Ein Drucktransmitter liefert eigentlich ein stabiles 4…20-mA-Signal, trotzdem schwankt der Analogwert in der SPS. Ein zweiter Sensor zeigt ebenfalls sporadische Sprünge und beim Schalten eines Magnetventils treten kurzzeitig Kommunikationsfehler auf.
Die 24-V-Versorgung wird mit dem Multimeter geprüft:
24,1 V DC
Der Wert sieht vollkommen unauffällig aus.
Trotzdem kann die Stromversorgung Teil des Problems sein.
Ein digitales Multimeter zeigt in erster Linie einen Messwert für die Gleichspannung beziehungsweise – abhängig von Messfunktion und Gerät – einen Effektivwert des Wechselanteils. Kurze Spannungseinbrüche, hochfrequente Schaltspitzen oder die tatsächliche Signalform einer Restwelligkeit bleiben dabei möglicherweise verborgen.
Für eine systematische Diagnose müssen deshalb mehrere Effekte voneinander unterschieden werden:
- langsame Schwankung der 24-V-Gleichspannung,
- periodische Restwelligkeit beziehungsweise Ripple,
- hochfrequentes Schaltrauschen,
- kurze Spannungseinbrüche durch Lastsprünge,
- Störspannungen auf der 0-V-Leitung,
- eingekoppelte EMV-Störungen,
- Messfehler durch ungeeignete Tastkopf- oder Masseführung.
Eine stabile Anzeige von 24,0 V am Multimeter beweist deshalb noch nicht, dass die Versorgung für empfindliche Sensor- und SPS-Signale ausreichend störungsarm ist.
Was bedeutet Restwelligkeit bei einer 24-V-Versorgung?
Ein industrielles Netzteil soll aus seiner Eingangsspannung eine möglichst konstante Gleichspannung erzeugen.
Idealisiert wäre der Ausgang:
U = 24,000 V DC
und würde sich über die Zeit überhaupt nicht verändern.
Ein reales Netzteil erzeugt jedoch eine kleine überlagerte Wechselspannung.
Vereinfacht gilt:
u(t) = UDC + uAC(t)
Dabei ist:
UDCder Gleichspannungsanteil,uAC(t)der zeitabhängige Wechsel- beziehungsweise Störanteil.
Dieser Wechselanteil wird häufig als:
Restwelligkeit
oder:
Ripple
bezeichnet.
Bei einem Schaltnetzteil hängt seine charakteristische Frequenz unter anderem von der internen Schaltung und Schaltfrequenz ab.
Zusätzlich können deutlich schnellere Spitzen und Störimpulse auftreten.
Ripple und hochfrequentes Rauschen unterscheiden
Die Begriffe Ripple und Noise werden in Datenblättern nicht immer identisch verwendet.
Für die Fehlersuche ist folgende praktische Unterscheidung hilfreich:
Restwelligkeit beziehungsweise Ripple
Periodische oder annähernd periodische Schwankung der Ausgangsspannung.
Sie kann beispielsweise mit:
- Netzfrequenz,
- Gleichrichtung,
- Schaltreglerfrequenz,
- Regelverhalten des Netzteils
zusammenhängen.
Noise beziehungsweise Störspitzen
Kurze, häufig hochfrequente Spannungsspitzen oder Schwingungspakete.
Sie entstehen beispielsweise durch:
- Schaltvorgänge im Netzteil,
- Leistungshalbleiter,
- Magnetventile und Relais,
- Frequenzumrichter,
- Motorleitungen,
- ungünstige Leitungsführung.
Für eine belastbare Bewertung muss deshalb geklärt werden, was das Datenblatt des Netzteils unter:
Ripple
Ripple & Noise
oder:
Residual Ripple
genau versteht.
Was kann ein Multimeter erkennen?
Das Multimeter ist für die erste Prüfung sehr nützlich.
