Hinweise zur Erdung für verbesserte Messungen

In Messsystemen können unterschiedliche Erdungskonfigurationen verwendet werden, da Signalquellen ebenfalls unterschiedliche Erdungskonfigurationen aufweisen können. Diese Eigenschaft ist für präziseste Messungen unerlässlich. Diese Flexibilität erschwert jedoch die Auswahl der Erdungskonfiguration des Messsystems.

Abbildung 1 zeigt ein Blockdiagramm der Komponenten, mit denen eine Messung durchgeführt wird. Auf der rechten Seite besteht ein Messsystem aus einem Gerät und einer Signalaufbereitung. Beachten Sie, dass die Signalaufbereitung in Ihrem Gerät integriert oder außerhalb des Geräts erfolgen kann. Auf der linken Seite sehen Sie die Signalquelle, bei der es sich um einen einzelnen Sensor, der aufgrund eines physikalischen Phänomens eine Spannung erzeugt, oder um ein zu prüfendes Gerät handeln kann. In diesem Artikel geht es um die Erdung an der Signalquelle, die Erdung am Messsystem und schließlich die Auswahl einer Messsystemkonfiguration, um ein minimales Messrauschen und minimale Messfehler zu gewährleisten.

Abbildung 1: Eine Signalquelle wird in ein Messsystem eingespeist, das aus einem Gerät und einer Signalaufbereitung besteht.

Es gibt zwei Hauptkategorien von Signalquellen, die für diese Diskussion über die Erdung in Betracht gezogen werden sollten. Sie sind in Abbildung 2 schematisch dargestellt.

Abbildung 2: Es ist wichtig zu wissen, ob Ihr Signal geerdet oder erdfrei ist.

Geerdete bzw. massebezogene Signalquellen

Eine geerdete Signalquelle liegt vor, wenn ein Spannungssignal auf die Masse eines Systems wie den Erdanschluss bezogen ist. Dies wird im Schaltplan links in Abbildung 2 dargestellt, da das Spannungssignal einen direkten elektrischen Weg zur Masse eines Systems hat. Die häufigsten Beispiele für geerdete Signalquellen sind Geräte, die über dreipolige Wandsteckdosen mit dem Erdanschluss eines Gebäudes verbunden sind, zum Beispiel Signalgeneratoren oder Stromversorgungsgeräte. Es ist wichtig zu wissen, dass die Masse von zwei unabhängig geerdeten Signalquellen normalerweise nicht das gleiche Potential haben. Der Unterschied im Massepotential zwischen zwei Systemen, die an dieselbe Gebäudemasse angeschlossen sind, kann 10 mV, 200 mV oder mehr betragen.

Ungeerdete oder erdfreie Signalquellen

Eine nicht geerdete oder erdfreie Signalquelle ist eine Quelle, bei der das Spannungssignal nicht mit einer Masse des Systems, beispielsweise dem Erdanschluss, verbunden ist. Dies ist rechts in Abbildung 2 dargestellt. Beachten Sie, dass weder der Plus- noch der Minuspol einen direkten elektrischen Pfad zu Masse haben. Einige gebräuchliche erdfreie Signalquellen sind Batterien, Thermoelemente und Transformatoren.

Sie können Geräte in einem von drei Modi konfigurieren: Differentiell (DIFF), Einseitig gegen Masse geerdet (RSE) oder Gegen eine Bezugsgröße geschaltet (NRSE).

Differentielle Messsysteme

Ein Differentialgerät erfordert zwei Eingänge, von denen keiner der Eingänge zum Instrumentenverstärker mit einer Systemmasse verbunden ist. Dies ist in Abbildung 3 dargestellt. Hier sind CH0+ und CH0- mit dem positiven bzw. negativen Anschluss des Instrumentenverstärkers verbunden, jedoch nicht mit der Masse des Messsystems (AI GND).

Abbildung 3: Ein ideales differentielles Erfassungssystem reagiert nur auf die Spannungsdifferenz zwischen seinen beiden Anschlüssen.

