Messelektronik und Sensoren: Grundlagen der Messtechnik, Sensoren, analoge und digitale Signalverarbeitung (German Edition)

Das Buch gibt einen Einblick in die heutige Betriebsmesstechnik einschließlich der Analysentechnik, ohne dabei Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben. Für den Studierenden stellt das Buch neben den einschlägigen Lehr- und Handbüchern eine Einführung dar. Dem im Beruf stehenden Ingenieur vermittelt es einen raschen Überblick über ihm nicht vertraute Messverfahren und Geräte. In diesem Buch werden nicht nur die Bauelemente der Messtechnik transparent dargestellt, sondern auch die analogen Komponenten, die für den Aufbau von Mess-, Steuer- und Regelungssystemen notwendig sind. Den theoretischen Grundlagen und den Messverfahren ist ebenso breiter Raum gewidmet wie der Beschreibung von Systemen bzw. Geräten und Messeinrichtungen. Durch Angabe von Messbereichen und Fehlergrenzen werden zusätzliche Anhaltspunkte für den Einsatz gegeben, wobei die genannten Werte auf Grund der ständig technischen Entwicklung als Mindestwerte anzusehen sind. Vorwort Inhaltsverzeichnis 1 Einführung in die Sensorik und in die elektronische Messtechnik Zusammenfassung 1.1 Sensortypen 1.1.1 Standardsensoren 1.1.2 Messtechnische Grundbegriffe 1.1.3 Analoge und digitale Messgeräte 1.1.4 Strom und Spannung 1.1.5 Widerstände 1.2 Kalibrieren von Mess- und Prüfmitteln 1.3 Analoge und digitale Messwerterfassung 1.3.1 Aufbau einer analogen Messkette 1.3.2 Aufbau einer digitalen Messkette 1.3.3 Erfassung und Verarbeitung von Messdaten 1.3.4 Steuern, Regeln und Visualisieren 1.4 Messfehler 1.4.1 Fehlerarten 1.4.2 Fehlerquellen 1.4.3 Einflussfehler 1.4.4 Fehlerfortpflanzung 1.4.5 Auswahlkriterien für Messeinrichtungen 2 Bauelemente der elektronischen Messwerterfassung Zusammenfassung 2.1 Analoge Verstärkerfamilien 2.1.1 Interner Schaltungsaufbau von Operationsverstärkern 2.1.2 Betriebsarten eines Operationsverstärkers 2.1.3 Übertragungscharakteristik bei Operationsverstärkern 2.1.4 Invertierende Betriebsart 2.1.5 Nicht invertierender Betrieb 2.1.6 Spannungsabhängige Stromgegenkopplung 2.1.7 Stromabhängige Spannungsgegenkopplung 2.1.8 Stromabhängige Stromgegenkopplung 2.2 Lineare und nicht lineare Verstärkerschaltungen 2.2.1 Addierer bzw. Summierer 2.2.2 Operationsverstärker als Integrator 2.2.3 Differenzierer mit Operationsverstärker 2.2.4 Differenzverstärker oder Subtrahierer 2.2.5 Instrumentenverstärker 2.2.6 Spannungs- und Strommessung 2.3 Komparator und Schmitt-Trigger 2.3.1 Einfacher Spannungsvergleicher 2.3.2 Spannungsvergleicher im gesättigten Verstärkerbetrieb 2.3.3 Window-Komparator 2.3.4 Dreipunktkomparator 2.3.5 Schmitt-Trigger 2.3.6 Schmitt-Trigger in nicht gesättigter Betriebsart 2.3.7 Komparator mit Kippverhalten 2.4 Messbrücken 2.4.1 Unbelasteter Spannungsteiler 2.4.2 Belasteter Spannungsteiler 2.4.3 Brückenschaltung 2.4.4 Einfache Kapazitätsmessbrücke 2.4.5 Wien- und Wien-Robinson-Brücke 2.4.6 Maxwell-Brücke 2.4.7 Schering-Brücke 2.4.8 Maxwell-Wien-Brücke 2.4.9 Frequenzunabhängige Maxwell-Brücke 2.5 Analogschalter 2.5.1 Schalterfunktionen der Analogschalter 2.5.2 Operationsverstärker mit digitaler Ansteuerung 2.5.3 Sample & Hold-Schaltungen 2.6 Analog–Digital- und Digital-Analog-Wandler 2.6.1 Aufbau eines Datenerfassungssystems 2.6.2 Messdatenerfassung ohne Abtast- und Halteeinheit 2.6.3 Zeitmultiplexe Messdatenerfassung mit Abtast- und Halteeinheit 2.6.4 Simultane Messdatenerfassung mit Abtast- und Halteeinheit 2.6.5 Antialiasing-Filter 2.6.6 Systeme zur Signalabtastung 2.6.7 Theorem zur Signalabtastung 2.7 AD- und DA-Wandler 2.7.1 Natürlicher Binärcode 2.7.2 Komplementärer Binärcode 2.7.3 Codes für AD- und DA-Wandler 2.7.4 BCD-Codierung 2.7.5 Spezifikationen von Datenumsetzern 2.7.6 Relative Genauigkeit bei Wandlersystemen 2.7.7 Absolute Genauigkeit bei Wandlern 2.8 Digital-Analog-Wandler 2.8.1 Übertragungsfunktion 2.8.2 Aufbau und Funktion eines DA-Wandlers 2.8.3 R2R-DA-Wandler 2.8.4 DA-Wandler mit