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Herausforderung Industrie 4.0

Für jede Funktion die passende Messtechnik

15. September 2020, 09:11 Uhr   |  Boris Adlung

Für jede Funktion die passende Messtechnik
© Rigol Technologies

Rigol bietet eine Vielzahl an Messinstrumenten, mit denen sich auch schwierigste Messanforderungen im Bereich des Internet der Dinge meistern lassen.

IoT-Entwicklungsingenieure müssen in Geräte immer mehr Funktionen integrieren und für hohe Verlässlichkeit, lange Batterielaufzeit sowie gute Webanbindung sorgen. Für optimale Ergebnisse sind sie von Anfang an auf eine vielseitige Anwendung der Messgeräte und zuverlässige Messmethoden angewiesen.

IoT-Geräte und -Systeme sind in den meisten Fällen batteriebetrieben und transportieren Daten drahtlos über das Internet. Abhängig von der Funktion kommunizieren zum Beispiel Sensoren auf einer IoT-Schaltung über Bussysteme. Durch die kompakte Bauweise spielt auch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine große Rolle, das durch ständige Vorabkonformitätsanalysen überprüft werden sollte. Für jede dieser Teilfunktionen ist ein separater Messaufbau nötig.

Für das Design und die Analyse des Powermanagements hat Rigol zum Beispiel ein DC-Netzteil (DP800-Serie), eine elektronische Last (DL3000-Serie) und ein Oszilloskop (MSO5000-Serie) mit einer Stromzange (zum Beispiel RP1002C) im Programm. Mit diesem Messaufbau lässt sich durch den Einsatz unterschiedlicher Funktionen überprüfen, welche Stromstufen von der IoT-Schaltung gezogen werden; gleichzeitig kann man über Kanal 2 die Spannung messen. Über die Mathematikfunktion (Strom x Spannung) lässt sich die Leistung zu den jeweiligen Zeitpunkten darstellen und mittels Marker für jede Position ausmessen. Diese Information ist wichtig, um Qualität und Lebensdauer einer Batterie zu spezifizieren. Um die Batterie zu schonen kann sich ein IoT-Gerät im Schlafmodus befinden, wenn seine Funktion gerade nicht benötigt wird. Hier fließt nur eine geringe Menge an Strom. Ähnlich im eingeschalteten Modus, wenn das IoT-Gerät eine konstante Überwachung vornimmt. Beide Funktionsweisen (Schlafmodus und Überwachung) werden als Nominalleistung bezeichnet. Hier empfiehlt es sich, das Oszilloskop auf einen Einzelschuss (Single) einzustellen.

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Bild 1: Einschaltmoment eines IoT-Boards aus dem Schlafmodus (Pink: Strom, Gelb: Spannung, Lila: Leistung).

Einschaltverhalten nicht vernachlässigen

Wichtig bei einer IoT-Schaltung ist auch das Einschaltverhalten. Sobald das IoT aufgeweckt wird, zieht dieses für einen kurzen Moment viel Strom (Bild 1). Diese Stromspitze und der Spannungsverlauf hierzu kann das Oszilloskop MSO5000 erfassen. An der Mathematikkurve lässt sich jetzt der maximale Leistungswert ausmessen. Die Pulsdauer, die maximale Stromamplitude und die Messung der Anstiegs- sowie Abfallzeit werden über den Cursor ermittelt.

Die dritte Funktion ist die Vermessung der Werte im operativen Zustand, wenn zum Beispiel die Daten in die Cloud beziehungsweise über das Internet übermittelt werden oder eine bestimmte Funktion über einen Sensor ausgeführt wird. Hier können je nach Funktion kontinuierliche Stromspitzen entstehen, die ein Multimeter nicht messen kann. Die Kenntnis dieser unterschiedlichen Funktionsweisen ist wichtig, um die Kapazität und die Langlebigkeit der Batterie zu klassifizieren.

Alle vermessenen Parameter werden in die elektronische Last der Serie DL3000 eingegeben. Damit lässt sich eine Batterie über einen längeren Zeitraum sowohl mit den unterschiedlichen Stromstufen als auch mit dem Strompuls des Aufwachszenarios kontrollieren und die Laufzeit eines Entlade-Zyklus durch das Vermessen der Entladespannung ermitteln. Manche IoT-Geräte lassen sich aber auch direkt mit der AC-Netzspannung betreiben. Im IoT-Gerät wird dann mittels eines AC-DC-Konverters die Spannung auf beispielsweise 5, 12 oder 24 V umgesetzt, um das Gerät zu versorgen. Um die Qualität der AC-DC-Umsetzung während des Betriebs zu testen, kann die Powerapplikation im Oszilloskop MSO5000 zum Einsatz kommen. Hierfür schließt man für die Strommessung die Stromzange an Kanal 1 und für die Spannungsmessung den differenziellen Tastkopf an Kanal 2 des Oszilloskops an. Mit dieser Applikation lassen sich auf der Wechselstromseite die meisten der benötigten Parameter wie Klirrfaktor, Effektivwerte, Netzfrequenz und Phase von Strom und Spannung sowie die Blind-, Schein-, und Wirkleistung vermessen. Außerdem ist es möglich, am AC-DC-Ausgang die Ausgangswelligkeit (unerwünschter Wechselspannungsanteil) zu vermessen und darzustellen, um zu ermitteln, ob diese durch zusätzliche Maßnahmen weiter reduziert werden muss.

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1. Für jede Funktion die passende Messtechnik
2. Qualität der Datenleitung prüfen
3. IoT-Komponenten testen

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