FAQ


 
Oft gestellte Fragen - hier die Antworten
FAQ steht für "frequently asked questions"

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Kalibrierung, Messtechnik und A/D-D/A Wandler
 

Was ist der Unterschied zwischen eichen, justieren und kalibrieren?

Justage:
In der allgemeinen Messtechnik wird beim Justieren ein Messwert beispielsweise "von Hand" zu einer Referenzgröße deckend abgeglichen, damit das Produkt bzw. Ergebnis so wenig wie möglich, über einen weiten Bereich, vom tatsächlichen Sollwert abweicht. Das Justieren erfordert also einen Eingriff, der das Messgerät bleibend verändert.

Kalibration:
Beim Kalibrieren wird lediglich der Fehl- bzw. Differenzbetrag zwischen Ist- und Sollgröße festgestellt bzw. dokumentiert. Bei der Kalibration erfolgt also keine Justage. Somit ist eine Kalibration eine verbleibende Messabweichung am fertigen Messgerät.

Eichung:
Werden bei der Kalibration Abweichungen durch eine Eichbehörde festgestellt und durch ein entsprechendes Zertifikat oder einen Stempel bestätigt, handelt es sich um einen Eichvorgang. Das Eichen eines Messgeräts umfasst die von der zuständigen Eichbehörde nach den Eichvorschriften vorzunehmenden Prüfungen. Welche Messgeräte der Eichpflicht unterliegen und welche davon befreit sind, ist gesetzlich geregelt.

Wozu benötigt man A/D und D/A Wandlerkarten?

Zur Erfassung und Automatisierung von Prüf- und Meßvorgängen ist die Wandlung von analoge in digitale Meßwerte eine Grundvoraussetzung. 
Da die meisten Meßgrößen in analoger Form vorliegen, ist das Herzstück jedes digitalen Meßverfahrens, die Wandlung der analogen zur digitalen Meßgröße. A/D- und D/A-Wandler-Karten ermöglichen die Kommunikation des PCs mit analogen Geräten (z.B. Sensoren, Aktoren). A/D-Karten dienen der Messung, Digitalisierung (Wandlung) und nachfolgenden Visualisierung von Spannungen und Strömen. D/A-Karten wiederum setzen digitale Signale in analoge Spannungen oder Ströme um. Geschwindigkeit, Auflösung, Genauigkeit und Bit-Breiten sind vom jeweiligen Produkt abhängig und bestimmen den Preis. In Kombination eignen sich die A/D-D/A-Karten zur Regelung von Prozeßabläufen und zur Prozeßautomatisierung überall dort, wo im Prozeß auf äußere Bedingungen flexibel reagiert und entsprechend nachgeregelt werden muss. In Kombination mit einer entsprechenden Visualisierungs-Software (bsp. Profilab-Expert) kann eine individuelle Darstellung von Meßwerten unter Windows® erfolgen.

Was muss man bei der Auswahl von Messkarten beachten?

Da die in der Elektronik vorkommenden Meßgrößen nach Art und Wert (Meßbereichsumfang) sehr verschieden ausfallen, gilt zu Beginn einer Messung die physikalische Größenordnung im Vorfeld festzustellen. Danach ist die entsprechende Meßkarte nebst Signalkonditionierung auszuwählen. Als ein wichtiges Kriterium gilt dabei die Ausgangs- und Eingangsimpedanz von analogen Schaltungen zu betrachten. Die Eingange von Messkarten bestehen ersatzschaltungstechnisch betrachtet aus einer Parallelkapazität und einer Widerstandslast, die sich je nach Betriebszustand (online/offline) vom hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand verändern kann (PC = ausgeschaltet). Aber selbst bei einem hochohmigen Messeingang kann dem Meßobjekt zu viel Energie entnommen werden, sodass die Funktion der Schaltung durch die Messung nachhaltig beeinträchtigt oder gestört wird. Gleiches gilt für die Eingangskapazität eines Meßkanals, verursacht durch eine unzuverlässige, kapazitive Belastung des Meßobjektes. Um Messfehler dieser Art zu vermeiden, gilt darauf zu achten, dass die Ausgangsimpedanz eines Meßobjektes niederohmig ausfällt und genügend Leistungsreserve bereithält, um bei kapazitiven o.a. unterschiedlichen Belastungen hinreichend Energie zur Verfügung stellen kann. Nicht selten kommt es vor, dass ein unterdimensionierter Ausgangstreiber einer Schaltung bei Anschluss eines langen Kabels bereits zusammenbricht.

Was ist ein Normal bzw. Normalelement in der Spannungsmessung?

Als Normalelement bezeichnet man eine bekannte Vergleichsspannung, die aus bestimmten, reinen Materialien gleichwertig und konstant an jedem Ort der Erde unter gleichen Bedingungen herstellbar ist. Man bedient sich mitunter galvanischer Elemente, deren physikalisch-chemische Eigenschaften zu gleichen, wiederholbaren Ergebnissen führen. Zur konstanten (Ur-)Spannungserzeugung wird häufig die EMK von Normalelementen benutzt. Sie dürfen jedoch praktisch nicht belastet werden (Imax. < 10-5 Ampere), da sonst die Spannung zusammenbrechen kann. Als internationales Spannungsnormal dient seit 1908 das Weston-Element, dessen Aufbau aus zwei, in der Mitte miteinander verbundenen, Glasbehältern besteht. Die Flüssigkeit besteht aus gesättigter Cadmiumsulfatlösung (Cd SO4), die an den Elektroden eine Spannung von exakt 1,01865 Volt (abs.) bei +20 Grad Celsius erzeugt. Die Spannungsänderung zur Temperatur wird mit -40µV/C angegeben, sodass sich dieses Normal auch auf andere, vorherschende Zimmertemperaturen leicht umrechnen lässt. Die EMK des Weston-Nomals ist auf 1x 10-4 Volt sicher. Die Lebensdauer dieser Zelle beträgt bei pfleglicher Behandlung, mehrere Jahre. Für technische Zwecke benutzt man häufig auch das "ungesättigte Weston-Element", dass eine fast temperaturunabhängige EMK von 1,01925 Volt (abs.) besitzt. Diese hat jedoch den Nachteil, dass die Zelle zeitlich nicht so konstant arbeitet. Ein Normalelement sollte nicht mit einem Primärelement verwechselt werden, wenngleich auch aufbaubedingte Ähnlichkeiten vorherrschen. Ein Primärelement ist beispielsweise eine Zellen-Anordnung nach Volta, die keine (Auf-)Ladung benötigt, um Spannung abzugeben. Der italienische Physiker Alessandro Volta (1745-1827) stellte dazu je eine Zink- und Kupferplatte mit geringem Abstand nebeneinander in ein Glasgefäß mit verdünnter Schwefelsäure (Zn SO4). Anschließend konnte an den Elektroden (Platten) eine elektrische Spannung entnommen werden. Chemische Vorgänge bzw. Wanderungen von Ionen und Elektronen sind dafür die Ursache. Man kann die ablaufende Reaktion auch als kupferkatalysierte Redoxreaktion zwischen Zink und Wasserstoff-Ionen, also als Auflösung eines unedlen Metalls durch eine schwache Säure, ansehen. Beim Volta-Element entsteht dabei eine Spannung von etwa 1,1 Volt.

Wie kann KOLTER ELECTRONIC sicherstellen, dass die Messkarten und Messmodule richtig messen?

Kalibrierte Geräte und funktionstaugliche Prüfmittel sind die Basis zuverlässiger Ergebnisse. Hinsichtlich der Messtechnik, werden dazu firmenintern drei programmierbare, hochgenaue Referenzquellen (2x Spannung, 1x Strom) sowie vier hochauflösende Messinstrumente bis zu 10nV DC Auflösung verwendet. Weiterhin wird die Sicherstellung von Referenzspannungswerten durch ein parallelgeschaltetes, selbstkalibrierendes Digitalmultimeter mit 7,5-stelliger Anzeige erreicht. Zwei unabhängige Kalibrierquellen dienen zusätzlich zur Verifizierung eigener Messmittel, sodass eine externe Messmitellüberwachung mit Werkszerifikaten entfallen kann. Mit diesem umfangreichen Equipment sollte es problemlos möglich sein, Messkarten und analoge Schaltungen zu justieren, deren Messgenauigkeit bzw. Auflösung mehrere 10er-Potenzen gröber, als die hier verwendeten Messmittel arbeiten.

Welche Fehler können bei der Abfrage von Messwerten entstehen, wenn die Ergebnisse nicht exakt mit der Kalibrierspannung übereinstimmen?

Möglicherweise wird das DUT zu schnell ausgelesen. Messfehler können immer dann entstehen, wenn beispielsweise der Multiplexer zu schnell umgeschaltet wird und dann keine Pause zwischen Umschalten und A/D-Wandeln erfolgt, oder der A/D-Wandler "überfahren" wird, also vom Rechner (Software) schneller abgefragt wird, als der Wandler den Messwert zu wandeln vermag. Tip: Mögl. ADC-Abtastrate immer unterschreiten.

Was muss man bei Kalibriermessungen in der Praxis beachten?

Bei Referenzmessungen müssen alle offenen Kanäle vom DUT mit einer kurzen Brücke gegen AGND kurzgeschlossen werden. Die Messquelle muss erdfrei sein, min. mit 10mA belastbar sein und mit mögl. kurzen Drähten (besser abgesch. Koaxleitung) an den DUT verbunden werden. Falls ein Ripple auf der Referenzspannung zu erkennen ist, kann man notfalls auch einen 1µF bip. Kondensator direkt über die Anschlussklemme schalten, damit das DUT eine wirklich saubere und stabile Kalibrierspannung erhält. Erst dann kann man das Messverhalten einer Schaltung qualitativ bewerten.

