendet
werden. Hier beginnt die Aufzeichnung nicht
erst mit dem Triggerimpuls, sondern es wird
permanent in den Speicher eingelesen. Das
macht u.a. die Pre-Triggerung möglich: Ein
Stück „Trigger-Vorgeschichte“ kommt mit
zur Aufzeichnung – beim Analoggerät unmöglich. Signale lassen sich beim DSO spielend leicht mit einem Cursor vermessen und
einzeln oder gemeinsam darstellen und vergleichen.
Auch hier muss man zwischen verschiedenen
Grundtypen unterscheiden:
• Digital Storage Oscilloscope (DSO)
• Digital Phosphor Oscilloscope (DPO)
• Sampling Oscilloscope
Wichtig bei DSOs ist u.a. die Abtastrate
(MS/s, Mega-Samples pro Sekunde). Man
unterscheidet zwei Abtastmethoden:
Stark verbreitet ist das DSO als Tischgerät
mit eigenem Display oder als PC-Zusatz
(USB Scope). Die Arbeitsweise ist seriell,
auf Eingangsverstärker und Analog/DigitalWandler folgt ein De-Multiplexer zur Aufbereitung des Signals für den ersten Speicher
(Acquisition Memory). Der Mikroprozessor
kann diesen Inhalt nun für den zweiten Speicher aufbereiten (Display Memory). Das Signal wird fortlaufend gespeichert. Der Mikroprozessor rechnet gewissermaßen das digitalisierte Signal in entsprechende Bildschirmsignale um.
• Echtzeit-Sampling (Real-Time oder Native
Sampling)
• periodisches Sampling (Repetitive
Sampling)
Beim Echtzeit-Sampling erfolgt die vollständige Abtastung während einer einzigen Signalperiode. Hierbei ist die Abtastrate größer
als die doppelte Signalfrequenz, wie es die
Theorie für eine fehlerlose Abtastung verlangt. Da auf dem Bildschirm nicht eine Anreihung von Punkten, sondern ein durchgehender Signalzug erscheinen soll, werden die
Signalproben durch den Mikroprozessor zu
einem Signalzug verbunden (interpoliert).
Möglich sind zwei Interpolationsarten:
• Sinus-Interpolation (sin oder sin x/x)
Der Mikroprozessor geht von einem Sinussignal aus und verbindet mit entsprechend
geschwungenen Linien. Dieser Modus wird
praktisch oft verwendet. Ist die Abtastrate
etwa dreifach größer als die Signalfrequenz,
genügt das oft.
• Lineare Interpolation (lin)
Die „Mainstream“-DSOs der Serie Rigol
DS2000A und MSO2000A sind vollgepackt
mit innovativer Technologie und starken
Spezifikationen für breitgefächerte Einsatzbereiche.
Messtechnik fängt mit ME an.
Die Punkte werden durch gerade Linien verbunden. Dies ist vorteilhaft bei Impulsen. Die
Abtastrate sollte zehnfach höher als die Impulsfrequenz sein.
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Beim periodischen Sampling werden Signalproben von mehreren aufeinanderfolgenden
Perioden genommen. Daher auch die häufig
anzutreffende Bezeichnung Equivalent-Time
Sampling (ETS). Ein spezieller Generator
sorgt dafür, dass die Abtastung an definierten
Stellen erfolgt. Daher kann die Abtastrate geringer als die Signalfrequenz sein. Auch hier
unterscheidet man zwei Arten:
DSOs können den Zweikanalbetrieb grundsätzlich mit zwei Methoden bewältigen:
• Zufälliges Sampling (Random EquivalentTime Sampling)
• Simultanbetrieb (simultanes Sampling
auf beiden Kanälen)
Die Abtastpunkte werden zufällig verteilt.
Bei jeder Abtastung wird der zeitliche Abstand zum Triggerpunkt (z.B. Nulldurchgang
des Messsignals) registriert und auf dieser
Grundlage die Darstellung organisiert. Vorteil: keine Verzögerungsstufe erforderlich
Hier sind die Kanäle zunächst völlig unabhängig und besitzen je einen A/D-Wandler,
dies ist vergleichbar mit dem analogen Zweistrahl-Scope.
• Multiplexbetrieb
(Nacheinander-Abtasten der Kanäle)
Es erfolgt ein ständiges Umschalten durch
den Multiplexer, dies ist vergleichbar mit
dem analogen Zweikanal-Oszilloskop.
Im ersten Fall halbieren sich die Nennabtastraten im Zweikanalbetrieb, was sich in einer
Reduzierung der Bandbreite niederschlägt.
• Sequentielles Sampling (Sequential
Equivalent-Time Sampling)
Aber DSOs haben gegenüber dem klassischen Scope nicht nur Vorteile. So bieten sie
keinen Echtzeitbetrieb, denn das zweimalige
Speichern und die Verarbeitung im Prozessor
benötigen Zeit. Weiter ist die Gefahr von
Fehlmessungen höher, denn es gibt vielfältigere Kombinationen von Signalart und Einstellungen, und bei zu hoher Signalfrequenz
ist eine völlig falsche Darstellung möglich.
Es wird bei jeder Triggerung nur ein Abtastpunkt erfasst. Dieser verschiebt sich von Periode zu Periode etwas. Ist die Anzahl der
erfassten Werte groß genug, lässt sich so in
unveränderter Reihenfolge das Signal rekonstruieren. Vorteil: höhere Auflösung und Genauigkeit
Auch bildet das übliche DSO mit stets gleicher Intensität ab, man kann also nicht wie
beim Analog-Scope aus der Helligkeit der
Darstellung eines Störsignals auf die Häufigkeit seines Auftretens in der Zeit schließen.
Außerdem ist der frequenzabhängige Fehler
nicht eindeutig definierbar, sondern stark
vom Modell abhängig. Zusammengefasst:
• Vorteile: qualifizierte Erfassung und Speicherung auch aperiodischer Signale, leichtes
Ablesen (oft mit automatisierter Cursorfunktion), erweiterter Funktionsumfang
(Analysesoftware für beispielsweise Anstiegszeit, Impulsbreite, Amplitude, Frequenz
usw., automatische Einstellung auf ein unbekanntes Signal, mathematische Funktionen,
Frequenzspektrendarstellung, Statistiken),
bequeme Auswertung, preislich attraktiver
Ideal für Service und Wartung: Dieses
Keysight Hand-DSO ist auch noch Multimeter und Datenlogger.