Zunächst DC messen
Direkt am Netzteilausgang wird beispielsweise gemessen:
24,08 V DC
Anschließend wird dieselbe Messung möglichst auch am entferntesten beziehungsweise kritischsten Verbraucher wiederholt.
Damit lassen sich unter anderem erkennen:
- falsche Ausgangsspannung,
- großer statischer Spannungsabfall,
- Überlastung mit dauerhaft abgesenkter Ausgangsspannung,
- schlechte Klemmen oder Leitungsverbindungen.
Danach AC messen
Viele Multimeter ermöglichen zusätzlich eine Wechselspannungsmessung auf der 24-V-Schiene.
Ein Messwert von beispielsweise:
35 mV AC
kann einen ersten Hinweis auf einen Wechselanteil liefern.
Dieser Wert darf jedoch nicht ohne Weiteres mit einer im Netzteildatenblatt angegebenen:
mVpp
Angabe verglichen werden.
Das Multimeter ermittelt abhängig vom Gerät einen Effektivwert über eine definierte Frequenzbandbreite. Ein Oszilloskop kann dagegen beispielsweise Spitze-Spitze-Werte und den tatsächlichen Zeitverlauf darstellen.
30 mV RMS und 30 mV Spitze-Spitze beschreiben deshalb nicht denselben Signalpegel.
Warum das Oszilloskop für die Fehlersuche entscheidend ist
Das Oszilloskop zeigt nicht nur die Größe einer Spannung, sondern ihren Verlauf über die Zeit.
Damit lässt sich erkennen, ob die Störung beispielsweise:
- sinusförmig,
- sägezahnförmig,
- periodisch,
- impulsförmig,
- lastabhängig,
- sporadisch
auftritt.
Besonders hilfreich ist eine Zweikanalmessung.
Beispielsweise:
Kanal 1 = 24-V-Versorgung
Kanal 2 = Sensorsignal
.
Tritt ein Spannungseinbruch auf Kanal 1 exakt gleichzeitig mit einem Sprung auf Kanal 2 auf, entsteht ein deutlich stärkerer Hinweis auf einen Zusammenhang als durch zwei zeitlich getrennte Multimetermessungen.
AC-Kopplung richtig verwenden
Eine typische Schwierigkeit besteht darin, dass ein sehr kleines Störsignal auf einer vergleichsweise großen Gleichspannung liegt.
Beispiel:
24 V DC + 80 mV Ripple
.
Bei DC-Kopplung muss das Oszilloskop gleichzeitig die 24-V-Komponente und den kleinen Wechselanteil darstellen.
Dadurch kann die vertikale Auflösung für den Ripple ungünstig werden.
Bei:
AC Coupling
wird der Gleichspannungsanteil am Eingang des Oszilloskops blockiert.
Auf dem Display bleibt im Wesentlichen der Wechselanteil sichtbar.
Die Vertikalempfindlichkeit kann dadurch beispielsweise auf:
20 mV/div
oder:
50 mV/div
eingestellt werden.
Damit wird die Restwelligkeit wesentlich besser sichtbar.
Wichtig ist jedoch: Die AC-Kopplung besitzt selbst eine untere Grenzfrequenz. Sehr langsame Spannungsänderungen können dadurch ausgeblendet beziehungsweise verfälscht werden.
Für langsame Einbrüche und Startvorgänge muss deshalb gegebenenfalls zusätzlich mit DC-Kopplung gemessen werden.
Tastkopf und Masseführung richtig anschließen
Gerade bei kleinen Ripple-Spannungen kann der Messaufbau selbst einen großen Teil des sichtbaren Signals erzeugen.
Ein klassischer Oszilloskoptastkopf mit langer Masseleitung bildet eine relativ große Leiterschleife.
Diese Schleife kann elektromagnetische Störungen aufnehmen.
Das Oszilloskop zeigt dann möglicherweise:
eingekoppelte Störung
statt:
tatsächliche Ausgangsstörung des Netzteils
.
