U-I-R-Z-Messung

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Wie funktionieren elektromechanische Messwerke?	Die zu messende elektrische Größe bewirkt eine Kraft, die auf einen Zeiger übertragen wird. Um eine Zeigerstellung zu gewährleisten, muss über eine Feder eine Gegenkraft erzeugt werden -> Drehmomentenwaage: Der Zeigerausschlag ist der Messgröße proportional. Es entsteht ein mechanisches Schwingungssystem. Um dessen Einstellzeit zu verkürzen muss das Messewrk gedämpft werden.
Wie funktioniert ein Drehspulmesswerk?	beruht auf dem Gesetz, dass ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld eine Kraftwirkung erfährt. Diese Kraftwirkung erzeugt über die Breite der drehbar gelagerten Spule eine elektrisches Moment, dem das mechanische Moment der Drehfeder entgegenwirkt. Die beiden Momente befinden sich im Gleichgewicht. Der Zeigerausschlag ist ein Maß für den Strom, der die Spule durchfließt. Die Stromzuführung erfolgt über Drehfedern. Das Drehspulinstrument zeigt den linearen Mittelwert des Stromes an. Bei Verwendung als Spannungsmesser müssen Temperatureinflüsse kompensiert werden. Der Effektivwert wird mittels Gleichrichter, Glättung und Skalierung über den Formfaktor gebildet.
Wie funktioniert ein elektrodynamisches Messwerk?	Eine stromdurchflossene Drehspule bewegt sich im Magnetfeld einer stromdurchflossenen feststehenden Spule. Produktmesswerk -> Anwendung bei Leistungsmessung auch bei Wechselstrom
Thermische Messwerke Hitzdrahtmesswerk Bimetallmesswerk Thermoumformer Vibrationsmesswerk	Thermische Messwerke: nützen die Wärmewirkung des elektr. Stroms Hitzdrahtmesswerk: stromdurchflossener Draht erwärmt sich und dehnt sich aus Bimetallmesswerk: zwei auf einander gewalzte Metallstreifen mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten dehen sich bei Stromfluss auf Grund der Erwärmung unterschiedlich (Einsatz bei hohen Strömen) Thermoumformer: Temperaturerhöhung des stromdurchflossenen Leiters wird mit Thermoelement in Spannung umgeformt und von Drehspulinstrument angezeigt Vibrationsmesswerk: beruht auf Resonanzerscheinungen durch elektrostatische oder elektromagnetische Anregung, für Messung von Wechselspannung und -strom ganz bestimmter Frequenz
Direkte Messung elektrischer Größen - Spannungsmessung	Messung mit elektromechanischen MG oder ADC. Es tritt ein Belastungsfehler durch den nicht unendlich großen Innenwiderstand Rm des Messgeräts auf. Abschätzen des Belastungsfehlers: anhängen eines zweiten Voltmeters parallel zum ersten geschaltet - die Abweichung durch die zusätzl. Belastung entspricht ca. der Abweichung durch das MG Forderung: Die Spannungsmessung soll it möglichst geringer Stromaufnahme, also hochohmig erfolgen!
Direkte Messung elektr. Größen - Strommessung	Es tritt ein Belastungsfehler durch den Innenwirderstand Rm>0 des MG auf. Abschätzen des Fehlers: zweites Amperemeter in Serie zum ersten schalten -> Abweichung entspricht ca. der des MG Forderung: Die Strommessung soll mit möglichst geringem Spannungsabfall, dh niederohmig erfolgen.
