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Industrielle Automation 3/2016

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Industrielle Automation 3/2016

SENSOR+TEST

SENSOR+TEST 2016 Lückenlos und hochaufgelöst messen Strommessung mit Auto-Ranging erreicht 30 Bit Bereichsdynamik 01 Bei einer High Resolution Strom-Messung kommt ein 2-kanaliges Stand-Alone-Modul für verteilte Installationen zum Einsatz Übergänge in einer durchgängigen Messung lückenlos erfasst werden. Verstärkung realisiert als Shunt-Umschaltung Bei Entwicklung und Test von Geräten und Komponenten mit DC oder Batterieversorgung sind die Untersuchung und Kontrolle von Betriebsströmen wichtig. Geht es darum, die von Power- Management und Sleep-Modi bestimmten Betriebszustände und deren Übergänge zu vermessen, ist man mit einer Bereichsdynamik konfrontiert, die konventionelle Messtechnik schnell an ihre Grenzen bringt. Neue Möglichkeiten eröffnen Auto-Ranging-Ansätze. Solche Verfahren werden bei einem Messmodul eingesetzt, welches Messdaten über CAN-Bus liefert. M oderne Fahrzeuge enthalten eine rasant ansteigende Zahl elektronischer Komponenten: von elektrischen Verstell- Antrieben für Komfortfunktionen über Beleuchtung und Entertainment-Systeme bis hin zu Steuergeräten (ECUs) für Antriebskomponenten. Dabei sind zunehmend auch die (nur scheinbar) banalsten Funktionen mit intelligenter und hochkomplexer Steuerungselektronik ausgestattet. Wie dieses komplexe System am batteriegespeisten DC-Bordnetz interagiert, ist ein wichtiges Thema im Entwicklungsbereich. Dazu wird im Prüffeld beispielsweise ein „Brett-Aufbau“ mit allen beteiligten Geräten, Komponenten und Systemen installiert, um verschiedene Betriebsszenarien und Abläufe durchzuspielen. Erfasst man dazu systematisch die individuellen Betriebsströme, so wird man schnell mit großen Anforderungen an die Messbereichs-Dynamik konfrontiert. Zwischen Leckströmen im nA-Bereich während eines Sleep-Modus und dem Wechsel in den Voll-Last Betriebsbereich liegen mitunter „Welten“ und trotzdem müssen gerade diese Zustands- Klassische Messtechnik stößt da an ihre Grenzen. Hochauflösende ADCs mit zum Beispiel 24 Bit ermöglichen es mittlerweile zwar, bereits mit einer festen Dimensionierung beachtliche Spannen abzudecken, doch für das beschriebene Szenario sind Bereichsdynamiken um die 30 Bit gefordert. Also ist zusätzlich eine angepasste Vorverstärkung erforderlich. Das ist zunächst keine Überraschung, doch die Herausforderung besteht darin, diese Bereichswahl während der laufenden Messung automatisch in Abhängigkeit des aktuell gemessenen Stromwertes vorzunehmen, dessen erwarteten Ver-lauf man nicht kennt. Zudem darf dieser Umschaltvorgang keine Rückwirkung auf den Messkreis bzw. das Messobjekt haben, denn genau dieser Übergangsbereich soll mit erfasst und analysiert werden. Im Gegensatz zur Spannungsmessung kann bei der Strommessung an einem Messwiderstand (Shunt) jedoch nicht einfach dynamisch die Vorverstärkung erhöht werden: Man würde bei den extrem kleinen Signalen schlicht im Rauschen „ertrinken“. Daher muss bei sehr kleinen Strömen die Verstärkung aus einem angepassten, hochohmigeren Shunt resultieren, der nennenswerte Spannungssignale liefern kann. Das resultiert in der ungleich anspruchsvolleren Aufgabe, den Shunt während der Messung umzuschalten, ohne dabei den Stromkreis zu unterbrechen. Dazu werden zwei Shunts in Reihe betrieben. Der hochohmige wird über einen schnellen Leistungsschalter überbrückt, sobald ein ansteigender Strom an diesem einen zu großen Bürden-Spannungsabfall verursachen würde. Das jeweils relevante Messsignal wird aus den beiden Messpfaden dann entsprechend selektiert. 30 dB Bereichsdynamik erreichen Anhand der konkreten Dimensionierung wird das zu lösende Dilemma deutlich: Die Größe des Messwiderstands (Shunt) ist der 14 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2016

