Anlagen und Maschinen werden in der Gebäude- und Fertigunsautomation über Bussysteme angesteuert. Sie verfügen über Funk-, Web- und/oder LAN-Schnittstellen sowie modernste elektronische Komponenten. Tritt eine Störung auf, gibt es vielfäl­tige Ursachen dafür: unzureichende Netzqualität, schlechte Kontaktierung oder nicht ausreichend geschirmte ­Frequenzumrichter. Auch starke elektromagnetische Felder einer Fertigungsmaschine können Steuersignale beeinflussen und zu Fehlverhalten führen. Deshalb benötigen Ingenieure bei Inbetriebnahme, Wartung oder Fehlerbehebung an Automatisierungskom­ponenten ein Messgerät, mit dem sie gefahrlos sowohl Netz­spannung messen als auch gleichzeitig empfindliche Steuersignale in elektronischen Schaltungen analysieren können.

Für diese Zwecke hat Rohde & Schwarz mit dem R&S Scope Rider ein besonders robustes und vielseitiges Handheld-Oszilloskop entwickelt. Es verfügt über zahlreiche automatische Messfunktionen und kann bis zu acht Messgeräte in einem integrieren: vom digitalen Multimeter über den Datenlogger für Langzeitüber­wachungen bis hin zum Logikanalyzer, der serielle Bussignale decodiert und analysiert. Dabei zeigt das Oszilloskop zum Beispiel Versorgungsspannung und serielle Steuersignale zeitkorreliert parallel an. Selbst eine Ana­lysefunktion für Harmonische zur Beurteilung der Netzqualität ist damit möglich.

Netzqualität bis in CAT-IV-Umgebungen messen

Das Konzept der isolierten Eingangskanäle verhindert Kurzschlüsse bei versehent­lichem Vertauschen von Masse und Signalanschluss an zwei Oszilloskop-Eingängen. So lassen sich Messungen an der Leistungselektronik gefahrlos durchführen.

© Rohde & Schwarz

Müssen berührungsgefährliche Spannungen gemessen werden, benötigt der Anwender ein Messgerät mit einer entsprechenden IEC-61010-1-Messkategorie. In einer CAT-IV-Umgebung – vor der Hauptsicherung eines Hausnetzanschlusses – können bei einer maximalen Messspannung von 600 V Über- spannungen bis zu 8000 V auftreten. Die Sicherheit des Benutzers ist nur dann garantiert, wenn das Messgerät für diese Überspannungen entwickelt und entsprechend zertifiziert wurde. Der Scope Rider beispielsweise ist für Spannungsmessungen bis 600 V in CAT-IV- beziehungsweise 1000 V in CAT-III-Umgebungen zertifiziert. Er ermöglicht somit die Überwachung der Netzqualität an allen Stellen der elektrischen Installation.

Entscheidend ist außerdem die galvanische Isolation der Eingangskanäle gegeneinander. Ein versehentliches Vertauschen von Masse- und Signalanschluss führt bei einem herkömmlichen Oszilloskop zum Kurzschluss mit möglicherweise verheerenden Konsequenzen. Die vollständig voneinander isolierten Eingangskanäle des R&S-Gerätes verhindern das und ermöglichen gleichzeitig eine differenzielle Messung. Teure Differenztastköpfe erübrigen sich und für die Messung an Leistungselektronik ist maximale Sicherheit gewährleistet.
Ein häufiges Problem in der elektrischen Installation sind Kontakte mit unzureichender Verbindung, welche zu sporadischen Unterbrechungen der Stromversorgungen führen. Diese können durch mechanische Vibrationen ausgelöst werden und so kurz sein, dass sie bei gewöhnlichen elektrischen Verbrauchern nicht auffallen, empfindliche elektronische Geräte aber in ihrer Funktion stören.