Für Ripple-Messungen gilt deshalb:
- Messleitungen möglichst kurz halten,
- Masse- beziehungsweise Rückleitung direkt am Messpunkt anschließen,
- große Leitungsschleifen vermeiden,
- bei geeigneten Tastköpfen eine kurze Massefeder verwenden,
- bei differenziellen Messleitungen beide Leitungen möglichst eng beziehungsweise verdrillt führen.
Der Messpunkt sollte außerdem exakt definiert sein.
Eine Messung:
direkt an den Netzteilklemmen
kann ein anderes Ergebnis liefern als:
am Ende einer 15 m langen Sensorleitung
.
Messbandbreite und Datenblatt vergleichen
Die gemessene Störspannung hängt von der betrachteten Frequenzbandbreite ab.
Je größer die Bandbreite des Messsystems, desto mehr hochfrequente Signalanteile werden erfasst.
Deshalb kann eine Messung mit:
20 MHz Bandbreite
ein anderes Ergebnis liefern als eine Messung mit:
100 MHz Bandbreite
.
Viele Netzteilhersteller definieren für ihre Ripple- und Noise-Angaben deshalb eine bestimmte Messbandbreite und teilweise auch einen definierten Messaufbau.
Für einen korrekten Datenblattvergleich müssen diese Bedingungen übernommen werden.
Das Oszilloskop sollte deshalb nicht automatisch mit maximal möglicher Bandbreite betrieben werden.
Besitzt es beispielsweise eine schaltbare:
20-MHz-Bandbreitenbegrenzung
und verwendet der Netzteilhersteller ebenfalls 20 MHz als Prüfbandbreite, kann diese Einstellung für den Vergleich sinnvoll sein.
Für die allgemeine EMV-Fehlersuche kann dagegen eine größere Bandbreite interessant sein, um zusätzliche hochfrequente Spitzen sichtbar zu machen.
Restwelligkeit unter realer Last messen
Ein Netzteil sollte nicht ausschließlich im Leerlauf geprüft werden.
Die Ausgangsspannung und das Regelverhalten können sich mit der Last verändern.
Sinnvolle Prüfpunkte sind beispielsweise:
- Leerlauf beziehungsweise minimale Last,
- normaler Maschinenbetrieb,
- hohe Dauerlast,
- Maschinenzustand mit maximaler gleichzeitiger Verbraucherlast.
Besonders interessant ist die Messung genau in dem Betriebszustand, in dem die Störung auftritt.
Ein Netzteil kann beispielsweise über längere Zeit vollkommen sauber arbeiten und erst beim gleichzeitigen Einschalten von:
- Ventilen,
- Schützen,
- HMI,
- dezentralen I/O-Modulen
einen kurzen Spannungseinbruch zeigen.
Spannungseinbrüche bei Lastsprüngen erkennen
Nicht jede SPS-Störung wird durch klassische Restwelligkeit verursacht.
Ein häufiger Fehler ist ein dynamischer Spannungseinbruch.
Beispiel
Die Versorgung liegt normalerweise bei:
24,2 V
.
Beim Einschalten mehrerer Verbraucher fällt sie für:
3 ms
auf:
18,5 V
und steigt danach wieder auf 24,2 V.
Ein gewöhnliches Multimeter kann einen derart kurzen Vorgang möglicherweise überhaupt nicht sichtbar machen.
Mit einem Oszilloskop kann dagegen auf den Einbruch getriggert werden.
Solche Ereignisse können unter anderem verursacht werden durch:
- zu knapp dimensioniertes Netzteil,
- hohen Einschaltstrom der Verbraucher,
- Strombegrenzung des Netzteils,
- zu lange oder zu kleine Versorgungsleitungen,
- Übergangswiderstände an Klemmen,
- gemeinsame Versorgung stark dynamischer und empfindlicher Verbraucher.
Am Netzteil und am Verbraucher messen
Die wichtigste Vergleichsmessung lautet:
Netzteilausgang
gegen:
Versorgung direkt am Verbraucher
.
