Genauer messen Welche Vorteile die potenzialfreie Messtechnik bietet

Autor / Redakteur: Johann Degenhart und Markus Weingart * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Potenzialfreie Messtechnik erhöht die Messgenauigkeit. Stimuli- oder Messgeräte – isolierte Kanäle vermeiden Masseprobleme. Wir stellen Ihnen verschiedene Beispiele vor.

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Potenzialfreie Messtechnik: Zwei Arbitrary-Waveform-Generatoren und ein High-Voltage-Waveform-Digitizer auf Basis von PXI. Präzises Messen durch potenzialfreie Messtechik.
Potenzialfreie Messtechnik: Zwei Arbitrary-Waveform-Generatoren und ein High-Voltage-Waveform-Digitizer auf Basis von PXI. Präzises Messen durch potenzialfreie Messtechik.
(VX Instruments)

Viele schätzen die potenzialfreie Messtechnik von Multimetern. Nicht nur Handgeräte, sondern auch Tisch-Multimeter besitzen Eingänge ohne Bezug zur Erdmasse. Die Ausgänge der meisten Labornetzteile sind ebenfalls potentialgetrennt. Anders sieht das bei digitalen Speicheroszilloskopen, Digitizern [1], Timer/Countern und Funktionsgeneratoren aus.

Allerdings sollte man bei diesen Gerätegruppen nicht auf die Vorteile der potenzialfreien Messtechnik verzichten. Komponenten müssen versorgt und durch elektrische Stimulationen angeregt werden. Elektrische Größen am Prüfobjekt sind zu verifizieren. Hierbei treten oft Messfehler durch Erdmasseschleifen oder Störeinkopplungen durch falsche Masse-Anbindungen auf.

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Die wichtigen Begriffe kurz erklärt

[1] Digitizer: Digitizer sind Geräte zur Signalaufzeichnung mit internem Speicher ähnlich den digitalen Speicheroszilloskopen, jedoch ohne integrierten Bildschirm. Die Signalauswertung erfolgt am PC über eine schnelle Schnittstelle wie PCI, PXI oder PXIe. Als weitere Bussysteme zur Datenübertragung werden auch ältere Bussysteme wie VME oder VXI unterstützt.

[2] Gleichtaktunterdrückung (engl.: Common Mode Rejection Ratio (CMRR)): Die Gleichtaktunterdrückung eines differentiellen oder potenzialfreien Messgerätes gibt die Größe des Einflusses einer parasitären Gleichtaktspannung (vgl. UInput in Bild 1) an. Je kleiner die Gleichtaktunterdrückung, desto größer ist die Auswirkung der Gleichtaktspannung auf das Messergebnis. Im idealen Fall wirkt sich die Gleichtaktspannung nicht auf den eigentlichen Messwert (vgl. UOut in Bild 1) aus.

[3] Arbitrary Function Generator: Arbiträre Funktionsgeneratoren sind Geräte zur Erzeugung beliebiger Kurvenformen. Sie besitzen die Grundfunktionalität eines Funktionsgenerators, können jedoch zudem beliebige, vom Anwender frei programmierbare Kurvenformen (beispielsweise aus CSV-Datei) ausgeben. Zudem sind oft beliebig frei definierbare Sequenzen aus unterschiedlichsten Kurvenformen möglich.

Kein Problem mit dem Massebezug

Zusätzlich besteht bei Messgeräten mit Erdmasse-Bezug die Gefahr eines versehentlichen Kurzschlusses. Solche Gefahren werden zwar durch den Einsatz von differenzieller Messtechnik vermindert, jedoch hat auch die differentielle Messtechnik einige Nachteile, die beim Einsatz potentialfreier Messtechnik, wie man sie beispielsweise von Multimetern kennt, deutlich reduziert oder sogar vermieden werden. Mit einem Multimeter den Spannungsabfall an einem Shunt zu messen ist eine durchaus übliche Methode.

Gerade bei komplexeren Schaltungen kann dieses Signal mit einem Offset zur Erdmasse behaftet sein. Mit einem potenzialfreien Multimeter ist diese Messung kein Problem und man muss sich üblicherweise keine Gedanken über den Massebezug oder andere Fehlerquellen machen. Soll ein solcher Spannungsabfall nun mit einem digitalen Speicheroszilloskop aufgezeichnet werden, steht man üblicherweise vor dem Problem, dass die meisten am Markt verfügbaren Speicheroszilloskope nicht potentialfrei sind. Die Messmasse ist bei diesen Geräten mit der Erdmasse verbunden, wodurch das Signal nur mit einer differentiellen Messung aufgezeichnet werden kann (Bild 2).