Vielfältige Triggerfunktionen ermöglichen es, gezielt solche Fehlerursachen aufzudecken und zu analysieren. Beispielsweise lassen sich kurze Unterbrechungen der Stromzufuhr einfach und effektiv mit dem Pulsbreitentrigger erfassen.

Messungen an Antrieben und ­Leistungselektronik

Häufig belasten Antriebe und Leistungselektronik die Versorgungsspannung in der Fertigung. So ist das Versorgungsnetz je nach Tageszeit und Maschinenlaufzeiten unterschiedlich ausgelastet. Um die Netzauslastung zu erfassen, berechnet das Oszilloskop aus dem gemessenen Strom- und Spannungsverlauf die Wirk-, Schein- und Blindleistung sowie den Leistungsfaktor. Der integrierte Datenlogger des Oszilloskops ermöglicht es zudem, einfach durch Wechsel in den Logger-Modus, die konfigurierten Messungen automatisch für bis zu 23 Tage aufzuzeichnen und auf diese Weise Langzeittrends zu analysieren.

Darüber hinaus ist das Spannungssignal hinter einem Antrieb oder einem Frequenzumrichter nicht mehr sinusförmig, sondern mit Oberschwingungen behaftet. Die Europäische Norm EN 50160 gibt dabei vor, in welchen Grenzen sich das Spannungssignal bewegen darf, um keine Fehlfunktionen zu verursachen. Auch das kann mit dem Handheld-Oszilloskop und der ‚Analysefunktion für Harmonische‘ schnell überprüft werden. Der Anwender kann damit an bis zu vier Kanälen parallel die Oberschwingungen bis zur 64. Ordnung analysieren. Das Gerät misst für jede erkannte Oberschwingung Pegel, Phase und Frequenz und ermittelt daraus den Effektivwert, Klirrfaktor (THDr) sowie die Total Harmonic Distortion (THDf). Auf diese Weise lassen sich auch problematische Phasenverschiebungen, welche zu signifikanten Nullleiterströmen führen können, einfach aufdecken. Das Oszilloskop zeigt die aktuell gemessenen Pegel aller angeschlossenen Kanäle an und – leicht abgedunkelt hinterlegt – den jeweiligen Maximalwert der Messung. Die Grenzwerte der EN 50160 stellt das Gerät für alle Pegel als blaue Linien dar. Tritt eine Grenzwertverletzung auf, bringt das Gerät eine Fehlermeldung. Die Analyse ist für Grundfrequenzen von 50, 60 sowie 400 Hz ausgelegt, kann aber auch für eine individuelle Grundfrequenz bis 1 kHz konfiguriert werden.

Analyse serieller Protokolle

Bei der Analyse serieller Protokolle – etwa um die Kommunikation zwischen einzelnen elektronischen Modulen zu überprüfen – helfen die Trigger-&-Decode-Funktionen weiter. Diese ermöglichen sowohl eine Analyse der digitalen Kommunikation als auch die gezielte Triggerung auf bestimmte Datenpakete. Dazu stehen verschiedene Software-Optionen für I²C, SPI, UART und CAN/LIN zur Verfügung, die der Anwender per Keycode aktivieren kann. Damit hat er dann zum Beispiel die Möglichkeit, zu prüfen, ob gesendete UART- oder CAN/LIN-Steuerbefehle von einer untersuchten Steuerungseinheit korrekt empfangen und verarbeitet werden. Er kann symbolische Labels in das Gerät einladen und damit die Auswahl der gesuchten Steuerbefehle über Klartext-Labels realisieren. Das macht die Arbeit mit dem Gerät besonders einfach.

Einfache Bedienung im Fokus

Im Service- und Wartungsalltag ist es entscheidend, Problemursachen schnell zu identifizieren und zu lösen. Jede zusätzliche Arbeitsstunde kostet Geld und kann durch den Stillstand der zu wartenden Systeme hohe Folgekosten verursachen. Geräte für den Service- und Wartungseinsatz müssen deshalb besonders einfach zu bedienen sein, langwierige Einarbeitungsphasen sind nicht möglich.