Fall 1: Störung bereits am Netzteilausgang
Dann kommen insbesondere:
- Netzteil selbst,
- Netzteilbelastung,
- Eingangsversorgung,
- thermische Betriebsbedingungen
als Ursache infrage.
Fall 2: Netzteil sauber, Verbraucheranschluss gestört
Dann liegt die Ursache eher im nachfolgenden Verteilnetz.
Zu prüfen sind:
- Leitungslänge,
- Leitungsquerschnitt,
- Sicherungen,
- Klemmen,
- Steckverbinder,
- gemeinsame Rückleiter,
- EMV-Einkopplung.
Die Aussage „das Netzteil liefert saubere 24 V“ ist deshalb nur aussagekräftig, wenn auch bekannt ist, welche Spannung tatsächlich am empfindlichen Verbraucher ankommt.
Warum die 0-V-Leitung selbst Störungen verursachen kann
Bei einer 24-V-Stromversorgung wird häufig nur die positive Leitung betrachtet.
Für elektronische Signale ist jedoch auch die:
0-V-Leitung
entscheidend.
Fließt beispielsweise der Strom eines Magnetventils über denselben Rückleiter wie ein empfindlicher Sensor, erzeugt der Leitungswiderstand eine Spannung:
U = R × I
.
Beispiel
Ein gemeinsamer Leitungsabschnitt besitzt einschließlich Klemmen einen Widerstand von:
0,08 Ω
.
Beim Einschalten einer Last fließen zusätzlich:
2 A
.
Damit verändert sich das lokale 0-V-Potential um:
0,08 Ω × 2 A = 0,16 V
.
Das Netzteil kann währenddessen vollkommen stabile 24 V liefern.
Der Sensor beziehungsweise SPS-Eingang sieht trotzdem eine veränderte Bezugsspannung.
Dieser Effekt wird je nach Aufbau beispielsweise als:
- Ground Shift,
- Masseversatz,
- Common-Impedance Coupling
sichtbar.
Schwankende SPS-Analogwerte richtig eingrenzen
Bei einem springenden Analogwert sollte nicht sofort der Sensor ausgetauscht werden.
Eine zielführende Messreihenfolge ist:
- 24 V direkt am Netzteil messen.
- 24 V direkt am Sensor messen.
- Spannung zwischen Sensor-0-V und SPS-Analogmasse messen.
- Analogsignal direkt am Sensor prüfen.
- Analogsignal am SPS-Eingang prüfen.
- Störung mit Maschinenereignissen zeitlich vergleichen.
Mit einem Zweikanaloszilloskop kann beispielsweise gleichzeitig gemessen werden:
CH1 = 24-V-Sensorversorgung
CH2 = analoges Sensorsignal
.
Alternativ kann ein Kanal auf die Versorgung und ein zweiter auf die Potentialdifferenz zwischen zwei 0-V-Punkten gelegt werden, sofern dies mit dem verwendeten Messgerät und dessen Eingangskonzept sicher zulässig ist.
Besonderheiten bei 4…20-mA-Sensoren
Ein 4…20-mA-Transmitter überträgt die Messinformation als Strom und ist deshalb gegenüber bestimmten Spannungsabfällen robuster als ein direktes Spannungssignal.
Das bedeutet jedoch nicht, dass die Versorgungsspannung beliebig schwanken darf.
Der Transmitter benötigt eine Mindestbetriebsspannung.
Zusätzlich muss im Stromkreis genügend Spannung für:
- Transmitter,
- Leitung,
- Messwiderstand,
- Trennmodule beziehungsweise Eingänge
zur Verfügung stehen.
Vereinfacht gilt:
UVersorgung ≥ UTransmitter,min + I × RSchleife
.
Fällt die Versorgung während eines Lastsprungs zu weit ab, kann der Transmitter seinen vorgesehenen Betriebsbereich verlassen.
Außerdem können gemeinsame 0-V-Pfade oder galvanisch nicht getrennte Eingänge zusätzliche Störeinflüsse verursachen.