Wo finde ich Unterlagen bzw. Lehrstoff zu analogen Schaltungen?

Als PDF hier: http://www.elektronikschule.de/~krausg/DSP...
(ausgezeichnet aufbereitet)

Findet bei KOLTER ELECTRONIC eine Messmittelüberwachung statt?

Ja, KOLTER ELECTRONIC hat eine Messmittelüberwachung eingeführt. Da die hochauflösenden Messmittel dauerhaft parallel zu den programmierbaren Referenzquellen in unserem Prüffeld verschaltet sind (um einen mögl. exakten Abgleich an den Produkten jederzeit vornehmen zu können), wird eine Messmittelüberwachung nahezu täglich im Rahmen dieses Messaufbaus durchgeführt. Diese Überwachung wird jedoch nicht zwangsläufig mitprotokolliert, da in einem Fehlerfall die Abweichung sofort sichtbar würde und weitere Prüfungen mit einer Ersatzquelle und/oder einem kalibrierten Ersatzinstrument fortgeführt werden.

Sind die Instrumente bei KOLTER ELECTRONIC werkskalibriert?

Ja. In der Regel werden die in der Qualitätsprüfung verwendeten Spannungsmessinstrumente, alle 2 Jahre einer eigenen Werkskalibrierung (gemäß internem Prüfmittelmanagement) mit DKD-Zertifizierten Geräten unterzogen. Zur Kalibrierung und Überprüfung unserer Instrumente verwenden wir dazu ein Transfermittel (Kalibrierquelle). Die Unterlagen sind entsprechend hinterlegt. Es werden jedoch nur Geräte und Messbereiche kalibriert, die in der Serienproduktion angewendet werden. Eine Kalibration kann aber auch sporadisch stattfinden, oder besonderen Anforderungen entsprechend, in anderen Messbereichen mit weiteren Mitteln durchgeführt werden.

Was ist ein Kalibrierschein, Werks- oder DKD-Kalibrierzertifikat?

Die Kalibrierung ist ein manuelles oder automatisiertes Verfahen zur Feststellung auf Richtigkeit einer Meßgröße eines Meßgerätes (z.B. Voltmeter) ohne Eingriff in das Meßsystem. Daher kann im Prinzip jeder einen Kalibrierschein nach Kalibrieranweisungen ausstellen, der über geeignete Messmittel verfügt. Wird jedoch eine Kalibrierung gefordert, um beispielsweise die DIN-ISO 9000ff einzuhalten, muss der Zertifikataussteller sein Vergleichs-Equipment bei einer höheren Instanz nachvollziehbar zertifizieren lassen, damit der Kalibriergegenstand (bsp. Messgerät oder Quelle mit dem ein Abgleich stattfindet) Anschluss an rückgeführte Normale der PTB findet. Dies wird i.d.R. durch ein geeignetes Gerät (bsp. DC Referenz-Standard) mit DKD-Kalibrierschein und den darauf bezogenen Messergebnissen (Prüfprotokoll) durch den Aussteller nachgewiesen. Die Rückführbarkeit beschreibt einen Vorgang, durch den der angezeigte Meßwert eines Meßgerätes über einen oder mehrere Schritte mit dem nationalen Normal für die Meßgröße verglichen werden kann (ähnl. wie beim Ur-Meter). Liegt ein entsprechendes DKD-Kalibrierzertifikat vor, kann ein messtechnisch kompetenter Dienstleister, zertifizierte bzw. rückführbare Kalibrierscheine in diesem Zusammenhang ausstellen, wenn technische Gegebenheiten (bsp. Umgebungstemperatur...) und Messunsicherheiten (bsp. Vorlaufzeit...) mit in das Protokoll aufgenommen werden. DKD-Kalibrierscheine können hingegen nur die bei der PTB akkreditierten Kalibrierlaboratorien im Rahmen der akkreditierten Messgrößen ausstellen. DKD-Kalibrierzertifikate sind in der gesamten EU, sowie in vielen anderen Ländern der Erde gültig und anerkannt.

Verfügt die Fa. KOLTER auch über Kalibrierquellen?

Ja. Hier, unser Kalibrierschein: FLUKE DC-Referenzquelle

Kann KOLTER ELECTRONIC auch Kalibrierzertifikate zu den Produkten mitliefern?

Ja, jedoch nicht kostenlos. Ab sofort bieten wir für unsere analogen Messprodukte (bsp. PCI-AD16LC...) eine optionale Ausstellung von Kalibrierzertifikaten an. Eine Qualitätssicherungsvereinbarung oder Audit (bsp. nach QS 9000 3rd edition, 4.10.6 bzw. ISO/TS 16949, QS 9000 und VDA 6.1) lehnen wir jedoch grundsätzlich ab. Zudem sind produktspezifische Kalibrierscheine eine zusätzliche und aufwendige Dienstleistung, die nicht im Grundpreis unserer Produkte enthalten ist. Diese spezielle Dienstleistung kann somit nur kostenpflichtig angeboten werden. Die Anfertigung von Kalibrierscheinen erfolgt durch Vergleich mit C-Messmitteln (bsp. Fluke 731B), die in einem DKD-akkreditierten Messlabor kalibriert und zertifiziert wurden. Obwohl KOLTER ELECTRONIC selbst nicht akkreditiert ist, wird somit die Rückführbarkeit auf nationale Normale der PTB über das DKD-Zertifikat unserer Referenzquelle hergestellt. Hier finden Sie ein Beispiel zu unserem Kalibrierschein samt Prozessbeschreibung im PDF-Format. Ausführlichere Prüfberichte sind kostenpflichtig (nur auf Anfrage).

Was wird kalibriert und was kostet ein Kalibrierschein?

Normalerweise wird die gesamte Messkette einer Anordnung geprüft. Auf Anforderung können jedoch auch nur Teilprüfungen vorgenommen werden. Dies ist alles Verhandlungssache zwischen den Vertragsparteien. Da KOLTER ELECTRONIC jedoch nur eigene Produkte prüft, ist die Auswahl bereits stark eingegrenzt: Gemäß unserer Haupt-Referenzquelle werden nur DC-Spannungen bis 10 Volt kalibriert. Mittels einem DKD-Zertifizierten Vielfachinstrument werden wir aber auch noch andere Meßgrößen kalibrieren können und uns selbst eine Werkskalibrierung zu den verwendeten Messmitteln ausstellen, die in der Produktion Einsatz finden. Für die von uns angefertigten Produkte ist leider keine DKD-Kalibrierung möglich. Auf Anfrage können wir gegen einen geringen Aufpreis von 80,-€ Grundgebühr (zzgl. 16% MwSt.) einen DKD-Zertifizierten Kalibrator zur Justage Ihrer Messkarte verwenden. Dies wird anschließend ohne weitere Nennung von Kalibrierdaten oder Messergebnissen bescheinigt. Das Dokument enthält dazu Angaben über Kalibrator, ggf. weitere Messmittel und Prüfling, Umgebungsbedingungen sowie die Angabe, dass die Toleranz des Prüflings eingehalten wurde und die Rückführbarkeit auf nationale Normale mittels DKD-zertifizierten Kalibrator stattgefunden hat. Die Kalibrierung findet jeweils auf dem ersten Messkanal des Prüflings statt. Jeder weitere Messpunkt wird mit einem Aufpreis von 10,- € (zzgl. 16% MwSt.) veranschlagt.

Können auch weitere Kanäle kalibriert werden?

Ja, bei aufwendigeren Messungen an Mehrkanal-Produkten kann auch ein individuelles Angebot erstellt werden. Die Praxis zeigt aber, das solche Messungen kaum einen Sinn machen.

Können wir auch die Kalibrierdaten zum Produkt erhalten?

Ja. Falls Sie Kalibrierdaten von der eingestellten Justage benötigen, können wir im Rahmen eines erweiterten Messverfahrens den Prüfling über 3, 4 oder 5 Messpunkte kalibrieren. Da nicht nur das Erstellen dieser Dokumente umfangreicher ausfällt, ist der Aufpreis abhängig von der Anzahl der geforderten Messpunkte. (z.B. Grundpreis 80,-€ + 10,-€ * 4 Messpunkte = 120,-€ + 10,-€ Versandkosten + 16% MwSt.). Die Kalibrierung findet jeweils auf dem ersten Messkanal des Prüflings statt.

Können wir bereits vorhandene Produkte nachkalibrieren lassen?

Ja. Senden Sie uns dazu nur Ihre Messkarte bzw. Messmodul ein. Die Kalibrierung benötigt i.d.R. nur einen Arbeitstag + Versanddauer. Jedes Produkt unterliegt dabei einem Eingangstest, um die korrekte Funktion für die Kalibrierung sicherzustellen. Bei fehlerhafter oder defekter Ware wird ein entsprechendes Reparaturangebot erstellt, so dass sich eine Kalibrierung verzögern kann. Sollten wir Ware erhalten, die irreparabel ist, werden wir Sie entsprechend darüber informieren und beispielsweise eine Entsorgung vorschlagen oder das Produkt kostenpflichtig zurücksenden.

Welche Karten und Module können kalibriert werden?