Messtechnik fängt mit ME an.
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• Nachteile: kein Echtzeitbetrieb, Bildschirm
leuchtet nicht nach, was die Auswertung gestörter oder komplexer Signale erschwert,
Fehldarstellung möglich, genaue Information
zum Frequenzverhalten erforderlich
(Testberichte, eigener Test mit Messgenerator)
Wegen der jeweiligen Vor- und Nachteile
sind Kombigeräte (ART/DSO) durchaus
sinnvoll.
Das Pen Scope
ist Einkanal-Oszilloskop
und Tastkopf in einem Gerät.
Multifunktionalität ist im Aufschwung. Universelle Messgeräte werden heute dank kostengünstiger digitaler Signalverarbeitung so
aufgewertet, dass man sie auch als multifunktionell bezeichnen könnte. So findet sich das
FFT-Feature auch in vielen digitalen Oszilloskopen. Und manche DSOs wiederum verfügen über zusätzliche Logikeingänge, die
sich auf bestimmte Logikfamilien einstellen
lassen. Diese sogenannten Mixed-SignalOszilloskope (MSOs) unterscheiden dann nur
die Zustände H, L und undefiniert, arbeiten
also auch wie Logikanalysatoren.
• USB-Mini-Scope (Pocket Scope)
Es passt etwa in Hemd- oder Hosentasche.
Der Eingang ist als Buchse ausgeführt; man
benötigt also einen Tastkopf. Es gibt zwei
Varianten:
- mit USB-Stecker, Vorteile: Kleinheit,
meist kein USB-Kabel erforderlich, Messsystem mit mehreren Scopes leicht möglich,
Nachteil: keine hohe Leistungsfähigkeit
- mit USB-Buchse, Vorteile: Kleinheit, zwei
Kanäle und/oder diverse Zusatzfunktionen
möglich, Nachteil: Kompromiss zwischen
Scope-Leistungsfähigkeit und ZusatzFeatures wahrscheinlich
Das USB Scope kann man sich als vollwertiges DSO vorstellen, welches zwei besonders
teure Komponenten, nämlich den Bildschirm
und das Bedienfeld, in einen Computer verlagert. Dabei lassen sich auch wesentliche
Funktionen im Rechner verwirklichen, was
weitere Einsparungen beim eigentlichen Scope bedeutet. Der Universal Serial Bus (USB)
befeuerte als sehr gut geeignete Schnittstelle
die Entwicklung solcher Zusätze, welche sich
heute in einem sehr breiten Typenspektrum
zeigen:
• USB-Standard-Scope
Die meisten USB Scopes zeigen sich in Gehäusen mit 150 bis etwa 200 m maximaler
Kantenlänge aus Kunststoff oder Metall. Die
Leistungsfähigkeit der USB-StandardOszilloskope variiert in einem weiten Bereich, erreicht aber keine Spitzenwerte.
Nicht wenige dieser Geräte sind sehr preiswürdig. Es kann keine bis reichhaltige Zusatz-Features geben.
• USB-Hand-Scope (Pen Scope)
Es hat die Form eines großen Tastkopfs –
man braucht nun einen solchen nicht mehr,
ein klarer Vorteil nicht nur preislich, sondern
auch technisch, denn die störende Kabelkapazität fällt weg. Die Leistungsfähigkeit dieser Scopes kann beachtlich sein.
Vorteile: Kleinheit, kapazitätsarme Messung,
beachtliche Scope-Performance möglich
Nachteile: Vorteiler nicht möglich, verbaute
Messstellen schwer zugänglich, begrenzte
Leistungsfähigkeit/Funktionen
Messtechnik fängt mit ME an.
• USB-Profi-Scope (Highend Scope)
Hier wird an Leistungsfähigkeit nicht gespart, Mindestanforderungen sind 100 MS/s
native, 1 GS/s repetitive, schirmendes Metallgehäuse, vier Trigger-Betriebsarten,
komfortable Speichermöglichkeiten, ausgedehnte mathematische Möglichkeiten (z.B.
echter Mittelwert oder Klirrfaktor)
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2.2 Der Spektrumanalysator
Was das Scope im Zeitbereich (Time Domain) ist, das ist der Spectrum Analyzer im
Frequenzbereich (Frequency Domain). Die
horizontale Achse repräsentiert hier nicht die
Zeit, sondern die Frequenz.
Warum ein solches Gerät? Die Darstellung
im Zeitbereich ist zwar sehr transparent, denn
sie zeigt das Signal wie es ist. Allerdings
taugt sie nicht dazu, bei einem vermeintlichen Sinussignal die Abweichung von der
idealen Sinusform für die Praxis ausreichend
genau einzuschätzen. Der Spektrumanalysator ist Spezialist auf diesem Gebiet.
Die USB-Scope-Serie PicoScope 3000 umfasst Modelle mit zwei oder vier Analogkanälen sowie Mixed-Signal-Modelle mit 16
Logikkanälen für die Analyse gemischter
Schaltungen (analog/digital).
Stellt sich die Frage: Herkömmliches DSO
oder USB Scope? Die Entscheidung hängt
sehr von individuellen Gegebenheiten ab.
Das Standalone-DSO ist spannungsfester als
das USB Scope und schnell betriebsbereit. Es
ist meist mit der Überspannungskategorie
CAT II, d.h. einsetzbar bis zu Verbrauchern
an 230-V-Steckdosen, spezifiziert. Bei USB
Scopes ist eine CAT-Spezifizierung die Ausnahme. USB Scopes sollten aber durch Neuentwicklungen und mit Minicomputern (ohne
Festplatte) als Partner an Attraktivität gewinnen. Die schlanken Bauformen (Pen, Pocket)
faszinieren durch ihre Kleinheit und können
mit erstaunlich guten Leistungen überzeugen.
