Einfach gemessen – Oszilloskop und Leistungsanalyse vereint

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Von Spannungen, Strömen und der Leistungsanalyse

Das Oszilloskop zeigt die zeitlichen Kurvenverläufe aller Mess-Signale. Zusätzlich zeigt das PX8000 die Leistungskurven. Damit lässt sich direkt eine Aussage über den Leistungsverlauf treffen. Für die Berechnung der Leistung nach der zweiten Formel muss das t in u(t) mit dem t in i(t) identisch sein.

Jetzt kommt eine weitere Bedingung hinzu: die Integrationszeit von Null bis T. Damit muss die Integration über eine ganze Periode oder auch mehrere ganze Perioden n ∙ T gerechnet werden. Eine exakte Bestimmung der Periodendauer ist erforderlich. Ein Standard-Oszilloskop analysiert die Periodendauer im Post-Processing nach der Datenerfassung. Im PX8000 erledigt eine vom normalen Signalpfad unabhängige Hardware die Signalaufbereitung. Im Ergebnis zeigt das Gerät gleichzeitig die Signalverläufe eines Oszilloskops und zusätzlich alle Leistungsparameter.

Damit liegen die Vorteile auf der Hand: Kalibrierte Messwerte für Spannungen und Ströme und kalibrierte Ergebnisse der Leistungsanalyse. Bei einem Oszilloskop werden die Eingänge nur für Spannungen kalibriert bei einer Auflösung von 8 Bit. Das PX8000 bietet die 16-fache Amplitudenauflösung bei 12 Bit. Fehler aus externen Sensoren müssen dem Scope hinzu gerechnet werden. Die Unsicherheit beim Messen der Leistung ergibt sich aus dem Produkt der Unsicherheiten von Spannung und Strom, sowie aus Phasenfehlern, während bei einem Leistungsanalysator auch das Ergebnis der Leistungsberechnung kalibriert wird.

Unabhängiger Pfad für Signalaufbereitung und Filterung

Um eine gute Abbildung steiler Schaltflanken zu erreichen, werden alle Signale mit einer Geschwindigkeit von 100 MS/s abgetastet. Damit lassen sich kurze Schaltvorgänge genau analysieren. Passend dazu wurde die Bandbreite mit 20 MHz gewählt. Vielfältige Filter können diese den tatsächlichen Gegebenheiten anpassen. Andere Anwendungen verlangen nach einem langen Erfassungsintervall, um Anlauf- und Schaltvorgänge oder Lastwechsel aufzunehmen, denen der extra große Speicher für bis zu 20 Minuten Rechnung trägt.

In modernen Anwendungen mit Frequenzumrichtern werden hochfrequente Taktimpulse erzeugt, mit denen niederfrequente Schwingungen mit beispielsweise 50 Hz simuliert werden. Unterschiedliche Frequenzen müssen getrennt analysiert werden. Das PX8000 enthält einen von allen Messkanälen unabhängigen Pfad der Signalaufbereitung und Filterung. Weil das Messsignal zwei unterschiedliche Frequenzen hat, spiegeln die Ergebnisse die beiden Eben wider: Schnelle Abtastung zur Erfassung der hochfrequenten Anteile. Die Ausgabe der Ergebnisparameter ist relativ langsam, nämlich im Rhythmus der Periodendauer der Grundfrequenz.

Die Analyse der Rohdaten und anschließende Auswertung

Mit dem PX8000 lassen sich in kurzen Zeiten große Mengen an Rohdaten erzeugen und die Leistungsanalyse berechnet Intervalle. Je nach Messaufgabe lassen sich die Rohdaten der Kurvenformen, Leistungsparameter, Grafiken als Image und Ergebnisse mathematischer Berechnungen mit individueller Formeleingabe zur Verfügung stellen. Mit Cursoren und Messfunktionen ist es dann möglich, die Rohdaten zu analysieren.

