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n Physikalische Messtechnik mit Sensoren6. Auflage

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Die Autoren der sechsten AuflageProfessor Dr. Johannes Niebuhr, Hochschule Ravensburg-WeingartenProfessor Dr. Gerhard Lindner, Hochschule Coburg

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© 2011 Oldenbourg Industrieverlag GmbHRosenheimer Straße 145, D-81671 MünchenTelefon: (089) 45051-0www.oldenbourg-industrieverlag.de

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Redaktion: Anne HütterSatz: le-tex publishing services GmbHHerstellung: Annika Böning Druck/Bindung: B.O.S.S Druck und Medien GmbH, GochGedruckt auf säure- und chlorfreiem Papier

ISBN 978-3-8356-3151-9

Oldenbourg Industrieverlag München

Physikalische Messtechnik mit Sensoren

6., aktualisierte Auflage

vonProfessor Dr. Johannes Niebuhr undProfessor Dr. Gerhard Lindner

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V

Inhalt

Vorwort XI

1 Einleitung 11.1 Einführung in die Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.1 Bedeutung der Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.2 Grundbegriffe der Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.3 Struktur einer Messeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.1.4 Beispiel für eine Messeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.1.5 Anwendungen von Sensoren im Kraftfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2 Eigenschaften von Messgeräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.2.1 Übertragungsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.2.2 Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.2.3 Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.3 Grundlagen aus der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3.1 Spannungsquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3.2 Stromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.3.3 Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.3.4 Tiefpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.3.5 Hochpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.3.6 Komplexe Impedanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.3.7 Bandpass. Impulsformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2 Analog-Messgeräte 342.1 Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.1.1 Arbeitsweise von Operationsverstärkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.1.2 Elektrische Kenngrößen von Operationsverstärkern . . . . . . . . . . . . . . . . 392.1.3 Dynamisches Verhalten von Operationsverstärkern . . . . . . . . . . . . . . . . 402.1.4 Hersteller-Daten von Operationsverstärkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.2 Einfache Messschaltungen mit Operationsverstärkern . . . . . . . . . . . . . . . 442.2.1 Invertierende Schaltung zur Strom- und Spannungsmessung . . . . . . . . . . . 442.2.2 Nichtinvertierende Schaltung zur Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . 502.2.3 Spannungsausgang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.2.4 Verstärker als Integrator oder Tiefpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.3 Verstärker für die Messsignalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.3.1 Addierer. Subtrahierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.3.2 Differenzverstärker. Instrumentenverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

VI Inhalt

2.3.3 Spannungsgesteuerte Stromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642.3.4 Einfluss von Störgrößen auf das Messsignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662.3.5 Rauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722.3.6 Trägerfrequenz-Verfahren. Lock-in-Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752.3.7 Übertragung von analogen Messsignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3 Digital-Messgeräte 813.1 Grundschaltungen für die Digitaltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.1.1 Bistabile Kippglieder (Flipflops) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.1.2 Komparator. Schwellenwertschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853.1.3 Monostabile und astabile Kippschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883.2 Zähler für Ereignisse, Zeit oder Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.2.1 Messglieder des Universalzählers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.2.2 Anwendungen elektronischer Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973.3 Analog-Digital-Umsetzer für zeitliche Mittelwerte . . . . . . . . . . . . . . . . 1013.3.1 AD-Umsetzer nach dem Dual-Slope-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023.3.2 Spannungs-Frequenz-Umformer. Frequenz-Spannungs-Umformer . . . . . . . . 1043.3.3 Dämpfen von Störwechselspannungen durch Integration . . . . . . . . . . . . . 1083.4 Analog-Digital-Umsetzer für den Augenblickswert . . . . . . . . . . . . . . . . 1103.4.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1103.4.2 Abtast- und Haltekreis. Sample and Hold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1133.4.3 DA-Umsetzer für die Rückführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1173.4.4 AD-Umsetzer mit sukzessiver Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1213.4.5 Sigma-Delta-AD-Umsetzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1233.4.6 Kenngrößen von DA- und AD-Umsetzern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1253.4.7 Hersteller-Daten für AD-Umsetzern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1283.5 Mikrocomputer in der Sensor-Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1293.5.1 Aufbau und Funktionsweise von Mikrocomputern . . . . . . . . . . . . . . . . . 1303.5.2 Anwendung von Mikrocontrollern in Messsystemen . . . . . . . . . . . . . . . 1353.5.3 Übertragung von digitalen Messsignalen mittels Feldbus . . . . . . . . . . . . . 137

