Die perfekte Messkette vom Vorverstärker bis zur Echtzeit-Analyse

Alle Messgeräte verzerren die angelegten Messignale. Einige mehr, andere weniger. Bei welchen Messaufgaben Sie auf die Messgeräte mit der besten analogen Eingangsstufe des Marktes setzen sollten, lesen Sie hier: LTT24 und LTTsmart.

Signalqualität ist immer wichtig. Aber wieviel davon ist unbedingt notwendig, um eine gewünschte Mess-Aussage treffen zu können? Auch wenn wir alle dafür eine gewisse Grunderfahrung mitbringen, liegt das erste Bauchgefühl doch meist dramatisch daneben. Die selten betrachtete Ursache hierfür ist: Signalverzerrung.

Die Zusammenhänge sind sehr einfach zu beschreiben:

Wird ein Signal an ein Messgerät angelegt, so wird es in der Eingangsstufe des Messgeräts (leider) immer etwas verzerrt. Hierbei erscheint das Signal so, als ob es zusätzlich höherfrequente Störsignale (= Oberwellen) gäbe. Diese sind in der Realität nicht vorhanden, erscheinen aber im Messgerät und somit in den daraus berechneten Messergebnissen.

In vielen Messaufgaben sind diese „virtuellen Störsignale“ genau bei solchen Frequenzen, bei denen das tatsächliche Messignal ebenfalls wichtige Informationen zeigt, so dass diese wichtigen Informationen verfälscht oder in Extremfällen sogar total überlagert werden.

Stützt sich eine Mess-Aussage also auf diese überlagerten Signalanteile, dann ist mit Falschaussagen zu rechnen.

Kurz zusammengefasst:

Gibt es in einem zu analysierenden Signal nicht nur eine einzige interessante Frequenz, dann muss berücksichtigt werden, dass die Verzerrungen von langsameren Signalanteilen zu virtuellen Störungen führen, die mit höherfrequenten Signalanteilen „kollidieren“.

Ein spektakuläres Beispiel sind Sprengversuche: ein kräftiger Wumms erzeugt eine Schockwelle, die das Material eines zu vermessenden Objekts zum Schwitzen bringt. An einigen Stellen wird in Kürze die Belastbarkeit des Materials überschritten und es kommt zu Mikrorissen, die sich schnell aufweiten bis das komplette Objekt zerreißt.

Diese Mikrorisse entstehen an Stellen, bei denen sich viele hochfrequente Schockanteile gegenseitig positiv überlagern und aufaddieren.

Will man das messtechnisch erfassen und aus den Messdaten die Riss-Positionen nachberechnen, wird man erstaunlich falsch liegen, wenn man zuvor nicht auf das richtige Messgerät mit einer verzerrungsarmen Eingangsstufe gesetzt hat.

Die genannten hohen Frequenzanteile haben sehr kleine Amplituden – verglichen mit der enormen Amplitude des großen Wumms.

Nun schlägt die Verzerrung zu: der Wumms erzeugt schnellere Signalstörungen, auch Oberwellen genannt. Ein großer Wumms bringt also große Verzerrungs-Störungsamplituden bei höheren Frequenzen, die die dort tatsächlich vorhandenen Messsignale überlagern.

Nochmals Zusammengefasst: immer dann, wenn es geleichzeitig [LANGSAME GROSSE] und [schnelle kleine] Signale gibt, dann muss ein extrem verzerrungsarmes Messgerät verwendet werden.

Also: Augen auf bei der Messgeräte-Auswahl! Die LTTsmart und LTT24 haben die bei weitem besten analogen Eingangsstufen des Marktes!

Bei den LTT-Messgeräten sind die Verzerrungs-Oberwellen in Summe kleiner als 3 ppm des angelegten Signals. Die erste Oberwelle ist sogar kleiner als 1 Millionstel vom Eingangssignal. Gleichzeitig bestechen die Geräte durch einen unglaublich flachen Noise-Floor, der über die ganze Bandbreite von DC bis 2 MHz unterhalb von -140dB liegt – und zwar ohne irgendwelche internen Störfrequenzen, die sich als Spikes bemerkbar machen würden. Das ist absolut einzigartig!