Alle spannungsmessende PCI-ADxx, PCI-ADGVT, AD12LC, AD12BIT, ADGVT12, ADGVT16, AD16BIT, MFB51 und ADI1 -Karten, sowie das VModul-A/D@USB, VModul-A/D@RS232 und VModul-A/D-mini Modul. Die über Shunt-messende mA-Messkarten/Module können über ein Vergleichsverfahren kalibriert werden. Karten und Module mit Spannungsausgaben (D/A) können ebenfalls über ein DKD-zertifiziertes Multimeter kalibriert werden.

Wie lange ist die Kalibrierung gültig?

Dies entscheiden letztendlich Anwendung und Einsatzart (oder Ort) der verwendeten Messmittel. Im Gegensatz zu Eichungen, ist bei der DKD- oder Werkskalibrierung keine Gültigkeitsdauer vorgeschrieben, weder gesetzlich, noch normativ. Zum Kalibrierintervall lässt sich desshalb keine eindeutige Antwort geben, da eine Kalibrierung immer nur eine Momentaufnahme ist. Falls ein Qualitätsicherheitssystem etabliert wurde, werden hier die Rekalibrierzyklen für jedes Messmittel eigens bestimmt. Zur Bestimmung des Kalibrierintervalls fließen hierbei im erheblichen Maße eigene Praxiserfahrungen mit ein. Führen Sie daher in kurzen Abständen Kontollen mit anderen Messmitteln durch und notieren Sie sich Differenzabweichungen. Erst wenn Sie reproduzierbare Ergebnisse messen, die außerhalb von Toleranzgrenzen feststellbar sind, sollten Sie das Kalibrierintervall für dieses Produkt entsprechend neu definieren und in Ihrem QMH-Bericht festschreiben.

Was empfiehlt KOLTER ELECTRONIC als Kalibrierintervall?

Wir empfehlen für unsere Produkte ein 1...2-jähriges Kalibrierungsintervall. In klimatisch aggressiver und stressbedingter Umgebung (bsp. große Feuchte- und Temperaturschwankungen oder auch Vibration...) ist ein kürzeres Intervall oftmals angemessen.

Wann erlischt der Kalibrierschein?

Die Kalibrierung erlischt, wenn Sie beispielsweise einen anderen Messbereich verwenden, der nicht kalibriert wurde, oder das Kalibrierintervall überschritten ist. Als weitere k.o.-Kriterien gelten: wenn das Produkt Auffälligkeiten hinsichtlich der Toleranzgrenzen zeigt, überlastet bzw. falsch angeschlossen wurde, Bauteile ausgetasuscht wurden oder eine Reparatur erfolgte, an den Einstellreglern herumgedreht wurde, oder andere, elektrische oder mechanische Defekte aufweist.
 

Wo kann ich meine Messinstrumente DKD-kalibrieren lassen?

Fragen Sie bitte hier nach: DKD - Deutscher Kalibrierdienst, bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Bundesallee 100, D-38116 Braunschweig, Tel.: (0531)592-1901, Fax: (0531)592-1905, E-Mail: dkd@ptb.de. Siehe auch: http://www.ptb.de

Was ist der Unterschied zwischen Messgröße und Messwert?

Die Messgröße ist eine zu messende physikalische, chemische oder sonstige Größe im Sinne einer quatifizierbaren Eigenschaft. Der Messwert ist der mit Hilfe einer Messeinrichtung ermittelte Zahlenwert dieser Messgröße. Messwerte sind allein betrachtet bedeutungslos. Daher sind Einheiten vereinbart, die das Produkt aus Zahlenwert und Einheit bilden.

Was ist ein Messverfahren?

Ein Messverfahren umfasst alle experimentellen Maßnahmen für die Gewinnung eines Messwertes. Das Anwenden eines Messverfahrens erfordert eine Messeinrichtung, als Gesamtheit der Geräte zur Gewinnung eines Messwertes. Diese besteht i.d.R. aus einer "Kette" hintereinander geschalteter Übertragungsglieder. Man Spricht daher auch von einer Messkette. Die Messeinrichtung ist eine auf den Messwert zugeschnittene Anlage, die nach einem bestimmten Messprinzip beruhenden Messverfahren verwirklicht wurde.

Was versteht man unter Messbereich?

Um festgelegte Toleranzen und Fehlergrenzen einzuhalten, muss ein zu bestimmender Messwert in einem zuvor definierten Bereich liegen. Ein Messbereich kennzeichnet sich durch Messanfang (kleinster Wert oder Null) und Messende (Maximalwert) aus. Die Differenz aus Beiden nennt man Meßspanne.

Was ist ein Messwert?

Der Messwert gibt an, wie oft die ursprünglich festgelegte Referenzgröße in der unbekannten Größe enthalten ist.

Was versteht man in der Messtechnik unter Toleranz?

Die Messtoleranz legt bestimmte Grenzen um einen vorgegebenen Messwert bzw. Bereich fest und ist i.d.R. eine absolute Angabe. Messergebnisse innerhalb dieser Grenzen werden als annehmbare Qualität akzeptiert bzw. als in der Toleranz liegende Abweichung. Jede Meßeinrichtung ist einer bestimmten Grund-Toleranz unterworfen, wodurch jeder ermittelte Meßwert mit einem bestimmten Fehler behaftet ist. Bei sehr hochwertigen Meßkarten ist dieser Fehler relativ klein. Ebenso kann ein geringerer Fehler bei Meßeinrichtungen angenommen werden, die nur in bestimmten Zeitabständen einer Kalibrierung oder nachträglichen Justage unterzogen werden. Diese Maßnahme sollte in bestimmten Abständen überprüft, und wenn nötig korrigiert werden.

Gibt es eine Möglichkeit, Messwerte völlig fehlerfrei zu erhalten?

Ja und nein. Praktisch betrachtet, kann in bestimmten Fällen eine Toleranzgrenze soweit abgesenkt werden (im Sinne von unscharf), dass der Eindruck einer fehlerfreien Messung entsteht. Legt man eine empfindlichere Toleranzgrenze für diese Messungen zu Grunde, sind entsprechende "Messfehler" wieder sichtbar. Es kommt also lediglich darauf an, Messfehler in richtiger Relation zum vorgegebenen Verwendungszweck, bzw. zu den hervorgebrachten Resultaten zu betrachten. Die Präzision einer Messung wird immer durch festgelegte bzw. definierte (z.T. ermittelte) Toleranzen vorbestimmt, die je nach Anforderung (bsp. max. zulässige Toleranzen) mit der Anwendung (bsp. Prüfstand) übereinstimmen muss. Messtoleranzen sind nicht zu vermeidende, natürliche Phänomene physikalischen Ursprungs. Sie entstehen auf einer Reihe linearer und unlinearer Zusammenhänge und Verhaltensweisen komplexer Schaltungen, die rudimentär sowie auf vielfältige Weise in einander greifen. Die Kunst, Toleranzen klein zu halten liegt vornehmlich darin, Schaltungen beim Design entsprechend umsichtig und vorrausschauend auszulegen, dass Toleranzen sich möglichst gegeneinander auskompensieren. Da sich Toleranzen von komplexen Schaltungen i.d.R. nicht am PC simulieren lassen, ist der Faktor Erfahrung maßgebend für den Erfolg einer toleranzarmen Meßschaltung.

Was sind Messfehler?

Grundsätzlich erhalten wir bei der Messung physikalischer Größen eine vom wahren Wert abweichende Messwertanzeige. Jedes Meßergebnis wird durch die Unvollkommenheit des Meßgegenstandes, der Meßaufbereitung und der Meßverfahren sowie durch Einflüsse der Umwelt beeinträchtigt bzw. verfälscht. Dabei unterscheidet man zwischen absoluten und relativen sowie systematischen und zufälligen Fehlern. Zudem teilen sich Messfehler grob in statische und dynamische Fehler auf. Dazu zählen beispielsweise Nullpunktfehler (Offset), Steigungsfehler (Verstärkungsfehler bzw. Gain), Linearitätsfehler, Hysteresefehler, Laufzeiteffekte und Energiespeichereffekte. Zusätzliche Messfehler entstehen bei Quantisierungseffekten, beispielsweise Rauschen im Verstärkerzug oder parasitäre Schwingungen im A/D-Wandler während der sukzessiven Approximation. Die sukzessive Approximation steht dabei für die Wandlung durch wechselnde Annäherung an den eigentlichen Messwert (Wägeverfahren) und dessen Wertebildung. Weiterhin können Messfehler auch bei Rückwirkungen auf das Messobjekt entstehen. Wichtig ist zudem die Betrachtung der Fortpflanzung von Fehlern (Fehlerfortpflanzungsgesetz) bei der Weiterverarbeitung von Messdaten in einer Messkette.

Welche Arten von Messfehler gibt es?

Die Ursache von Messfehler können im Messobjekt selbst (die zu messende Quelle), in den Messmitteln (A/D-Karte), in Einwirkungen von Aussen (klimatische Veränderungen, Pulse, allgem. EMV-Störungen, HF-Einstreuung...) oder in der Art der Durchführung (z.B. falscher Messbereich, falsche Sensorwahl, falsche Messmethode...) liegen. Folgende Ursachen treten häufig auf: Bauteile-Toleranzen, Messgerätefehler, Ansprechempfindlichkeit, Rückwirkung, Querempfindlichkeiten, Aufbau- und Schaltungsfehler, Ablesefehler oder falsche Wahl der Messmethode bzw. Bedienungsfehler, Rauschen, sowie Einzelfehler und unkontrollierte Einflüsse.