Signaldarstellung im Zeit- und im Frequenzbereich (Quelle: W. D. Schleifer)
Grundsätzlich gilt:
Theoretischer Hintergrund: Ein Sinussignal
vereint all seine Energie quasi in einer Frequenz. Legt man es an den Eingang eines
Empfängers, kann es mit diesem nur nachgewiesen werden, indem man ihn auf genau
diese Frequenz einstellt. Alle vom idealen
Sinus abweichenden Signalformen lassen
sich durch die Überlagerung (Addition) mehrerer (bis theoretisch unendlich vieler) idealer
Sinussignale verschiedener Frequenz und
Amplitude erzeugen. Eine sehr gute Rechteckform gelingt beispielsweise durch Addition von elf reinen Sinussignalen. Legt man
dieses Rechtecksignal an den Eingang eines
Empfängers, so lässt es sich auf elf Frequen-
• Hauptkriterium beim analogen Scope ist
die Bandbreite.
• Hauptkriterium bei der vertikalen DSOAuflösung ist die Bitbreite, während Bandbreite, Sampling Rate und Speichertiefe
(Recordlength) die horizontale Auflösung
kennzeichnen.
Achtung! Die Speichertiefe, also die maximale Anzahl der speicherbaren Messwerte,
wird oft unterschätzt. Sie ist wichtig, weil sie
zusammen mit der Sampling Rate das mögliche horizontale Zeitfenster bildet.
Messtechnik fängt mit ME an.
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zen nachweisen. Genau das leistet ein Spektrumanalysator. Er funktioniert im Prinzip wie
ein Empfänger, der automatisch einen breiten
Frequenzbereich absucht und die gefundenen
Sinussignale darstellt: vertikal mit der Amplitude und horizontal mit der Frequenz.
Es gibt Spektrumanalysatoren, die beide
Messmethoden − das klassische hardwarebasierte Empfängerprinzip und die softwarebasierte FFT − bieten.
Die FFT ist eine relativ günstige Alternative
zu den auf der Überlagerung basierenden
Geräten, die in Bezug auf nutzbaren Frequenzbereich, Genauigkeit und Messdynamik mehr begrenzt sind.
Die beiden grundsätzlichen Auswahlkriterien eines Spectrum Analyzers sind
• Einsatzbandbreite und
• Eigenrauschen.
Das Eigenrauschen (Displayed Average
Noise Level, DANL) ist das Maß für die
Empfindlichkeit.
Spektrum eines 1-kHz-Rechtecksignals.
Links die sogenannte Grundwelle,
daneben die sogenannten Oberwellen.
Der Abstand untereinander ist stets 2 kHz.
Alle Oberwellen sind ungeradzahlig. Oberwellen mit der doppelten, vierfachen...
Frequenz der Grundwelle (also geradzahlige) existieren hier nicht.
(Quelle: Wikipedia)
Hinzu kommt die
• Auflösungsbandbreite (Resolution Band
With, RBW)
Das ist der kleinste Frequenzabstand, den
zwei benachbarte Signale gleicher Amplitude haben dürfen, damit je eine MaximaBestimmung möglich ist. Die RBW wird
durch die Filterkurven der Bandpässe bestimmt und kann zwischen 1 Hz und 10
MHz oder mehr liegen.
Besonders in der Funkpraxis ist es sehr wichtig, möglichst „reine“ Sinussignale, also solche mit möglichst geringem Oberwellenanteil, zu erzeugen, um andere Anwendungen
mit den Oberwellen nicht zu stören. Nur ein
Spektrumanalysator zeigt genau alle in einem
Signal enthaltenen Frequenzen.
Es gibt Analysatoren nach dem Prinzip des
Überlagerungsempfängers und nach dem
Prinzip der Fourier-Analyse. Dahinter steckt
nichts weiter als die Mathematik, welche die
Zusammensetzung jeder beliebigen Signalform aus einzelnen Sinussignalen beschreibt.
Lässt man diese vom Computer/
Mikroprozessor ausführen, spricht man von
diskreter Fourier-Transformation (DFT).
Hier ist der Aufwand an Rechenschritten
hoch, wächst quadratisch mit der Auflösung!
Die Serie DSA1000 umfasst leistungsfähige, preiswerte und portable Spektrumanalysatoren in einem kompakten
Design. Der Frequenzbereich reicht
von 9 kHz bis 2 oder 3 GHz, der DANL
herab bis zu -138 dBm.
Daher entwickelte man einen schnelleren Algorithmus, die Fast-Fourier-Transformation
(FFT). Damit war der Weg frei für die softwarebasierte Fourier-Analyse.
Messtechnik fängt mit ME an.
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übersichtliche und robuste Aufbau, die hohe
Preiswürdigkeit, die komfortable Bedienung
und Ablesung, die geringere Beeinflussung
des Messobjekts, mögliche Schutzschaltungen gegen Überlast und Verpolung sowie die
mögliche Auto-Range- und/oder Data-HoldFunktion. Tischgeräte sind Handgeräten in
punkto Messbereiche und vor allem Genauigkeit deutlich überlegen.
2.3 Das Multimeter
Multifunktionsgerät Nummer 1 ist das Multimeter. Es misst mindestens Gleich- und
Wechselspannung, Gleich- und Wechselstrom sowie Widerstände. Bei den Wechselgrößen sollte man den Frequenzbereich beachten, er ist oft recht begrenzt (z.B. 50...400
Hz). Bei einfachen Multimetern stimmt die
Anzeige auch nur bei Sinusform.
Damit ein Computer Multimeterdaten erhalten und verarbeiten kann, besitzen immer
mehr Digitalmultimeter eine PCAnschlussbuchse. Mitgeliefert wird eine
Software, welche digitale und analoge Anzeige sowie weitere Informationen auf den Bildschirm zaubert.
Viele Multimeter leisten mehr: Temperaturund Kapazitäts- sowie Induktivitäts- oder
Schallpegelmessung. Hochwertige Geräte
verfügen über eine True-RMS-Funktion. Diese ermöglicht die genaue Messung auch von
nichtsinusförmigen Wechselspannungen. Die
Buchstaben RMS stehen für das hier verwendete Messprinzip (Root Mean Square − Effektivwertermittlung durch Quadrieren und
Radizieren).
Messgeräte werden entsprechend verschiedener Sicherheitskategorien hergestellt:
• CAT I für Messungen an Geräten, die entweder batteriebetrieben sind oder über einen
eingebauten Trafo zur galvanischen Netztrennung verfügen
• CAT II für Messungen an Geräten, die über
einen Netzstecker mit dem Stromnetz verbunden sind
• CAT III für Messungen in der Hausinstallation und bei fest installierten Geräten
• CAT IV für Messungen an der Quelle der
Nieders pannungsi nstallati on ( EVUÜbergabepunkt und im Freien)
Dank 190 Messungen pro Sekunde und
einem leuchtstarken OLED-Display bringt
das Keysight 34450A eine neue Qualität in
den Bereich der Digitalmultimeter.