Warum 0…10-V-Signale besonders empfindlich sein können
Bei einem Spannungssignal wird der Messwert direkt als Potentialdifferenz übertragen.
Bei:
0...10 V
entspricht beispielsweise:
100 mV
bereits:
1 % des gesamten Messbereichs
.
Ein Masseversatz von nur einigen zehn Millivolt kann deshalb bereits als sichtbarer Messfehler auftreten.
Besonders kritisch sind:
- lange Leitungen,
- gemeinsame Rückleiter mit Leistungslasten,
- fehlende Potentialtrennung,
- ungünstige Schirmführung,
- hohe Störströme.
Bei solchen Systemen sollte nicht nur:
+24 V gegen 0 V
gemessen werden, sondern auch geprüft werden, ob verschiedene 0-V-Punkte tatsächlich dasselbe Potential besitzen.
Magnetventile, Relais und Schütze als Störquelle
Induktive Lasten können beim Abschalten hohe Spannungsspitzen erzeugen.
Dazu zählen:
- Magnetventile,
- Relais,
- Schütze,
- Bremsmagnete.
Fehlt eine geeignete Schutzbeschaltung, kann die Störung über:
- Versorgungsleitungen,
- gemeinsame Masseleitungen,
- kapazitive Kopplung,
- induktive Kopplung
in Sensor- und SPS-Kreise gelangen.
Der Effekt kann auf dem Oszilloskop als sehr kurzer Impuls sichtbar werden.
Damit lässt sich unterscheiden, ob eine vermeintliche „Netzteilwelligkeit“ tatsächlich aus dem Netzteil stammt oder von einer angeschlossenen Last in die 24-V-Schiene zurückgekoppelt wird.
Geerdete und potentialfreie Messungen unterscheiden
Bei einem klassischen Tischoszilloskop ist der Außenleiter beziehungsweise die Masse vieler BNC-Eingänge mit dem Schutzleiter verbunden.
Die Masseklemme eines normalen Tastkopfes darf deshalb nicht beliebig an irgendeinen Punkt einer Schaltung angeschlossen werden.
Ist der Messpunkt gegenüber Schutzleiter potentialbehaftet, kann eine falsche Verbindung:
- einen Kurzschluss verursachen,
- die Anlage verändern,
- das Messgerät beschädigen,
- den Bediener gefährden.
Bei nicht eindeutig erdbezogenen Messungen sind deshalb je nach Aufgabe beispielsweise:
- galvanisch isolierte Oszilloskopeingänge,
- geeignete Differenztastköpfe,
- andere freigegebene differenzielle Messverfahren
zu verwenden.
Der Schutzleiter eines Tischoszilloskops darf niemals entfernt werden, um einen vermeintlich „potentialfreien“ Eingang zu erzeugen.
Praxisbeispiel: Analogwert schwankt beim Schalten eines Ventils
Eine SPS erfasst einen Drucktransmitter mit:
4...20 mA
.
Im normalen Betrieb ist der Wert stabil.
Immer wenn ein 24-V-Magnetventil eingeschaltet wird, springt der angezeigte Druck kurzzeitig.
Schritt 1: DC-Spannung prüfen
Das Multimeter zeigt am Netzteil:
24,2 V DC
.
Es ist zunächst kein Fehler erkennbar.
Schritt 2: Oszilloskop am Netzteilausgang
Die 24-V-Schiene wird mit dem Oszilloskop untersucht.
Im statischen Betrieb ist nur eine kleine Restwelligkeit vorhanden.
Schritt 3: Auf das Schaltsignal triggern
Beim Einschalten des Magnetventils fällt die Versorgung für kurze Zeit ab.
Zusätzlich erscheint eine kurze hochfrequente Störung.
Schritt 4: Direkt am Sensor messen
Am Sensor ist der Spannungseinbruch stärker als direkt am Netzteil.
Damit ist klar, dass nicht nur das Regelverhalten des Netzteils betrachtet werden muss.