Was ist Messunsicherheit?

Die Messunsicherheit gibt einen maximalen Abstand an, den der tatsächliche Wert vom Messwert haben kann. Die Messunsicherheit ist normalerweise eine positive Grösse. Durch sie wird ein Intervall um den Messwert festgelegt, in dem sich der tatsächliche Wert sicher befindet.

Gibt es zu diesen Messtechnik-Themen ein gutes Buch?

- Heinz Richter: "Neue Schule der Radiotechnik und Elektronik" Telekosmos Verlag 1967
- Prof. Dr. Hans Hart: "Einführung in die Messtechnik" VEB Verlag Technik, Berlin 1987

Was bedeutet worst case?

Bei diesem Fehlerpotential wird immer der schlimmste Fall (worst case) angenommen. Dabei wird der mögliche Einfluss jeder fehlerbehafteten Messung auf das Endergebnis berechnet und deren Absolutwerte addiert. Zudem erhält man mit dieser Darstellung eine Messreihe, in dem der tatsächliche Messwert mit Sicherheit vorhanden ist. Worst-case kann man auch als eine "Über-alles-Messung" verstehen, in der sämtliche Fehlermöglichkeiten berücksichtigt wurden.

Was ist eine Gleichtaktunterdrückung?

Als Gleichtaktunterdrückung (engl.:CMRR...Common Mode Rejection Ratio) bezeichnet man das logarithmische Verhältnis der Differenzverstärkung zur Gleichtaktverstärkung. Die Gleichtaktunterdrückung gibt demnach an, um welchen Faktor ein Differenzsignal höher verstärkt wird, als ein Gleichtaktsignal. Die Gleichtaktunterdrückung wird auch als CMR (Common Mode Rejection Ratio) bezeichnet. Der Wert von CMRR wird i.d.R. in dB angegeben. Schaltungswerte von über 100 dB sind schon recht ordentlich. Werden die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers miteinander kurzgeschlossen und mit einer gemeinsamen Spannung beaufschlagt, so stellt sich am Ausgang eine Spannung ungleich NULL ein. Ein idealer Differenzverstärker liefert dabei die Ausgangsspannung von 0 Volt. Dieser Wert ist aber in der Praxis unerreichbar, denn im wesentlichen bestimmen äußere Schaltelemente, Toleranzen, sowie innere Unsymmetrie den CMR. Siehe hierzu: http://www.elektronik-kompendium.de...

Was ist ein Massefehler?

Massefehler entstehen oftmals bei mehreren, örtlich verschiedenen Massepunkten (beispielsweise zwischen Mess-PC und einem externen Gerät), auf deren Leiter sich Spannungen bilden können. Bei vorhandenen, unterschiedlichen Potentialen, muss der Ausgleich immer sternförmig erfolgen, um Masseschleifen zu unterbinden. Masseschleifen können auch bei doppelter Erdung beispielsweise durch Netzleitungen oder einer weiteren ZPE erzeugt werden. Oftmals wird bei Experimenten nicht auf eine saubere Masseführung geachtet, sodaß sich Erdschleifen bilden. Im Ergebnis sind dann Messwerte mit starken Störungen vorbelastet oder auch permanent ungenau (bsp. bei lastabhängigen Verschiebespannungen auf dem Erdpotential). In der Praxis ist jedoch der sternförmige Masseaufbau manchmal nicht möglich. In Fällen, wo sich auf Grund von Masseproblemen Störungen oder Messfehler ergeben, müssen Signale galvanisch über hochwertige Trennverstärker einzeln getrennt werden. Bei fehlender Isolierung können auch Potentialausgleichströme zwischen Senke (Mess-PC) und Quelle (ext. Gerät) fließen, welche nicht nur störende, sondern auch schädigende Wirkung auf den Aufbau haben kann. Dies kann u.U. dazu führen, dass Baugruppen oder Geräte bei hohen Ausgleichströmen zerstört werden. Ein Ausgleichsstrom sucht sich immer den niederohmigsten Massepfad, doch dieser sollte verständlicherweise nicht über die Signalmasse einer PC-Messkarte stattfinden.

Kann man Masseleitungen einfach weg lassen?

Nein. Offene bzw. ungeschirmte Leitungen wirken wie "Empfangsantennen" für Störspannungen und können zudem den Meßeingang schädigen. VORSICHT: Bei fehlender Masse können sich zudem statische Spannungen bis in den kV-Bereich aufbauen. Bitte betrachten Sie hierzu die VDE0100 Vorschriften.

Was muss man bei Übersprechen von analogen Signalen hinsichtlich des Aufbaus von Mess- und Prüfeinrichtungen beachten?

Übersprechen ist ein Phänomen, dass auf Signalkopplung (induktive oder kapazitive beeinflussung mittels H/E-Felder), ungenügender bzw. falscher Masseführung (bsp. falsche Wahl des zentralen Massepunkts), schlechter oder falscher Abschirmung bei Zuleitungen, oder unzureichender Isolierung bzw. räumlicher Trennung gegenüber Signal- und Störquellen beruht. In manchen Fällen, beipielsweise bei sprunghaft dynamischen Zustandsänderungen von analogen Meßsignalen, muss eine völlig andere Abschirmung und/oder Übertragung der Signale, sowie ein solideres Massekonzept gewählt werden, als bei statischen Spannungsmessungen, da hier die Gefahr des Übersprechens mit steigender Komplexität, Frequenz und/oder steiler Signalflanken benachbarter Leitungen besonders zu Lasten der Signalintegrität ansteigt.

Folgende Maßnahmen sind bei Übersprechen grundsätzlich zu prüfen:
Elektromagnetische Verträglichkeit des gesamten Aufbaus, Erdung, Bezugsmasse (analoge Masse), Trennisolierung gegenüber einzelner Signalleitungen zueinander (insbesonders bei verschiedenen Signalquellen unterschiedlicher Herkunft), ausreichende Schirmung jeder Signalleitung zu einem zentralen Massepunkt an der Messeinheit bzw. Senke (ganz wichtig!), falls verwendet: Schirmmasse gesamt (empf. Bedeckung min. 80%), Schutzerdung, Potentialverschiebungen zwischen allen Komponenten der Meßstrecke (Erd- und Masseschleifen müssen unbedingt verhindert werden), Schutzisolierung, Schutzleitungssystem, Potentialunterschiede in der Erdung, ZPE... Liste nicht vollständig

In den meißten Fällen finden Sie hierzu weitere Informationen in den einschlägigen VDE- und TAB-Richtlinien, oder in Fachbüchern zum Thema MSR und Messtechnik. Verschiedene, industrielle Kabelhersteller bieten zu ihren Kabeldaten u.a. auch wertvolle Tips, wie eine EMV-gerechte Verkabelung vor Ort auszusehen hat.

Was ist Genauigkeit?

Eine ganz unscharfe Umschreibung, die man besser nicht zur Klassifizierung von Messmitteln und deren Eigenschaften nutzen sollte. I.d.R. wird der Begriff "Genauigkeit" verwendet, um hohe Präzision zu vermitteln, oder um "Ungenauigkeiten" miteinander zu vergleichen.

Was versteht man unter Auflösung?

Eine analoge Spannung benötigt grundsätzlich unendlich viele Bits zur vollständigen Wertebildung (sprich Auflösung), da sie N Kommastellen besitzt. Da man diese in der Praxis nicht umsetzen kann (man würde unendliche Ressourcen und Zeit benötigen um eine unendliche Zahl zu bilden), reduziert sich bei der Wandlung die Auflösung einer gewandelten Spannung in eine dem Wandler zugeordnete Bit-Tiefe. Die Auflösung eines Wandlers gibt somit an, wie fein der Meß- oder Ausgabebereich unterteilt ist, bzw. bei welcher kleinsten Spannungsänderung ein Wandler bereits sein digitales Datum abändert. Eine alleinige Angabe der Auflösung ist jedoch unzureichend, da man unter Einbeziehung von thermodynamischen Eigenschaften auch Fehler wie Systemrauschen (bsp. Quantisierungseffekte u.a. nichtlineare Verzerrungen...) sowie Offset- und Linearitätsfehler ebefalls in einer "Genauigkeitskalkulation" berücksichtigen muss.

Ein vereinfachtes Beispiel: Bei einer Auflösung von acht Bit wird beispielsweise der Bereich in 2hoch8=256 Stufen unterteilt. Bei einem Meßbereich von null bis fünf Volt bedeutet das, daß der Bereich in Schritten von 5V/256=19,5 Millivolt angesprochen werden kann (zum Vergleich: Bei sechzehn Bit Auflösung erreichen Sie eine Unterteilung desselben Bereichs in Schritte von 0,076 Millivolt). Beachten Sie dabei aber, daß Sie, wenn Sie nicht den vollen Meßbereich ausnutzen, eine geringere "Genauigkeit" erwarten müssen. Ist der Meßbereich ±10 Volt voreingestellt aber messen tatsächlich nur im ±1 Volt-Bersich, so erreichen Sie bei einer Auflösung von acht Bit nur effektiv eine Unterteilung in 2V/(20V/256)=25 Schritte. Wählen Sie daher den Meßbereich immer möglichst so, daß er dem Bereich der tatsächlich zu erfassenden Meßwerte entspricht.

Was versteht man unter Linearität?