2.4 Der multifunktionale MEphisto
Das MEphisto Scope ist ein speziell für Ausbildungs- und mobile Zwecke entwickeltes
überaus vielseitiges USB-Kombi-Scope. In
erweiterter Funktion ist es auf einen PC nicht
mehr angewiesen und speichert auf eine SDKarte.
Analogmultimeter benötigen in passiver Ausführung keine Batterie und übertrumpfen Digitalmultimeter, wenn es um die Erfassung
der Tendenz eines sich ändernden Messwerts
geht: Spannungs- oder Stromschwankungen
werden durch das Wandern des Zeigers optimal sichtbar gemacht. Außerdem können sie
Wechselspannungen meist in einer hohen
Frequenzbandbreite (z.B. 500 kHz) messen.
Das MEphito Scope bietet folgende Funktionen (Module):
• duales AC/DC-Voltmeter mit analoger und
digitaler Anzeige
• analoger und digitaler Datenlogger
• Logikanalysator mit 16 Kanälen für CMOS
Digitalmultimeter haben in der Regel Messbereiche von 200 mV bis 1000 V und von 20
µA bis 20 A. Ihre Vorteile sind der relativ
Messtechnik fängt mit ME an.
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• Zweikanal-Präzisionsoszilloskop
• Spektrumanalysator (FFT)
• digitale I/O-Schaltbox (Input/Output)
für bis zu 24 TTL-Leitungen
2.5 Das „Messlabor“
Messlabor nennt man ein preiswertes, aber
komplettes PC-Zusatzgerät für den USB. Für
einfache bis ambitionierte Mess- und Steuervorgänge ist es die optimale Alternative zu
Standalone-Lösungen. Man kann u.a. Gleichwie Wechselspannungen messen (z.B. bis
500 kHz).
Damit hat man gewissermaßen sieben Funktionen in einem Gehäuse. Man wählt einfach
die gewünschte Funktion per Mausklick aus
dem Hauptmenü.
So ein Mini-Messlabor eignet sich besonders
gut für Ausbildung oder Experimente. Es bietet beispielsweise folgende Möglichkeiten:
• acht Single-ended oder vier differentielle
Analogeingänge
• 12-Bit-A/D-Wandlung mit 1,2 oder 8 kS/s
für maximal 4000 Werte
• programmierbare Eingangsbereiche
• zwei Analogausgänge
• 32-Bit-Ereigniszähler
• 24 Digital-I/O-Kanäle, erweiterbar
• vier diskrete Digital-I/O-Kanäle auf
Schraubklemmen
Die Software läuft unter Windows und erlaubt die einfache Installation sowie Kalibrierung und Test.
Dem kompakten MEphisto sieht man
seine Vielseitigkeit zunächst nicht an.
Messtechnik fängt mit ME an.
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3 DC-Messwerterfassung
Zur Erfassung von Gleichgrößen nutzt man
meist Digitalmultimeter. Sie sind in punkto
Preis/Leistung unschlagbar. Eine Langzeiterfassung gelingt ebenfalls sehr preiswert mit
Datenloggern. Soll die Messgröße nicht abgelesen, sondern weiterverarbeitet werden,
kommt z.B. das „Messlabor“ zum Einsatz.
Beispiel Transistorstufe: Messung an einem
2,7-kOhm-Widerstand, der an einer Quelle
mit 9 V Urspannung und 3,3 kOhm Innenwiderstand liegt:
• Spannungsabfall an 2,7 kOhm unbelastet:
4,05 V
• Spannungsabfall an 2,7 kOhm, mit
1 MOhm belastet: 4,044 V
• Spannungsabfall an 2,7 kOhm, mit
10 MOhm belastet: 4,0496 V
3.1 Multimeterauswahl
Achten Sie auf die Sicherheits-Kategorie. Zu
empfehlen ist CAT III, denn damit sind auch
Messungen direkt in der Hausinstallation
möglich.
Bei passiven Analogmultimetern wird der
Eingangswiderstand in kOhm/V angegben,
da er sich proportional zum eingestellten Bereich verhält. Beispiel für 15 kOhm/V:
Wertvoll sind Kapazitäts- und möglichst
noch Induktivitätsmessmöglichkeit. Denn
diese Größen sind ansonsten nur mit speziellen, teueren Messinstrumenten oder Hilfsschaltungen erfassbar.
• Eingangswiderstand im Bereich 1,5 V:
22,5 kOhm
• Eingangswiderstand im Bereich 5 V:
75 kOhm
• Eingangswiderstand im Bereich 15 V:
225 kOhm
Der Eingangswiderstand eines aktiven analogen Multimeters oder Digitalmultimeters
sollte 10 MOhm betragen.
Achtung: Bei passiven Analogmultimetern
ist der kleinste Bereich nicht immer der optimale. Denn infolge der geringeren Belastung
in einem höheren Bereich kann dort die Anzeige genauer sein, auch wenn der absolute
Gerätefehler natürlich größer ist.
Die Anzeigetoleranz von Digitalmultimetern
wird als Gerätefehler in Prozent und Digits
angegeben. Beispiel: 0,5 %/2 Digits bis 200
V DC, 2 %/5 Digits bei 10 A. Höchste Anzeigegenauigkeit bieten Tischinstrumente.
3.2 Spannungsmessung
mit dem Multimeter
Analogmultimeter wie handliche Digitalmultimeter weisen Gerätefehler im Bereich 1 bis
3 % auf. Beim Digitalmultimeter mit seinem
bereichsunabhängigen Eingangswiderstand
gilt es, immer den kleinstmöglichen Messbereich zu wählen. Ein Beispiel zeigt, warum:
Bei einer Spannungsmessung muss prinzipiell der Eingangswiderstand des Messgeräts
beachtet werden, da er eine zusätzliche Last
verkörpert und somit einen Messfehler verursacht. Bei aktiven Analog- oder Digitalvoltmetern beträgt der Eingangswiderstand 1
MOhm oder 10 MOhm und ist daher meist
vernachlässigbar.