4 Sensoren aus passiven elektrischen Messgliedern 1424.1 Anpassungsschaltungen für Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1424.1.1 Grundgleichungen für die Messbrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1424.1.2 Abgleich-Messbrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1454.1.3 Ausschlag-Messbrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1484.1.4 Messen durch Stromeinprägen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1494.2 Widerstände als Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1524.2.1 Elektrische Leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1524.2.2 Abhängigkeit von der Kontaktstellung. Potentiometer . . . . . . . . . . . . . . . 1534.2.3 Abhängigkeit von der Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1544.2.4 Messen der Temperatur mit Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1574.2.5 Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke. Photowiderstand . . . . . . . . . . . . 1664.2.6 Abhängigkeit von Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1684.2.7 Messen mit Dehnungsmessstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1714.2.8 Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte. Magnetowiderstand . . . . . . 177

Inhalt VII

4.2.9 Abhängigkeit von der Ionenkonzentration in Elektrolyten. Konduktometrie . . . 1824.2.10 Halbleiter-Gassensoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1844.3 Kondensatoren als Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1864.3.1 Anpassungsschaltungen für Kapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1874.3.2 Abhängigkeit von der Elektrodenfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1904.3.3 Abhängigkeit vom Dielektrikum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1924.3.4 Abhängigkeit vom Elektrodenabstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1944.4 Drosselspulen als Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1964.4.1 Magnetischer Kreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1964.4.2 Induktive Weg- und Positions-Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1984.4.3 Anpassungsschaltungen für Drosselspulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

5 Sensoren mit Spannung als Messsignal 2095.1 Thermoelektrische Effekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2095.1.1 Seebeck-Effekt. Peltier-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2095.1.2 Temperaturmessung mit Thermoelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2125.1.3 Diode als Temperatursensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2155.2 Elektrochemische Spannung. Potentiometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2195.2.1 pH-Messkette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2195.2.2 Ionenselektive Elektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2245.2.3 Redox-Elektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2255.2.4 Gassensitive Elektroden. Lambda-Sonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2265.2.5 Ionensensitive Feldeffekt-Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2315.3 Magnetisch-induktive Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2335.3.1 Lorentzkraft. Induktionsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2335.3.2 Impulsgeber. Drehzahlmesser. Tachogenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2345.3.3 Magnetisch-induktiver Durchflussmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2385.3.4 Hall-Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2395.3.5 Differentialtransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2445.3.6 Magnetoelastischer Kraftmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2455.3.7 Anwendungen der Tauchspule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

6 Sensoren mit Strom oder Ladung als Messsignal 2486.1 Photoelektrischer Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2486.1.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2496.1.2 Photoelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2586.1.3 Photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2606.1.4 Phototransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2646.1.5 CCD und Aktiv-Pixel CMOS Bildsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2656.1.6 Photozelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2706.1.7 Photovervielfacher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2716.2 Ionisation durch energiereiche Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2736.2.1 Ionisierende Strahlung, Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2746.2.2 Wechselwirkung von ionisierender Strahlung mit Materie . . . . . . . . . . . . . 2796.2.3 Ionisationskammer. Zählrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2856.2.4 Szintillationsdetektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

VIII Inhalt

6.2.5 Halbleiter-Detektor für ionisierende Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2956.3 Konzentrationsbestimmung durch den Grenzstrom. Amperometrie . . . . . . . . 3076.3.1 Flammen-Ionisations-Detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3076.3.2 Amperometrie mit flüssigen Elektrolyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3086.3.3 Amperometrische Sauerstoff-Sensoren mit Festkörper-Ionenleiter . . . . . . . . 3126.4 Piezoelektrischer und pyroelektrischer Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3136.4.1 Piezoelektrische Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3136.4.2 Pyroelektrische Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

7 Messumformung in nichtelektrischen Systemen 3217.1 Optische Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3217.1.1 Grundlagen der spektralen Extinktionsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3227.1.2 Messen der Ionenkonzentration in Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3257.1.3 Messen von Stoffkonzentrationen in Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3267.1.4 Lichtwellenleiter als Sensoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3387.2 Ultraschall-Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3437.2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3447.2.2 Abstandsmessung. Wegmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3497.2.3 Geschwindigkeitsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3537.2.4 Ultraschall-Strömungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3557.2.5 Messung der Zusammensetzung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen . . . . . . 3607.2.6 Messtechnische Anwendungen von akustischen

Oberflächenwellen-Übertragungsstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3647.3 Thermische Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3677.3.1 Wärmeleitung in Gasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3677.3.2 Wärmetönung bei katalytischer Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3697.4 Resonatoren als Messaufnehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3717.4.1 Harmonisch schwingende Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3727.4.2 Abhängigkeit von der Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3787.4.3 Abhängigkeit von der Federkonstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3827.4.4 Abhängigkeit von der Dämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3837.4.5 Abhängigkeit von einer äußeren Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3847.4.6 Resonatoren zur Messung von kinematischen Größen . . . . . . . . . . . . . . . 3867.4.7 Coriolis-Sensoren zur Massendurchfluss-Messung . . . . . . . . . . . . . . . . 3927.4.8 Coriolis-Sensor als Gyrometer im Kraftfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