Mehrbereichs-Spannungsmessung	Strommesswerk + Vorwiderstände Um den Nennstrom des MG nicht zu überschreiten, werden bei höheren Messpannungen Vorwiderstände in Serie geschalten. -> wird zB in Drehspulinstrumenten so verwendet
Überlastschutz	Schutz gegen Überspannungen Normaler Betriebszustand: Vn<Ue<Vp - beide Dioden sperren Tritt an der Messschaltung eine Spannung größer als Vp bzw. kleiner als Vn auf, leitet die entsprechende Diode Stromfluss vom Eingang zu Vn bzw. Vp. Unerwünschte Auswrikunten der Schutzschaltung: Spannungsabfall an Rs, Nullpunktsfehler durch Sperrströme der Schutzdioden, Verstärkungsfehler durch Spannungsteilung zwischen Rs und re ÜS fast an allen Spannungseingängen an MG zu finden.
Grundschaltungen - Strommessung	- Verwendung entweder eines Strommesswerks: direktes ablesen - Verwendung eines Spannungsmesswerks: niederohmiger Widerstand muss parallel zum Spannungsmesswerk geschalten werden, um den Belastungsfehler niedrig zu halten => "Shunt"
Mehrbereichs-Strommessung	- Spannung an einem umschaltbaren Strommesswiderstand (Spannungsmesswerk) messen Damit sich die Kontaktwiderstände des Umschalters nicht auf die Messung auswirken, wird zusätzlich der Abgriff des Spannungsmesswerks umgeschaltet -> beim Schaltvorgang muss immer der neue Strompfad geschlossen werden bevor der alte geöffnet wird! (Make before break) - Strom durch Stromteiler (Strommesswerk) bestimmen: Dimensionierung mittels Stromteilerregel; Der Eingangswiderstand Re ergibt sich aus der Parallelschaltung der beiden Strompfade. Klassisches Drehspulgerät
Messung sehr großer Ströme	- Vierleitertechnik: Messung des Spannungsabfalls an einem Shunt; Trennung von Stromklemmen (außen) und Potenzialklemmen (innen), um die Übergangswiderstände zu verringern. Shunts werden verwendet um große Verlustleistungen und Temperatureffekte zu vermeiden. - Stromwandler/Stromzangen: zur Messung von Wechselströmen; Vorteil: galvanische Trennung; Aufbau wie ein Transformator mit einem Eisenkern und einer Primär- und Sekundärspule (mit Amperemeter). Achtung beim Öffnen des Sekundärkreises: Hochspannung!
Grundschaltungen - Spannungsmessung	- Spannungsmesswerk - direkt ablesbar - Strommesswerk: Messung des Stroms der am Vorwiderstand und Innenwiderstand einen Spannungsabfall erzeugt vernachlässigbarer Belastungsfehler in beiden Fällen
Magnetfeldsensoren	zur Messung von Magnetfeldern - Galvanomagnetische Sensoren Hallsensoren, magnetoresistive Sensoren (Feldplatten), Permalloy-Sensoren, Magnetodioden u. -transistoren - Andere Verfahren: Sättigungskernverfahren (Flux Gate), Wiegandsensoren (Impulsdraht), SQUIDs, fiberoptische Sensoren
Magnetfeldsensoren - Einsatzgebiete	- Richtung des Magnetfelds (Navigation) - Richtung und Größe des Erdmagnetfelds (Fahrzeugerkennung, Kompensation des Erdmagnetfelds zb in der Medizintechnik) - Berührungslose Strommessung - Weg-, Winkel, und Drehzahlmessung - Labormesstechnik (Werkstoffanalyse...)
Halleffekt	tritt in einem stromdurchflossenen Leiter auf, der sich in einem Magnetfeld befindet, wobei sich ein elektr. Feld aufbaut, das zur Stromrichtung und zum Magnetfeld normal steht, und das die auf die Elektronen wirkende Lorentzkraft kompensiert.
Was ist die Lorentzkraft?	Kraft, die eine bewegte Ladung in einem magnet. oder elektr. Feld erfährt. Sie ist am größten, wenn die Bewegungsrichtung normal zu den Feldlinien des Magnetfelds steht. Wenn sie parallel zu den Feldlinien steht, entsteht keine Lorentzkraft.