Ein ideales differentielles Erfassungssystem reagiert nur auf die Spannungsdifferenz zwischen seinen beiden Anschlüssen, dem positiven (+) und dem negativen (-) Eingang. Die Differenzspannung über das Schaltungspaar ist das gewünschte Signal. Es kann jedoch ein unerwünschtes Signal auf beiden Seiten eines Schaltungspaars vorhanden sein. Diese Spannung wird als Gleichtaktspannung bezeichnet. Ein ideales differentielles Messsystem unterdrückt Gleichtaktspannungen vollständig, anstatt sie zu messen, um so genauere Messungen zu ermöglichen. Praktische Geräte haben jedoch Einschränkungen, die durch Spezifikationen wie Gleichtaktspannungsbereich und Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) beschrieben werden.

Der Gleichtaktspannungsbereich ist die maximal zulässige Spannungsschwankung an jedem Eingang in Bezug auf die Gerätemasse. Ein Verstoß gegen diese Bedingung führt nicht nur zu Messfehlern, sondern auch zu möglichen Schäden an Gerätekomponenten. Dies ist die Formel zur Berechnung der Gleichtaktspannung:

^{Gleichung 1: Berechnung der Gleichtaktspannung}

Wobei:

Ein Beispiel für einen Verstoß gegen die Spezifikation des Gleichtaktspannungsbereichs besteht darin, eine Differenzmessung durchzuführen, bei der eine Leitung mit 110 V und die andere mit 100 V versorgt wird. Obwohl die Differenzmessung 10 V beträgt, was möglicherweise innerhalb der Spezifikation für das Gerät liegt, würde die Gleichtaktspannung 105 V betragen und damit möglicherweise nicht innerhalb der Spezifikation des Geräts liegen.

Die Gleichtaktunterdrückung (CMRR) beschreibt die Fähigkeit eines Messsystems, Gleichtaktspannungen zu unterdrücken. Verstärker mit höheren CMRR-Werten können Gleichtaktspannungen effektiver unterdrücken und sind daher für genaue Messungen wünschenswert. Die Gleichtaktunterdrückung kann als Verhältnis der Differenzverstärkung zur Gleichtaktverstärkung beschrieben werden, wie in Gleichung 2 dargestellt. CMRR kann auch in dB beschrieben werden, wie in Gleichung 3 gezeigt.

^{Gleichung 3: Gleichtaktunterdrückung, ausgedrückt in dB}

Wenn das Gerät beispielsweise eine Gleichtaktunterdrückung von 100.000:1 (oder 100 dB) hat und die Gleichtaktspannung 5 V beträgt, können an den Differenzleitungen Spannungsunterschiede von mehr als 50 μV festgestellt werden. Die Gleichtaktunterdrückung ist kritisch, da auf beiden Leitungen der Differenzmessung Störquellen aus der Umgebung vorhanden sind. Wenn das Rauschen jedoch auf beiden Leitungen anliegt, wird es durch die Differenzmessung ausgelöscht. Aus diesem Grund führen differentielle Konfigurationen zu genaueren Messungen als gegen Bezugspotenzial geschaltete Messungen. Differentielle Messungen erfordern jedoch die doppelte Anzahl von Kanälen im Vergleich zu gegen Bezugspotenzial geschaltete Messungen.

Gegen Bezugspotenzial geschaltete Messsysteme

Gegen Bezugspotenzial geschaltete Konfigurationen sind in der Regel die Standardkonfiguration für Geräte. Sie unterscheiden sich von differentiellen Konfigurationen dadurch, dass nur ein analoger Eingangskanal für die Messung benötigt wird. Alle Kanäle des Geräts verwenden den negativen Eingang des Instrumentenverstärkers als gemeinsame Referenz (siehe Abbildung 4). Da gegen Bezugspotenzial geschaltete Konfigurationen nur einen Eingang verwenden, können doppelt so viele Messungen durchgeführt werden wie bei Systemen mit differentieller Konfiguration mit der gleichen Anzahl von physikalischen Kanälen. Auf der anderen Seite sind gegen Bezugspotenzial geschaltete Messungen anfällig für Masseschleifen, die die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigen können.

Im Folgenden sind zwei verschiedene Arten von gegen Bezugspotenzial geschalteten Messsystemen aufgeführt:

• Bei Masse-RSE- (GRSE) oder RSE-Systemen ist der gemeinsame Referenzkanal mit der Gerätemasse verbunden. Im RSE-Beispielsystem in Abbildung 4 ist der Massekanal des Geräts mit AI GND gekennzeichnet.