Messtechnik fängt mit ME an.
• zu großer Messbereich
Die Spannung 1 V wird im 20-V-Bereich eines Multimeters mit vier Stellen gemessen.
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Dabei gilt:
- Auflösung 10 mV, da MessbereichsEndwert 1,99 V
- absoluter Gesamtfehler = 30 mV + 10 mV
= 40 mV
- prozentualer Gesamtfehler = 0,04 V/1 V =
4%
- Toleranz 1,5 % vom Messbereich, also
0,015 x 20 V = 0,3 V = 300 mV
- Auflösung 10 mV, da MessbereichsEndwert 19,99 V
- absoluter Gesamtfehler = 300 mV + 10 mV
= 310 mV
- prozentualer Gesamtfehler = 0,31 V/1 V =
31 %
Die gemessene Spannung liegt im Bereich
960 mV bis 1,04 V.
Die gemessene Spannung liegt im Bereich
690 mV bis 1,31 V.
3.3 Direkte Strommessung
mit dem Multimeter
• korrekter Messbereich
Die Spannung 1 V wird im 2-V-Bereich eines Multimeters mit vier Stellen gemessen.
Beim direkten Strommessen muss das Messgerät in eine Leitung eingefügt werden. Man
muss also eine Verbindung auftrennen, sei
es durch Stecken, Schrauben oder Löten.
Das ist oft von Nachteil. Besitzt der Stromkreis jedoch einen Schalter mit zugänglichen
Anschlüssen, kann man einfach zwischen
diesen messen.
- Toleranz 1,5 % vom Messbereich, also
0,015 x 2 V = 0,03 V = 30 mV
- Auflösung 1 mV, da Messbereichs-Endwert
1,999 mV
- absoluter Gesamtfehler = 30 mV + 1 mV =
31 mV
- prozentualer Gesamtfehler = 0,031 V/1 V =
3,1 %
Zu beachten ist hier der Innenwiderstand des
Messgeräts, der in einem einfachen Stromkreis den Stromfluss zusätzlich hemmt und
somit einen Messfehler verursacht. Dieser
ergibt sich aus dem Verhältnis von Innenwiderstand zu Widerstand im Stromkreis. Beispiel:
Die gemessene Spannung liegt im Bereich
997 mV bis 1,03 V.
• Innenwiderstand des Messgeräts 0,1 Ohm
• Widerstand im Stromkreis 22 Ohm
• Fehler 0,1/47 = 0,0045 bzw. 0,45 %
Das Beispiel zeigt deutlich, dass im Wesentlichen die Toleranz die Ursache des Unterschieds ist. Der jeweils durch die Auflösung
verursachte Fehler ist gering. Er würde sich
aber verzehnfachen, wenn das Multimeter
nur drei Stellen hätte:
3.4 Indirekte Strommessung
mit dem Multimeter
Hierbei erfolgt zuerst die Messung des
Spannungsabfalls über einem bekannten Widerstand in der betreffenden Leitung und
dann die Errechnung des Stroms. So vermeidet man das Auftrennen des Stromkreises.
Mit einem batteriebetriebenen Multimeter ist
• korrekter Messbereich, nur drei Stellen
Die Spannung 1 V wird im 2-V-Bereich eines Multimeters mit drei Stellen gemessen.
- Toleranz 1,5 % vom Messbereich, also
0,015 x 2 V = 0,03 V = 30 mV
Messtechnik fängt mit ME an.
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diese Methode problemlos möglich, da das
Messgerät „schwimmend“ ohne Verkopplungsgefahr eingesetzt werden kann.
Normsignal-Logger dienen vor allem zur
Spannungs- und Stromüberwachung, typisch
für 0...20 V und 0...20 mA. Erweiterungen
gestatten speziellere Einsätze. Unter Beachtung des Eingangswiderstands bzw.
Innenwiderstands erfolgt die Anwendung wie
bei einem Multimeter. Die Programmierung
erfolgt vom PC aus.
Zu beachten ist wieder der Eingangswiderstand des Messgeräts, der nun den Stromfluss
erhöht und somit einen Messfehler verursacht. Es sind die Betrachtungsweisen wie
bei der Spannungsmessung anzuwenden.
Beispiel:
Mini-Datenlogger, auch USB Logger genannt, haben ein kleines Format und wahlweise interne oder externe Sensoren zum
Aufzeichnen verschiedener Messgrößen. Sie
sind vielseitig einsetzbar.
• Messung über 22-kOhm-Widerstand
• Eingangswiderstand 1 MOhm
• Ergebnis 1,25 V
Die grundsätzliche Vorgehensweise beim
Einsatz eines Datenloggers:
Gemessen wurde über der Parallelschaltung
22 kOhm/1 MOhm, also über 21,53 kOhm.
Ohne Messgerät betrüge die Spannung daher
1,25 V x 22 kOhm/21,53 kOhm = 1,277 V.
Dies entspricht einem Strom von 1,277 V/22
kOhm = 58,06 µA.
• Konfigurieren mit der mitgelieferten
Software
• Platzieren (Anbringen am Messort,
Einfügung in Schaltung)
• Auslesen der Daten
• Darstellen der Daten
3.5 Pegelerfassung
mit dem Datenlogger
Ein Datenlogger nimmt prozessorgesteuert
Datenproben in einem bestimmten Rhythmus
über eine Schnittstelle auf und legt sie in einem Speicher ab. Diese Informationen lassen
sich zur Auswertung aufbereiten
(Diagramm). Datenlogger zeichnen beispielsweise Temperaturen, Spannungen und Beschleunigungen über längere Zeiträume auf.
Dies erfolgt über eine herstellerabhängige
Schnittstelle. Intern ist diese, wenn der Datenlogger mit einem Sensor eine Einheit bildet. Jeder Datenlogger verfügt aber über mindestens eine externe digitale Schnittstelle,
wie RS232, CAN oder USB.
So klein kann ein Datenlogger sein.
Darüber oder über Industrieklemmen können
externe Geräte oder Sensoren als Datenlieferanten angeschlossen werden. Und über diese
Zugänge wird ein Datenlogger in der Regel
auch für seinen Einsatz konfiguriert (Startund Endzeit, Messintervalle).