Die Linearität eines Wandlers gibt an, wie viele Bits der Auflösung mit Sicherheit verläßlich sind. Liefert eine PC-Karte bzw. dessen Wandler beispielsweise eine Auflösung von sechzehn Bit mit einer Linearität von 14 Bit (entspricht einer Toleranz ±2 LSB), so bedingt dies bei einem Meßbereich von ±10 V eine Meßunsicherheit von 20V/2 16*3 = ±0,92 mV. Um den entstehenden Fehler möglichst gering zu halten, sollten Sie Meßbereich und zu messende Spannung möglichst gleich groß wählen. Je mehr Bits Sie einem Messwert zuordnen können, umso genauer lässt sich das gewandelte Datum später zuordnen bzw. umrechnen. Nutzen Sie den Meßbereich von ±10 V voll aus, so ergibt sich bei einer Karte mit den obengenannten Spezifikationen ein Fehler von nur 0,005 %. Messen Sie im selben Meßbereich dagegen nur Spannungen um ±1 V, so erhalten Sie schon einen Fehler von 0,05 %. Die Linearität wird jedoch noch von weiteren Linearitätsfehlern beeinflusst. So gibt der INL-Fehler die maximale Abweichung der tatsächlichen Übertragungskennlinie an, der DNL-Fehler zeigt hingegen die Abweichung des Konverters betreffend Quantisierung an. Dieser sollte nicht mehr als 1 Bit betragen, sodaß alle Bitkombinationen über den gesamten Wandlungsbereich auftreten können (no missing code).

Was bedeuten die Abkürzungen LSB und MSB?

LSB heißt least significant bit und steht für das niederwertigste Bit eines binären Datums. MSB heißt most significant bit und steht für das hochwertigste Bit eines binären Datums. Beispiel: Bei einem 16-Bit Wert ist Data D0=LSB und Data D15=MSB.

Was ist Offset?

Unter Offset versteht man in der Messtechnik eine konstante Abweichung vom tatsächlichen Messwert über den gesamten Messbereich.

Was ist Unipolar?

Bei unipolarem Betrieb, können die Messkarten nur Werte mit positivem Vorzeichen erfassen oder ausgeben (z.B. 0...10 Volt).

Was ist Bipolar?

Bei bipolarem Betrieb können die Messkarten Werte mit positivem oder negativem Vorzeichen erfassen oder ausgeben (z.B. -2,5...+2,5 Volt).

Was bedeutet single-ended?

Beim single-ended-Betrieb (unsymmetrisch) teilen sich die Meßanschlüsse einen gemeinsamen Bezugs- bzw. Massepunkt (z.B.: AGND). Störungen (insbesonders bei langen Übertragungsleitungen) können auf das Nutzsignal einwirken und das Messergebnis verfälschen.

Was bedeutet differential-ended?

Bei der symetischen Spannungsmessung werden für jeden Kanal zwei Anschlüsse veranschlagt, daher reduziert sich die Kanalzahl oftmals von 16 zu 8 Messkanälen. In der analogen Messtechnik erreicht man eine bessere Störunterdrückung, wenn mit symmetrischen Eingängen gearbeitet bzw. übertragen wird. Beim differential-ended-Betrieb verfügt daher jeder Ein-/Ausgang über zwei eigene +/- Anschlüsse. Beide Signalanschlüsse besitzen dabei den gleichen Eingangswiderstand, damit die Meßspannung vor der Weiterverarbeitung subtrahiert werden kann. Somit werden die Störsignale, die an beiden Messleitungen nahezu gleich anliegen, quasi gegeneinander subtrahiert und heben sich im Idealfall auf. Als Endprodukt verbleibt die eigentliche Meßspannung fast ohne Störanteil. Die AGND-Leitung dient hierbei nur noch zu Abschirmungszwecken, jedoch nicht mehr als GND-Potential für das Nutzsignal wie beim single-ended-Betrieb. Durch das Verdrillen von Messleitungen (twisted-pair) erzielt man einen weiteren, positiven Effekt zur Verringerung elektromagnetischer Beeinflussungen. Fälschlicherweise wird die differential-ended-Messung oft mit einer galvanischen Trennung verwechselt. Die Messeingänge besitzen aber nach wie vor beim differential-ended-Mode einen analogen Massebezug über die Spannungsversorgung (DC/DC-Wandler) und den Level-Shifter im Multiplexer. Siehe IC-Datenblatt zum MPC507 bzw. ADG407.

Wie weit dürfen Differential-Eingänge spannungsmäßig auseinander liegen?

Dies ist wichtig beim Erfassen von analogen Messwerten mit unterschiedlichen Massepotentialen. Im Gegensatz zum Betrieb von galvanisch getrennten Meßeingängen (z.B. ADGVT-Karte) sind dem Potential zum Rechner hin, enge Grenzen gesetzt. Beispielsweise darf keine der angelegten Meßspannungen (auch untereinander) größer bzw. weiter als die der Multiplexer-Betriebsspannung auseinanderliegen, sprich max. ±15 Volt. Bei größeren Eingangsspannungen kann ansonsten die Schutzbeschaltung (falls vorhanden) und/oder der Multiplex-Baustein samt Folgeschaltung zerstört werden.

Was versteht man unter einer Meßsignalübertragung?

Erst einmal eine Übertragung von Meßsignalen von Punkt A nach Punkt B. Es gibt mehrere Möglichkeiten, Meßsignale zu übertragen. Neben der funktechnischen, mechanischen, oder optischen Übertragung mittels IR/Fotokoppler, ist die elektrische Verbindung über Kupferleiter am weitesten verbreitet, da sie i.d.R. störtechnisch betrachtet am zuverlässigsten funktioniert (vorausgesetzt man beachtet entsprechende VDE- und EMV- Regeln). Eine Weiterleitung von Meßsignalen ist in der Praxis immer dann erforderlich, wenn separate Baugruppen (aus denen eine Meßvorrichtung üblicherweise entsteht) räumlich voneinander getrennt sind. Beispiel: Sensoren (Meßfühler), die einige Meter von einem Wandler entfernt aufgebaut sind, Signale erfassen und an die Anlage übertragen (klassische Industrieanwendung).

Wie überträgt man ein analoges Signal im mV-Bereich?

Mein Spruch: Gute Schirmung ist Pflicht - sonst gelingt es nicht! In der Welt der analogen Signalübertragungstechnik werden Kleinsignale oftmals mit einfachem Kabel über größere Entfernungen übertragen. Naturgemäß leidet dann die Übertragungsqualität des Signals, da wir uns nicht hinter dem Mond befinden (kosmische Strahlung einmal ausgenommen) und somit Störsignale jeglicher Art auf die Leitungen einprasseln. Wer analoge Spannungen optimal an eine Datenerfassungskarte anschließen will, sollte die Eingangskonfiguration unabhängig von Masseverhältnissen wählen (isolierter Differential-Mode). Um den Masse- und Störproblemen entgegenzuwirken, bedient man sich paarig abgeschirmter Koax-Leitungen, die Signalströrungen weitgehend ausblenden, aber nicht völlig verhindern können. Bei sehr kleinen Meßsignalen reicht die einfache Abschirmung oft nicht aus, da Störsignale auf der Schirmleitung auch in das Nutzsignal übergreifen und somit immer Messfehler verursachen werden. Grundsätzlich verbietet es sich aus Sicht der Messtechnik, mV-Signale in 16-bit Auflösung mit Klingeldraht über 100m in einer Schweißanlagenfabrik zu übertragen. Dazu bedient man sich entweder geeigneter Messwandler, die das Signal auf 0-10 Volt / 0-20mA umwandeln, oder Wandlermodule mit RS232/RS485 Schnittstelle, die das Signal vor Ort A/D-wandeln und anschließend digital übertragen. Nur in absoluten Notfällen sollte eine spannungsgeführte Meßübertragung herhalten, wo physikalisch bedingt, entsprechende Einbußen hinzunehmen sind. Um dennoch kleine Signalspannungen mit abgeschirmten Leitungen zu übertragen, gelten folgende Spielregeln zu beachten:

- Verwenden Sie möglichst eine zweifachabgeschirmte Twisted-Pair-Leitung für jedes Mess-Signal
- Achten Sie unbedingt auf gleiches Erdpotential zwischen Messquelle und Messgerät (A/D-Karte)
- Messen Sie vorher mit einem DVM zwischen beiden Massepotentialen in AC und DC
- Wenn erforderlich, zusätzliche Masseleitung mitziehen und Abschirmung nur einseitig auflegen
- Masseschleifen unbedingt vermeiden
- Legen Sie das Signalkabel nie an Trafos, Drosseln, Netzteilen, Schaltern u.a. Störquellen vorbei
- Beachten Sie die Mindestabstände zu hochspannungsgeführten Teilen
- Falls möglich, trennen Sie den ganzen PC galvanisch vom Netz
- Verwenden Sie EMV-Störschutzfilter am Netzanschluss
- Verwenden Sie an der Messkarte geeignete Sub-D EMV-Filter für Analogspannungen
- Gestalten Sie Ihre programmgesteuerte Messaufnahme so, daß "Ausreißer" erkannt werden
- Wenn genügend Messzeit zur Verfügung steht, bilden Sie zusätzlich eine Mittelwertberechnung

Was ist bei analogen Multiplexern zu beachten?

