In der Gebäude- und Fertigungsautomation werden Anlagen und Maschinen über Bussysteme angesteuert. Sie verfügen über Funk-, Web- und/oder LAN-Schnittstellen sowie modernste elektronische Komponenten. Tritt eine Störung auf, gibt es vielfältige Ursachen dafür: unzureichende Netzqualität, schlechte Kontaktierung oder nicht ausreichend geschirmte Frequenzumrichter. Auch starke elektromagnetische Felder einer Fertigungsmaschine können Steuersignale beeinflussen und zu Fehlverhalten führen. Deshalb benötigen Ingenieure bei Inbetriebnahme, Wartung oder Fehlerbehebung an Automatisierungskomponenten ein Messgerät, mit dem sie gefahrlos sowohl an Netzspannung messen, aber auch gleichzeitig empfindliche Steuersignale in elektronischen Schaltungen analysieren können.
Handheld-Oszilloskop mit automatischen Messfunktionen
Für diese Zwecke hat Rohde & Schwarz mit dem Scope Rider ein besonders robustes und vielseitiges Handheld-Oszilloskop entwickelt. Es verfügt über zahlreiche automatische Messfunktionen und kann bis zu acht Messgeräte in einem integrieren: vom digitalen Multimeter über den Datenlogger für Langzeitüberwachungen bis hin zum Logikanalyzer, der serielle Bussignale decodiert und analysiert. Dabei zeigt das Oszilloskop zum Beispiel Versorgungsspannung und serielle Steuersignale zeitkorreliert parallel an. Selbst eine Analysefunktion für Harmonische zur Beurteilung der Netzqualität ist damit möglich.
Netzqualität bis in CAT-IV-Umgebungen messen
Müssen berührungsgefährliche Spannungen gemessen werden, benötigt der Anwender ein Messgerät mit einer entsprechenden IEC-61010-1-Messkategorie. In einer CAT-IV-Umgebung – vor der Hauptsicherung eines Hausnetzanschlusses – können bei einer maximalen Messspannung von 600 V Überspannungen von bis zu 8000 V auftreten. Die Sicherheit des Benutzers ist nur dann garantiert, wenn das Messgerät für diese Überspannungen entwickelt wurde und entsprechend zertifiziert ist. Der Scope Rider beispielsweise ist für Spannungsmessungen bis 600 V in CAT-IV- beziehungsweise 1000 V in CAT-III-Umgebungen zertifiziert. Er erlaubt somit die Überwachung der Netzqualität an allen Stellen der elektrischen Installation.
Entscheidend ist auch die galvanische Isolation der Eingangskanäle gegeneinander. Ein versehentliches Vertauschen von Masse- und Signalanschluss führt bei einem herkömmlichen Oszilloskop zum Kurzschluss mit möglicherweise verheerenden Konsequenzen. Die vollständig voneinander isolierten Eingangskanäle dieses Messgeräts verhindern das und gestatten gleichzeitig eine differenzielle Messung. Darüberhinaus erübrigen sich teure Differenztastköpfe und für die Messung an Leistungselektronik ist maximale Sicherheit gewährleistet.
Sporadische Netzunterbrechungen aufspüren
Ein häufiges Problem in der elektrischen Installation sind Kontakte mit unzureichender Verbindung, welche zu sporadischen Unterbrechungen der Stromversorgungen führen. Diese können durch mechanische Vibrationen ausgelöst werden und so kurz sein, dass sie bei gewöhnlichen elektrischen Verbrauchern nicht auffallen, empfindliche elektronische Geräte aber in Ihrer Funktion stören. Vielfältige Triggerfunktionen ermöglichen es, gezielt solche Fehlerursachen aufzudecken und zu analysieren. Beispielsweise lassen sich kurze Unterbrechungen der Stromzufuhr einfach und effektiv mit dem Pulsbreitentrigger erfassen.
Messungen an Antrieben und Leistungselektronik
Häufig belasten Antriebe und Leistungselektronik die Versorgungsspannung in der Fertigung. So ist das Versorgungsnetz je nach Tageszeit und Maschinenlaufzeiten unterschiedlich ausgelastet. Um die Netzauslastung zu erfassen, berechnet das Oszilloskop aus dem gemessenen Strom- und Spannungsverlauf die Wirk-, Schein- und Blindleistung sowie den Leistungsfaktor. Der integrierte Datenlogger des Oszilloskops ermöglicht es zudem, einfach durch Wechsel in den Logger-Modus, die konfigurierten Messungen automatisch für bis zu 23 Tage aufzuzeichnen und auf diese Weise Langzeittrends zu analysieren.
Darüber hinaus ist das Spannungssignal hinter einem Antrieb oder einem Frequenzumrichter nicht mehr sinusförmig, sondern mit Oberschwingungen behaftet. Die Europäische Norm EN 50160 gibt dabei vor, in welchen Grenzen sich das Spannungssignal bewegen darf, um keine Fehlfunktionen zu verursachen. Auch das lässt sich mit dem Handheld-Oszilloskop und der «Analysefunktion für Harmonische» schnell überprüfen. Der Anwender kann damit an bis zu vier Kanälen parallel die Oberschwingungen bis zur 64. Ordnung analysieren. Das Gerät misst für jede erkannte Oberschwingung Pegel, Phase und Frequenz und ermittelt daraus den Effektivwert, Klirrfaktor (THDr) sowie die Total Harmonic Distoriton (THDf). Auf diese Weise lassen sich auch problematische Phasenverschiebungen, welche zu signifikanten Nullleiterströmen führen können, einfach aufdecken.
Das Oszilloskop zeigt die aktuell gemessenen Pegel aller angeschlossenen Kanäle an und, leicht abgedunkelt hinterlegt, den jeweiligen Maximalwert der Messung. Die Grenzwerte der EN 50160 stellt das Gerät für alle Pegel als blaue Linien dar. Tritt eine Grenzwertverletzung auf, bringt das Gerät eine Fehlermeldung. Die Analyse ist für Grundfrequenzen von 50, 60 sowie 400 Hz ausgelegt, kann aber auch für eine individuelle Grundfrequenz bis 1 kHz konfiguriert werden.
Im Teil 2 dieses Beitrags in Ausgabe 19/17 geht es unter anderem um die Analyse serieller Protokolle, die Fernsteuerung des Scope Rider über WLAN und die Ausbaubarkeit.
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