8 Messen mechanischer und thermischer Größen 3988.1 Länge. Dicke. Winkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3998.1.1 Messung von Abstand, Weg und Winkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3998.1.2 Dickenmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4008.1.3 Schichtdickenmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4038.1.4 Abstands- und Dimensionsmessung im Nanometer-Bereich . . . . . . . . . . . . 4068.2 Dehnung. Kraft. Druck. Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4088.2.1 Dehnungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4088.2.2 Messung von Kraft, Masse und Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4098.2.3 Druckmessung im Bereich über 1 mbar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411

Inhalt IX

8.2.4 Druckmessung im Vakuumbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4138.3 Kinematische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4178.3.1 Messen von Schwingbewegungen und Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . . 4178.3.2 Messen von Drehzahl und Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4188.4 Durchfluss. Viskosität. Füllstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4198.4.1 Messen von Durchfluss und Strömungsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . 4198.4.2 Viskositätsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4298.4.3 Füllstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4348.5 Temperatur. Luftfeuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4378.5.1 Grundlagen der Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4378.5.2 Berührungsthermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4388.5.3 Strahlungsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4388.5.4 Strahlungsthermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4438.5.5 Besondere Temperaturmessverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4538.5.6 Luftfeuchte-Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

9 Messen von Stoffkonzentrationen 4619.1 Stoffkonzentrationen in Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4619.1.1 Regelungen zur Begrenzung luftfremder Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4619.1.2 Messverfahren für Fremdgase aus dem VDI-Handbuch „Reinhaltung der Luft“ 4619.1.3 Weitere Verfahren für die Gasanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4649.1.4 Staubmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4689.2 Stoffkonzentrationen in Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4729.2.1 Regelungen zur Begrenzung von Wasserinhaltsstoffen . . . . . . . . . . . . . . 4729.2.2 Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung 4739.2.3 Verfahren zur Prozessanalyse von wässrigen Lösungen . . . . . . . . . . . . . . 4759.3 Stoffkonzentrationen in biologischen Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . 4759.3.1 Funktionsweise und Aufbau von Biosensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4759.3.2 Ausführungsformen und Anwendungen von Biosensoren. . . . . . . . . . . . . 477

Literaturverzeichnis 481

Sachwortverzeichnis 491

Vorwort XI

Vorwort zur dritten Auflage

Dieses Buch ist aus einer Vorlesung über Meß- und Sensortechnik für Ingenieur-Studenten an der Fachhochschule Ravensburg-Weingarten hervorgegangen und wen-det sich an Studierende der Physikalischen Technik, Verfahrenstechnik, Elektrotechnikund des Maschinenbaus. Es ist aber auch als Nachschlagewerk für Ingenieure und Phy-siker in der Praxis gedacht, weil es einen systematischen Überblick über Prinzipienund Verfahren zum Messen physikalischer und chemischer Größen bietet.

Die vorliegende 3. Auflage ist vollkommen neu bearbeitet. Sie berücksichtigt die ak-tuelle Entwicklung in der Meßtechnik, die gekennzeichnet ist durch die Anwendungvon elektronischen Bauelementen, integrierten Schaltungen und Mikroprozessoren.Zunehmende Bedeutung erlangen dabei integrierte Meßaufnehmer, die Sensoren, indenen die Meßumformung von der zu messenden Größe in ein elektrisches Meßsi-gnal und oft auch die Aufbereitung dieses Signals zur weiteren Verarbeitung erfolgt.Deshalb wurde dieser Begriff in den Buchtitel aufgenommen. Die Darstellung derSensortechnik orientiert sich dabei an den jeweils zugrundeliegenden physikalischenEffekten und kann somit auch Anregung geben für weitere Anwendungen dieser Ef-fekte in neuartigen Sensoren. An manchen Stellen sind auch entsprechende Beispieleaus eigenen Entwicklungen aufgenommen worden.