Im Gegensatz zu "normalen" Messgeräten darf eine Spannung (oder Strom) nur bei eingeschaltetem PC auf den Eingang einer Messkarte gelangen, da oftmals ein Multiplexer direkt hinter dem Anschluss anzutreffen ist, der keine, oder aber nur eine unzureichende Schutzschaltung besitzt, die für einen illegalen Betriebsmode (z.B. bei offline) nicht vorgesehen ist. Nahezu alle Multiplexer sind im stromlosen Zustand niederohmig (CMOS) d.h. bei ausgeschaltetem PC kann ein hoher Strom gegen GND fliessen, der den Multiplexer (oder auch mehr) zerstören kann. Bei Messungen die einen kurzen Peak-Impuls beinhalten, kann die Spannung am OP, MUX oder A/D-Wandler kurzfristig weit über der maximal zulässige der Eingangsspannung liegen und diese Bausteine ebenfalls zerstören. Automatisierer, Systementwickler und Prüfstandspezialisten kennen das Problem und wissen, daß bei derartigen Überlastungen bzw. Bedienungsfehlern keinerlei Garantieanspruch besteht. Oftmals werden bei uns dann diese Bausteine auf Kulanz ausgetauscht. Um entsprechende Fehler zu vermeiden, sollten Messkarten zusätzlich immer mit externen Entstör.- und Schutzschaltungen versehen werden, um Betriebsstörungen und Überlastungen weitgehend fernzuhalten. Zu diesem Thema bietet zum Beispiel die Firma Phoenix-Contact ein umfassendes und professionelles Sortiment an. Gefährlich wird es, wenn während des Messbetriebs (oder auch offline), Anschlusskabel mit Potentialunterschieden oder aufgeschalteten Spannungen vom PC gelöst/gesteckt werden, denn hierbei können durch die rein zufällige Kontaktgebung im Steckverbinder erhebliche Spannungsunterschiede an der Karte entstehen. Multiplexer-Defekte würden sich bei der Inbetriebnahme vermeiden lassen, wenn folgende Reihenfolge beachtet wird, bevor ein Kabel gelöst/gesteckt wird:

- Alle Geräte zuerst ausschalten (PC-Karte als letzte)
- Potentialausgleich mit Massekabel separat herstellen
- Kabel stecken / lösen und sichern
- Potentialmassekabel wieder entfernen
- Geräte einschalten, Inbetriebnahme (PC-Karte als erstes, andere folgend)

Was ist Aliasing?

Bei der Digitalisierung analoger Signale muss die Abtastfrequenz grösser als die höchste im Signal vorkommende Frequenz sein (Shannon-Theorem). Aliasing tritt immer dann auf, wenn das zu messende Nutzsignal von einem weiteren, höherfrequenten Signal (oder auch der eigenen Abtastfrequenz) überlagert wird. Dabei wird durch die hohe Frequenz eine nicht vorhandene, tiefere Frequenz vorgetäuscht (quasi ein Mischprodukt). Um diesen Effekt zu vermeiden, sollte die Abtastrate des A/D-Wandlers größer als die doppelte, max. mögliche, einzulesende Nutzsignalfrequenz sein.

Was ist ein R-C-Filter?

Insbesonders zur Tiefpassfilterung (einfache Eselsbrücke: alle tiefen Frequenzen können passieren), verwendet man zur Glättung bzw. Aussiebung hochfrequenter Signale oder Störungen, entsprechende R-C-Filter, die in Widerstand-Kondensator-Kombination als R-C-Glied aufgebaut sind. In der Kombination von Hochpass und Tiefpass lassen sich weitere Filterfunktionen (Bandpass, Bandsperre, Allpass) realisieren oder die Steilheit im Übergangsbereich verbessern. Etwas problematisch ist hierbei immer die Anpassung der Ein- und Ausgangswiderstände der einzelnen Filtersysteme. Werden umfangreiche Filterkombinationen erforderlich, sind entsprechende R-L-C-Filterberechnungsprogramme sehr empfehlenswert.

Was ist Rauschen?

Unter Rauschen versteht man thermische Rauschspannungen, die durch wärmebedingte und ungeordnete Bewegungen freier Elektronen in einem elektrischen Leiter entstehen. In den Halbleiter-ICs (bsp. A/D-Wandler und Operationsverstärker) entsteht Rauschen durch Diffusion, Rekombination und Vervielfältigung von Ladungsträgern und ist auch heutzutage noch ein gravierendes Problem, an denen die Chip-Hersteller arbeiten.

Was sind Messwandler oder Messumformer?

Induktive Messwandler (hervorgerufen durch Stromdurchfluss im magnetischen Kreis) werden zur Messung von Leistung, Strom, Leistungsfaktor und Energieverbrauch verwendet. Die zu messenden Größen, können bei geeigneter Anordnung, direkt mit einem analogen Messinstrument dargestellt, oder an A/D-Wandlerkarten angeschlossen und mittels Profilab-Expert im Hz-Bereich visualisiert werden. Im Gegensatz zu Messumformer (diese dienen zur Erfassung der Effektivwerte sinusförmiger Wechselströme und deren Umwandlung in ein Gleichstrom- oder Gleichspannungssignal), sind Messwandler ohne Gleichspannungsumwandler ausgestattet. Induktion entsteht bei einer elektrischen Spannung in einem Leiter bei Änderung des Magnetfeldes. Eine Induktionsspannung ist das Produkt aus Bewegung eines Leiters im Magnetfeld oder dessen Stromänderung an einem Verbraucher.

Wozu benötigt man einen Shunt-Widerstand?

Shunts (zu Deutsch Nebenwiderstände) dienen beispielsweise in der analogen Messtechnik zur Erfassung elektrischer Ströme im Messbereich 0...20mA. Der durch den Shunt fließende Strom erzeugt einen Spannungsabfall, der mit einem parallel geschalteten, hochohmigen Messgerät direkt gemessen werden kann. Durch die Parallelschaltung von Nebenwiderstand und Messinstrument ist die Verwendung von Spannungsmessgeräten zur Strommessung möglich. Shunt-Arrays (8 Widerstände in einem 16pol. DIL-IC) können z.Teil auch direkt auf unseren A/D-Wandlerkarten zur 0...20mA Messung umbestückt werden. Die 16 poligen 100 Ohm Shunt-Arrays gibt es in Toleranzen von 2% oder 0,1% Genauigkeit.

Was macht ein Spannungsteiler?

Er teilt die Spannung auf. Die Spannungsteilerregel lautet:  UR2= Uges. x (R2 / (R1 + R2))

Ein Spannungsteiler dient vorzugsweise zur Messbereichserweiterung bzw. Anpassung einer höheren Eingangsspannung an einen Messkanal. Die in Reihenschaltung verschalteten Widerstände dienen zur Aufteilung in kleinere Teilspannungen, deren Spannungswerte sich proportional zur Eingangsspannung verhalten. Der Abgriff erfolgt an Einen der Teil-Widerstände bzw. dessen Teil-Spannung. Es gilt darauf zu achten, dass der Spannungsteiler nicht durch das Messgerät bzw. den Messkanal zu sehr belastet wird, oder man berechnet den Innenwiderstand des Messgeräts (Senke) mit in das Spannungsteilerverhältnis ein. Eine mathematische Korrektur ist oftmals auch als lineare Formel in der Auswerte-Software möglich (bsp. Profilab-Expert). Siehe auch: elektronik-kompendium(1) und elektronik-kompendium(2)

Kann man die PCI-D/A-Karten auch mit einem 50mV-Ausgang (Endbereich) beziehen?

Nein. Die Ausgangsspannung von unseren PCI AD/DA-Karten liegt je nach Typ bei 10 oder 5 Volt, uni.-/bipolar. Ein kleinerer Ausgangsspannungsbereich ist leider technisch nicht vorgesehen, da ansonsten das Signal-Rauschverhältnis die Ausgangsspannung zu sehr beeinträchtigen würde. Mit sinkendem Spannungsbereich steigt das S/R-Verhältnis überproportional an, da Wandlungsfehler, Linearitäten und Grundrauschen schaltungsbedingt im Verstärkerzug konstant sind und bei kleineren Spannungsbereichen eine immer größerwerdenden Einfluss ausüben würden. Möglicherweise könnte aber ein externer Spannungsteiler für eine 50mV-Anwendung eine alternative Lösung darstellen, falls Ihre Schaltung nur kleine Eingangsströme bezieht. Diese Teiler führen wir jedoch nicht in unserem Angebot. Zur individuellen Spannungsanpassung empfehle ich 0,1% Messwiderstände mit TK15 als linearen Vor-Teiler zu verwenden, um den Spannungsbereich von 10 Volt auf 50 mV zu skalieren. Damit wäre dann auch das S/R Risiko um den Teilerfaktor entsprechend vermindert.

Wie mißt man Spannung bzw. Strom?

Messgeräte zur Spannungsmessung werden grundsätzlich parallel zur messenden Spannung geschaltet. Strom mißt man immer in Reihe zum Stromkreis. Manchmal ist das Auftrennen des Stromkreises etwas schwierig, um einen Strom messen zu können. Oft hilft man sich, indem man an einem bekannten, in Reihe geschalteten, niederohmigen Präzisionswiderstand (Shunt) die abfallende Spannung misst und so den Strom berechnet: I=U/R

Was ist Quelle und was ist Senke in der Messtechnik?

