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Stromspitzen messen Warum eine Messkarte einem Oszilloskop oder Multimeter vorzuziehen ist

Autor / Redakteur: Josef Reicherzer * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Ob einen Ruhestrom messen oder die kurzzeitigen Stromspitzen – wenn es um Präzision geht, scheitern Oszilloskop oder Multimeter. Eine Lösung verspricht die CompactPCI-Karte ADQ-412 von ALLDAQ.

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Messkarte zum dynamischen Strommessen: Für Ruhestrom und Stromspitzen eignet sich die ADQ-412 gleichermaßen. Der Messbereich der Karte gliedert sich in die Messbereiche ±25 mA und ±50 A. Beide Messbereiche sind mit je einem hochpräzisen Shunt-Widerstand des Herstellers Isabellenhütte ausgestattet.
Messkarte zum dynamischen Strommessen: Für Ruhestrom und Stromspitzen eignet sich die ADQ-412 gleichermaßen. Der Messbereich der Karte gliedert sich in die Messbereiche ±25 mA und ±50 A. Beide Messbereiche sind mit je einem hochpräzisen Shunt-Widerstand des Herstellers Isabellenhütte ausgestattet.
(Alldaq)

Den meisten Entwicklern und Prüfingenieuren ist der Ausspruch „Wer misst, misst Mist“ sehr wohl bekannt. Wenn es um das Stichwort Strommessung geht, werden viele als erstes an ihr Multimeter oder die berührungslose Messung mit Hilfe der Strommesszange denken. Doch wie sieht es bei der Strommessung in automatisierten Messsystemen aus, wie sie beispielsweise in der Qualitätssicherung oder der Elektromobilität immer häufiger vorkommt?

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Sehr oft handelt es sich dabei um eine vermeintlich einfache Strommessung in der täglichen Praxis, die allerdings mit einigem Aufwand verbunden ist. Der Grund hierfür ist einfach: Es müssen zahlreiche Anforderungen an die Messung vereint werden. Die im Folgenden aufgeführten Punkte zeigen auf, was der Messtechniker im Vorfeld einer Strommessung zu beachten hat:

  • Möglichst einfache Feldverdrahtung, um Übergangswiderstände zu vermeiden
  • Das Wechseln des Messbereichs sollte kein Umstecken erfordern
  • Dynamische Signale sollten messbar sein
  • Sehr hohe Genauigkeit bis in den µA-Bereich
  • Geringe Temperaturdrift
  • Anwender-Kalibrierung möglichst unter Einbeziehung der Feldverdrahtung
  • Potentialtrennung zwischen den Messkanälen
  • Messung sollte unabhängig von Anschaltung des DUT im negativen oder positiven Pfad möglich sein

Vor diesem Hintergrund hat ALLDAQ eine genau und schnell messende CompactPCI-Karte für die unterbrechungsfreie Strommessung von 1 µA bis 50 A entwickelt. Am Beispiel einer Ruhestrom-Messung einerseits und der Analyse von Stromspitzen andererseits stellen wir zwei Methoden gegenüber: die konventionelle, Messgeräte-basierende und die PC-basierende Methode.

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Die Messkarte ADQ-412-cPCI im Detail

Mit der ADQ-412 lassen sich Ströme von 1 μA bis 50 A messen. Es stehen zwei isolierte Analog-Kanäle mit Messbereichen von ±25 mA und ±50 A zur Verfügung.

  • 2 differentielle Strommesskanäle mit Isolierung
  • Isolationsspannung: 700 VDC/VACeff. (Kanal zu Kanal und Kanal zu PC-Masse)
  • Hohe Bandbreite für Strommessung: 20 kHz (Rechteck)
  • Zwei 18 Bit A/D-Wandler mit synchroner Abtastrate vor 1,6 MS/s
  • Strommessbereiche mit ±25 mA (10-Ω-Shunt) und ±50 A (5-mΩ-Shunt)
  • Unterbrechungsfreie Bereichsumschaltung
  • Interrupt bei Über- oder Unterschreiten der ±25-mA-Schwelle
  • Kurzzeitiger Überlastschutz
  • Timergesteuertes erfassen von Signalen
  • Start-/Stop-Trigger: Software, externer Digital-Trigger
  • Zwei TTL-Triggereingänge (RP-SMA-Buchsen)
  • Zwei Adapter von RP-SMA-Stecker auf BNC-Buchse sind im Lieferumfang enthalten