zentrale Parameter beim Schaltungskonzept. Einerseits muss er groß genug ausfallen, um signifikante Spannungssignale zu liefern, welche nicht in Rauschen und Störgrößen untergehen. Andererseits nimmt die umgesetzte Verlustleistung mit dem Strom quadratisch zu und setzt auch bei ausgefeiltem Wärmemanagement harte Grenzen. Für einen Arbeitsstrom (Messbereich) von 50 A kann der Shunt nicht größer als 2 mΩ gewählt werden, und setzt dabei bereits 5 W um. Er liefert an dem oberen Arbeitspunkt dann gerade einmal 100 mV. Das ist eine Größenordnung, die noch gut beherrscht wird und von einem 24 Bit ADC verarbeitet werden kann (z. B. mit g = 10 bei einem 1 V ADC). Will man jedoch mit dieser Konfiguration gleichzeitig eine Messauflösung von zum Beispiel 50 nA anstreben, so wird schnell deutlich, dass hier die Grenzen der Physik klar überschritten werden. Pegel von 2 mΩ × 50 nA = 0.1 nV haben keine Chance, sich u. a. gegenüber Rauschen und parasitären Thermo-spannungen durchzusetzen, selbst wenn man sie mit einer zusätzlichen Verstärkung von z. B. Faktor 1 000 auf 0.1 µV „aufblasen“ würde. Die „Vorverstärkung“ muss also aus dem Shunt selbst generiert werden. Dieser zweite serielle Shunt ist mit 2 Ω um einen Faktor 1 000 hochohmiger („Shunt-Verstärkung“), aber nur bei kleinen Strömen aktiv. Sobald höhere Arbeitsströme (> 100 mA) ihn überlasten könnten, wird er dynamisch mit einem „Bypass“ überbrückt. So lässt sich eine Gesamt-Bereichsdynamik von ca. 30 Bit erreichen, also ein Verhältnis von maximalem Messbereich zu minimaler Auflösung von 1: 1 Mrd. (10^9). Auf diesem Konzept basiert das Cansas- IHR Messmodul von Imc: Es stellt auf einer Moduleinheit zwei galvanisch isolierte Auto-Ranging-Messpfade zur Strommessung an Lasten bereit, die mit bis zu 18 V DC versorgt werden. Die Isolation erlaubt es dabei, die Messstelle an beliebiger Stelle zu platzieren: Hin- oder Rückleiter, Teiloder Gesamtströme. Schnelle elektronische Sicherungen auf FET-Basis trennen bei Überlast sicher und reversibel den Prüfkreis und ein weiterer optionaler Schalter lässt es zu, ein zusätzliches externes Labor-Messgerät in den Kreis einzuschleifen. Messdaten aufzeichnen und auswerten Die Spannungen an beiden Shunts werden mit 30 kSps und 24 Bit digitalisiert sowie von einem Prozessor automatisch selektiert, skaliert und kalibriert. Die Ausgabe erfolgt über den CAN-Bus mit wählbaren Datenraten zwischen 1 Hz und 1 kHz. Ausgangsgrößen sind neben den Auto-skalierten Mittelwerten auch Min- und Max-Werte über das gewählte Ausgabe-Intervall. Diese werden auf Basis der internen 30 kHz Datenrate ermittelt. Diese Module können in ein spezielles 19"-Rack eingeschoben werden, dessen Backplane mit mehreren Optionen zur Hochstrom-Kontaktierung der Prüflinge vorbereitet ist (Push-In oder gelötet). Damit lassen sich flexibel auch umfangreiche Prüffelder instrumentieren und die erfassten Messdaten mit beliebigen CAN-basierten Datenloggern oder Applikationssystemen aufzeichnen und auswerten. Neben dieser Rack-Lösung für Prüfstands- Anwendungen ist auch eine Version im eigenständigen Alu-Profilgehäuse verfügbar. So lassen sich räumlich verteilte Anwendungen realisieren oder auch mobile Fahrversuche ausrüsten. www.imc-berlin.de Klein. Robust. Präzise. Magnetoresistive Sensoren Zum berührungslosen Messen von Weg, Winkel, Position, Strom oder Magnetfeld. Zuverlässig und flexibel einsetzbar, vor allem unter extremen Bedingungen. Curiosity auf dem Mars. Sensoren von Sensitec mit an Bord. Sensor + Test, 5 - 355 PCIM, 6 - 106 10. - 12. Mai 2016 in Nürnberg 02 Veränderungen der Arbeitsbereiche und Bereichsdynamik bei einer Verstärkung durch einen angepassten Shunt Sensitec GmbH Georg-Ohm-Str. 11 · 35633 Lahnau Tel.: +49 6441 97 88-0 Fax: +49 6441 97 88-17 E-Mail: sensitec@sensitec.com www.sensitec.com

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