Multimeter: Worauf man beim Messen der Phase achten sollte

| Autor / Redakteur: Holm Chemnitzer * / Hendrik Härter

Kompaktes Messgerät: Isolierte Eingänge mit Farbkennzeichnung und die Kurvenformanzeige bieten Gewissheit bei der Signalzuordnung. Das Bild zeigt das bis 10 kHz arbeitende Phasenmultimeter SICO 2074 von Signal Concept mit Schutzhülle.
Kompaktes Messgerät: Isolierte Eingänge mit Farbkennzeichnung und die Kurvenformanzeige bieten Gewissheit bei der Signalzuordnung. Das Bild zeigt das bis 10 kHz arbeitende Phasenmultimeter SICO 2074 von Signal Concept mit Schutzhülle. (Bild: Signal Concept)

Phasenmessung ist keine Hexerei, jedoch sollte man sich einige Gedanken über die optimale Gerätewahl sowie ein verlässliches Messergebnis machen. Hilfe verspricht ein Phasenmesser im Taschenformat.

Die Vielfalt an portablen Phasenmessgeräten ist nicht so groß wie beispielsweise bei den Universalmultimetern. Letztere verfügen oft über keine Phasenmessbetriebsart. Die resultierende geringere Popularität dieser speziellen Messtechnik ist nicht ohne Folgen: Anwender eines Multimeters sind oft nicht vertraut mit möglichen Fehlerquellen und sich des praktischen Nutzens einer Phasenmessung nicht bewusst.

Geht es um die Analyse einer elektrischen Wechselgröße, wie Spannung oder Strom, erspart die Bestimmung weniger charakteristischer Werte oft das Hantieren größerer Datensätze oder Verlaufsbeschreibungen. Ein typisches periodisches Signal kann durch die Parameter Amplitude, Frequenz und – im Bezug zu einem Vergleichssignal – durch die Phase wesentlich bestimmt werden. Zur vollständigen Signalbeschreibung hilft noch die Kurvenform, was zu einer spektralen Darstellung inspiriert.

Der Phasenwinkel – nicht ohne Verwirrung!

Sollen die fundamentalen Werte Amplitude und Frequenz bestimmt werden, so ist keine aufwendige Signalverarbeitung notwendig und messtechnisch kann der Anwender hierfür ein einfaches Multimeter verwenden. Sollen mehrere und von einer gemeinsamen Quelle stammende Signale gemessen werden, gibt die Phasenbestimmung viel Aufschluss über fehlerhaftes Systemverhalten, Parametereinstellungen oder auch Leitungszuordnungen. Eine gemeinsame Quelle ist Grundlage für Frequenzgleichheit der Signale und damit für eine sinnvolle Phasenmessung.

Anders als bei der Bestimmung einer Spannung lauern bei der Phasenmessung tückische Verwechslungsmöglichkeiten. Während zu Frequenz- oder RMS-Messungen gern unbesorgt nach zwei farbgleichen Laborleitungen gegriffen wird, ist der Hang nach zweifarbiger Leitungswahl bei einer DC-Spannungsmessung begründet höher. Die Lust auf Farbenvielfalt bei einer Phasenmessung hingegen macht sich bezahlt.

Ein kleines Beispiel soll unscheinbare Fehlerquellen verdeutlichen. Die typischen 120 Grad zwischen den Potenzialen, Leitungen oder Transformatorwicklungen eines Dreiphasensystems sind vermeintlich rasch bestimmt. Gegenüber der korrekten Wahl der vier Anschlüsse täuscht ein Phasenmesser bei Verpolung eines Eingangspaares einen Winkel von -60 Grad vor, vertauscht man beide Anschlusspaare, zeigt das Messgerät trügerische -120 Grad. Noch schlimmer: Sind Verpolung und vertauschte Anschlusspaare kombiniert, dann zeigt das Messgerät scheinbare 60 Grad.

Falsche Messwerte und elektrische Gefahr

Verfügt das Phasenmessgerät über eine sehr sinnvolle Umschaltmöglichkeit zwischen Halb- und Vollkreisdarstellung (-180° .. 180° / 0° .. 360°), wird das Wirrwarr mit zusätzlichen falschen 240 Grad beziehungsweise 300 Grad vollendet. Durch versehentliche Fehlzuordnungen der vier Leitungen entstünden darüber hinaus eine Reihe weiterer falscher Messwerte, die allesamt durch Wissen und Achtsamkeit auf Seiten des Nutzers zu mindern oder, wo möglich, mit speziellen vierpoligen Anschlussadaptern zu verhindern sind. Konsequent isolierte Eingänge und farbige Kennzeichnungen bieten zusätzlich wertvolle Zuordnungshilfe.

