Messen von Gleichstrom (DC)

Spannungsmessung 

Spannung ist die Differenz des elektrischen Potenzials zwischen zwei Punkten eines elektrischen oder elektronischen Schaltkreises in Volt. Sie misst die potentielle Energie eines elektrischen Felds, um einen elektrischen Strom in einem elektrischen Leiter zu erzeugen. 

Um Spannungen zu messen, müssen Sie den Spannungspegel, auf den sich die Messung bezieht, sowie die Signalquelle verstehen. Es gibt im Wesentlichen zwei Methoden zur Messung von Spannungen: gegen Masse geschaltet und differentiell. Gängige Signalquellentypen sind erdfreie Signalquellen und geerdete Signalquellen.

Beide Signalquellen haben optimale Anschlussdiagramme, basierend auf dem jeweiligen Messverfahren. Beachten Sie, dass je nach Signaltyp eine bestimmte Spannungsmessmethode bessere Ergebnisse liefern kann als andere.  Erfahren Sie mehr über Überlegungen zur Feldverdrahtung und Rauschen bei analogen Signalen.

Referenzpunktmethoden für Messungen

Es gibt zwei Methoden zur Messung von Spannungen: gegen Masse geschaltet und differentiell.

Messen der gegen Masse geschalteten Spannung (RSE oder NRSE)

 

Eine Methode zur Spannungsmessung besteht darin, eine Spannung relativ zu einem gemeinsamen Massepunkt zu messen. Oft ist diese „Masse“ stabil und unverändert und befindet sich meist in etwa um 0 V. In der Vergangenheit stammt der Begriff Masse aus der üblichen Anwendung, die sicherstellt, dass das Spannungspotential bei 0 V liegt, indem das Signal direkt mit der Erde, also mit Masse, verbunden wird. Geerdete Eingangsanschlüsse eignen sich besonders für Kanäle, die die folgenden Bedingungen erfüllen:

 

• Das Eingangssignal weist einen hohen Pegel auf (über 1 V)
• Die Leitungen zwischen Gerät und Signalquelle sind kürzer als 3 m.
• Das Eingangssignal darf einen gemeinsamen Bezugspunkt mit anderen Signalen haben.

Der Bezugspunkt wird entweder vom Gerät bereitgestellt, mit dem die Messung durchgeführt wird, oder vom gemessenen externen Signal. Wenn die Masse vom Gerät bereitgestellt wird, wird diese Einstellung als gegen Masse geschalteter Modus (RSE) bezeichnet. Wenn die Masse vom Signal bereitgestellt wird, wird diese Einstellung als gegen ein anderes Bezugspotential als Masse geschalteter Modus (NRSE) bezeichnet.

Differenzspannungsmessung (DIFF)

Eine andere Möglichkeit zur Spannungsmessung besteht darin, die Differenzspannung zwischen zwei verschiedenen Punkten in einer elektrischen Schaltung zu bestimmen. Zum Messen der Spannung an einem Widerstand wird die Spannung an beiden Enden des Widerstands gemessen. Der Unterschied zwischen den Spannungen ist die Spannung am Widerstand. Normalerweise können Sie Differenzspannungsmessungen verwenden, um die Spannung zu bestimmen, die an den einzelnen Elementen eines Stromkreises anliegt. Sie können diese Methode auch verwenden, wenn die Signalquellen verrauscht sind.

Differentielle Eingangsanschlüsse sind besonders geeignet für Kanäle, die eine der folgenden Bedingungen erfüllen:

• Das Eingangssignal ist kleiner als 1 V.
• Die Leitungen zwischen Gerät und Signalquelle sind länger als 3 m.
• Für das Eingangssignal ist ein separater Erdungspunkt oder ein separates Rücksignal erforderlich.
• Die Signalleitungen befinden sich in einer störungsreichen Umgebung.