Schritt 5: Spannungsabfall der Leitungen prüfen
Das Magnetventil und der Sensor verwenden teilweise denselben 0-V-Rückleiter.
Beim Schalten entsteht dort ein zusätzlicher Spannungsabfall.
Schritt 6: Verdrahtung ändern
Die Sensorversorgung erhält eine geeignete separate Leitungsführung zum zentralen 24-V-/0-V-Verteilungspunkt.
Die induktive Last erhält die für die Anwendung vorgesehene Schutzbeschaltung.
Schritt 7: Wiederholungsmessung
Der Spannungseinbruch am Sensor ist deutlich reduziert und der SPS-Analogwert bleibt stabil.
Das Beispiel zeigt:
Analogwert schwankt
bedeutet nicht automatisch:
Sensor defekt
und:
24,2 V am Netzteil
bedeutet nicht automatisch:
Versorgung am Sensor störungsfrei
.
Systematischer Prüfablauf
- DC-Ausgangsspannung direkt am Netzteil messen.
- DC-Spannung unter dem problematischen realen Betriebszustand prüfen.
- Spannung direkt am betroffenen Sensor beziehungsweise SPS-Modul messen.
- AC-Anteil zunächst mit geeignetem Multimeter als Orientierung prüfen.
- Für Signalform, Spitzen und kurze Einbrüche ein Oszilloskop verwenden.
- Bei Ripple-Messung gegebenenfalls AC-Kopplung verwenden.
- Tastkopf- und Masseleitungen möglichst kurz halten.
- Messbandbreite entsprechend der Prüfaufgabe beziehungsweise Datenblattvorgabe einstellen.
- Netzteilausgang und Verbraucheranschluss miteinander vergleichen.
- Messung bei minimaler, normaler und hoher Last wiederholen.
- Auf Lastsprünge und Maschinenereignisse triggern.
- Gemeinsame 0-V-Leitungen auf dynamischen Spannungsabfall prüfen.
- Sensor- und SPS-Signale zeitgleich mit der Versorgung vergleichen.
- Induktive Verbraucher und deren Schutzbeschaltung kontrollieren.
- Leitungsführung von Signal-, Motor- und Leistungskabeln prüfen.
- Bei potentialfreien beziehungsweise nicht erdbezogenen Messpunkten nur geeignete isolierte oder differenzielle Messtechnik einsetzen.
Häufige Messfehler
- Nur die DC-Anzeige des Multimeters betrachten: Kurze Spannungseinbrüche und hochfrequente Störungen bleiben verborgen.
- AC-Multimeterwert direkt mit mVpp aus dem Datenblatt vergleichen: Effektivwert und Spitze-Spitze-Wert sind unterschiedliche Größen.
- Nur im Leerlauf messen: Die Störung tritt möglicherweise erst bei realer Belastung auf.
- Nur direkt am Netzteil messen: Leitungs- und Klemmenprobleme bis zum Verbraucher bleiben unentdeckt.
- Lange Masseleitung am Oszilloskop verwenden: Die Messschleife kann zusätzliche Störungen einkoppeln.
- Maximale Oszilloskopbandbreite immer verwenden: Das Ergebnis ist dann möglicherweise nicht mit der Bandbreitenvorgabe des Netzteildatenblatts vergleichbar.
- Nur die +24-V-Leitung betrachten: Ein dynamischer Spannungsabfall auf 0 V kann den gleichen Effekt verursachen.
- Jede Störung dem Netzteil zuschreiben: Angeschlossene Relais, Ventile, Motorsteuerungen oder Umrichter können Störungen in die Versorgung zurückkoppeln.
- AC-Kopplung für langsame Einbrüche verwenden: Sehr langsame Spannungsänderungen können dadurch unterdrückt werden.
- Oszilloskopmasse beliebig anschließen: Bei erdbezogenen Eingängen kann dadurch ein Kurzschluss entstehen.