Mit Hilfe von Cycle-by-Cycle lassen sich dynamische Vorgänge wie Anlauf, Abbremsen oder Lastwechsel untersuchen. Dabei wird geprüft , wie sich Frequenz und Amplitude in jeder Periode ändern. Für unregelmäßige oder stochastische Ereignisse bietet das Gerät verschiedene Triggermöglichkeiten, die bei Wartung und Fehlersuche hilfreich sind. Es lässt sich nicht nur auf Flanken, sondern auf Kombinationen aus Pegeln und Flanken oder Pulsbreiten oder sequentiellen Ereignissen triggern. Der Wave-Window-Trigger reagiert auf Abweichungen von einer Kurvenform wie Ausfall einer Halbwelle oder Peaks auf dem Sinus. Und der Time-Out-Trigger erkennt den Ausfall eines periodischen Signals.

Ist der Trigger ausgelöst worden, lässt sich mit verschiedene Aktionen darauf reagieren. Daten können automatisch auf Speichermedien abgelegt oder per FTP versendet werden. Für Dokumentationszwecke werden oft Bildschirminhalte als Grafikdatei gespeichert. Häufig müssen die Messungen nicht nur vom Oszilloskop und Leistungsanalysator, sondern von anderen Geräten synchronisiert werden, um die verschiedenen Messdaten gemeinsam auswerten zu können.

Das Power Scope gibt seinen Triggerimpuls nach außen und an andere Geräte weiter. Die History-Funktion unterstützt während der Fehlersuche oder wenn auf besondere Ereignisse gewartet wird. Hierbei werden bis zu 1000 Erfassungen in einem Ringspeicher abgelegt und stehen im Nachhinein für sämtliche Analysen zur Verfügung.

Die implementierten Funktionen im PX8000

Implementiert sind Funktionen wie Tiefpassfilter, der Rauschen und hochfrequente Störungen entfernt. Der Hochpass bringt die kurzen Pulse oder schnellen Änderungen hervor und ein Bandpass entfernt Mittenfrequenzen. Wird ein Signal gefiltert, lässt sich der Kurvenverlauf beobachten, weil sofort das Ergebnis sichtbar wird. Ergebnisse der Parameterberechnung sind zum Beispiel die Welligkeit oder Rippelspannung, Formfaktor, Scheitelfaktor, Verlustleistung oder Synchronfrequenz.

In Anwendungen am Netz sind oft die Oberschwingungen von einem besonderen Interesse, weil sie nicht zur gewollten Wirkleistung beitragen, aber Leitungen und Bauelemente belasten. Deshalb analysiert das PX8000 Harmonische mit einer Grundfrequenz bis 6,4 kHz an ein, zwei oder drei Signalen parallel. Der im Gerät eingebauten PLL, einem zweiten Oszillator, der in einer schnellen Regelschleife der Grundschwingung des gemessenen Signals nachgeführt wird, werden die Amplituden der Oberschwingungen exakt ermittelt. Die FFT ist ein reiner Rechenalgorithmus ohne den PLL. Trotzdem lassen sich zusätzlich die Inter-Harmonischen anzeigen.

Die XY-Darstellung ist ist für weitere Analysen sehr hilfreich. Mit den Lissajous-Figuren lässt sich die Symmetrie in mehrphasigen Netzen beobachten. Vor allem für die Entwickler von Motoren, Getriebe und Stellantrieben nutzen die XY-Anzeige für Kraft-Weg-Diagramme, Drehmoment-Drehzahl-Analysen oder der Strom- bzw. Leistungsaufnahme über dem Drehwinkel. Und bei der Vektordarstellung schließlich werden Beziehungen der Messgrößen untereinander aufgezeigt, um die Phasenlage zu prüfen. So lassen sich zwei vertauschte Leiter mit Hilfe des Vektordiagramms aufdecken.

* Matthias Preß ist für das Produktmarketing Leistungsanalysatoren bei Yokogawa in Herrsching bei München verantwortlich.

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