Im differentiellen Modus wird das negative Signal mit dem analogen Pin verbunden, der sich direkt gegenüber dem analogen Kanal befindet, der mit dem positiven Signal verbunden ist. Der Nachteil des differentiellen Modus besteht darin, dass die Anzahl der analogen Eingangskanäle zur Messung effektiv halbiert wird.

Arten von Signalquellen

Beim Anschließen analoger Signale an das Gerät muss Ihnen bekannt sein, ob die Signalquelle geerdet ist oder nicht.

 

Erdfreie Signalquellen

Eine erdfreie Signalquelle ist nicht mit dem Erdungssystem des Gebäudes verbunden, sondern besitzt einen isolierten Potentialbezugspunkt. Zu den erdfreien Signalquellen gehören z. B. Ausgangsspulen von Transformatoren, batteriebetriebene Geräte, Ausgänge von optischen Isolatoren und Isolationsverstärker. Ein Gerät mit isoliertem Ausgang ist eine erdfreie Signalquelle. Die Masse eines erdfreien Signals muss mit der Masse des Geräts verbunden sein, um eine lokale oder geräteeigene Referenz für das Signal festzulegen. Anderenfalls ändert sich das gemessene Signal, wenn die Quelle den Gleichtakt-Eingangsbereich verlässt.

Bei erdfreien Signalen haben Sie mehrere Möglichkeiten zur Eingangskonfiguration: differentiell (DIFF), gegen Bezugspotenzial geschaltet massebezogen (RSE) oder gegen Bezugspotenzial geschaltet nicht referenziert (NRSE).

Abbildung 1: Erdfreie Signalquelle mit empfohlenen Eingangskonfigurationen

Massebezogene Signalquellen

Eine geerdete Signalquelle ist mit der Erdungsanlage eines Gebäudes verbunden. Wenn der Computer, an den das NI myDAQ angeschlossen ist, mit dem Stromnetz des Gebäudes verbunden ist, hat das NI myDAQ dasselbe Bezugspotential wie die Signalquelle. In diese Kategorie fallen z. B. nicht isolierte Ausgänge von (Mess-)Geräten, die mit dem Stromnetz des Gebäudes verbunden sind. Die Erdpotentialdifferenz zwischen zwei Messgeräten, die an dasselbe Stromnetz eines Gebäudes angeschlossen sind, liegt in der Regel zwischen 1 und 100 mV. Wenn Kabel in der Gebäudeinstallation nicht ordnungsgemäß angeschlossen sind, kann der Unterschied größer sein. Wenn eine geerdete Signalquelle falsch angeschlossen wird, kann sich diese Differenz als Messfehler bemerkbar machen. Folgen Sie der Anleitung für das Anschließen geerdeter Signalquellen, um die Erdpotentialdifferenz zu eliminieren.

Bei Massesignalen haben Sie zwei Möglichkeiten zur Eingangskonfiguration: differentiell (DIFF) oder gegen Bezugspotenzial geschaltet nicht referenziert (NRSE). NI empfiehlt für geerdete Signalquellen keine geerdeten Eingangskonfigurationen.

Abbildung 2: Geerdete Signalquelle mit Eingangskonfigurationen

Konfiguration der geerdeten Signalquelle (Eingang)

Bei geerdeten Signalen stehen Ihnen zwei Optionen für die Eingangskonfiguration zur Verfügung. Hinweis: NI empfiehlt für geerdete Signalquellen keine geerdeten Eingangskonfigurationen.

Überlegungen zur Spannungsmessung 

Bei der Spannungsmessung sollten Sie Dinge wie Hochspannungsmessung, Masseschleifen, Gleichtaktspannung und Isolationstopologien berücksichtigen.

Messungen hoher Spannungen und Isolierung

Beim Messen höherer Spannungen sind viele Probleme zu berücksichtigen. Beim Bestimmen eines Datenerfassungssystems ist die erste Frage, ob das System sicher ist. Hochspannungsmessungen können für Ihr Gerät, den Prüfling und sogar für Sie und Ihre Kollegen gefährlich sein. Um die Sicherheit Ihres Systems zu gewährleisten, sollten Sie mit isolierten Messgeräten eine Isolierung zwischen dem Benutzer und gefährlichen Spannungen einrichten.