3.6 Spannungsmessung
mit dem „Messlabor“
Ein Messlabor bietet mehrere analoge Eingänge. Hierbei ist es möglich, diese als unsymmetrische (massebezogene, singleended) oder symmetrische (Differenz-)
Eingänge zu konfigurieren. Ein Differenzeingang wird dabei aus zwei Single-endedEingängen gebildet, sodass sich mit beispielsweise acht dieser Eingänge vier diffe-
Der Speichervorgang kann in genauen zeitlichen Abständen erfolgen oder jeweils im
Moment der Datenerzeugung. Stets erfolgt er
vollautomatisch.
Messtechnik fängt mit ME an.
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rentielle Analogeingänge schaffen lassen.
Die Eingangsbereiche sind jeweils programmierbar für höchste Genauigkeit und optimale Messwerterfassung. Der Eingangswiderstand beträgt meist 1 MOhm.
3.7 Messverstärker und -umformer
Viele Messsignale sind zu klein für eine direkte Auswertung. Dies trifft insbesondere
auf die DC-Signale diverser Sensoren zu. Eine definierte, störsichere Verstärkung ist unumgänglich. Hierfür werden universelle und
spezielle Messverstärker angeboten, letztere
etwa für Kräftemessungen oder Dehnungsmessstreifen (DMS).
Grundsätzlich besitzt auch ein „Messlabor“
einen Gerätefehler. Daneben wird oft ein
Nullpunktfehler angegeben. Bei manchen
Modellen ist zu beachten, dass bei Anschluss
einer Quelle ein im Eingang entstehender
Ruhestrom fließt. Er verursacht je nach Innenwiderstand der Quelle einen zusätzlichen
Nullpunktfehler. Dieser kann sich kompensierend oder verstärkend auf den bereits bestehenden auswirken.
Messverstärker unterscheiden sich von anderen Verstärkern oft durch:
• sehr hohe Langzeitstabilität und Temperaturunabhängigkeit der Kennwerte
• sehr hohe Unabhängigkeit der Kennwerte
von der Versorgungsspannung
• robusten Aufbau zum Schutz von äußeren
Einflüssen (Staub, Feuchtigkeit, Vibration,
Störfelder)
• einen Differenzeingang zur Eliminierung
von Gleichtaktstörungen
Ein reales „Messlabor“ hat beispielsweise.
folgende Daten:
• Eingangswiderstand 1 MOhm
• Toleranz +/-0,1 % der Ablesung
• +/-11 mV Nullpunktfehler
• +/-0,87 mV/K Temperaturkoeffizient
des Nullpunktfehlers
• 2 µA Ruhestrom
Eine ganz besonders hohe GleichtaktUnterdrückung (Common Mode Rejection)
bieten sogenannte Instrumentationsverstärker, das sind spezielle Differenzverstärker.
Mit diesen 2 µA würde bei einem Innenwiderstand der Quelle von 10 kOhm ein zusätzlicher Nullpunktfehler von 20 mV entstehen.
Trennverstärker besitzen eine interne galvanische Isolation (optisch oder transformatorisch) zur Vermeidung von Störungen infolge
galvanischer Verkopplungen, beispielsweise
als „Brummschleife“, und zur Abblockungen
hoher Gleichspannungen im Fehlerfall.
Bei jedem „Messlabor“ erfolgt eine interne
A/D-Wandlung, das Messergebnis wird also
(auch) digital ausgegeben. Neben der analogen Messwerterfassung erlaubt ein solches
Modul auch die Erfassung bereits digitalisierter Messwerte.
Der typische Trennverstärker isoliert das
Signal und auch die Versorgung.
Messumformer dienen der Signalanpassung
(„Konditionierung“) bzw. Signalverarbeitung. Sie wandeln z.B. von symmetrisch auf
unsymmetrisch oder umgekehrt oder setzen
einen Strom in eine Spannung um. Ziel einer
Das „Messlabor“ RedLab 204 bietet viele
Messmöglichkeiten.
Messtechnik fängt mit ME an.
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solchen Umsetzung ist immer der Erhalt eines Normsignals, wie 0...+/-10 V, 0...+/-20
mA oder 4...20 mA. Auch hier werden Qualitätsmaßstäbe wie bei den Messverstärkern
angelegt. Die erforderliche hohe Qualität
schlägt sich natürlich jeweils im Preis nieder.
Widerstandsänderung kommt es an. Die
praktische Anwendung behindern allerdings
zwei Nachteile:
• Jeder Sensor benötigt seine eigene Brücke.
• Bei niederohmigen Sensoren wirkt sich der
Leitungswiderstand störend aus.
Bei Nutzung dieser Geräte und Module sollte
man immer beachten, dass sich an Schnittstellen Spannungsteilungen ergeben, hervorgerufen durch Ausgangswiderstand der einen
und Eingangswiderstand der folgenden Stufe.
Anwendung der Whaetston-Brücke in der
modernen Messtechnik. Hier führt ein 20
Milliohm höherer Widerstand des Sensors
links oben zu 20 mV Eingangsspannung
für den Instrumentationsverstärker IA.
Kraftmess-/DMS-Verstärker vom Typ RedMU-DMS dienen zum Anschluss an DMSVollbrücken in Mehrleitertechnik.
(Quelle: IOtech)
3.8 Die traditionelle Messbrücke
und ihre Alternative
Den zweiten Nachteil kann man durch die
sogenannte Kevin Connection eliminieren,
wobei die Versorgungsspannung gesteuert
wird.
Viele Sensoren basieren auf einer Widerstandsänderung. Eine solche Änderung lässt
sich u.a. mit der traditionellen Whaetstonschen Messbrücke auswerten. Sie besteht in
der Urform aus zwei gleichen Widerständen,
einem variablen Widerstand mit Werteskala
und dem unbekannten Widerstand. Mit dem
variablen Widerstand bringt man die Brückenspannung auf null. Dann entspricht sein
ablesbarer Wert dem des unbekannten Widerstands. Man erkennt leicht, dass dieses
Verfahren keine widerstandsproportionale
elektrische Größe liefert. Die Brückenspannung ist jedoch proportional der Widerstandsänderung, und genau das ist für die
Anwendung in der Messtechnik mit Sensoren
von Vorteil. Der absolute Wert des Sensorwiderstands spiel eine Nebenrolle, denn auf den
Zusammenhang zwischen Messgröße und
Messtechnik fängt mit ME an.