Wie funktioniert ein Hall-Sensor?	wird ein einfacher Hall-Sensor von einem Strom durchflossen und in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht, liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum Produkt aus magn. Feldstärke und Strom ist (Hall-Effekt). Signal ist temperaturabhängig und kann ein Offset haben. Vorteil: ein Hall-Sensor liefert auc hdann ein Signal, wenn das Magnetfeld konstant ist; geht bei Spule mit Magnet nicht, da dann die Spannung=0.
Aufbau von Hall-Sensoren	Hall-Sonde ist als langes dünnes Plättchen aufgebaut, das auf beiden Schmalseiten metallisiert ist. Hauptsächlich Halbleiter, da die Ladungsträgerdichte um einiges geringer als beim Leiter. Zur Messung von Richtung und Höhe von Magnetfeldern.
Funktion Hallgenerator und Anforderungen	durchfließt ein Strom ein dünnes Halbleiter-Plättchen, so werden LT durch das äußere Magnetfeld an den Rand des Plättchens abgelenkt. Positive LT werden laut Lorentzkraft in die entgegengesetzte Richtung abgelenkt wie negative LT. Dadurch entsthet die messbare Hallspannung. Anforderungen für hohe Empfindlichkeit: geringe Ladungsträgerdichte, hohe Beweglichkeit, breites und langes Substrat
Vorteile und Nachteile von Hallsensoren	Vorteile: - Messung von Feldstärke und -orientierung, lineare Kennlinie, integrierte Sensoren einfach herstellbar Nachteile: - begrenzte Empfindlichkeit u. Dynamik, Offsetspannung hoch und tlw. instabil, hohe Querempfindlichkeit (Temp. u. Spannungen), Steuerstrom notwendig (4 Anschlüsse)
Einsatzgebiete von Hallsensoren	- Positionsmessung, Inkrementalwinkelgeber (Magnet wird an Hallsensor vorbeibewegt, Drehzahlmessung...) - Genaue Magnetfeldmessung (Labor, EMV-Messungen,...) - Als Kompass bedingt geeignet (Empfindlichkeit gering, Temperaturempf. zu hoch)
Galvanisch getrennte Strommessung (Stromzange)	- Hallsensor für hohe Gleich- und Wechselströme (>1000A), hohe Grenzfrequenz - Einsatzgebiet: da wo Leitungen nicht aufgetrennt werden können - Stromzangen für Wechselstrom -> Stromwandlerprinzip - Stromzangen für Gleich- u. Wechselstrom -> aktive Stromzangen mit Batterie
Open-Loop Sensor	- Open Loop Sensor (Passive Sensoren): Hallspannung wird gemessen - Stromzangen für Wechselstrom, keine Versorgung notwendig - Ausgangsbereich im mA-Bereich - Billig, benötigt wenig Energie, anfällig gegen Störungen
Closed-Loop Sensor	- Closed Loop Sensor (Geregelte Sensoren): Stromzange für Gleich- u. Wechselströme, benötigen Batterie - über Spule wird zusätzliches, externes Magnetfeld erzeugt und so geregelt, dass die Hallpsannung konstant bleibt; man kann aufgrund des auftretenden Magnetfelds auf den Strom schließen; - Vorteil: höherer Dynamikbereich im Vergleich zu normalen Sensor - teuer, hohe Empfindlichkeit, hohe Windungszahl (Verlustleistung), störungssicher
Funktion Hall-Element	das von der Zange erzeugte Kompensationsfeld wird über eine Spule mit vielen Wicklungen aufgebracht, deshalb reichen sehr kleine Referenzströme aus um das große vom Messstrom erzeugte Feld zu kompensieren. Das stromdurchflossene Hallelement wird als Nulldetektor eingesetzt. Der Referenzstrom wird so lange hoch geregelt bis das Hallelement kein Feld detektiert, dh die Hallspannung dient als Regelabweichung.