Für die elektrische Versorgung von Schaltungen und Geräten, sowie für die Generierung von abgehenden Signalen dient die Bezeichnung Quelle (Abgabe elektrischer Energie) an einen Verbraucher bzw. an eine Senke. Als Senke (Aufnahme elektrischer Energie) bezeichnet man i.d.R. die Verbraucherseite von signalaufnehmenden Schaltungen. Die Quellen lassen sich bezüglich ihrer Grösse, auf die steuernd oder regelnd Einfluss genommen werden kann, grob in Strom- bzw. Spannungsquellen unterscheiden. Spezielle Bezeichnungsweisen ergeben sich dabei aus der Arbeitsweise oder dem Verwendungszweck. Reale Strom- oder Spannungs-Quellen sind durch ihre Kennlinie beschrieben. Aus deren Verhalten bzw. linearen Zusammenhänge ist der jeweilige Quellen-Innenwiderstand berechenbar.

Ich habe bereits eine PCI-ADxx Messkarte (für ±10 Volt Messbereich) und möchte sie jetzt gerne zur Strommessung 0...20mA einsetzen. Was muss ich ändern, um die Karte anzupassen?

Die Um-Konfiguration ist durch den Anwender nicht vorgesehen, da die Karte mit anderen Shunt-Widerständen ausgerüstet wird und ein neuer Offset- und Gain-Abgleich im 2,5 Volt Bereich an einer Referenzstromquelle erfolgen muss. Daher werden diese Karten von uns aus auch immer nur vorkonfiguriert angeboten. Technisch betrachtet, werden anschließend die neuen Vor-Widerstände 10 + 100 OHM in Reihe als Shunt geschaltet, sodass über den 100 OHM der Messabgriff des A/D-Wandlers (über den Multiplexer) erfolgt. Das 100 OHM Widerstands-Array wird in zwei Grund-Toleranzen angeboten: 2% und 0.1%. Anschließend wird die Karte per Jumper auf 2,5 Volt voreingestellt und an einer einstellbaren mA-Referenzquelle justiert. Nach erfolgter Justage kann die Messung von unbekannten Größen erfolgen. Beispiel: Messwert 1,653 Volt ergeben demnach 16,53 mA Meßstrom.

Ihre EMV-Kabel sind gegen Stör- und HF-Einflüsse geschirmt. In dem Bereich, in dem ich eine 16-bit A/D-Karte einsetzen will, rechne ich nicht mit einer erhöhten EMV-Belastung, abgesehen von den normalen Unbebungseinflüssen. Ist es trotzdem sinnvoll ein EMV-Kabel einzusetzen?

Elektrische und magnetische Störkopplung können Nutzsignale auf ihrem Weg zum Messaufnehmer teilweise schwer beeinträchtigen. Es ist grundsätzlich von Vorteil, wenn Störsignale oder HF-Strahlung (insbesonders bei 16-bit Genauigkeit) nicht das Nutzsignal beeinträchtigen. Je nach Umfeld werden schnell einige µV...mV in das Masskabel hineininduziert, weil eine unzureichende Abschirmung gewählt wurde. Ein EMV-Kabel verhindert weitgehend eine Einstreuung mit einer Schirmdämpfung von ca. 20..30 dB bis weit über 100 MHz.

Welche max. Kabellänge darf bei analogen Meßsignalen verwendet werden?

Das richtet sich ganz danach, welche Übertragungsqualität erwartet wird. Für die analoge Signalübertragung entscheidet man sich i.d.R. nur, wenn die Signalwege klein sind. Eine Faustregel besagt, dass eine Distanz von 15 Metern nicht überschritten werden sollte. Die analoge Signalübertragung bietet zudem den Vorteil, daß bei kurzen Entfernungen keine zusätzliche Wandlerelektronik oder Verstärker erforderlich werden. Geschirmte Koax- oder twisted-pair Kabel, symmetrische Übertragungsleitungen (differntial ended), Erhöhung der Ausgangspegel und niederohmige Ausgänge sind für eine gute, störungsarme Übertragung unerlässlich.

Schlecht sind demnach:

- kleine Nutzsignale wo hohe Auflösung erwartet wird
- unabgeschirmtes Signalkabel (bsp. Klingeldraht)
- asymetische Signalkabel mit Kabellängen > 15 Meter
- hochohmige Signalquellen
- fehlende Analog-Masse für Meßsignale
- Masseschleifen, Erdschleifen
- Störsignale auf der Schirmung
- Störsignale innerhalb eines Leiters im Kabel oder Kabelbaum
- in der nähe liegende Kabel mit elektromagnetischen Störimpulsen (feldgebunden)

Was versteht man unter Erdung und Messerde?

Die Erdung ist normalerweise eine gutleitende und niederohmige Verbindung mit dem Erdreich. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Schutz- und Betriebserde. Die Messerde ist durch einen besonders geringen Übergangswiderstand mit sehr geringem Störpotential gekennzeichnet. Dazu muss der Erder (langer Kupferstab) eine große Fläche im Erdreich aufweisen. Eine Messerde ist hingegen vollkommen isoliert und besitzt keine Verbindung zur Hauserde oder anderen Schutzleitern. Sie dient vorzugsweise als zentraler Massepunkt zur Erdung von Mess- und Laboraufbauten im experimentellen Bereich, um Messfehler (Netzstörungen, Potentialfehler...) auszugrenzen. Da Hauserde und Messerde unterschiedliche Potentiale aufweisen können, ist Vorsicht geboten.

Kann ich digitale und analoge Masse an einer AD-Karte einfach zusammenlegen?

Nein, dass müssen Sie auf jeden Fall vermeiden. Das analoge Massepotential (bsp. AGND) ist der Bezugspunkt für alle analogen Meßsignale, die zum Teil im MilliVolt-Bereich messen. Schwankt die analoge Masse, oder wird sie mit vermeidbaren Störsignalen durch eine digitale Masse quasi verunreinigt, bilden sich diese Spannungsänderungen in allen analogen Messungen und Kanälen ab, da alle analogen Signale nur auf AGND bezogen sind. Wenn Sie digitale und analoge Schaltungen gleichzeitig an einer Karte verwenden müssen, gilt eine klare Trennung von beiden "Welten" als unabänderlich und strikt einzuhalten. Die Vermischung von digitalen und analogen Signalen sowie Massepfaden führt zwangsläufig zu Ungenauigkeiten oder gar Messfehlern. Auch wenn beide Massen ohmisch betrachtet über das gleiche Potential verfügen, sind sie dennoch auf der Karte getrennt geroutet und störsignaltechnisch von einander entkoppelt. Werden GND und AGND miteinander verbunden, ist diese Störentkopplung umgangen und somit wirkungslos.

Kann ich den 5 Volt Ausgang einer AD-Karte als Spannungsreferenz für analoge Messungen verwenden?

Nein, dazu ist dieser Spannungsausgang nicht vorgesehen. Der 5 Volt Hilfs-Ausgang dient i.d.R. für externe, digitale Ergänzungsschaltungen und ist auf GND bezogen. GND ist die digitale Masse des PCs bzw. Mainboards. Zudem ist der 5 Volt Hilfs-Ausgang nicht sonderlich aufbereitet und wird direkt aus dem PC-Netzteil bzw. vom Rechner-Bus entnommen. Diese Spannung kann bis zu ±300mV Störspannungsanteile enthalten (PC-Netzteile sind Schaltnetzteile), und liegt je nach Strombelastung der umliegenden Komponenten im Bereich von 4,75 bis 5,2 Volt. Damit ist sie nicht für analoge Schaltungen oder gar Messungen als Refernezspannung geeignet. Falls Sie dennoch eine meßspannungstaugliche Versogungsspannung für analoge Schaltungen benötigen, müssen Sie diese mit einem externen DC/DC-Wandler galvanisch trennen (GND von AGND) und mit div. Pi-Entstörfiltern und Siebgliedern aufbereiten.

Womit kann man die analoge Signalübertragung verbessern?

Durch eine gut gewählte Signalkonditionierung ohne Masseschleifen oder Rückkopplungen, Vermeidung systematischer Fehler (Fehlerfortpflanzung), minimierung von Rauschspannungen (z.B. Leitungsrauschen), Verwendung stabiler Referenzspannungsquellen und hochauflösender ADCs, Verwendung linearer Differenzverstärker, Schaltungen mit hoher Gleichtaktunterdrückung, sowie Verwendung präziser Instrumentenvorverstärker, und durch den Einsatz temperaturkompensierter, linearer Impedanzwandler im Messverstärkerzug.

Wie stellt man bei einer Messkarte die Samplingfrequenz ein?

Die Software selbst entscheidet über die Abtastrate, mit der ein A/D-Wandler abgetastet wird. Die maximale Abtastrate hängt von verschiedenen Größen ab: A/D-Wandler samplingrate, MUX-Kanal-Umschaltzeit, CPU/Rechnergeschwindigkeit, Compiler bzw. Code-Geschwindigkeit, max. I/O-Port Zugriffe über die south-bridge, Bus-Transfer Einstellung im BIOS u.a. Modi...

Wie gleicht man eine A/D-Karte bzw. analogen Messeingang ab?