Prinzip der Kevin Connection. An den
Klemmen Vout und Vsense liegen Verstärkereingänge. (Quelle: IOtech)
20
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Als Alternative insbesondere für mehrere
Sensoren hat sich die Anderson Loop etabliert. In ihrer einfachsten Form besteht sie
aus einer Konstantstromquelle, dem zu erfassenden Widerstand und einem Spannungsmesser direkt darüber. Dessen Anzeige ist
infolge des konstanten Stroms proportional
zum Widerstand und auch unabhängig vom
Leitungswiderstand der Schleife. Zum Beispiel mit 10 mA Konstantstrom folgt bei R =
68 (100, 150, 345 Ohm) U zu 0,68 (1, 1,5,
3,45) V. Nach diesem Prinzip werden allgemein oft Widerstände gemessen. Interessant
daran ist, dass es sich leicht auf mehrere Sensoren ausdehnen lässt. Diese werden einfach
in Reihe gelegt und erhalten ihre eigenen
Spannungsmesser. Hierbei ist ein differentieller Eingang Voraussetzung. Das Prinzip
stößt an seine Grenzen, wenn der Gesamtwiderstand der Sensoren so hoch wird, dass die
Konstantstromquelle die für den Konstantstrom nun erforderliche Spannung nicht mehr
aufbringen kann. Bei einer guten Konstantstromquelle liegt diese etwas unterhalb der
Betriebsspannung. Ist zum Beispiel mit 12 V
Betriebsspannung eine maximale Spannung
von 10 V für den Konstantstrom von 10 mA
möglich, so darf der Gesamtwiderstand der
Sensoren niemals den Wert 10 V/10 mA = 1
kOhm überschreiten. Erreicht ein Sensor z.B.
maximal 150 Ohm, so kann man bis zu sechs
solcher Sensoren einsetzen (6 x 150 Ohm =
900 Ohm). Die Darstellung nur der Änderung
des Widerstandswerts erfordert den Einsatz
einer Referenz. Ein Operationsverstärker bildet die Differenz aus Referenz- und Messspannung.
Schema der Anderson Loop, links die
Stromschleife mit dem Sensor, unten eine mögliche Referenzanzeige, in deren
Art sich weitere Sensoren einfügen lassen.
3.9 Der Dehnungsmessstreifen
für Druck- und Zugmessung
Eine typische Brückenanwendung ist die
Druck- bzw. Zugmessung. Zur Indikation
bieten sich Dehnungsmessstreifen (DMS,
engl. Strain Gauge) oder piezoresistive Sensoren an. Sie sind einfach aufgebaut, kostengünstig und langlebig. Mit dem DMS lassen
sich auch minimale Verdrehungen, Biegungen oder Zugkräfte auf Oberflächen messen.
Ein resistiver DMS ist ein Flachwiderstand,
der sich beugen oder biegen kann und dabei
seinen Wert verändert.
Drucksensoren sind entweder konditioniert
oder nichtkonditioniert. Konditionierte Sensoren filtern und verstärken das Signal an
Ort und Stelle. Mit nichtkonditionierten Sensoren geschieht dies erst innerhalb der folgenden Hardware.
Wheatston-Brücke mit Kevin Connection
und Kalibrierung (Quelle: IOtech)
Messtechnik fängt mit ME an.
Grundaufbau des Dehnungsmessstreifens (Quelle: Wikipedia/Meise)
21
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Baut man eine Wheatstone-Brücke mit einem
(zwei, vier) DMS, so spricht man von einer
Viertelbrücke (Halbbrücke, Vollbrücke). Mit
der Anzahl der Dehnungsmessstreifen steigt
die Genauigkeit. Alle drei Brückentypen eignen sich für folgende Anwendungen:
Verstärkung ist unabdingbar und Filterung
meist notwendig.
Das Thermoelement erfordert eine sogenannte Kaltstellenkompensation, die früher mithilfe eines Eisbades erfolgte und heute per Software erledigt werden kann. Neben dem Eigenfehler (Herstellungstoleranz) sind folgende Hauptfehlerquellen bei Messungen möglich:
• Erfassung axial wirkender Kraft
(Ausdehnen oder Auseinanderziehen
eines Werkstoffs)
• Biegung (Erfassung der Streckung auf der
einen und der Kontraktion auf der anderen
Seite eines Werkstoffs)
• Verdrehung eines Werkstoffs
(Erfassung von Torsion bzw. Scherung)
• Fehler bei der Kaltstellenkompensation
• Fehler durch Offset
(Nullpunktabweichung)
• Fehler durch interne und externe Störungen
Dehnungsmessstreifen benötigen einen Erregerstrom, den die Brücke/Loop automatisch
liefert. Dadurch sind sie elektrisch störanfällig, was man jedoch durch kapazitive Beschaltung mindern kann. Von echtem Nachteil ist ihre Anfälligkeit für Temperaturschwankungen, Biegedehnung und Längsdehnung. Glasfasersensoren für DMS sind
elektrisch passiv und daher nicht anfällig gegenüber elektromagnetischen Störungen.
Der Kaltstellenkompensationsfehler ist nicht
zu unterschätzen und setzt sich zusammen
aus dem Fehler des zur Kompensation benutzten Temperatursensors, dem Fehler des
angeschlossenen Geräts und dem Temperaturgradienten zwischen Kaltstelle und Temperatursensor. Dieser ist im Allgemeinen am
größten und „schwankungsfreudigsten“. Anspruchsvolle Messgeräte nutzen daher hochpräzise Sensoren zur Kompensation. Der
Kaltstellenkompensationsfehler kann durch
eine Umgebungstemperaturschwankung beeinflusst werden. Ein Thermoelements solle
daher in einer möglichst temperaturstabilen
Umgebung eingesetzt werden. Manche Geräte haben einen einzigen Kaltstellenkompensationssensor für mehrere Kanäle. Je höher
hier die Anzahl der Kanäle, umso anfällig ist
das Gerät für Fehler aufgrund von Temperaturgradienten.
3.10 Temperaturmessung - ein
weites Feld
Die bekanntesten Temperatursensoren sind
• Thermoelement (Thermocouple),
• Widerstandsthermometer (Resistance
Temperature Detector, RTD)
• Thermistor und
• Halbleitersensor.