Abbildung 4: Der gemeinsame Referenzkanal eines GRSE- oder RSE-Systems ist mit der Gerätemasse verbunden.

• NRSE-Geräte beziehen sich auf einen gemeinsamen Punkt. Der gemeinsame Punkt ist jedoch die Spannung, die am negativen Anschluss des Instrumentenverstärkers anliegt. Im NRSE-Beispiel in Abbildung 5 ist die gemeinsame Referenz die Leitung AI SENSE. Daher ist die gemessene Spannung die Potentialdifferenz zwischen CH X und der Spannung am AI SENSE-Kanal.

Abbildung 5: Der gemeinsame Punkt eines NRSE-Geräts ist die Spannung, die am negativen Anschluss des Instrumentenverstärkers anliegt.

Nach der Charakterisierung der Erdungsarten der Signalquelle und der Gerätekonfiguration wird nun erläutert, mit welchen Kombinationen von Signalquellen und Gerätekonfigurationen die genauesten Ergebnisse erzielt werden können.

Messungen von geerdeten Signalquellen

Eine geerdete Signalquelle wird am genauesten mit einer Differenzial- oder NRSE-Gerätekonfiguration gemessen, da das gesamte System nicht zusätzlich geerdet wird. Eine zusätzliche Masse, die dem System hinzugefügt wird, kann zu Masseschleifen führen, die in Messanwendungen häufige Rauschquellen darstellen.

Masseschleifen treten auf, wenn zwei verbundene Anschlüsse in einem Schaltkreis unterschiedliche Massepotentiale haben, was dazu führt, dass Strom zwischen den beiden Punkten fließt. Die Masse der Signalquelle kann mehrere Volt über oder unter der Masse des Geräts liegen. Diese zusätzliche Spannung kann zu Fehlern bei der Messung selbst führen. Zudem kann der fließende Strom auch Spannungen an nahegelegenen Drähten induzieren, was zusätzliche Messfehler verursacht. Diese Fehler können als skalare oder periodische Signale auftreten, die dem gemessenen Signal hinzugefügt werden. Wenn beispielsweise eine 60-Hz-Wechselstromleitung eine Masseschleife bildet, was in den USA und einigen anderen Ländern die Standard-Netzfrequenz ist, kann das unerwünschte 60-Hz-Wechselstromsignal bei der Messung als periodischer Spannungsfehler auftreten.

Um die gemessene Spannung V_m zu berechnen, verwenden Sie die folgende Gleichung 4:

Gleichung 4: Gemessene Spannung bei vorhandener Masseschleife

Wobei:

Mit Hilfe der obigen Gleichung 4 erhalten Sie mathematisch die gemessene Spannung, wenn eine Masseschleife vorhanden ist. Wenn Sie weiterhin das Beispiel für eine 60-Hz-Netzleitung verwenden, ist ΔU_g ein sich mit der Zeit ändernder Wert und kein skalarer Offset. Daher sieht das gemessene Signal nicht wie ein einfacher Offset-Fehler für die gemessene Spannung aus, sondern periodisch.

Abbildung 6 zeigt schematisch ein System mit Masseschleife. Wenn Sie die Spannungsquelle V_s mit einem Gerät messen, das eine RSE-Konfiguration verwendet, können Sie das Schaltbild links von der Gleichung mit dem Schaltbild rechts von der Gleichung in Abbildung 6 vereinfachen, das mit den Berechnungen in Gleichung 4 übereinstimmt.

Abbildung 6: Eine geerdete Signalquelle, die mit einem massebezogenen System gemessen wird, führt zu Masseschleifen und Messfehlern.

Um Masseschleifen zu vermeiden, wie in Abbildung 6 dargestellt, stellen Sie sicher, dass in der Signalquelle und im Messsystem nur ein Massebezug vorhanden ist. Hierfür wird eine differentielle oder NRSE-Gerätekonfiguration oder isolierte Messhardware verwendet, die im Whitepaper Arten der Isolierung und Hinweise zur Messung der Reihe „Gerätegrundlagen“ beschrieben wird.

Messungen mit erdfreien Signalquellen

Sie können erdfreie Signalquellen mit jeder der beschriebenen Messkonfigurationen messen: differentiell, GRSE/RSE oder NRSE. Beachten Sie, dass bei Verwendung von differentiellen oder NRSE-Messkonfigurationen mit einer erdfreien Quelle Vorwiderstände von jeder positiven (+) und negativen (-) Leitung zur Gerätemasse hinzugefügt werden müssen (siehe Abbildung 7).

