Messtechnik, VO

Die Lehrveranstaltung Messtechnik bietet eine umfassende Einführung in die Grundlagen der elektronischen Messtechnik – ein Fach, das im Bachelor in den Studiengängen der Elektrotechnik, Computer Engineering, Digital Design und Biomedical Engineering unterrichtet wird und in vielen Bereichen essenziell ist.

Das Ziel der Vorlesung ist, die grundlegenden Prinzipien der elektrischen Messtechnik zu vermitteln und diese in der Praxis zur Lösung von Messaufgaben, sowie zur Dimensionierung und Analyse von Messsystemen anzuwenden.

Die Inhalte gliedern sich in:

1. Grundlagen

Hier werden grundlegende Begriffe der Messtechnik, wie Messgröße, Messwert und Messergebnis, erklärt und miteinander verknüpft. Weiters werden die SI-Einheiten und davon abgewandelte Einheiten behandelt und die Konzepte der Normung und Kohärenz werden vorgestellt.

2. Messkette

Die Messkette beschreibt den Weg von der Aufnahme der Messgröße bis zur Ausgabe des Messwerts. Sie bildet das zentrale Konzept der Messtechnik und sorgt dafür, dass physikalische Größen präzise erfasst, verarbeitet und dargestellt werden können.

3. Messabweichungen und Unsicherheiten

In diesem Kapitel wird der Unterschied zwischen systematischen und zufälligen Fehlern erläutert und wie man Messabweichungen berechnen kann. Hierbei werden die Unsicherheitsbetrachtungen nach GUM, Worst Case, Monte-Carlo und weitere gängige Methoden zur Fehleranalyse vorgestellt.

4. Messsignale

In diesem Kapitel wird zuerst die Definition eines Signals behandelt. Es werden vor allem einfache Zeitsignale betrachtet, darunter Gleichspannungen, Wechselspannungen, sinusförmige Signale sowie Rauschen. Darüber hinaus wird auf die Verarbeitung von Messsignalen eingegangen, welche Aspekte wie Signalfilterung, Verstärkung und Analog-Digital-Umsetzung umfasst​.

5. Messverstärker

Es werden die grundlegenden Eigenschaften wie Anforderungen, Aufbau, Frequenzgänge, verschiedene Verstärkerarten und das Rauschen behandelt. Anschließend folgt die Schaltungstechnik, wo der Abgleich der Offsetspannung und die Eingangsruhestromkompensation besprochen wird. Weiters wird auf verschiedene Schaltungen, wie den Addierer, den Subtrahierer, den Instrumentenverstärker, den Differenzverstärker und den aktiven Tiefpassfilter, eingegangen.

6. A/D und D/A Umsetzer

Die Umwandlung von analogen in digitale Signale spielt eine entscheidende Rolle in der heutigen Messtechnik. Dabei kommen verschiedene Wandlungsverfahren zum Einsatz, darunter Flash-, Pipeline-, SAR- (Successive Approximation Register), Delta-Sigma und Dual-Slope-Analog-Digital-Wandler (ADCs). Zudem werden die Auflösung und die tatsächlich nutzbare Auflösung, ENOB (Effective Number of Bits), erläutert. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Abtastrate, die bestimmt, wie oft pro Sekunde ein analoges Signal erfasst wird. Auf der digitalen Seite erfolgt die Rückwandlung mit Digital-Analog-Umsetzern (DACs), wobei häufig R2R-Netzwerke oder stromgesteuerte Wandler verwendet werden.

7. Messung elektrischer Größen

Zuerst werden die grundlegenden Methoden der Spannungsmessung behandelt, einschließlich der Verwendung von Tastköpfen, Kapazitätsmessungen und Spannungsteilern zur Anpassung des Messbereichs. Bei der Strommessung wird auf Verfahren wie die Shunt-Widerstandsmessung und auch auf Methoden wie Hall-Sensoren und Rogowsky-Spulen eingegangen. Die Leistungsmessung wird unter anderem anhand von Smart-Meter und der Aron-Schaltung erläutert, die eine präzise dreiphasige Leistungsmessung ermöglicht. Weiters werden Messmethoden für Widerstände und Impedanzen, einschließlich Brückenschaltungen und frequenzabhängiger Messverfahren, vorgestellt.

8. Messung nichtelektrischer Größen

Für das Messen nicht elektrischer Größen werden die physikalischen Größen (z. B. Temperatur, Kraft) zuerst in elektrische Signale umgewandelt. Dabei kommen verschiedene Sensoren und Schaltungstechniken zum Einsatz. Zur Temperaturmessung werden NTC-Widerstände, PT1000-Sensoren sowie Thermoelemente verwendet. Brückenschaltungen, werden zur präzisen Erfassung von Widerstandsänderungen z.b. Dehnmessstreifen erörtert. Zudem werden piezoelektrische Sensoren und kapazitive Messverfahren zur Erfassung mechanischer Größen wie Druck oder Beschleunigung behandelt.