Wie wird ein ohmscher Widerstand direkt gemessen?	- über Messung von Strom, Spannung bei Gleich- u. Wechselgrößen oder Phasenmessung zw. 2 Wechselgrößen - im Idealfall: R=U/I - Real: parasitäre Kapazitäten, Induktivitäten, die berücksichtigt werden müssen - um als ideal betrachtet werden zu können, müssen Amplitudenbereich ud Frequenz eingeschränkt werden - es müssen sowohl leitende als Isolierstoffe gemessen werden können - Wichtig in Sensortechnik: Druck, Kraft, Wegaufnehmer
Messung von Widerstand durch Messung von Strom	- systematischen Fehler durch U- oder I-Messung - stromrichtige Schaltung eignet sich daher zur Bestimmung hochohmiger Widerstände Rx >>Ra (wo der zu messende Widerstand viel größer ist, als der Widerstand durch das MG, siehe Schaltbild) / oder Aufteilung in zwei Messschaltungen - Widerstand erst nach Rechenschritt verfügbar und nicht direkt anzeigbar
Messung des Widerstands durch Messung von Spannung	- systematischer Fehler durch Messung von U - Spannungsrichtige Schaltung eignet sich zur Bestimmung niederohmiger Widerstände Rx << Rv (wo die Widerstände viel gkleiner sind als der Widerstand des Voltmeters) Die Spannung wird richtig gemessen, jedoch zeigt das Amperemeter sowohl den Strom durch Rx als auch durch Rv an und somit einen zu hohen Strom.
Direktanzeigene Ohmmeter für die Widerstandsmessung mit nichtlinearer Skala	- MG mit Messung von U oder I -> Umrechnung -> Ohm werden angezeigt - direktanzeigende Ohmmeter verwenden eine Spannungsquelle zur ersorgung und einen Stormmesser als Anzeigeinstrument - vor der Messung Abgleich erforderlich (Kurzschluss) - Ablesegenauigkeit gering und in der Mitte der Anzeige am größten
Direktanzeigende Ohmmeter zur Widerstandsmessung mit linearer Skala	- wird in DMMs eingesetzt, die Stromquelle wird meist dekadisch geändert (im mA-Bereich) - verwenden eine Konstantstromquelle zur Versorgung und einen Spannungsmesser als Anzeigeinstrument, wobei eine Anzeige in Ohm möglich ist - bei der Messung von Sperr- und Durchlasswiderständen wird ein etwas größerer Messstrom eingeprägt
Ratiometrische Widerstandsmessung	Der gesuchte Widerstand Rx wird mit einem Referenzwiderstand Rref verglichen und bestimmt. Diese sollten ungefähr in der gleichen Größenordnung liegen.
Messung extrem kleiner Widerstände	Zweileitermessung funktioniert für sehr kleine Widerstände nicht, da Rmg gleich groß wie Rx - Vierleitermessung vermeidet Fehler durch Übergangswiderstände, 4 Messleitungen notwendig, Stromquelle und Messtrom über Messklemmen zu Messobjekt geführt; Messgerät wird nicht über die gleichen Klmenn sondern über eigene angeschlossen ( da daher die Übergangswiderstände der Messklemmen unerheblich sind) - eventuell Probleme durch Thermospannungen (Kompensation durch 2 Einzelmessungen mit unterschiedlicher Stromrichtung)
Bestimmung von L, C durch Gleich und Wechselspannung	Induktivität: Bestimmung von R bei Gleichstrom, Berechnung von L aus Z (Scheinleistung) bei Wechselstrom der Leitungswiderstand der Spule ist nicht vernachlässigbar und muss gemessen werden (Vierleitertechnik!) - Kapazität: meist genügt es eine Wechselspannungsmessung durchzuführen und C dann über den Strom zu berechnen. (siehe Formeln)
Ermittlung von C und L durch U-/I- und P-Messung	Durch gleichzeitiges Messen von U, I und P kann aus der Wirkleistung der Verlustwiderstand und aus der Blindleistung die Reaktanz (Blindwiderstand kann nur dem Betrag nach ermittelt werden) bestimmt werden. Obes sich umm eine Kapazität oder eine Induktivität handelt kann nur durch Untersuchen des Phasenwinkels (zB mit DSO) bestimmt werden.