Gerade bei den digitalen Speicheroszilloskopen sucht man die potenzialfreie Messtechnik meist vergeblich. Zwar gibt es augenscheinlich Alternativen wie den Batteriebetrieb, jedoch ist auch das unter genauer Betrachtung keine Option. Hierfür gibt es mehrere Gründe.

  • Beim Batteriebetrieb mehrkanaliger Geräte ist zwar die Messmasse von der Erde getrennt, allerdings haben alle Kanäle die selbe Masse. Somit ist zwar mit einem Kanal die Aufzeichnung des Stromsignales am Mess-Shunt möglich, die restlichen Kanäle sind nun zumeist jedoch nicht mehr zu gebrauchen.
  • Aus der Betrachtung der elektrischen Sicherheit ist der isolierte Betrieb eines gewöhnlichen Oszilloskops nur unter sehr eingeschränkten Bedingungen zulässig. Da die Masse des Gerätes üblicherweise nicht gegen Berührung geschützt ist, darf diese Masse nur auf Spannungen gelegt werden, die als berührungsungefährlich gelten.

Der maximale Gesamtmessfehler berechnet sich aus der Summe von Quantisierungsfehler, Verstärkungsfehler (DC-Gain-Accuracy), Offsetfehler (Offset-Error) sowie des Gleichtakt-Fehlers (CMRR-Error).

Differentielle und potenzialfreie Messung im Vergleich

Bleiben wir zunächst beim einfachen Beispiel der Strommessung an einem Shunt und der Aufzeichnung des Signalverlaufs mit digitalen Speicheroszilloskopen oder Digitizern. Bei Geräten ohne potentialfreie Eingänge ist zumindest ein differentieller Eingang, oder die Verwendung eines Differenztastkopfes erforderlich.

Bild 2 zeigt die Messaufgabe in einem Prinzip-Schaltbild. Um das zu messende Signal bei einer Amplitude von 1 Volt mit einem Offset von 20 V gegenüber Erdmasse aufzeichnen zu können, ist bei differentieller Messung ein Messbereich größer der Summe von Offset und Signalamplitude – hier Offset 20 V + Signal 1 V = 21 V zu wählen. Allerdings birgt das Fehlerquellen:

  • Bei einer exemplarischen Auflösung von 14 Bit (Bild 1) kann ein Mess-Signal von 1 V im 25-V-Messbereich mit 655 Stufen quantisiert werden. Dies entspricht einer Quantisierung von circa 1,5 mV pro LSB. Der Quantisierungsfehler ergibt sich hier zu 0,75 mV.
  • Bei einer Verstärkungs-Genauigkeit von 0,15 Prozent ergibt sich für ein Mess-Signal von 1 V ein Verstärkungsfehler von etwa 1,5 mV.
  • Der Offsetfehler berechnet sich mit einem Anteil von 0,2 Prozent des Messbereichs (25 V) zu 50 mV.

Die Summe aus Verstärkungs- und Offsetfehler beträgt hier also 51,5 mV. Zu diesen Fehlern addiert sich noch der Gleichtaktfehler, der später behandelt wird. Im Folgenden sollen Verstärkungs-, Quantisierungs- und Offsetfehler bei potentialfreier Messung am praktischen Beispiel berechnet werden. Bei einem Digitizer mit potentialgetrennten Eingängen kann als Messbereich für das zu messende Signal bei einer Amplitude von 1 V der entsprechende 1-V-Bereich gewählt werden.

Hier können folgende Fehlerquellen auftreten:

  • Bei ebenfalls 14 Bit folgt eine Auflösung von vollen 16384 LSB pro Volt (61 µV pro Bit). Die effektive Auflösung ist somit um den Faktor 25 höher als zuvor. Der Quantisierungsfehler ergibt sich hier zu 31 µV.
  • Der Verstärkungsfehler bei einer Genauigkeit von 0,15 Prozent und einem Messbereich von 1 V beträgt etwa 1,5 mV.
  • Der Offsetfehler berechnet sich bei einer Genauigkeit von 0,2 Prozent des Messbereichs (1 V) zu 2 mV.
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Die Summe von Verstärkungs- und Offsetfehler beträgt hier nur circa 3,5 mV. Der Vergleich mit dem Beispiel der differentiellen Messung zeigt, dass die Messgenauigkeit in diesem Beispiel mit potenzialfreier Messtechnik deutlich gesteigert werden kann.

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