Aus diesem Grund wurde bei der Entwicklung des Handhelds ein besonders großes Augenmerk auf das Bedienkonzept gelegt. Mit einem Touchdisplay erfolgt die Bedienung ähnlich einfach wie bei einem Smartphone. Tiefe Menü-Ebenen wurden vermieden, die Einstellungen für die wichtigsten Gerätefunktionen lassen sich direkt über das Tastenfeld aufrufen. Das besonders großzügige Tasten-Layout erlaubt dabei auch die Bedienung mit Arbeitshandschuhen.

Für besonders unangenehme oder ­gefährliche Messeinsätze kann das Oszilloskop auch über das integrierte WLAN-Modul direkt aus dem Webbrowser eines Tablet-PCs oder eines Notebooks ferngesteuert werden. Die Bedienung des Oszilloskops erfolgt damit bequem und gefahrlos aus der ­Ferne.

Acht Geräte in einem Handheld-Oszilloskop

Automatische Messfunktionen berechnen Schein-, Wirk- und Blind­leistung wie auch den Leistungsfaktor aus dem ge­messenen Spannungs- ­(Kanal 1) und Stromverlauf (Kanal 2).

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Die Fehlerdiagnose im Feld erfordert oft sehr unterschiedliche Messfunktionen. Aus diesem Grund kann der Anwender neben der Oszilloskop-Funktion nach Bedarf sieben weitere Messinstrumente in einen Scope Rider integrieren:

• einen Logikanalysator mit acht digitalen Kanälen,
• einen Protokollanalysator mit Trigger- und Decodier-Funktion zur Fehlersuche in seriellen Protokollen,
• einen Datenlogger zur Langzeitüberwachung,
• ein digitales Voltmeter in der 4-Kanal-Ausführung oder ein digitales Multimeter im 2-Kanal-Gerät,
• einen harmonischen Analysator,
• einen Spektrumanalysator sowie
• einen hochgenauen Frequenzzähler.

Zwischen den verschiedenen Geräte- und weiteren Betriebsmodi wechselt der Nutzer über die blaue Mode-Taste. Das Gerät übernimmt die Setups automatisch beim Wechsel zwischen den Funktionen. Beispielsweise können automatische Messfunktionen im Oszilloskop-Modus aktiviert werden und mit dem Wechsel in den Datenlogger-­Modus übernimmt dieser die voreingestellten Messungen und startet die Daten­akquise.

Aufgrund der Funktionsvielfalt und seiner Leistung – es misst bis zu 50.000 Signalformen pro Sekunde und verfügt über einen 10-Bit-A/D-Wandler – eignet sich das tragbare Oszilloskop ebenso für den Laboreinsatz.

Den jeweiligen Mess­anforderungen angepasst

Anwender können den Scope Rider von R&S in potenziell gefährlicher Einsatzumgebung über WLAN direkt aus dem Webbrowser bedienen.

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Der Scope Rider ist sowohl als 2-Kanal- als auch 4-Kanal-Gerät, in fünf Bandbreitenvarianten von 60 bis 500 MHz erhältlich. Alle Geräte lassen sich ferner als Mixed-Signal-Oszilloskope mit zusätzlichen digitalen Eingängen konfigurieren. Zusatzoptionen kann der Anwender einfach per Keycode aktivieren. So erhält jeder ­Anwender ein auf seine Bedürfnisse ­zugeschnittenes Messgerät: ein Labormessgerät mit intuitivem Bedienkonzept, ausgelegt für den Einsatz in rauen Umgebungen.

Damit bietet der Scope Rider mehr als andere Handhelds im Markt, kostet aber nicht mehr als ­handelsübliche Handheld-Oszilloskope mit isolierten Eingängen.

Autor:
Dr. Markus Herdin ist Produktmanager für Oszilloskope bei Rohde & Schwarz in München.