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.
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.
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.
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.
Eine PC-basierende Highspeed-Strommessung
Eine interessante Alternative für die Strommessung im industriellen Umfeld bietet die All-in-One-Lösung von ALLDAQ in Form der CompactPCI-Karte ADQ-412. Der große Strommessbereich der Karte wird durch einen ±25-mA- bis ±50-A-Messbereich realisiert. Beide Messbereiche sind mit je einem hochpräzisen Shunt-Widerstand des Herstellers Isabellenhütte ausgestattet. Dabei ist der Messbereich ±25 mA mit einem Shuntwiderstand von 10 Ω und der ±50-A-Bereich mit einem Shuntwiderstand von 5 mΩ versehen. Die Umschaltung zwischen den Messbereichen erfolgt ohne Unterbrechung des Stromkreises durch die Applikation des Anwenders.
Je Kanal generiert die Messkarte bei Über- bzw. Unterschreiten des ±25-mA-Messbereichs ein entsprechendes Interruptereignis, das auf Applikationsebene für die automatische Bereichswahl genutzt werden kann. Unabhängig davon schaltet ein Hardware-Komparator automatisch in den 50-A-Messbereich, sobald die 25 mA um mehr als 12,5 Prozent überschritten werden. Dieser Schutzmechanismus greift unabhängig von Betriebssystem und Applikationssoftware.
Hohe Auflösung von 18 Bit des A/D-Wandlers
Beide Kanäle sind mit einem 18 Bit A/D-Wandler bestückt, die synchron mit bis zu 1,6 MS/s abtasten können. Damit erlaubt die ADQ-412 die für eine Strommessung ungewöhnlich hohe Bandbreite von 20 kHz für Rechtecksignale bei einer sehr hohen Genauigkeit. Die Werte können einzeln oder timergesteuert erfasst werden. Bei Bedarf lässt sich die Messung über zwei externe TTL-Triggereingänge (RP-SMA-Buchse) starten oder stoppen.
Durch die potentialgetrennten Kanäle kann der Messtechniker volldifferentiell messen. Ein Bezug zu einer gemeinsamen Masse der Kanäle oder zur PC-Masse ist nicht notwendig. Von konventionellen Strommessungen mit dem Multimeter ist man es gewöhnt, dass es unerheblich ist, ob das DUT im Plus- oder Minus-Pfad eingeschleift wird. Bei einer auf einen PC-basierenden Messung ist das jedoch nicht selbstverständlich.
Zu beachten ist außerdem, dass ein isolierter Analogteil, der mit aktiven Bauelementen wie einem A/D-Wandler bestückt ist, mit Spannung versorgt werden muss und die Digital-Daten via Optokoppler oder induktiver Kopplung an den PC übertragen werden müssen. Das entscheidende Kriterium ist hier die Spezifikation des DC/DC-Wandlers, der letztlich für die Spannungsfestigkeit der Eingangsstufe verantwortlich ist. Im Falle der Messkarte ADQ-412 ist der Wert so ausgelegt, dass selbst eine Drehstrommessung mit dem DUT im Minus-Pfad problemlos möglich ist. Dies trägt zur Sicherheit im Feld bei und reduziert den Aufwand für eine sonst nötige Verpolungssicherung.
Zur Integration erhält der Anwender die Treibersoftware für Windows XP/Vista/7/8 oder auf Anfrage auch Linux sowie umfassende Programmierunterstützung. Dazu gehören Beispiele für C++, C#, Visual Basic und Pascal. Eine Bibliothek mit Virtual Instruments (VIs) erleichtert vielen Anwendern die Einbindung in LabVIEW-Projekte.
Die elektrische Leistung als wichtige Kenngröße
Der elektrische Strom ist stets in engem Zusammenhang mit der elektrischen Spannung zu sehen. Der Grund ist einfach: Ohne eine entsprechende Potentialdifferenz, welche die Elektronen anschiebt, gibt es auch keinen Stromfluss. Und die daraus resultierende elektrische Leistung als Produkt aus Spannung und Strom ist bekanntlich eine wichtige Kenngröße zahlreicher Produktspezifikationen: Angefangen von der Leistungsaufnahme hochintegrierter Chips bis hin zur Leistungsmessung in den Drehstromnetzen.
Die hohe Spannungsfestigkeit der vorgestellten Messkarte wird gestärkt durch die eine kurze Betrachtung der Drehstrom-Kennwerte. Der Effektivwert der in Europa üblichen Drehstromnetze liegt für die Dreiecksschaltung mit L1 zu L2, L1 zu L3 und L2 zu L3 bei einer Spannung von 230 V × √3 = 400 V. Zudem errechnet sich der relevante Scheitelwert im Dreiphasensystem aus 400 V × √2 = 565 V. Damit liegt die CompactPCI-Messkarte ADQ-412 mit einer spezifizierten Isolationsspannung von 700 V deutlich über den geforderten Wert. Weitere Produktvarianten der Messkarte und speziell für die Leistungsmessung sind bereits in Planung.
* Josef Reicherzer ist für die Öffentlichkeitsarbeit der Division ALLDAQ bei der ALLNET GmbH Computersysteme in Germering verantwortlich.