Da Thermoelemente sehr kleine Signale ausgeben, darf man Offset-Fehler nicht missachten. Geräte mit automatischem Nullabgleich
sind daher sinnvoll. Erfolgt kein automatischer Nullabgleich, muss man genau beachten, wie sich der Offset-Fehler auswirkt.
Grundsätzlich sollte das Messgerät regelmäßig kalibriert werden.
Das Thermoelement ist robust, kostengünstig
und benötigt keine extra Energieversorgung.
Damit lässt sich ein großer Temperaturbereich erfassen. Empfindlichkeit und somit
erreichbare Genauigkeit sind gering. Der
Skalenfaktor liegt meist um 50 µV/K. 1 K
Toleranz markiert die erreichbare Genauigkeitsgrenze. Die Ansprechzeit liegt unter 1 s.
Die erzeugte Spannung ist proportional zum
Temperaturunterschied zwischen dem Punkt,
an dem die Temperatur gemessen wird und
dem Punkt, an dem das Thermoelement an
das Messgerät angeschlossen ist.
Messtechnik fängt mit ME an.
Störspannungen können vom Messgerät
selbst (z.B. durch Rauschen oder Störspitzen
auf der Versorgungsspannung) oder von der
Umgebung (z.B. vom elektrischen Feld der
Netzleitung) verursacht werden. Zur Vermeidung schaltet man Tiefpassfilter nach.
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Eine weitere Störquelle entsteht durch die
Montage oder Lötung eines Thermoelements
an ein leitendes Material oder die Platzierung
in einer leitenden Flüssigkeit (wie Wasser!).
Dies befördert Gleichtaktspannungen und
Masseschleifen. Bei leitenden Materialien,
die große Gleichtaktspannungen hervorrufen,
ist Isolierung Pflicht!
auf einem Kunststoff- oder Keramikträger.
RTDs werden gemäß ihrem Nennwiderstand
bei 0 °C bezeichnet, der bei Platin oft 100
oder 1000 Ohm beträgt. Am bekanntesten ist
der Typ Pt 100.
Thermokoppler-Eigenschaften sind heute
standardisiert, s. http://srdata.nist.gov/its90/
main. Ein Buchstabe verrät den Grundtyp:
Kennbuchstabe Metall
J
Eisen/Konstantan
K
Crom/Alu
T
Kupfer/Konstantan
E
Chrom/Konstantan
R
Pt/Pt mit 13 % Rh
S
Pt/Pt mit 10 % Rh
N
NiCrSi/NiSi Mg
Temperaturbereich
-210 bis +760 °C
-270 bis 1370 °C
-270 bis 400 °C
-200 bis 1000 °C
0 bis 1700 °C
0 bis 1700 °C
-270 bis 1300 °C
Verschiedene RTDs (Quelle: Rössel Messtechnik)
Die Anschlussdrähte eines RTDs sind einheitlich farblich gekennzeichnet. Der schwarze bzw. weiße Draht kommt an Masse. Der
rote führt die (positive) Erregerspannung.
Messgeräte bieten meist ähnliche Anschlusskonfigurationen für RTD-Messungen. Es
können neben der simplen Zweidrahtanbindung auch Dreidraht- oder Vierdrahtanbindung für höhere Genauigkeiten möglich sein.
Drei der populären metallummantelten
Thermokoppler (Quelle: Gefran)
Das RTD benötigt zwar einen Erregerstrom,
arbeitet jedoch sehr präzise (linear) und bietet weitere gute Eigenschaften, wie hohe Stabilität über viele Jahre hinweg. Der Einsatztemperaturbereich erstreckt sich von -200
bis +500 °C. Die Ansprechzeit liegt typisch
zwischen 2,5 bis 10 s, die erreichbare Präzision der Temperaturmessungen bei +/1,5 %.
Man nutzt Metalle, die bei einer Temperaturveränderung auch ihren Widerstand verändern, wie Nickel (Ni), Kupfer (Cu) und − am
häufigsten − Platin (Pt). Es gibt mehrere Aufbauarten. Das dominierende Dünnschichtelement besitzt eine sehr dünne Schicht Metall
Messtechnik fängt mit ME an.
Während bei der Zweidrahtmessung der
Leitungswiderstand RL voll fehlerwirksam
ist, wird sein Einfluss bei der Dreidrahtanbindung teilweise und bei der Vierdrahtanbindung völlig eliminiert.
(Quelle: NI)
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Der Thermistor benötigt zwar eine Erregerspannung, glänzt aber mit sehr hoher Genauigkeit − auch aufgrund seiner kurzen Ansprechzeit − von bis zu +/-0,05 % und hoher
Empfindlichkeit. Sein hoher Widerstand
macht ihn anfällig für elektrische Störungen.
Der Einsatztemperaturbereich ist etwa -100
bis +250 °C. Thermistoren sind mechanisch
relativ empfindlich (zerbrechlich). Wie beim
RTD ändert sich der Widerstand mit der
Temperatur − beim PTC-Typ (Positive Temperature Coefficient) mit ca. 200 Ohm/K,
beim NTC-Typ (Negative Temperature Coefficient) mit ca. -200 Ohm/K. Verwendet wird
ein Metalloxid-Halbleitermaterial, eingeschlossen in einer Glas- oder Epoxidperle. Es
sind Widerstandswerte zwischen 2 und 10
kOhm üblich. Bei der Temperaturmessung
bevorzugt man NTC-Thermistoren.
Der LM 335 ist ein einfacher analoger
Halbleitersensor.
Halbleitersensoren sind klein und leicht.
Ausgenutzt wird die Tatsache, dass die
Durchlassspannung einer Diode einen TK
von etwa -2,3 mV/K (bei 1 mA) besitzt. Die
Ausgangsgröße kann analog (Strom oder
Spannung) oder digital (seriell) sein. Auch
eine temperaturproportionale Frequenz ist
möglich. Temperaturen zwischen etwa -50
und + 150 °C sind erfassbar. Nicht selten ist
ein Mikrocontroller integriert, der die Messfehler des eigentlichen Halbleitersensors
korrigiert.
Die Bauformen von Thermistoren erinnern
oft an andere Bauelemente, wie Widerstände, LEDs oder Scheibenkondensatoren.
(Quelle: Doctronics)
Messtechnik fängt mit ME an.
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