Den Ruhestrom einer Schaltung messen

Mit einem laborüblichen 6,5-stelligen Multimeter, im Test ist ein DM3068 von Rigol, lassen sich Gleichströme und Wechselströme von ungefähr 10 kHz bis hinab in den Micro-Ampere-Bereich mit guter Genauigkeit messen. Bei Kontroll-Messungen von wenigen µA fällt auf, dass das Multimeter ein Rauschen auf das Messsignal aufmoduliert. Das ist in Relation zum Messsignal relativ viel, entspricht aber dem spezifizierten SNR-Wert des Herstellers. Ein typischer Anwendungsfall einer solchen Ruhestrom-Messung ist beispielsweise die Qualitätskontrolle am Ende einer Fertigungslinie. Ein Prüfkriterium ist dabei der Ruhestrom, der, sofern er innerhalb einer definierten Hüllkurve bleibt, eine Aussage über die grundsätzliche Funktionstüchtigkeit eines Geräts liefern kann.

Ergänzendes zum Thema
Interview: Professionelle Mess- und Steuerungstechnik von ALLDAQ

Wolfgang Bauer, Geschäftsführer ALLNET.
Wolfgang Bauer, Geschäftsführer ALLNET.
( Bild: VBM-Archiv )
Peter Omlor, Division Manager von ALLDAQ.
Peter Omlor, Division Manager von ALLDAQ.
( Bild: VBM-Archiv )
Seit Anfang 2014 ist mit ALLDAQ ein neuer Messtechnik-Anbieter auf dem deutschen Markt. Die Produktpalette reicht von Eigenentwicklungen, wie die CompactPCI-Karte ADQ-412, bis hin zur Distribution mit Rigol. Dazu sprachen wir mit Wolfgang Marcus Bauer, Geschäftsführer der Mutter ALLNET Computersysteme und Peter Omlor, Division Manager von ALLDAQ.

Herr Bauer, wie kam es zur Gründung der neuen Business Unit ALLDAQ?

ALLNET erweitert seit Jahren ständig seine Produktpalette aus Eigenentwicklung und Distribution. Aus diesem Grund wird das Entwicklungsteam durch die Einstellung erfahrener Hard- und Software-Entwickler, sowie durch Ausbildung von Informatikern verschiedener Fachrichtungen kontinuierlich ausgebaut. Anfang 2014 nutzte ALLNET die Gelegenheit, ein bestens eingespieltes und erfahrenes Entwicklungsteam, welches schon viele Jahre bei Meilhaus Electronic mit großem Erfolg zusammen gearbeitet hatte, zu übernehmen. Damit konnte die bereits bestehende und sehr erfolgreiche Entwicklungsabteilung durch die umfangreiche praktische Erfahrung der neuen Mannschaft in der Entwicklung professioneller Mess- und Steuerungstechnik ausgebaut und gestärkt werden.

Herr Omlor, was bedeutet der Name der ALLDAQ?

Der erste Teil zeigt die Zugehörigkeit zur ALLNET, der zweite Teil steht für das in der Messtechnik-Branche weit verbreitete Kürzel „DAQ“ für den englischen Begriff „Data Aquisition“. Damit kommunizieren wir unsere Kernkompetenz im Bereich PC-basierender Messtechnik getreu unserem Motto „Competence in Measurement“.

Herr Bauer, wo sehen Sie die Abgrenzung von ALLDAQ und ALLNET?

Der bisherige Schwerpunkt der ALLNET Entwicklung zielte auf optimale Lösungen der Netzwerktechnik sowie Gebäude-Automation. Mit ALLDAQ bauen wir auf eine weitere Säule im Bereich professioneller Messtechnik und industrieller Automation. Ergänzend zu den Eigenentwicklungen bauen wir eine umfangreiche Distributionsschiene auf.