externen Widerständen 2.9 Analog–Digital-Wandler 2.9.1 AD-Wandler nach dem Zählverfahren 2.9.2 AD-Wandler mit Nachlaufsteuerung 2.9.3 AD-Wandler mit stufenweiser Annäherung 2.9.4 Single-Slope-AD-Wandler 2.9.5 Dual-Slope-AD-Wandler 2.9.6 Spannungs-Frequenz-Wandler 3 Temperatursensoren Zusammenfassung 3.1 Grundsätzliches über Temperaturerfassung 3.1.1 Temperaturabhängige Effekte 3.1.2 Temperaturabhängige Widerstände 3.1.3 NTC-Widerstände oder Heißleiter 3.1.4 Daten, Bauformen und Technologie von Heißleitern 3.1.5 Linearisierung von Heißleiter-Kennlinien 3.1.6 Verstärkerschaltungen für linearisierte Heißleiter 3.1.7 PTC-Widerstände 3.1.8 Schutzschaltungen mit Kaltleitern 3.1.9 Temperaturschalter von − 10 °C bis + 100 °C 3.1.10 Temperaturschalter mit Fühlerüberwachung 3.2 LED-Thermometer 3.2.1 Integrierter Wandlerbaustein ICL7106 und ICL7107 3.2.2 Externe Komponenten des ICL7106 und ICL7107 3.2.3 Integrierende AD-Wandler mit dem ICL7106 und ICL7107 3.3 Thermoelemente 3.3.1 Thermoelektrischer Effekt 3.3.2 Messungen mit Thermoelementen 3.3.3 Verstärker für Thermoelemente 3.4 Widerstandsthermometer mit Pt100 bzw. Ni100 3.4.1 Pt100-Widerstandsthermometer 3.4.2 Ni100-Widerstandsthermometer 3.4.3 Silizium-Temperatursensor als Pt100-Ersatz 3.4.4 Anschluss eines Widerstandsthermometers 3.4.5 Vermeidung elektromagnetischer Störanfälligkeit 3.4.6 Erdschleifen, Erdung und abgeschirmte Leitungen 3.4.7 Wärmeflussaufnehmer 3.5 Messung mechanischer Größen mit Temperatursensoren 3.5.1 Füllstandsmessung 3.5.2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit 3.5.3 Mikrobrücken-Luftstromsensoren 3.5.4 Heißfilm-Luftmassensensor 3.5.5 Hitzdraht-Luftmassensensor 4 Optische Sensoren Zusammenfassung 4.1 Eigenschaften und Ausführungsformen 4.1.1 Hellempfindlichkeit 4.1.2 Technologie der Photodioden 4.1.3 Anwendungen von Photodioden 4.1.4 Photowiderstand 4.1.5 Messschaltung mit einem Photowiderstand 4.1.6 Dämmerungsschalter 4.1.7 Phototransistor 4.1.8 Automatische Garagenbeleuchtung mit Phototransistor 4.1.9 Photoelement 4.2 Aktive Optoelektronik 4.2.1 Emitterbauelemente 4.2.2 Laserdioden (Halbleiter-Laser) 4.2.3 Leuchtdioden 4.3 Optokoppler 4.4 Lichtschranken und optoelektronische Abtastsysteme 4.4.1 Einweglichtschranken 4.4.2 Sonderformen von Einweglichtschranken 4.4.3 Reflexionslichtschranken 4.4.4 Reflexionslichttaster 4.4.5 Erfassung glänzender Objekte 4.4.6 Lichttaster mit Hintergrundausblendung 4.4.7 Bohrerbruchkontrolle mittels Lichtschranke 4.4.8 Optische Entfernungsmessung 4.5 Optische Drehwinkel- und Positionserfassung 4.5.1 Absolut-Drehwinkelgeber 4.5.2 Gabellichtschranken 4.5.3 Inkrementale Drehgeber 4.5.4 Signalauswertung 5 Feuchtesensoren Zusammenfassung 5.1 Physikalische Messverfahren 5.1.1 Zweckmäßige Messmethoden 5.1.2 Methoden der Feuchtegehaltsbestimmung 5.1.3 Indirekte Messverfahren 5.1.4 Labormessverfahren höherer Genauigkeit 5.2 Physikalische Zusammenhänge 5.2.1 Definition des Wasserdampf-Partialdrucks 5.2.2 Taupunkt 5.2.3 Relative Feuchte in Gasen 5.2.4 Relative Feuchte in Flüssigkeiten 5.2.5 Aufbau und Funktionsweise eines Aluminiumoxid-Feuchtesensors 5.2.6 Anwendung von Aluminiumoxid-Feuchtesensoren 5.2.7 Temperatur- und Druckverhalten 5.3 Realisierung von Feuchtemessung 5.3.1 Einfache Messschaltung mit Feuchtesensor 5.3.2 Feuchteabhängige Steuerung 6 USB-Oszilloskop Zusammenfassung 6.1 Messungen mit USB-Oszilloskop 6.1.1 Aufzeichnungsarten 6.1.2 USB-Oszilloskop-Fenster 6.1.3 MSO-Ansicht für Mixed-Signal-Oszilloskop 6.1.4 Triggermarkierung 6.1.5 Spektralansicht 6.1.6 Persistenzmodus 6.1.7 Messtabelle 6.1.8 Signallineale 6.1.9 Möglichkeiten der Eigenschaften des USB-Oszilloskops 6.1.10 Rechenkanäle 6.1.11 Referenzwellenformen in ausgewählter Oszilloskop- oder Spektralansicht 6.1.12 Maskengrenzprüfung 6.1.13 Alarme 6.2 Menüs für USB-Oszilloskop 6.2.1 Menü „Datei“ 6.2.2 Dialogfeld „Speichern unter“ 6.2.3 Menü ‚.Starteinstellungen“ 6.2.4 Dialogfeld „Benutzerdefiniertes Rasterlayout“ 6.2.5 Menü „Messungen“ Stichwortverzeichnis