Die Isolierung sorgt für die elektrische und physikalische Trennung von zwei Teilen eines Messgeräts und gliedert sich in elektrische Isolierung und Sicherheitsisolierung. Bei der elektrischen Isolierung werden Masseleitungen zwischen zwei elektrischen Systemen getrennt. Durch die elektrische Isolierung können Sie Masseschleifen unterbrechen, den Gleichtaktbereich des Datenerfassungssystems vergrößern und die Signalerde auf eine einzelne Systemerde verschieben. Der Begriff „Sicherheitsisolierung“ bezieht sich auf bestimmte Anforderungen zum Schutz von Personen vor gefährlichen Spannungen. Gleichzeitig wird vermieden, dass hohe Spannungen und Transientenspannungen eines elektrischen Systems auf andere elektrische Systeme übertragen werden, mit denen der Anwender in Berührung kommen könnte.

Das Einbinden von Isolierung in ein Datenerfassungssystem hat drei Hauptfunktionen: Verhinderung von Masseschleifen, Unterdrückung von Gleichtaktspannungen und Gewährleistung der Sicherheit.

Erfahren Sie mehr über die Messung hoher Spannungen und Isolierung.

Masseschleifen

Masseschleifen sind die häufigste Ursache für Rauschen bei Datenerfassungsanwendungen. Sie treten auf, wenn zwei verbundene Anschlüsse in einem Schaltkreis unterschiedliche Massepotenziale haben, was dazu führt, dass Strom zwischen den beiden Punkten fließt. Die lokale Masse Ihres Systems kann mehrere Volt über oder unter der Masse des nächstgelegenen Gebäudes liegen, und die Differenz kann bei Blitzschlags in der Nähe auf mehrere hunderte oder tausende Volt steigen. Diese zusätzliche Spannung selbst kann zu erheblichen Fehlern bei der Messung führen, doch der Strom, der sie verursacht, kann außerdem Spannungen in nahegelegene Leitungen einkoppeln. Diese Fehler können in Form von transienten oder periodischen Signalen auftreten. Wenn z. B. eine Masseschleife mit 60-Hz-Wechselspannungsleitungen gebildet wird, erscheint das unerwünschte Wechselsignal in der Messung als periodischer Spannungsfehler.

Wenn eine Masseschleife vorhanden ist, ist die gemessene Spannung, ΔV_m, die Summe aus der Signalspannung, Vs, und der Potentialdifferenz, ΔV_g, die zwischen der Masse der Signalquelle und der Masse des Messsystems besteht (siehe Abbildung 6). Dieses Potential ist im Allgemeinen kein Gleichstrompegel; das Ergebnis ist ein verrauschtes Messsystem, das häufig Komponenten der Netzfrequenz (60 Hz) in den Messwerten anzeigt.

Abbildung 3. Wird eine geerdete Signalquelle mit einem massebezogenen System gemessen, kommt es zu Masseschleifen

Um Masseschleifen zu vermeiden, vergewissern Sie sich, dass im Messsystem nur ein Bezugspotential vorhanden ist, oder verwenden Sie isolierte Messhardware. Der Einsatz isolierter Hardware macht den Pfad zwischen der Masse der Signalquelle und dem Messgerät überflüssig, sodass dann kein Strom zwischen mehreren Erdungspunkten fließt.

Gleichtaktspannung

Im Idealfall reagiert ein differentiell geschaltetes Messsystem nur auf die Potentialdifferenz zwischen den 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 differenzielles Messsystem unterdrückt Gleichtaktspannungen, anstatt sie zu messen. Bei in der Praxis genutzten Geräten sind jedoch verschiedene Beschränkungen zu beachten, die an Parametern wie dem Gleichtaktspannungsbereich und -unterdrückungsverhältnis (der Fähigkeit zum Unterdrücken von Gleichtaktspannungen) abgelesen werden können.