Der Aufbau des Buchs hat zweierlei zum Ziel: Als Lehrbuch führt es von den Grund-lagen der Meßtechnik über die analoge und digitale Meßsignalverarbeitung zu denMeßverfahren und entsprechenden Sensoren. Dabei werden Grundkenntnisse in Ma-thematik, Physik, Elektrotechnik und Elektronik vorausgesetzt. DurchgerechneteÜbungsbeispiele verdeutlichen die allgemeinen Aussagen und Formelzusammenhän-ge an Hand von konkreten Zahlenwerten. Als Nachschlagewerk eignet sich das Buchinsbesondere wegen seines systematischen Aufbaus. In den Kap. 4 bis 7 sind dieMeßverfahren nach den physikalischen Effekten geordnet, die zur Meßumformungangewandt werden. In Kap. 8 dagegen sind die Meßverfahren nach der Meßgrößegeordnet und teilweise in Übersichtsbildern zusammengestellt. Ferner enthält das Li-teraturverzeichnis auch die entsprechenden VDI/VDE-Richtlinien und DIN-Normen.Für den eiligen Leser sind bei jeder Formel die verwendeten Formelzeichen erklärt.

Die Auswahl der Meßgrößen orientierte sich an ihrer Bedeutung insbesondere in derProduktions- und Verfahrenstechnik, in der Umwelt- und Prozeßanalytik sowie beider Anwendung von Sensoren. Wiederum sind nur Meßverfahren beschrieben, dietechnisch realisiert wurden und für die Herstellung von Sensoren praktische Bedeu-tung besitzen. Nicht aufgenommen wurden hingegen Verfahren, die spezielle stati-onäre Meßanlagen erfordern, z. B. Röntgenanlagen, Teilchenbeschleuniger oder Laser-Spektrometer.

Neben dem Studium der Literatur und eigenen Entwicklungsarbeiten haben uns Ge-spräche mit Mitarbeitern, Fachkollegen und Herstellerfirmen von Meßgeräten und Sen-soren sehr geholfen, wofür wir an dieser Stelle herzlich danken wollen. Unser beson-

XII Vorwort

derer Dank gilt Frau Dipl.-Biol. Gabriele Lindner für die Herstellung der Abbildungen,Tabellen und der Druckvorlage des Manuskripts sowie Herrn Dipl.-Ing. (FH) JörgDrissner und Frau Dipl.-Ing. (FH) Susanne Kaminski für ihre Mitwirkung bei derFormatierung des Textes.

Herbst 1993

Vorwort zur vierten Auflage

In der vorliegenden Neuauflage wird die Konzeption und der Aufbau des Buchs un-verändert beibehalten; der Inhalt wurde allerdings an einigen Stellen aktualisiert undergänzt. Dies betrifft insbesondere die VDI/VDE-Richtlinien und DIN-Normen, beidenen jeweils auf die neueste Fassung Bezug genommen wird. Für den eiligen Leserhaben wir die Tabellen zur Übersicht über Verfahren der Messung von Stoffkonzentra-tionen in Luft, Abgas und Wasser erweitert und aktualisiert. Das Literaturverzeichniswurde ebenfalls überarbeitet. Im Hinblick auf das ab 1996 zu berücksichtigendeGesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten (EMV) wurde dieBehandlung der Störfestigkeit von Sensoren erweitert und vertieft. Weiterhin wur-de wegen der wachsenden Bedeutung für die Automatisierungstechnik eine knappeDarstellung des Anschlusses von Sensoren an Feldbus-Systeme neu aufgenommen.Überarbeitet und ergänzt wurde ferner die Behandlung der Temperaturmessung überden thermoelektrischen Effekt, der potentiometrischen und amperometrischen Mes-sung von Ionenkonzentrationen in Flüssigkeiten und von Sauerstoff in Luft und Abgas,von Lichtwellenleiter-Sensoren und von Coriolis-Massendurchfluß-Sensoren. Aktuel-len Entwicklungen in der Sensortechnik wurde mit einem neu aufgenommenen Kapitelüber Biosensoren Rechnung getragen.

Erfahrungen aus entsprechenden Lehrveranstaltungen an den Fachhochschulen Ra-vensburg-Weingarten und Coburg sowie an der Universität Konstanz waren einewertvolle Hilfe bei der Überarbeitung des Buchs. Wiederum haben Gespräche mitFachkollegen und Herstellerfirmen von Meßgeräten und Sensoren hilfreiche Anregun-gen für die Neuauflage ergeben, wofür herzlicher Dank abgestattet wird. Bei FrauDipl.-Biol. Gabriele Lindner bedanken wir uns wiederum für die Überarbeitung derAbbildungen, Tabellen und der Druckvorlage des Manuskripts.

Herbst 1995

Vorwort zur fünften Auflage

In der Meß- und Sensortechnik ist weiterhin eine dynamische Entwicklung sowohlbei den zum Einsatz kommenden Verfahren und Technologien als auch bei denAnwendungen zu verzeichnen. Die vorliegende Neuauflage ist daher wiederum miteiner Aktualisierung des Inhalts verbunden, wobei die grundlegende Konzeption desBuchs beibehalten wurde.