- Sensor sofort austauschen: Versorgung, Bezugspotential und SPS-Eingang wurden nicht separat geprüft.
- Schirmung mit Rückleiter verwechseln: Schirm, PE und 0 V erfüllen unterschiedliche Funktionen und müssen nach dem Anlagenkonzept angeschlossen werden.
Passende Messgeräte und Stromversorgungen
Für die Analyse von Restwelligkeit, Spannungseinbrüchen und schnellen Störsignalen eignet sich beispielsweise das CA 942 HANDSCOPE.
Das tragbare Messgerät kombiniert:
- 40-MHz-Oszilloskop,
- zwei isolierte Messkanäle,
- 2 GS/s Abtastrate,
- Multimeterfunktion,
- tragbare Bauform für Service und Instandhaltung.
Die zwei Kanäle sind für die Fehlersuche besonders hilfreich, da Versorgungsspannung und Sensorsignal beziehungsweise zwei unterschiedliche Versorgungspunkte gleichzeitig beobachtet werden können.
Weitere Geräte zur zeitabhängigen Signalanalyse finden Sie unter Oszilloskope bei ICS Schneider.
Für die erste Spannungs-, Strom- und Widerstandsprüfung stehen außerdem digitale Multimeter zur Verfügung.
Passende industrielle Netzteile, DC/DC-Wandler und weitere Versorgungskomponenten finden Sie unter Stromversorgung bei ICS Schneider.
Weitere Prüf- und Diagnosegeräte für Inbetriebnahme und Fehlersuche finden Sie unter Messgeräte für den Schaltschrankbau.
Fazit
Eine gemessene Gleichspannung von 24 V reicht nicht aus, um die Qualität einer industriellen Stromversorgung vollständig zu beurteilen.
Auf der Gleichspannung können Restwelligkeit, hochfrequente Schaltspitzen und kurze dynamische Spannungseinbrüche liegen. Diese Effekte werden mit einem normalen DC-Multimeter häufig nicht sichtbar.
Das Multimeter bleibt ein sinnvoller erster Prüfschritt. Für die Analyse des tatsächlichen zeitlichen Verlaufs ist jedoch ein Oszilloskop erforderlich.
Dabei entscheidet der Messaufbau wesentlich über die Qualität des Ergebnisses. Kurze Tastkopfverbindungen, geeignete Bandbreite und die korrekte Wahl zwischen DC- und AC-Kopplung verhindern, dass der Messaufbau selbst als vermeintliche Störung erscheint.
Ebenso wichtig ist der Messort. Ist die Versorgung direkt am Netzteil sauber, aber am Sensor gestört, müssen Leitungen, Klemmen und insbesondere gemeinsame 0-V-Rückleiter untersucht werden.
Schwankende SPS-Analogwerte können deshalb sowohl durch das Netzteil selbst als auch durch Lastsprünge, Spannungsabfall, Masseversatz oder eingekoppelte Störungen entstehen.
Die zuverlässigste Diagnose lautet daher nicht „24 V vorhanden oder nicht“, sondern: Wie verhält sich die Versorgung direkt am betroffenen Verbraucher über die Zeit und exakt in dem Moment, in dem die Anlagenstörung auftritt?
FAQ: Restwelligkeit einer 24-V-Versorgung messen
Was ist Restwelligkeit bei einem 24-V-Netzteil?
Restwelligkeit ist ein kleiner zeitlich veränderlicher Spannungsanteil, der der eigentlichen 24-V-Gleichspannung überlagert ist. Bei Schaltnetzteilen kann er unter anderem mit dem Schalt- und Regelprinzip des Netzteils zusammenhängen.
Kann ich die Restwelligkeit mit einem Multimeter messen?
Ein geeignetes Multimeter kann im AC-Bereich einen ersten Hinweis auf den Wechselspannungsanteil liefern. Es zeigt jedoch normalerweise nicht die Signalform und kann kurze Spitzen oder Einbrüche übersehen. Für eine detaillierte Diagnose ist ein Oszilloskop geeigneter.