Der Gleichtaktspannungsbereich ist definiert als die maximal zulässige Spannungsschwankung an jedem Eingang in Bezug auf die Masse des Messsystems. Bei Überschreitung dieses Bereichs kommt es nicht nur zu Messfehlern, sondern das Gerät kann auch Schaden nehmen.

Das Gleichtakt-Unterdrückungsverhältnis beschreibt die Fähigkeit eines Messsystems, Gleichtaktspannungen zu unterdrücken. Verstärker mit höheren Gleichtakt-Unterdrückungsverhältnissen unterdrücken Gleichtaktspannungen effektiver.

In einem nicht isolierten differenziellen Messsystem besteht immer noch ein elektrischer Pfad im Schaltkreis zwischen dem Ein- und dem Ausgang. Daher begrenzen die elektrischen Eigenschaften des Verstärkers den Gleichtaktsignalpegel, den Sie an den Eingang anlegen können. Mithilfe von Trennverstärkern wird der leitende elektrische Pfad beseitigt und die Gleichtakt-Unterdrückungsrate stark erhöht.

Isolationstopologien

Beim Konfigurieren eines Messsystems ist es wichtig, die Isolationstopologie eines Geräts zu verstehen. Je nach Topologien sind verschiedene Kosten- und Geschwindigkeitsüberlegungen zu beachten. Zwei gängige Topologien sind Kanal-zu-Kanal und Bank.

Kanalweise Isolierung

Die robusteste Isolationsarchitektur ist die Isolierung jedes einzelnen Kanals. Bei dieser Architektur sind alle Kanäle untereinander und von anderen nicht isolierten Systemkomponenten getrennt. Jeder Kanal verfügt zudem über eine eigene isolierte Stromversorgung.

Hinsichtlich der Geschwindigkeit stehen verschiedene Architekturen zur Auswahl. Die schnellere Lösung bringt der Einsatz eines Trennverstärkers mit einem A/D-Wandler pro Kanal, weil auf alle Kanäle parallel zugegriffen werden kann. Für eine kostengünstigere Architektur, die jedoch auch langsamer ist, wird jeder isolierte Eingangskanal in einen einzigen A/D-Wandler gemultiplext.

Eine weitere Methode zur Bereitstellung einer kanalweisen Isolierung ist der Einsatz einer gemeinsamen isolierten Stromversorgung für alle Kanäle. In diesem Fall ist der Gleichtaktbereich der Verstärker auf die Versorgungsleiste dieser Stromversorgung beschränkt, falls keine Front-End-Spannungsteiler verwendet werden.

Gruppierung

Eine weitere Isolationstopologie beinhaltet das Gruppieren mehrerer Kanäle, um einen einzigen Isolationsverstärker gemeinsam zu nutzen. In dieser Isolationstopologie ist die Abweichung der Gleichtaktspannung zwischen den einzelnen Kanälen auf einen bestimmten Wert festgelegt. Jedoch werden zwischen den Kanalgruppen und den nicht isolierten Komponenten des Messsystems starke Änderungen der Gleichtaktspannung toleriert. Einzelne Kanäle sind nicht isoliert, wohingegen Kanalgruppen gegen andere Gruppen und gegen Masse isoliert sind. Bei dieser Anordnung handelt es sich um eine kostengünstigere Variante, da hierbei mehrere Kanäle von einem Trennverstärker profitieren und von einer Stromversorgung gespeist werden.

Spannung mit Hardware von NI messen

Die Qualität der Erfassungshardware bestimmt die Qualität der erfassten Spannungsdaten. NI bietet verschiedene Hardware zur Spannungsmessung an, mit der Spannungen über einen weiten Wertebereich genau gemessen und Spannungssignale für Steuerungs- und Kommunikationsanwendungen erzeugt werden können. Die Optionen für Spannungsversorgungsprodukte von NI sind für Industrie- oder explosionsgefährdete Bereiche optimiert und können über einen integrierten Isolations- und Überstromschutz für Hochspannungsanwendungen verfügen.