Vorwort XIII

Der Aufbau wurde an einigen Stellen zur Verbesserung der Übersichtlichkeit neugeordnet. So wird die Zusammenstellung von Meßprinzipien und Meßverfahren nun-mehr auf zwei Kapitel aufgeteilt, die das Messen mechanischer und thermischerGrößen (Kap. 8) und das Messen von Stoffkonzentrationen (Kap. 9) zum Inhalthaben. Das Messen ionisierender Strahlung wird nunmehr in gestraffter Form inKap. 6 im Zusammenhang mit strom- oder ladungsliefernden Meßaufnehmern be-schrieben. Weiterhin wurde die Behandlung von Operationsverstärkern und ihrenAnwendungen in Meßschaltungen in Kap. 2 sowie von Analog-Digital-Umsetzernin Kap. 3 überarbeitet und jeweils um Hersteller-Angaben ergänzt. Neu aufgenom-men wurden außerdem Kapitel über Anwendungen von Sensoren im Kraftfahrzeug(1.1.5), Sigma-Delta-AD-Umsetzer (3.4.5), Coriolis-Sensoren als Gyrometer im Auto(7.4.8) und über Viskositätsmessung (8.4.2). Aktualisiert wurden ferner die Kapi-tel über Feldbus-Systeme (3.5.3), Magnetowiderstände (4.2.8), Hall-Sensoren (5.3.4),Coriolis-Sensoren zur Massendurchfluß-Messung (jetzt in Kap. 7.4.7) und über Bio-sensoren (9.3.2). Das stoffbezogene Verzeichnis von Gasanalyse-Verfahren (Kap.9.1.5) wurde ebenfalls neu gefaßt. Schließlich wurde das Literaturverzeichnis demaktuellen Stand angepaßt. Der Umfang des Buchs bleibt allerdings weitgehend un-verändert, da der Inhalt an einigen Stellen gestrafft werden konnte, z. B. durchHerausnahme von Verfahren oder Ausführungsformen, die in der Praxis nicht mehrvon Bedeutung sind.

Mit der Nennung von Hersteller-Firmen bei einzelnen Kapiteln und der Angabe ih-rer Internet-Adresse in einem neu eingerichteten Firmenverzeichnis wird dem Leserdie Möglichkeit eröffnet, weitergehende Informationen bei den Herstellern abzuru-fen und ggf. dort auch Bestellungen vornehmen zu können. Stattdessen wird auf dieAngabe der Bezugsquellen von Datenbüchern und Applikationsschriften im Litera-turverzeichnis verzichtet. Die Auswahl der Hersteller erfolgte nach dem derzeitigenInformationsgehalt ihrer Internet-Seiten; insofern ist mit diesen Angaben kein An-spruch auf Vollständigkeit verbunden.

Wiederum haben Lehrveranstaltungen an der Fachhochschule Coburg und an der Uni-versität Konstanz sowie Gespräche mit Fachkollegen, Herstellern und Anwendern vonMeßgeräten und Sensoren wertvolle Anregungen für die Neuauflage ergeben. Wichtigwar für uns auch der Kontakt zum Institut für Mikrosystemtechnik der UniversitätFreiburg, speziell zu den Lehrstühlen für Sensoren und Mikrooptik. Für das alles be-danken wir uns herzlich. Unser Dank gilt ferner Frau Dipl.-Biol. Gabriele Lindner fürdie Überarbeitung der Abbildungen sowie dem Verlag für die ansprechende Neuge-staltung des Layouts.

