Welche Vorteile die potenzialfreie Messtechnik bietet

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Gleichtaktunterdrückung sowie Gleichtakt- und Gesamtfehler

Einen weiteren, nicht unerheblichen Einfluss auf die Genauigkeit des zu messenden Signals hat die Gleichtaktunterdrückung [2] (CMRR) des verwendeten Messgerätes. Der Gleichtaktfehler entsteht durch die Einkopplung eines Teils des Gleichtaktsignals in den Messpfad des Messgerätes. Die Gleichtaktunterdrückung ist üblicherweise frequenzabhängig und sinkt mit zunehmender Frequenz. Der Messfehler steigt also mit ansteigender Frequenz. Bei potenzialfreien Geräten ist die Gleichtaktunterdrückung architekturbedingt deutlich höher (größer 100 dB bei Gleichspannung und typ. 80 bis 90 dB bei 50 Hz) und damit der Messfehler deutlich geringer als bei Geräten mit differentiellen Messeingängen (typ. 40 bis 50 dB).

Für die differenzielle Messung ergibt sich bei einem Gleichtaktsignal von 20 V und einem CMRR von 40 dB (1/100) ein Gleichtaktfehler von 200mV. Der Gesamtmessfehler beträgt 200 mV + 51,5 mV = ca. 250 mV oder 25 Prozent des Messsignals. Die potenzialfreie Messtechnik weist hier eine deutlich höhere Genauigkeit auf. Mit einer Gleichtaktunterdrückung von 80 dB (1/10000) erzeugt das Gleichtaktsignal von 20 V hier lediglich einen Fehler von 2 mV. Der Gesamtfehler liegt somit bei 3,5 mv + 2 mV = 5,5 mV oder 0,55 Prozent des Messsignals und ist damit um ca. den Faktor 50 niedriger als mit differentieller Messtechnik. Das Beispiel verdeutlicht die weit höhere Genauigkeit der Messung des stromäquivalenten Spannungssignals am Shunt bei der potenzialfreien Messtechnik.

Wie sich Störeinflüsse und Masseschleife vermeiden

Neben geringeren Fehlern durch eine höhere Gleichtaktunterdrückung, lassen sich durch potenzialfreie Mess- und Stimulus-Geräte viele weitere Störeinflüsse vermeiden. Insbesondere bei Umgebungen mit starken Störeinwirkungen, kleinen Messsignalen, langen Verbindungsleitungen und Hochstromanwendungen bietet die potenzialfreie Messtechnik weitere Vorteile. Erdungspunkte (PE) des Versorgungsnetzes können durchaus unterschiedliche Potenziale aufweisen.

Am wahrscheinlichsten sind solche Potenzialdifferenzen der Erdmasse dann, wenn die beiden gekoppelten Systeme an unterschiedlichen Versorgungsstellen (beispielsweise unterschiedliche Absicherungen oder gar Gebäude) betrieben werden. Bei gewöhnlicher erdmassebezogener Messtechnik wird eine Potenzialdifferenz der Massen (U_{Masse,parasitär}; AC und DC) dem eigentlich interessanten Mess-Signal (U_src, hier generiert durch Prüfling) aufaddiert (Bild 5). Die Messung (U_meas, beispielsweise durch ein Oszilloskop) kann somit von der Realität abweichen.

Durch den Einsatz von potenzialfreier Messtechnik und einer gezielten Erdung des Messaufbaus an einer definierten Stelle können Störeinflüsse durch Masseschleifen unterbunden werden. Eine gezielte Erdung an einem festgelegten Punkt sollte bei isolierten Systemen erfolgen, da hierdurch Störströme aus der potenzialgetrennten Spannungs- oder Hilfsversorgung des Mess- oder Stimulus-Gerätes eliminiert werden. Zwar sind Störungen dieser Art bei Auswahl einer geeigneten galvanisch getrennten Spannungserzeugung durch den Messgeräte-Hersteller zu vernachlässigen, doch stellt die definierte Erdung an einem Punkt eine zusätzliche Sicherheit dar, die genutzt werden sollte.

In jedem Fall gilt: Sollte bereits der Prüfling eine Erdung aufweisen, so ist der Einsatz einer potentialfreien Messtechnik für präzise Messungen obligatorisch. Selbiges gilt bei Messaufbauten mit langen Zuleitungen oder hohen Strömen. In Bild 5 wird deutlich, dass bei Einsatz eines Stimulus-Gerätes (U_src), die Potenzialfreiheit gleiche Vorteile bietet. Wird der Prüfling (U_meas) gespeist oder mit einem Signal beaufschlagt, so erhöht sich im oben dargestellten Fall die Spannung für den Prüfling U_meas, wenn das Stimulus-Gerät eine Verbindung zu Erdmasse (PE) aufweist. Ist der Prüfling geerdet, so hilft hier ein potenzialfreies Stimulus-Gerät (Arbitrary Function Generator [3]).

* Johann Degenhart ist Geschäftsführer der VX Instruments und Markus Weingart ist stellvertretender Leiter der Entwicklung bei VX Instruments GmbH.

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