Für einen professionellen Abgleich werden neben einem ordentlichen (erdfreien) Prüfplatzaufbau mit kurzen, geschirmten Messkabeln, verschiedene Präzisionsgeräte benötigt, um möglichst kleine Abweichungen zum Sollwert zu erhalten. Als Referenzspannung dient beipielsweise eine programmierbare Spannungsquelle (z.B. KEITHLEY® 230) mit hoher Auflösung (min. 3 Stellen hinter dem Komma) und Genauigkeit (Messfehler < 0,01%). Zur Kontrolle der Ist-Spannung wird am Spannungseingang der Karte ein hochauflösendes Multimeter (z.B. HEWLETT PACKARD® HP34401A) parallel geschaltet. Die einzustellende Referenzspannung sollte sich möglichst nah im Endbereich der zu justierenden Spannung bewegen. Soll beispielsweise ein Messbereich von 0...10 Volt justiert werden, gilt die Referenzspannung von 9,950 Volt zu wählen und mit dem GAIN-Poti auf der Karte in Deckung zu bringen. Bevor aber der GAIN justiert wird, ist es ratsam, den Nullpunkt abzugleichen. Hierzu wird der Spannungseingang der Messkarte gegen AGND (möglichst kurze Brücke am Stecker) kurzgeschlossen und mit dem Offset-Poti auf Null Volt eingestellt. Dabei sollte das LSB-bit gerade noch mit dem Nullwert flackern. Der wechselseitige Abgleichvorgang sollte aus Gründen von Temperaturabweichungen (Aufwärmphase der ICs und Messwiderstände) alle 3...5 Minuten mehrfach wiederholt werden, um möglichst große Meßsicherheit zu erlangen. Danach können weitere Vergleichsmessungen innerhalb des Messbereichs stattfinden, um die Gesamt-Linearität (worst case) festzustellen. Hierzu werden beispielsweise Referenzspannungen in 1-Volt-Schritten von 0....10 Volt nacheinander eingestellt und mit dem Messergebnis der Karte sowie der Anzeige auf dem Multimeter verglichen. Sind die Abweichungen auch auf anderen Messkanälen noch tolerierbar, ist die Karte für ihren Einsatz abgeglichen.

Was versteht man unter Empfindlichkeit?

Akademisch gesprochen, ist die Empfindlichkeit der Quotient einer beobachteten Änderung der Anzeige durch die sie verursachende Änderung der Messgröße. Praktisch betrachtet ist sie im Alltag ehr die Frage, bei (ab) wieviel Überspannung ein Messeingang zerstört wird.

Wie gut ist die Genauigkeit bzgl. Eigenrauschen des ADC und Vorverstärkers auf der gesamten PCI-A/D-Karte?

Im worst-case liegen die maximal "rauschenden" Werte (Ausreißer) der 16-bit-Variante bei etwa ± 2 mV, bei der 12-bit-Version bei ± 5 mV (betrachtet im ±10 Volt Messbereich). Der ADC alleine hat lt. Datenblatt bzw. Herstellerangaben eine Abweichung von ± 6 Digit. In der Regel sind die Messergebnisse aber um Faktor 2 genauer.

Wieso habe ich bei der PCI-ADxx-/TS schwankende Messwerte auf den offenen Kanälen?

Da bei der TS-Version (Transinetenschutz) die üblichen 100k-Abschlusswiderstände nicht mehr bestückt werden können (ersetzt durch TAZ Dioden Arrays), sind die hochohmigen Eingänge (> 10 MOhm) sich selbst überlassen, sodass statische Restspannungen auf dem Kabel, der Buchse oder von Nachbarkanälen zu undefinierbaren Messwerten in der Anzeige führen. Falls dieser Effekt unerwünscht ist, können Sie die noch offenen bzw. ungenutzten Messkanäle einfach gegen Analog-GND im Sub-D-Anschlussstecker überbrücken.

Womit mißt man Temperatur?

Mit Messfühlern wie: Pt100 oder Pt1000 Temperatursensoren, J-, K-Thermoelementen, oder fertigen, linearisierten Meßsensoren z.B. LM35. Pt100-Fühler sind beispielsweise auf Platin basierende, hochqualtitative Meßsensoren, besitzen gleiche Messwerte und Kennlinien (Austauschbarkeit ist gewährleistet) und arbeiten einheitlich mit 3850 ppm pro Grad Kelvin. Die bedeutet, dass sich der Innenwiderstand je Grad Änderung um 0,385% verändert. Pt100 Sensoren benötigen einen Konstantstrom (bsp. 1mA), damit sie eine Meßspannung proportional zur Temperatur abgeben. Diese Spannung muss mit entsprechenden Messverstärkern linear aufbereitet werden, bevor sie einem Messkanal, beipielsweise einer A/D-Karte, zugeführt wird. Pt100 Sensoren werden gerne in industriellen Applikationen verwendet, da sie weitgehend störunempfindlich sind und keine Temperaturreferenz benötigen. Zudem lässt sich in Anwendungen die Proportionalität Temperatur/Spannung hervorragend in Messprogramme wie Profilab-Expert zur Wertebildung leicht einsetzen. Die Sensoren zeichnen sich zusätzlich durch eine gute Langzeitstabilität aus.

Wie hoch ist die zu erwartende Ausgangsspannung bei Thermodrähten?

Nicht sehr hoch. Sie liegt vorzugsweise (je nach Temperatur und Thermoelement-Type) bei einigen Millivolt. Doch Vorsicht: Je nach Meßspanne liegt eine 16-Bit genaue Messauflösung im µV...nV-Bereich. Netzbrumm und andere Störsignale müssen hierfür ausgefiltert werden.

Wie mißt man mit Thermodrähten?

Erhitzt man die Verbindungsstelle zweier verschiedener Metalle, entsteht eine messbare, temperaturabhängige Spannung. Für den üblichen Messaufbau werden zwei Thermodrähte gegeneinander in Reihe geschaltet. Ist die Temperatur an beiden Thermodrähten identisch, ist die Spannungsdifferenz gleich Null. Zur Referenz wird deshalb einer der Drähte in Eiswasser (0 Grad Celsius) gelegt, oder einer bekannten und konstanten Referenztemperatur (z.B. 65 Grad Celsius) ausgesetzt. Dabei entsteht eine Thermospannung aus der Differenz von verschiedenen Temperaturen an den Verbindungsstellen der Thermodrähte. Anhand der unterschiedlichen Spannungen kann somit eine Aussage über die vorherrschende Temperatur erfolgen. Die Grösse der so entstehenden Spannung ist von den Metallen und von der Temperatur abhängig. Die Empfindlichkeit eines Thermoelements gibt an, wieviel Mikrovolt an Thermospannung pro Kelvin Temperaturänderung entstehen.

Wo findet man eine Temperatur-Referenzquelle?

Zum Beispiel hier: http://www.techtrans.de/html/bereich...

Ist bei Thermodrähten die Meßspannung proportional zur Temperatur?

Nein. Die Thermospannung ist nur in erster Annäherung proportional zur Temperatur. Bei Messungen über einen grossen Temperaturbereich bzw. bei besonderen Genauigkeitsanforderungen gibt es Abweichungen von der Proportionalität, die durch besondere Rechenfunktionen (linearisierung mittels Polynom) korrigiert werden müssen. Eine genaue Linearisierung ist i.d.R. nicht schaltungstechnisch realisierbar.

Welche Thermodrähte gibt es?

Thermodrähte bzw. Thermoelemente sind nach DIN 43710 - 43714, IEC 584 standardisiert. Die Temperaturkoeffizienten sind selbst keine Konstanten, sondern von der Temperatur abhängig. Sie gelten somit nur für kleinere Temperaturbereiche. Die nach IEC 60584 normierten Thermoelementtypen sind zudem in drei Toleranzklassen unterteilt. Folgende Thermoelement-Typen sind i.d. Praxis gebräuchlich:

- Typ K Nickel-Chrom / Nickel [40mV/K] (0°C bis 1200°C)
- Typ J Eisen / Kupfer-Nickel [51mV/K] (-200°C bis +800°C)
- Typ T Kupfer / Kupfer-Nickel [40mV/K] (-200°C bis +600°C)
- Typ S Platin10-Rhodium / Platin [7mV/K] (0°C bis 1600°C)
- Typ E Nickel-Chrom / Kupfer-Nickel [62mV/K] (-200°C bis +800°C)
- Nickel-Chrom / Nickel-Aluminium (Chromel/Alumel) ähnlich Typ K
- Typ U Kupfer / Kupfer-Nickel
- Typ L Eisen / Kupfer-Nickel

Wo kann man Thermoelemente kaufen?

Zum Beispiel bei RS-Components: http://www.rsonline.de

Ist es möglich mit der PCI-AD12LC direkt K-Type Thermoelemente zu erfassen?

Nein, nicht direkt. Die analogen Eingänge weisen dazu nicht genügend Empfindlichkeit auf. Für K-Type Temperatursensoren benötigen Sie eine ca. 1000-fache (lineare) Verstärkung, da diese Spannungen im Bereich von 1...2 µV liegen. Wenn Sie einen geeigneten Messverstärker zwischenschalten, können Sie das Signal auf den erforderlichen Messpegel des Eingangs anheben und entsprechend auswerten. Zur direkten Aufnahme von bis zu 7 (8) Sensoren eignet sich beispielsweise unsere PCI-ADTEMP-Karte. Ansonsten kann man nur entsprechende (meißt teure) Messverstärker vorschalten.

Was bedeutet die Angabe: ppm?

Die ppm-Angabe (engl. parts per million) steht quasi für die Dosierung bzw. Fehlerrate in Bereichen von Fehlern pro Millionen Einheiten. Beispiel: 1 Volt entspricht 1 ppm von 1000000 Volt.

Wo finde ich eine wirksame Eingangsschutzbeschaltung für analoge Messeingänge?

Hier: http://www.kolter.de/schutzbeschaltung.gif



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