Freiburg und Coburg Johannes Niebuhr undGerhard Lindner

XIV Vorwort

Vorwort zur sechsten AuflageDie ungebrochene Dynamik der Entwicklung in der Mess- und Sensortechnik erforder-te wiederum eine umfassende Aktualisierung des Inhalts der vorliegenden Neuauflage.So haben sich mikroelektromechanische Sensoren (MEMS) auf Silizium-Basis aufbreiter Front in Massenmärkten durchgesetzt, z. B. als Druck- oder Beschleuni-gungssensoren in der Automobiltechnik. Auch die Nanotechnologie hat z. B. inForm magnetoresistiver Sensoren auf der Basis des Riesenmagnetowiderstands(GMR-Effekt, Nobelpreis für Physik 2007 für Fert und Grünberg) Einzug in die indu-strielle Anwendung gefunden. Bei allen Änderungen im Detail wurde allerdings dieGrundkonzeption des Buchs mit zahlreichen Beispielen und der Nennung von Her-stellerfirmen im direkten Bezug zu den zuvor beschriebenen Sensoren beibehalten.Die Beifügung einer CD ermöglichte es, detaillierte Tabellen aus dem Kapitel 9 zurMessung von Stoffkonzentrationen sowie das Firmenverzeichnis mit den jeweiligenInternet-Adressen nun in digitaler Form zur Verfügung zu stellen und damit den Um-fang des Buchs trotz zahlreicher Ergänzungen nicht wesentlich ansteigen zu lassen.Zahlreiche Anregungen für die Neuauflage sind aus Forschungs- und Entwicklungsar-beiten des in den letzten Jahren aufgebauten Instituts für Sensor- und Aktortechnik(ISAT) der Hochschule Coburg und den entsprechenden Kooperationen mit Part-nerfirmen hervorgegangen. Auch die Lehrveranstaltungen zur Sensortechnik an derHochschule Coburg und an der University of Shanghai for Science and Technology,insbesondere im Rahmen des deutsch-chinesischen Master-Studiengangs „AnalyticalInstruments, Measurement and Sensor Technology (AIMS)“, haben Anstöße für dieÜberarbeitung gegeben. Auch die wissenschaftlichen Kontakte zu Fachkollegen, z. B.im Rahmen der Veranstaltungen des A.M.A. Fachverbands für Sensorik oder des jähr-lich vom ISAT veranstalteten „Workshop on Novel Developments and Applicationsof Sensors“ haben dazu beigetragen, die Hand am Puls der aktuellen Entwicklungenzu halten. Große Unterstützung bei der fachlichen Überarbeitung und der Herstel-lung des Manuskripts habe ich von meinem Kollegen Prof. Dr. Martin Springer undvon Mitarbeitern des Instituts für Sensor- und Aktortechnik erfahren, insbesonde-re von Dipl.-Ing. (FH) Sebastian Stich, M. Eng., Dipl.-Ing. (FH) Rudolf Braun, M.Eng., Dipl.-Ing. (FH) Lars Meisenbach, Sebastian Haaf und Stephan Vater sowie vonDipl.-Des. (FH) Claudia Hamperl, die zahlreiche neu hinzugekommene Abbildungenangefertigt hat. Für dieses Engament sei an dieser Stelle herzlicher Dank abgestattet!Dank gilt auch dem Oldenbourg Industrieverlag, insbesondere Frau Anne Hütter, fürdie anhaltende Unterstützung dieses Lehrbuchs.

Coburg, Juni 2011 Gerhard Lindner

1

1 Einleitung

1.1 Einführung in die Messtechnik

1.1.1 Bedeutung der MesstechnikMessen mit Sensoren. Das Messen, also das quantitative Ermitteln einer Größe unterAnwendung mathematischer Methoden, spielt bei der Entwicklung von Naturwis-senschaft und Technik eine zentrale Rolle. Dementsprechend hat die Messtechnikin nahezu allen Bereichen unserer modernen Zivilisation tragende Bedeutung er-langt, sei es in Forschung und Entwicklung, in der industriellen Produktion beiProzessautomatisierung oder Qualitätssicherung, in der Verkehrstechnik bei Kraft-fahrzeugen, Flugzeugen oder Eisenbahnen oder in der Medizin und im Umwelt-schutz. Dieses Buch behandelt das Messen physikalischer Größen unter Verwendungvon Sensoren, in denen ein von der Messgröße abhängiges elektrisches Messsi-gnal erzeugt wird. Das Messsignal wird in analoger oder digitaler Form ausgege-ben und kann bereits im Sensor für die weitere Verarbeitung aufbereitet werden,z. B. für eine Anzeige, zur Übergabe an einen Computer oder an einen Reglerzur Ansteuerung von Aktoren. Wichtige Anwendungsgebiete solcher Sensoren, beidenen sie in großen Stückzahlen eingesetzt werden, sind die Automatisierungs-technik, die Kraftfahrzeugtechnik und die Haushaltstechnik. Die größten Umsätzewerden mit Sensoren zum Messen von Gas- und Flüssigkeits-Durchfluss, Druck,Geschwindigkeit und Drehzahl, Stoffkonzentration, Füllstand, Temperatur und Po-sition erzielt. Mit der zunehmenden Leistungsfähigkeit von mikroelektronischenBauelementen und Mikrocomputern wachsen auch die Einsatzmöglichkeiten von Sen-soren.