^{Abbildung 7: Bei der Messung einer erdfreien Signalquelle mit einer Differenzial- oder NRSE-Gerätekonfiguration sind Vorwiderstände erforderlich.}

Über die Vorwiderstände werden die Eingänge des Instrumentenverstärkers gegen Masse geschaltet. Vorwiderstände sollten einen ausreichend hohen Widerstand aufweisen, um die Signalquelle nicht zu belasten und die Signalquelle gegenüber der Referenz des Geräts zu floaten. Die Vorwiderstände sollten jedoch klein genug sein, um die Spannung im Bereich des Geräts zu halten. Dies führt normalerweise zu Vorwiderständen mit einem Bereich von 10 kΩ bis 100 kΩ, um die Bedingungen zu erfüllen. Sie sollten immer die technischen Daten Ihres Geräts überprüfen, um sicherzustellen, dass der Vorwiderstandswert innerhalb des geeigneten Bereichs liegt.

Wenn bei der Messung von erdfreien Signalquellen keine Vorwiderstände in einer Differenz- oder NRSE-Konfiguration verwendet werden, können die gemessenen Signale instabil sein oder sich im positiven oder negativen Messbereich des Geräts befinden.

Wenn eine GRSE-/RSE-Konfiguration zum Messen einer erdfreien Signalquelle verwendet wird, sind keine Vorwiderstände erforderlich. Zur Erzielung optimaler Messergebnisse bei Verwendung von gegen Bezugspotenzial geschalteten Gerätekonfigurationen wird Folgendes empfohlen:

• Die Eingangssignale sind größer oder gleich 1 V.
• Die Signalverkabelung ist relativ kurz und verläuft durch eine rauschfreie Umgebung oder ist ordnungsgemäß abgeschirmt.
• Alle Eingangssignale können ein gemeinsames, stabiles und bekanntes Bezugssignal haben – im Allgemeinen ein Punkt im System, an dem die Spannung 0 V beträgt.

Eine Zusammenfassung der empfohlenen Kombinationen von Signalquellen und Gerätekonfigurationen finden Sie in Abbildung 8. Erdung und Messungen

^{Abbildung 8: Zusammenfassung der Gerätekonfiguration im Vergleich zum Signalquellentyp.}

• Messsysteme umfassen ein Gerät und eine Signalaufbereitung. Je nach Gerät kann die Signalaufbereitung im Gerät oder extern erfolgen.
• Zwei Hauptkategorien von Signalquellen:
  • Geerdete Signalquelle: Das Signal hat einen direkten elektrischen Weg zur Masse.
  • Ungeerdete Signalquelle: Das Signal hat keinen direkten elektrischen Weg zur Masse.
• Geräte können drei Hauptkonfigurationen für Messungen haben:
  • Differentiell: Eine Messung, die an zwei Eingangskanälen verwendet wird und die genaueste Konfiguration ist, da Gleichtaktspannungen entfernt werden.
  • Massebezogen gegen Masse geschaltet (GRSE, Ground Referenced Single-Ended) oder Gegen Masse geschaltet (RSE, Referenced Single-Ended): Eine Messung, die nur einen Kanal und die Gerätemasse verwendet. Dieser gegen Bezugspotenzial geschaltete Messtyp ist jedoch anfällig für Rauschen.
  • Gegen eine Bezugsgröße geschaltet (NRSE): Eine Art von Messung, bei der nur ein Kanal und ein gemeinsamer Bezugspunkt verwendet werden, der nicht geerdet ist. Dieses System ist jedoch im Vergleich zu differentiellen Messungen anfälliger für Rauschen.
• Zum Messen einer geerdeten Signalquelle werden Differenzial- oder NRSE-Messgerätekonfigurationen empfohlen.
• Zur Messung einer erdfreien Signalquelle werden differentielle, GRSE-/RSE- oder NRSE-Gerätekonfigurationen empfohlen.
  • In Differenzial- oder NRSE-Gerätekonfigurationen müssen Vorwiderstände verwendet werden, um eine erdfreie Signalquelle zu messen.

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