Herr Omlor, nennen Sie ein konkretes Beispiel für den Einsatz einer Messkarte.

Die ADQ-10 ist eine digitale I/O-Karte mit Optoisolation und prädestiniert für den Einsatz in störfeldbehafteten Umgebungen wie in der Fertigung. Sie können damit Schaltsignale auswerten und Aktoren bis 0,7 A je Kanal direkt schalten. Wir haben für einen bekannten Automobilzulieferer ein multifunktionales Testsystem für die Qualitätssicherung in Form eines 19-Zoll-Komplettsystem realisiert.

Herr Omlor, welche weiteren Produkt-Lösungen haben Sie bereits aus eigener Entwicklung?

An dieser Stelle möchte ich eine Spezialität aus unserem Haus zur PC-basierenden Strommessung erwähnen. Das ist eine CompactPCI-Karte mit zwei potentialgetrennten Eingangskanälen für die unterbrechungsfreie Strommessung von 1 µA bis 50 A. Damit ergeben sich zahlreiche neue Lösungen, da der Kunde ohne aufwendige Feldverdrahtung auf einfache Weise sowohl eine hochpräzise Ruhestrom-Messung als auch die Analyse von Stromspitzen durchführen kann.

Herr Omlor, auch sehr erfahrene Entwicklungsabteilungen haben nicht gleich die passenden Lösungen parat. Wie gehen Sie dann vor?

Zuerst analysieren wir mit dem Kunden den genauen Bedarf und prüfen anschließend, ob nach Aufwand und zeitlichem Rahmen unsere eigenen Entwicklungen für die erweiterten Anforderungen ausgebaut werden können. Kunden profitieren von unserer Flexibilität und Expertise in analoger und digitaler Schaltungstechnik.

Wir prüfen die Verfügbarkeit passender Lösungen aus unserem Distributionsangebot, das wir parallel mit Partnerfirmen aufgebaut haben. Dazu bieten wir von Rigol Mixed-Signal-Oszilloskope mit vier Kanälen oder EMC Pre-Compliance-Test-Lösungen in Verbindung mit HF-Messtechnik von Tekbox an. Micsig bietet das weltweit erste Tablet-Oszilloskop seiner Art. Von dem deutschen Hersteller CESYS vermarkten wir die Allround-Messbox, eine Messmatrix für bis zu 64 resistive Sensoren und den USB-Isolator für Labore und industrielle Anwendungen.

Herr Omlor, welchen technischen Support bieten Sie Ihren Kunden an in den Phasen Planung, Integration und Installation sowie im Post-Sales-Support?

Wir haben speziell trainierte Mitarbeiter für Pre- und Post-Sales, die Kundenanfragen beantworten und bei Bedarf den direkten Kontakt zu unserem Entwicklungsteam herstellen. Denn besonders bei der Integration und auch bei der Entwicklung kundenspezifischer Lösungen wollen wir bewusst den engen Kontakt zwischen unseren Entwicklern und den Spezialisten der Kunden sicherstellen. Kurze Wege und ein direkter Draht sind Teil unserer Philosophie, ebenso wie die Einhaltung eines höchstmöglichen Qualitätsniveaus bei erschwinglichen Preisen.

Herr Omlor, können sie bitte noch einen Ausblick geben über Ihre weiteren Produkt-Planungen und Zielmärkte aus eigener Entwicklung?

Die wichtigste Produktneuheit 2015 werden wir zur Sensor+Test im Mai in Nürnberg vorstellen. Es handelt sich dabei um eine CompactPCI-Karte mit 8 potentialgetrennten volldifferentiellen Spannungseingängen. Mit einer synchronen Abtastung von 1,6 MS/s und einer Auflösung von bis zu 20 Bit ideal für Highspeed-Datenlogging. Ein anderer Anwendungsfall ist die volldifferentielle Messung in Drehstromnetzen in Kombination mit entsprechenden Tastköpfen.