In der Antriebs-, der Energieversorgungs- wie auch der traditionellen Eisenbahnsignaltechnik existieren die einzelnen Phasensignale zwar friedvoll starr gekoppelt hinsichtlich der Phasenwinkel zu einander, häufig jedoch nicht in galvanischer Hinsicht. Messmittel mit sogenanntem Common Ground, mit der zum gemeinsamen internen Bezugspunkt führenden schwarzen COM-Buchse, würden nicht nur falsche Werte liefern, sondern das System und den Nutzer elektrisch gefährden. Mess- und Prüftechnik mit zu einander isolierten Eingängen wird unumgänglich.

Die Vielfalt der verschiedenen Messverfahren

Wird ein Phasenwert in der Nähe der Grenze zwischen negativem und positivem Halbkreis oder nahe des Vollkreiswinkels gemessen, können sich Messwertschwankungen entweder in Gestalt irritierenden Flackerns des Vorzeichens (-180°/180°) oder in scheinbar sehr groben Wertesprüngen (0°/360°) äußern. Da man zwischen Voll- und Halbkreisdarstellung umschalten kann, ist eine stabile Phasenwertanzeige kein Problem (Bild 1). Hierbei handelt es sich um zwei Interpretationen desselben Winkels. Geht es um die Analyse von Phasenverschiebungen infolge von Signalverzögerungen, sollte man bei der Auswertung sorgfältig sein. Grund: Kommt es bei periodischen Signalen zu Phasenverschiebungen von mehr als 180° bzw. 360°, können diese irrtümlich als negativ gedeutet bzw. uneindeutig werden.

Eine Variante, die Phase zu bestimmen, ist, den Abstand von Polaritätswechseln („Nulldurchgänge“) der Signale mit Bezug auf die Signalperiode auszuwerten. Hervorzuheben ist die enorme Signalformabhängigkeit dieses Prinzips. Während es für störungsarme Digitalsignale eine brauchbare Messmöglichkeit bietet, unterliegt es anderen Verfahren bei den meisten Analogsignalen, so insbesondere bei flachem Nulldurchgang sowie bei Überlagerung mit Rauschen oder höherfrequenten Anteilen. Infolge mehrerer Polaritätswechsel innerhalb einer Periode kann die zugrunde liegende Frequenzbestimmung scheitern.

Handliches Phasenmultimeter mit Grafikdisplay

Die Phase lässt sich über den Vergleich mit einer zeitlich und formmäßig exakten Grundschwingungsreferenz bestimmen. Das Phasenmultimeter SICO 2074 bietet die VSR-Technik (Virtual Selective Reference). Hinzu kommt, dass das Multimeter prinzipbedingt gute Störungsimmunität, Kurvenformunabhängigkeit und Zeitauflösung innerhalb eines großen Frequenzbereichs bietet.

Neben einer permanenten Frequenzkontrolle lässt sich die Signalform grafisch überprüfen. Die isolierten Eingänge umgehen den Nachteil der nötigen galvanischen Verkopplung von Systemteilen bei einfachen Geräten sowie der sogenannten Dreispannungsmethode – einem Phasenbestimmungsverfahren auf geometrischer Basis. Rotierende Mehrphasenantriebe wie bei Motoren bilden ihr Drehmoment hauptsächlich auf Basis der Phasenlagen des Grundfrequenzanteiles der Antriebsströme.

Die Phasenmessung mit Bezug auf die zeitliche Lage der Grundschwingung liefert besonders praxistaugliche Ergebnisse. Außer dem SICO 2074 nutzen diesen Vorteil nur wenige Phasenmessgeräte. Eine andere typische Beschränkung der in vielen Geräten anzutreffenden Nulldurchgangsmethode ist die maximale Messfrequenz als Folge des zur Winkelauflösung nötigen internen Referenztaktes. Immerhin 36 MHz wären nötig, um 10-kHz-Signale mit 0,1° aufzulösen, wie es das SICO 2074 beherrscht.

Achtung, auf das Vorzeichen kommt es an!

Erscheint Signal B verzögert gegenüber Signal A, so besitzt Signal B (zu messende Phase) einen negativen Phasenwinkel in Bezug auf Signal A (Referenzsignal). Ein verzögertes Signal erscheint in einem Oszillogramm nach rechts (zu größeren Zeitwerten hin) verschoben, ein voreilendes entsprechend nach links. Der Phasenwinkel von mehr als 360° gegen einander verschobenen Signalen wird der Periodizität wegen inkorrekt dargestellt, was auch für außerhalb des Anzeigebereichs liegende Phasenwinkel zutrifft. So kann ein um 25° verzögertes Signal als ein um 335° voreilendes oder ein um 370° voreilendes als ein um nur 10° voreilendes Signal angezeigt werden. Eine 180°/360°-Umschaltmöglichkeit unterstützt die Interpretation.

* Holm Chemnitzer ist Leiter der Entwicklung bei Signal Concept GmbH in Markkleeberg bei Leipzig.

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