Warum zeigt mein Multimeter 24 V, obwohl die SPS Störungen hat?
Ein Multimeter mittelt beziehungsweise verarbeitet das Signal über eine bestimmte Messzeit. Ein nur wenige Millisekunden dauernder Spannungseinbruch kann deshalb verborgen bleiben. Außerdem kann die Versorgung direkt am Netzteil stabil sein, während am SPS-Modul aufgrund von Leitungsverlusten eine andere Spannung anliegt.
Wie messe ich Ripple mit dem Oszilloskop?
Gemessen wird zwischen +24 V und 0 V am relevanten Messpunkt. Für kleine Wechselanteile kann AC-Kopplung hilfreich sein, da dabei der große Gleichspannungsanteil ausgeblendet wird. Die Messleitungen sollten möglichst kurz sein und die Bandbreite muss zur Prüfaufgabe passen.
Was bedeutet mVpp?
mVpp beziehungsweise mV peak-to-peak beschreibt den Abstand zwischen dem höchsten und niedrigsten Momentanwert der Störspannung. Dieser Wert darf nicht direkt mit einem RMS-Wert eines Multimeters gleichgesetzt werden.
Warum sollte die Restwelligkeit unter Last gemessen werden?
Das Regelverhalten eines Netzteils kann sich mit der Ausgangslast verändern. Zusätzlich können dynamische Verbraucher beim Ein- oder Ausschalten kurze Spannungseinbrüche verursachen. Deshalb sollte genau unter den Betriebsbedingungen gemessen werden, bei denen die Störung auftritt.
Kann ein Magnetventil eine Störung auf der 24-V-Schiene verursachen?
Ja. Neben dem zusätzlichen Einschaltstrom kann insbesondere eine induktive Last beim Abschalten Spannungsspitzen erzeugen. Eine geeignete Schutzbeschaltung und saubere Leitungsführung sind deshalb wichtig.
Kann eine schlechte 0-V-Leitung den SPS-Analogwert beeinflussen?
Ja. Fließen Sensor- und Lastströme über einen gemeinsamen Rückleiter, erzeugt dessen Widerstand einen lastabhängigen Spannungsabfall. Dadurch können sich die Bezugspotentiale von Sensor und SPS gegeneinander verschieben.
Sind 4…20-mA-Signale unempfindlich gegenüber Versorgungsschwankungen?
Sie sind gegenüber bestimmten Leitungs- und Spannungsabfällen robuster als direkte Spannungssignale. Der Transmitter benötigt jedoch weiterhin genügend Versorgungsspannung und kann bei zu starken Spannungseinbrüchen seinen zulässigen Betriebsbereich verlassen.
Warum ist ein 0…10-V-Signal häufig empfindlicher?
Bei einem Spannungssignal wird die Messinformation unmittelbar als Potentialdifferenz übertragen. Ein Masseversatz von beispielsweise 100 mV entspricht bei einem 0…10-V-Signal bereits 1 % des gesamten Messbereichs.
Kann ich die Masseklemme eines Tischoszilloskops einfach an 0 V anschließen?
Nur wenn eindeutig geklärt ist, dass dies mit der Erdungs- und Potentialstruktur der Anlage sowie dem Eingangskonzept des Oszilloskops zulässig ist. Bei einem herkömmlichen Tischoszilloskop ist die Tastkopfmasse häufig mit Schutzleiter verbunden. Für floating Messungen sind geeignete isolierte Eingänge oder Differenztastköpfe zu verwenden.
Was sollte ich zuerst prüfen, wenn ein SPS-Analogwert schwankt?
Zuerst sollten Versorgungsspannung und Signal direkt am Sensor sowie anschließend am SPS-Eingang geprüft werden. Danach werden 0-V-Potentialunterschiede, Lastsprünge, Leitungsführung und zeitliche Zusammenhänge mit schaltenden Verbrauchern untersucht.