Herr Omlor, wo fertigen Sie?

Alle ALLDAQ-Datenerfassungskarten werden in Süddeutschland gefertigt. Die Erfahrung hat gezeigt, dass wir unseren Kunden nur so höchste Qualität und Liefertreue auch bei kleineren Losgrößen garantieren können. Wir beobachten übrigens, dass aufgrund steigender Lohnstückkosten in China die Fertigung zunehmend wieder nach Europa verlagert wird.

Herr Bauer, wie läuft das Thema der industriellen Automation für Sie?

Wie Sie vielleicht wissen, hat ALLNET Ende letzten Jahres die Produktserien von Red Lion Controls, dem weltweiten Experten für industrielle Automation und Vernetzung, als offizieller Distributor ins Produktportfolio aufgenommen. Hier setzen wir auf Synergieeffekte zwischen der Automatisierungstechnik und der Netzwerktechnik in der wir bekanntlich über langjährige Erfahrung und Marktkenntnis verfügen.

Herr Bauer, welche Vertriebskanäle möchten Sie mit ALLDAQ bedienen?

Grundsätzlich adressieren wir den B2B-Endkunden, der über sämtliche Vertriebskanäle der ALLNET GmbH bedient wird. Es ist geplant, im Laufe des Jahres die ALLDAQ-Website durch einen Onlineshop zu ergänzen. Daneben pflegen wir aber auch Vertriebspartnerschaften, wie mit der Firma Stantronic oder dem Katalogdistributor ELV.

Herr Bauer, wo sehen Sie Trends in der computer-basierenden Messtechnik? Wird es die klassische Messtechnik in ein paar Jahren noch geben?

Meiner Ansicht nach wird sich der Markt in den nächsten Jahren in zwei Richtungen bewegen. Zum einen wird sich der Highend-Markt für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen durch die Einführung neuer Technologien kontinuierlich weiterentwickeln. Hier sind höchste Präzision, Zuverlässigkeit und Langzeitverfügbarkeit gefragt. Als deutscher Premium-Hersteller sehen wir uns hier bestens gerüstet. Daneben wird es bei den Messinstrumenten einen Trend geben hin zu neuen Bedienkonzepten in allen Geräteklassen inspiriert durch die sehr verbreitete Touchbedienung. Und durch die Vernetzung, die auch im Labor immer weiter fortschreitet, werden Geräte mit Netzwerk-Konnektivität weiter stark zunehmen.

Sollen sehr kurze Impulse gemessen werden, wie zum Beispiel die Stromspitzen beim Einschalten eines elektrischen Geräts, dann ist ein Standard-Multimeter als Messgerät ungeeignet. Grund ist, dass sich mit diesem Messgerät nur Effektivwerte periodischer Signale bis 10 kHz darstellen lassen. Ersatzweise muss ein relativ aufwendiger Aufbau mit einem Messwiderstand, dem sogenannten Shunt, und einem Oszilloskop herhalten.

Über den Spannungsabfall am Shunt wird der Stromverlauf qualitativ dargestellt. Für eine exakte Vermessung der Stromspitze ist diese Methode jedoch ungeeignet, da die vertikale Auflösung von typischerweise 8 Bit bei Standard-Oszilloskopen zu grob ist. In der Praxis werden oft Schaltmatrizen verwendet um je nach Größenordnung des Stromes zwischen verschiedenen Strommessbereichen, sprich Shunts umzuschalten.

Durch Übergangswiderstände der Schalter entstehen Toleranzen, die nicht ohne weiteres kompensiert werden können. Ein unerwünschter Nebeneffekt ist die kurzzeitige Unterbrechung der Stromzufuhr im Umschaltmoment. Dies ist in der Regel unerwünscht, da das DUT möglicherweise neu Booten muss. Ein typischer Anwendungsfall ist die genaue Messung von Einschaltströmen, um Geräte-Spezifikationen und gesetzliche Richtlinien zu überprüfen.

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