Drahtlose Sensoren für das IoT
Herausforderung Batterielaufzeit
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Herkömmliche Messverfahren und ihre Grenzen
Ein bekanntes Verfahren zur Strommessung ist ein Digitalmultimeter (DMM) als Amperemeter. Die Genauigkeit von Strommessungen moderner DMMs sieht auf den ersten Blick gut aus, die Spezifikationen beziehen sich allerdings auf feste Messbereiche und relativ stabile Signale, also eine Situation, die bei einem drahtlosen Sensor mit seiner sehr dynamischen Stromaufnahme so nicht gegeben ist.
Zur Strommessung schaltet man das DMM in Reihe zwischen Batterie und Verbraucher. Wenn man das mit einem drahtlosen Sensor so macht, sieht man ab und zu die Anzeige des DMM etwas zappeln, nämlich dann, wenn der Sensor aktiv ist oder gar sendet. Das DMM hat mehrere Messbereiche und schaltet zwischen ihnen auch automatisch auf den am besten passenden um. Das gibt die genausten Messwerte. Dennoch sind DMMs nicht ideal für diesen Zweck. Die automatische Bereichswahl braucht 10 bis 100 ms zum Wechsel des Messbereichs und zur Beruhigung des Messgeräts, das ist länger, als die aktiven Phasen oder die Sendephasen des Sensors dauern. Aus diesem Grund sollte der Nutzer für solche Messungen die automatische Bereichswahl ausschalten und den am besten passenden Bereich manuell anwählen.
Das DMM misst Ströme, indem es einen Serienwiderstand in den Stromfluss einschleift und den Spannungsabfall an diesem Widerstand misst. Für einen kleinen Strombereich hat dieser Widerstand einen relativ hohen Wert, für einen großen Strombereich einen kleinen. An diesem Widerstand fällt eine gewisse Spannung ab, die sogenannte Bürdespannung. Somit erreicht nicht die gesamte Batteriespannung den drahtlosen Sensor. Die Bürdespannung eines relativ hohen Serienwiderstands (den man für die Messung der Stromaufnahme im Schlafzustand braucht) kann in einer aktiven Phase so groß sein, dass die Betriebsspannung des Gerätes einbricht und das Gerät sich rücksetzt. Also muss man als Kompromiss einen so großen Strombereich wählen, dass das Gerät auch in aktiven Phasen (in denen es viel Strom aufnimmt) weiterhin funktioniert. In diesem Messbereich kann man dann prinzipiell die Stromaufnahme in der aktiven Zeit und auch im Schlafzustand messen. Das Verfahren hat aber einen Haken: Die Genauigkeit eines Messgeräts ist immer als Prozentzahl des Skalenendwerts angegeben. Messwerte am Skalenanfang sind daher wesentlich ungenauer. In einem Messbereich von 100 mA mag ein Messfehler von 0,005 % für den Skalenendwert angegeben sein, das sind in absoluten Zahlen 5 µA. Bezogen auf einen Messwert von 10 µA sind diese 5 µA aber 50 % Messunsicherheit; bezogen auf einen Messwert von 1 µA sogar 500 %. Die Stromaufnahme eines drahtlosen Sensors liegt aber in der Schlafphase (in der er sich den größten Teil der Zeit befindet) in der Größenordnung von nur 1 µA; entsprechend hat ein Messfehler hier eine enorme Auswirkung auf die errechnete Batterielaufzeit.
Nach der Messung der geringen Stromaufnahme des Sensors in seiner Schlafphase ist nun die Stromaufnahme in der aktiven Zeit und beim Senden zu messen. Man braucht hier sowohl den Absolutwert der Stromaufnahme in diesen Betriebsphasen als auch die Zeit, die der Sensor in diesen verbringt. Ein Signal, das sich in der Zeit ändert, kann man wunderbar mit einem Oszilloskop erfassen. Im vorliegenden Fall will man Ströme von einigen zig mA messen. Gängige Strommessköpfe sind für Ströme dieser Größenordnung nicht besonders gut geeignet. Sie sind relativ unempfindlich und driften relativ stark. Gute Strommesszangen weisen ein effektives Rauschen von 2,5 mA auf, und ihr Nullpunkt muss ständig nachgestellt werden. Solche Stromsensoren messen das magnetische Feld um einen Leiter herum. Immerhin kann man ihre Empfindlichkeit mit einem Trick verbessern, indem man die Stromzufuhr zum Testobjekt mehrfach durch die Strommesszange führt (und so das Magnetfeld entsprechend vervielfacht). Das multipliziert auch den Messwert, sodass man kleine Ströme etwas besser messen kann. Auf diese Weise schafft man es, die Stromaufnahme des Sensors in der aktiven Zeit und während der Sendephasen zu erfassen. Aber selbst in diesen Phasen bleibt der Strom nicht konstant. Wenn man genau hinsieht, zeigt sich die Stromaufnahme als Zug von Impulsen. Will man die mittlere Stromaufnahme richtig errechnen, muss man die Messkurve exportieren und mathematisch korrekt integrieren.
Oszilloskope können einen einzelnen Burst gut erfassen. Die hier diskutierte Messung ist aber komplexer. Man möchte ja prüfen, wie oft der Sensor sich in einer gegebenen Zeitspanne aktiv schaltet und wie oft er sendet. Mit einem Oszilloskop kann man über kurze Zeitspannen gut messen, aber hier geht es um Minuten oder Tage. Eine solche Zeitspanne ist für ein Oszilloskop schwierig zu meistern.
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