Im Regelfall hat der eigene Messbetrieb wenig mit Sprengversuchen gemeinsam – aber dennoch vernichtet die Verzerrung auch in allen alltäglichen Aufgaben wichtige Prozentpunkte der Genauigkeitsaussage. Als ein (fast) beliebiges Beispiel einer regulären Standard-Messung ist die Leistungsmessung an batteriegetriebenen mehrphasige E-Motoren zu nennen.

Solche E-Motoren werden durch sogenannte PWM-Signale angetrieben, also durch gepulste Signalfolgen. Die Physik, die die Verluste definiert, erfolgt in den steilen Flanken dieser Pulsfolgen. Schnelle Messtechnik ist hier ein Muss. Und auch hier überlagert die Verzerrung der großen Spannungspulse die viel kleineren und hochfrequenteren Signalanteile, die die Verluste definieren.

Verzerrt die Eingangsstufe des verwendeten Messgeräts diese Pulsfolgen zu sehr, hilft auch kein schneller A/D-Wandler mehr, um die „virtuellen Stör-Leistungsverluste“ zu verhindern. Die LTTsmart-Eingangsverstärker sind um den Faktor 100 besser als alle anderen Systeme am Markt. Ein Vorteil, der bei direkten Vergleichsmessungen zwischen 5  und 7 % mehr Genauigkeit bringt.

Mathematisch lässt sich zeigen, dass mit höherer Abtastrate die Auflösung zwingend abnimmt. Physikalische Gesetze beschreiben diese Abhängigkeit. Könnte man einen absolut perfekten Vorverstärker bauen, so wäre das Optimum der mathematischen Leistungsberechnung von PWM-Signalen, bei einer Abtastrate von 2 MHz bis 4 MHz erreicht. Und eben solche beinahe perfekten Vorverstärker entwickelt und verwendet die Labortechnik Tasler GmbH seit 25 Jahren. In Verbindung mit den hoch präzisen 4 MHz A/D‑Wandlern, der galvanischen Trennung und der hohen Synchronität der Kanäle, ist das die perfekte Kombination. Aber nicht nur diese Tatsache ist marktführend.

Während andere Power-Analyzer-Kompaktsysteme die digitalisierten Daten intern zu den üblichen Leistungsparametern verrechnen und nur diese langsamen Rechenergebnisse zum angeschlossenen PC übertragen, senden die LTT-Messysteme mit Hilfe eines patentierten Verfahrens alle gemessenen Rohdaten kontinuierlich zum PC.

Dort angekommen, werden die Daten mit hochoptimierten Algorithmen mit nur wenigen Prozent Prozessorauslastung zu allen denkbaren Leistungsparametern verrechnet. Gleichzeitig bleiben die Rohdaten in einem Ringpuffer im PC verfügbar, so dass höhere Analyse-Pakete jederzeit bei auffälligen Leistungsparametern auf die exakt zugrunde liegenden Rohdaten zurückgreifen können. Auch rückwirkend. Somit eröffnen die LTTsmart-Systeme in der Verwendung als Power Analyzer die umfängliche Analyse von Parameterschwankungen der E-Motoren-Prüflinge.

In der Industrie ist es wichtig, solche Datenanalysen nicht in einer zusätzlichen Software-Insel-Lösung zu betreiben. Aus diesem Grund bietet die Labortechnik Tasler GmbH passende Schnittstellen zu vielen Prüfstandlösungen an. Hierzu gehören die Prüfstandsoftware von Gantner Instruments (GI.bench), von Stiegele (MLab), von MeasX (DasyLab) und National Instruments (LabView).

Natürlich gibt es auch Schnittstellen zu Python und Matlab, sowie Befehlsbibliotheken zu kundenspezifischen Programmen, die sowohl unter Windows als auch unter Linux einzusetzen sind.

Die Experten der Labortechnik Tasler GmbH helfen gerne bei allen Implementierungsaufgaben. Auch Demo-Geräte können bereitgestellt werden, um die Vorteile des LTTsmart und des LTT24 auch direkt bei Kundenprojekten zu zeigen.