Anforderungen an Sensoren. Ausgangspunkt der Darstellung dieses Buchs sindjeweils die physikalischen Effekte, auf denen die Messumformung im Sensor be-ruht. Bei der Messung der Bestrahlungsstärke mit einem Photoelement ist dasbeispielsweise der innere photoelektrische Effekt im Halbleiter. Mit Hilfe der mo-dernen elektronischen Möglichkeiten zur Unterdrückung störender Einflusseffekteund der Erfassung und Filterung schwacher und verrauschter Messsignale kön-nen weit über hundert derartiger Effekte messtechnisch genutzt werden. Dement-sprechend hohe Anforderungen hinsichtlich der Ausschaltung oder Unterdrückungvon Störgrößen gelten für Sensoren, die in einem widrigen Umfeld zuverlässig

2 1 Einleitung

arbeiten sollen. Beim Kraftfahrzeug gilt das beispielsweise hinsichtlich Tempera-turschwankungen (�40 ıC bis 150 ıC) oder hoher Betriebstemperaturen (für dieLambdasonde in der Abgasanlage ca. 700 ıC), Feuchte (Kondenswasser, Spritzwas-ser), aggressive Flüssigkeiten (Batteriesäure, Kraftstoff, Bremsflüssigkeit, salzhaltigesSpritzwasser), Vibrationen oder elektromagnetische Störfelder (z. B. im Bereich derZündanlage eines Ottomotors). Von der Anwenderseite wird eine zunehmende Mi-niaturisierung der Sensoren und Integration verschiedener elektronischer Messgliederin einem Sensor-Baustein gefordert; dadurch wächst die Bedeutung von Halbleiter-,Dickschicht- und Dünnschicht-Technologien bei der Sensor-Herstellung. Die Elek-tronik wiederum soll eng mit dem mechanischen Teil des Aufnehmers verbundensein, z. B. mit einer Differentialdrossel zur Positionsmessung oder mit einem Kon-densator zur Druckmessung. Die Mechatronik umfasst diese enge Verknüpfung vonMechanik mit Elektronik und der zugehörigen Ansteuerungs- und Auswertungs-Software.

Aufbau des Buchs. Der Aufbau erfolgte nach praktischen Gesichtspunkten: Zunächstwerden in Kapitel 1 die Grundbegriffe des Messens und speziell der elektrischenMesstechnik erläutert, bevor in Kapitel 2 und 3 auf die analoge bzw. digitale Messsi-gnalverarbeitung eingegegangen wird. Die Kapitel 4 bis 7 beschreiben verschiedeneArten der Messumformung von physikalischen Messgrößen in elektrische Messsigna-le, die jeweils nach den zugrundeliegenden physikalischen Effekten geordnet sind. Inden Kapiteln 8 und 9 hingegen sind Messverfahren nach der Messgröße geordnet zu-sammengestellt. Hier kann sich der Anwender einen Überblick über Messprinzipienund Messverfahren verschaffen, die zur Lösung eines bestimmten Messproblems inFrage kommen, wobei jeweils auf die in den Kapitel 4 bis 7 dargelegten Grundlagenverwiesen wird. Eine weitere Vertiefung soll das knapp gehaltene Literaturverzeich-nis am Ende des Buchs ermöglichen, das nach den einzelnen Kapiteln geordnet ist.Im Firmenverzeichnis findet man Internet-Adressen von Firmen, die zum jeweili-gen Kapitel Angaben machen, und zwar über technische Daten, die Arbeitsweiseund Anwendungsbeispiele für Sensoren und elektronische Schaltungen. Hinsichtlichweitergehender, z. B. für Beschaffungszwecke benötigter Informationen wird auf dieSuchmaschinen im Internet verwiesen.

Anwendungsbeispiel: Prozessautomatisierung. Wichtige Voraussetzung für dieAutomatisierung ist das Messen von Prozessparametern wie Temperatur, Druck,Durchfluss, Gewichtskraft, Stoffkonzentration, Position oder Drehzahl. Auf Grunddes vom Sensor gemessenen Wertes kann der Istwert eines Prozessparameters mitdem Sollwert verglichen und über den Aktor ein Stellglied betätigt werden. Bei einemautomatisierten Prozess wird nach einem Ablaufschema der Sollwert vorgegeben undfür die Übereinstimmung von Ist- und Sollwert gesorgt. Dafür erforderliche Kompo-nenten zeigt Bild 1.1.1. Die Bedeutung von Sensoren für das Steuern und Regeln vonProzessen im Kraftfahrzeug wird in Kap. 1.1.5 dargestellt.

1.1 Einführung in die Messtechnik 3

Bild 1.1.1: Komponenten einer Einrichtung zum Messen und Regeln von Prozessgrößen. MUX Multi-plexer, S/H Abtast- und Halteglied (Sample and Hold), A/D Analog-Digital-Umsetzer.

