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Automatisierung - Sensorik

Messgeräte

Auszug aus
Rainer Felderhoff

Elektrische und elektronische Messtechnik

05/2015, 420 Seiten, € 23,99
ISBN: 978-3-446-44604-5

Durch welche Besonderheit sind Multimeter hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten gekennzeichnet? Wodurch unterscheiden sich die X- und Y-Ablenkung beim Oszilloskop? Wodurch unterscheiden sich Spektrumanalysator und Logikanalysator hinsichtlich der Eingangssignale?

Multimeter gehören zur Grundausstattung jeder Werkstatt und jedes Labors. Es handelt sich dabei um Vielfachmessgeräte, weil verschiedene Messfunktionen mit einem Gerät durchgeführt werden können. Dabei sind hauptsächlich portable Ausführungen von Interesse, die deshalb als Energieversorgung eine Batterie oder einen Akkumulator benötigen. Es gibt aber auch sog. Tischgeräte für den stationären Betrieb mit Netzversorgung.

Multimeter

Die Idee des Multimeters basiert auf der Erkenntnis, dass viele Messfunktionen auf eine Spannungsmessung zurückgeführt werden können oder dieselbe Anzeige verwendbar ist. Dabei spielt es grundsätzlich keine Rolle, ob es sich um eine analoge oder digitale Anzeige handelt.

Für Multimeter gelten folgende Messfunktionen als Mindestausstattung:

  • Spannung (Gleichspannung, Wechselspannung)
  • Strom (Gleichstrom, Wechselstrom)
  • Widerstand

Für Gleichspannung bzw. Gleichstrom wird häufig die Abkürzung DC [direct current] (Gleichstrom) verwendet, bei Wechselspannung bzw. Wechselstrom ist es AC [alternating current] (Wechselstrom). Die Leistungsfähigkeit eines Multimeters ist aus dessen Datenblatt ersichtlich. Dabei muss allerdings berücksichtigt werden, dass mehr Funktionen im Regelfall auch höhere Kosten verursachen.

Multimeter können auch für Pegelmessungen verwendet werden, wenn sie entsprechend kalibriert und für die gewünschten Frequenzen ausgelegt sind. Neben dem Messvorgang sind mit Multimetern meistens auch Prüfvorgänge möglich. Folgende Funktionen sind typisch:

  • Durchgangstest
  • Diodentest
  • Transistortest
  • Logiktest

Es handelt sich dabei um die Bereitstellung und Auswertung definierter Prüfsignale.

Oszilloskope

Jeder Messwert gilt jeweils nur für einen bestimmten Zeitpunkt. Bei zeitabhängigen Veränderungen reichen die zum Beispiel von Multimetern bekannten analogen oder digitalen Anzeigen nicht aus. Abhilfe bietet die Verwendung von Bildschirmen [display], auf denen wegen der verfügbaren zwei Dimensionen Zeitfunktionen in überschaubarer Form dargestellt werden können. Dafür sind Elektronenstrahlröhren [cathode-ray tube (CRT)] bestens geeignet, wenn auch inzwischen Flachbildschirme mit Hilfe anderer Technologien realisierbar sind.

Aus den Grundlagen der Elektrotechnik ist bekannt, dass in einem elektrischen Feld auf eingebrachte Ladungsträger Kräfte ausgeübt werden. Bei einem homogenen Feld zwischen zwei ebenen Platten erfolgt die Ablenkung eines Elektronenstrahls abhängig von Richtung und Stärke des Felds. Die Ablenkrichtung ist unmittelbar von der Polarität der Spannung abhängig, die das Feld hervorruft. Der Ablenkweg wird dagegen vom momentanen Spannungswert bestimmt, weil die Spannung mit der elektrischen Feldstärke direkt verknüpft ist. Jede gewünschte Ablenkung des Elektronenstrahls ist deshalb mit Hilfe einer entsprechenden Spannung möglich (Bild 1).

Bild 1 Ablenkung im elektrischen Feld [Felderhoff S. 207]

In einer Elektronenstrahlröhre gibt es stets zwei Paar der beschriebenen Ablenkplatten (Bild 2). Sie sind um 90 Grad gegeneinander versetzt angebracht. Die durch angelegte Spannungen hervorgerufenen Kraftfelder überlagern sich in ihren Wirkungen. Damit kann der Elektronenstrahl zu jedem beliebigen Punkt zwischen der Plattenanordnung abgelenkt werden. Das Resultat ist auf dem Bildschirm sichtbar, wo die Leuchtstoffschicht auf der Innenseite für eine gewisse Nachleuchtdauer angeregt wird. Die Helligkeit [brightness] des Bildes ist durch die Strahlstromstärke einstellbar.

Bild 2 Ablenkplatten in Elektronenstrahlröhre [Felderhoff S. 207]

Damit die Ablenkung des Elektronenstrahls eindeutig beschrieben werden kann, weisen alle Bildschirme von Oszilloskopen eine Rasterteilung auf. Üblich ist ein Messfeld von 8 cm × 10 cm mit Feinunterteilungen der Mittellinien in 2-mm-Schritten (Bild 3). Durch Anwendung elektrostatischer Fokussierung ergibt sich die Möglichkeit, dass der Elektronenstrahl einen scharfen Leuchtpunkt auf dem Bildschirm hervorruft.

Die Ablenkung des Elektronenstrahls und damit auch die Verschiebung des Leuchtpunkts in horizontaler (also waagerechter) Richtung wird als X-Ablenkung bezeichnet. Bei vertikaler (also senkrechter) Ablenkrichtung liegt Y-Ablenkung vor.

Bild 3 Messfeld auf Bildschirm [Felderhoff S. 207]

Analysatoren

Bei den hier betrachteten Oszilloskopen handelt es sich stets um Zeitbereichsdarstellung, also die Darstellung des Messsignals in Abhängigkeit von der Zeit. Damit sind jedoch nicht alle Bedürfnisse der Messtechnik erfüllbar. Deshalb gibt es auch Spektrumanalysatoren, mit denen unmittelbar Frequenzfunktionen darstellbar sind. Es handelt sich also um Frequenzbereichsdarstellung.

Aus der Digitaltechnik ergab sich der Bedarf, die Funktionen logischer Schaltungen auch bei dynamischem Betrieb messen und prüfen zu können. Bedingt durch die Laufzeiten in den einzelnen Schaltungen (z.B. Gattern) ist ein Vergleich der Zeitunterschiede wichtig, weil bei zu großen Abweichungen die bestimmungsgemäße Funktion von Schaltungen nicht mehr gewährleistet ist. Diese Datenbereichsdarstellung lässt sich mit Logikanalysatoren realisieren. Dabei handelt es sich um die gleichzeitige Darstellung mehrerer digitaler Signale, so dass präzise Vergleiche zwischen diesen Zeitfunktionen möglich sind.

Auszug aus
Rainer Felderhoff

Elektrische und elektronische Messtechnik

05/2015, 420 Seiten, € 23,99
ISBN: 978-3-446-44604-5
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