Bestimmung von L aus abklingender Schwingung	- Messung der Resonanzfrequenz - Bestimmung der Induktivität aus Resonanzfrequenz und der Kapazität - Abklingen der Schwingung ist abhängig von der Güte der Spule - wird zur Ermittlung der Induktivität und deren Güte eingesetzt, in der Präzisionsmesstechnik
Ermittlung von C im DMM	schließt an die unbekannte Kapazität über einen Vorwiderstand an einen Rechteckgenerator an, so kann aus dem exponentiellen Verlauf der Kondensatorspannung auf die Kapazität geschlossen werden. - entspricht dem Auf- und Entladen eines Kondensators, misst die E-Funktionen beim Ladevorgang - daraus Berechnung von C - für große Kondensatoren gut geeignet
Verwendung und Aufbau eines Digitalmultimeters	- zur Messung von Gleich- und Wechselspannung, Gleich- und Wechselstrom, Widerstand, Kapazität und Frequenz - ausgestattet mit Schnittstellen zur Übertragung an PC usw. - Aufbau: ADC für Eingangssignal, Eingangsteiler (Bereichsanpassung), Shuntteiler (Strom in Spannung umwandeln), Stromquelle (für Widerstandsmessung), Verstärker (DC und AC-Verstärker zur Anpassung des Spannungsbereichs)
DMM: Sinuskalibrierte / Echte Effektivwertanzeige	bei der Messung von Wechselgrößen muss die verstärkte Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt werden - 2 Verfahren: Sinuskalibrierte Effektivwertanzeige (nur für sinusförmige Signale): Spannung -> aktiver Gleichrichter -> Mittelwertbilder -> angezeigte Spannung UAnz = 1,11 . \|u(t)\| Echte Effektivwertmessung: Spannung u(t) -> Quadrierer u²(t) -> Mittelwertbilder u²(t)Strich -> Radizierer Wurzel u²(t)Strich
Digitalmultimeter: Tiefpass ADC Mikroproessorsteuerung	Tiefpass: bevor das Signal vom ADC digitalisiert wird, werden vom Tiefpass überlagerte Störungen und Restwelligkeiten der Gleichspannung beseitigt. ADC: meist Dual-Slope-Konverter, die mittels Kondensatoer-Auf-und-Entladungen arbeiten Mikroprozessorsteuerung: diese übernimmt alle Steuerungsaufgaben zB Nullabgleich, Min.Max-Speicherung, Datenaustausch...
DMM: Crestfaktor Averagefunktion Autorange Anzeige Relativmessung Touch-Hold	Crestfaktor: Maß für Verzerrungen; Spitzenwert zu Effektivwert, wird of abhängig vom Messbereichsende angegeben; CF=3 im 2V Bereich heißt Spitzenwert darf nicht größer als 3x Effektivewertmaximum sein. Averagefunktion: Durchschnittswert wird gespeichert (Messzeit wichtig) Anzeige: Anzahl der Stellen zB 4,5 Touch-Hold: der nächste stabile Messwert wird gespeichert
4 Schritte zur richtigen Messung	1. Definition der erforderlichen messtechn. Eigenschaften (Auflösung, Empfindlichkeit, Genauigkeit...) 2. Auswahl Messsystem (Genauigkeit, Temp.koeffizient, Empfindlichkeit..) 3. Aufbau und Verifikation Messsystem (Check Offsetfehler, Setting Time, typische Fehlerquellen suchen) 4. Durchführung der Messung (Achtung Kalibrierung!)

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