Präzisions-Leistungsmesstechnik Ist genau wirklich genau?

Verschiedene Hersteller geben die Grundgenauigkeit ihres Leistungsanalysators unterschiedlich an.
Verschiedene Hersteller geben die Grundgenauigkeit ihres Leistungsanalysators unterschiedlich an.

Genauigkeitsangaben sind beim Kauf von Leistungsanalysatoren ein wichtiges Auswahlkriterium. Von präzisen Messungen kann man nur reden, wenn die Messunsicherheiten bekannt und klein sind – je kleiner, desto besser. Doch wie gut sind die oft verwendeten Grundgenauigkeitsangaben?

Hersteller von Leistungsmessgeräten werben auf den Titelseiten ihrer Datenblätter gerne mit Grundgenauigkeitsangaben. Da der Begriff »Grundgenauigkeit« nicht eindeutig definiert ist, wird allerdings sehr unterschiedlich spezifiziert.

Weitgehend einig sind sich die Leistungsmessgerätehersteller darin, dass Genauigkeiten in der Form »x % vom Messwert + y % vom Messbereich« definiert werden. Der Leistungsmessbereich ergibt sich dann durch die Multiplikation von Spannungs- und Strommessbereich. Die sogenannte Grundgenauigkeit stellt die bestmögliche Genauigkeit eines Messgeräts dar. Dies ist in der Regel bei Netzfrequenz gegeben, denn es ist üblich, Leistungsmessgeräte für Netzfrequenzen zu optimieren.

Die Unterschiede

  • Obwohl die Wirkleistungsmessung bei Leistungsmessgeräten im Vordergrund stehen sollte, findet man manchmal die deutlich besseren Spezifikationen für Strom- und Spannungsmessungen.
  • Es ist durchaus üblich, als Grundgenauigkeit nur die Komponente »x % vom Messwert« zu benennen. Der Bereichsanteil bleibt dabei unberücksichtigt.
  • Grundgenauigkeiten können sowohl auf typischen Daten als auch auf Garantiewerten beruhen.
  • Die Angaben beziehen sich auf unterschiedliche Temperaturbereiche.
  • Sind Prozentwerte zu addieren, müssen unterschiedliche Bezugsgrößen identifiziert und umgerechnet werden (siehe unten).

Um realistische Vergleiche anstellen zu können, muss man wissen, dass die Komponente »y % vom Messbereich« ebenfalls unterschiedlichen Definitionen unterliegt. Während Yokogawa für den Messbereich den Nennwert (entsprechend 100 % Effektivwertaussteuerung der Spannungs- und Strombereiche) zugrunde legt, verwenden andere Hersteller in der Regel den Messbereichsendwert (Spitzenaussteuerbarkeit). Der Messbereichsendwert des Leistungsmessbereichs liegt dann allerdings um die Bereichs-Crestfaktoren der Spannungs- und Strombereiche höher als der Nennwert.

Definitionen haben sich gewandelt

Eindeutig war die Definition der Bereichswerte zu Zeiten rein analoger Messtechnik. Wenn der 250‑V-Bereich eines Effektivwert-Spannungsmessgerätes eingestellt wurde, betrug auch der Skalenendwert 250 V. Dies war eindeutig auch der Messbereichsendwert, andere Bereichsangaben gab es schließlich nicht. Somit war klar: Für alle Genauigkeitsangaben inklusive Genauigkeitsklasse und Grundgenauigkeit war die Bezugsgröße 250 V.

Bei digitalen Messgeräten muss man schon genauer hinschauen, denn es kann bis zu vier Bereichsangaben geben:

  • (1) Den eingestellten Bereich (also den Nennwert).
  • (2) Den Bereich, innerhalb dessen die Genauigkeitsspezifikationen gelten (zum Beispiel für Effektivwerte von 1 % bis 110 % des eingestellten Nominalbereichs).
  • (3) Den Bereich, innerhalb dessen noch Messwerte angezeigt werden (die aber nicht mehr alle durch die Genauigkeitsspezifikationen abgedeckt sind).
  • (4) Die Spitzenaussteuerbarkeit des Bereichs. Dies ist die Grenze, oberhalb der Amplituden abgeschnitten werden. Häufig wird sie als Messbereichsendwert oder »Full Scale« bezeichnet.

Die Ursache für das »Clipping« unter (4) besteht darin, dass jede elektronische Schaltung und insbesondere der Analog-Digital-Umsetzer eine Dynamikgrenze haben. Sie ist ein wichtiges Merkmal der Spannungs- und Strombereiche. Denn die Dynamikgrenze bestimmt, wie groß die Spitzenwerte der zu messenden Signale sein dürfen, ohne die Bereiche zu übersteuern. Somit entscheidet sie auch darüber, ob Signale mit hohem Oberwellengehalt, das heißt großen Crestfaktoren, korrekt gemessen werden können.

Es ist üblich, (1) oder (4) als Bezug für Genauigkeitsspezifikationen heranzuziehen (Bild). Es gibt sogar Messgeräte, bei denen die einzustellenden Messbereiche direkt mit den Werten für »Full Scale« bezeichnet sind. Dann fallen (1) und (4) zusammen und der Bereichsnennwert stellt gleichzeitig die Spitzenaussteuerbarkeit dar.

Weitaus häufiger beträgt die Spitzenaussteuerbarkeit der Spannungs- und Strombereiche allerdings ein Vielfaches der eingestellten Bereichsnennwerte. Dann werden zusätzlich die maximalen Effektivwerte, für die präzise Messwerte zu erwarten sind, spezifiziert. Dies sind meist 110 % der Messbereichsnennwerte. Deshalb sind gemessene Effektivwerte immer viel kleiner als die Spitzenaussteuerbarkeit und entsprechen eher den eingestellten Messbereichen. Der Bezug der Genauigkeitsangaben auf die Nennwerte der Bereiche hat somit durchaus seinen Charme.