1.1.2 Grundbegriffe der MesstechnikDie für die Messtechnik relevanten Begriffe und Definitionen sind in DIN 1319festgelegt. Hierauf baut die folgende Darstellung auf.

Messen. Eine Messung hat das Ziel, den wahren Wert einer physikalischen Größe,der Messgröße, zu ermitteln. Mit Hilfe einer Messvorrichtung bzw. einem Messgerä-te wird diesbezüglich ein Messwert gewonnen, der als Produkt von Zahlenwert undEinheit angegeben wird. Zur Realisierung der Einheiten dienen die Normale. FürDeutschland werden sie von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braun-schweig aufbewahrt. Davon abgeleitet sind die Bezugsnormale, Kontrollnormale undGebrauchsnormale. Messwerte sind immer mit Messabweichungen behaftet, die zu-fälliger oder systematischer Natur sein können. Durch diese Messabweichungen wirdeine Messunsicherheit hervorgerufen.

Messergebnis. Das Messergebnis setzt sich aus einem Näherungswert für den wah-ren Wert einer Messgröße, der durch Auswertung von Messwerten gewonnen wird,und der beigeordneten Messunsicherheit zusammen. Bei dieser Auswertung wer-den bekannte systematische Messabweichungen berücksichtigt und die Messwerteentsprechend korrigiert. Die Messunsicherheit ergibt sich aus unbekannten, aberreproduzierbaren systematischen Messabweichungen und aus zufälligen, nicht repro-duzierbaren Messabweichungen. Oft ist die Messgröße nicht direkt messbar, sondernaus mehreren messbaren Größen nach einer mathematischen Beziehung zu bestimmen.Dann übertragen sich die in den Messergebnissen der einzelnen messbaren Größenenthaltenen Messunsicherheiten auf das Messergebnis der gesuchten Messgröße.

4 1 Einleitung

Messgegenstand. Der Träger der Messgröße heißt Messgegenstand oder Messobjekt,bei Gasen und Flüssigkeiten Messmedium.

Messort. Die Stelle, an der die Messgröße aufgenommen wird, heißt Messort. DieAusgabe und Auswertung des Messwerts kann weit vom Messort entfernt erfolgen.

Messprinzip. Der Messwert lässt sich oft auf verschiedene Art ermitteln. Das ver-wendete Messprinzip wird nach dem physikalischen Effekt benannt, mit dessen Hilfedie Messung durchgeführt wird. Die Temperatur kann z. B. nach dem Messprinzip desthermoelektrischen Effekts oder nach dem Messprinzip der Temperaturabhängigkeitdes elektrischen Widerstands gemessen werden.

Messverfahren. Eine Messung kann bei gleichem Messprinzip nach verschiedenenMessverfahren durchgeführt werden. Bei der Temperaturmessung nach dem Mes-sprinzip der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands wird z. B. einMessbrückenverfahren oder das Verfahren der Strom-Spannungs-Messung angewandt.

Messumformung. Das elektrische Messen nichtelektrischer Größen erfordert dasSteuern einer elektrischen Größe durch die Messgröße. Die dabei stattfindende Wand-lung der Energieform heißt Messumformung. Beim Messen der Temperatur über dieWiderstandsänderung eines Platin-Drahts findet z. B. ein Austausch von Wärme zwi-schen dem Messgegenstand und dem Platin-Draht statt. Nachdem sich das stationäreGleichgewicht eingestellt hat, ist der elektrische Widerstand dann ein Maß für dieTemperatur des Messgegenstands.

Messsignal. Messglieder. Die Messgröße wird nach der Messumformung durchein bestimmtes Messsignal dargestellt (z. B. durch den Widerstandswert). DiesesMesssignal muss in der Messeinrichtung weiter verarbeitet werden, und zwar imAllgemeinen in mehreren aufeinanderfolgenden Messgliedern, die zusammen eineMesskette bilden.

Signalparameter. Ein einziges Messsignal kann mehrere Messgrößen darstellen.Wird z. B. ein Ton durch ein Mikrophon in eine Wechselspannung umgeformt, sohat diese 2 Signalparameter, nämlich die Frequenz und die Amplitude. Die Frequenzenthält die Information über die Tonhöhe, die Spannungs-Amplitude die Informationüber die Lautstärke.

Analoges Messsignal. Es hat einen kontinuierlichen Wertebereich, der punktweisestetig den Werten der Messgröße zugeordnet ist. Das kann eine Spannungs- oderStromamplitude sein, oder auch die Frequenz oder Zeitdauer von Spannungspul-sen. Man spricht dann von amplitudenanalogen, frequenzanalogen bzw. zeitanalogenMesssignalen.