Spannung in industriellen Steuerkreisen messen

Eine Spannungsmessung ist nur dann aussagekräftig, wenn der Ingenieur weiß, welche beiden Punkte verglichen werden, welcher Schaltungszustand erwartet wird und welche Grenzen das Messgerät hat. Ein Digitalmultimeter kann einen plausiblen Wert anzeigen, während der Stromkreis weiterhin eine Unterbrechung, eine schwache Verbindung, eine induzierte Spannung oder gefährlich gespeicherte Energie enthält.

Diese Methode für die Praxis behandelt Spannungsprüfungen als kontrollierten Diagnoseprozess. Sie gilt für industrielle Schaltschränke, 24-VDC-E/A, Schützschaltungen, Stromversorgungen und Hilfsschaltungen von Motorantrieben. Die Arbeiten müssen gemäß dem elektrischen Sicherheitsprogramm des Standorts und den Anweisungen für das Gerät durchgeführt werden.

Mit dem Schaltungszustand beginnen

Bevor Sie eine Prüfspitze berühren, legen Sie fest, ob der Stromkreis unter Spannung stehen sollte. Ermitteln Sie die Quelle, die Nennspannung, die Erdungsanordnung, das Schutzgerät, die Last und den erwarteten Strompfad. Ein Schaltplan ist hilfreich, aber auch die Verdrahtung vor Ort und kürzlich vorgenommene Änderungen müssen überprüft werden.

Spannung ist eine Differenz des elektrischen Potenzials zwischen zwei Punkten. Die Aussage „an diesem Anschluss liegen 24 Volt an“ ist unvollständig, solange der Bezugspunkt nicht bekannt ist. Derselbe Anschluss kann gegenüber dem DC-Bezug, dem Schutzleiter oder einem anderen Leiter unterschiedliche Messwerte liefern.

Nutzen Sie die Kollektion Stromversorgungs- und elektrische Komponenten, um zugehörige Netzteile, Leitungsschutzschalter, Relais und Schaltschrankkomponenten zu prüfen. Produktaufstellungen ersetzen weder den Maschinenplan noch das Handbuch des ausgewählten Geräts.

Ein Messgerät für die Installation auswählen

Vergewissern Sie sich, dass Messgerät, Messleitungen, Prüfspitzen und Zubehör für den Stromkreis und die Umgebung geeignet sind. Prüfen Sie die Isolierung, freiliegendes Metall, den Sitz der Steckverbinder, den Zustand der Sicherung und den Batteriestand. Eine beschädigte Messleitung kann ein ansonsten geeignetes Messgerät unbrauchbar machen.

Wählen Sie bewusst zwischen AC und DC. Die automatische Bereichswahl erleichtert die Auswahl des Messbereichs, kann aber nicht entscheiden, ob der Ingenieur eine stabile DC-Zwischenspannung, eine sinusförmige Versorgung, eine pulsweitenmodulierte Wellenform oder einen transienten Vorgang erwartet. Für manche Wellenformen sind ein True-RMS-Messgerät oder ein Oszilloskop mit geeigneter Isolierung und geeigneten Prüfspitzen erforderlich.

Verwenden Sie den Widerstands-, Durchgangs- oder Strommessmodus nicht an einer unter Spannung stehenden Spannungsquelle. Der Strommessmodus stellt über das Messgerät einen niederohmigen Pfad her. Dieser Fehler kann eine Sicherung auslösen, das Messgerät beschädigen oder einen Lichtbogen erzeugen.

Das Messgerät vorher und nachher prüfen

Überprüfen Sie das Messgerät vor der Messung an einer bekannten, unter Spannung stehenden Quelle. Prüfen Sie anschließend den Zielstromkreis und verifizieren Sie das Messgerät danach erneut. Diese Spannung-an – spannungslos – Spannung-an-Sequenz hilft, eine defekte Messleitung, die falsche Funktion, eine leere Batterie oder einen Gerätefehler zu erkennen.

Eine Anzeige von null ist allein kein Beweis dafür, dass der Stromkreis spannungsfrei ist. Die Prüfspitzen können an den falschen Punkten anliegen, der Bezug kann frei schweben oder der Leiter kann weiter upstream unterbrochen sein. Die Prüfung auf Spannungsfreiheit muss von qualifizierten Personen gemäß dem vorgeschriebenen Verfahren und mit der erforderlichen Schutzausrüstung durchgeführt werden.

Über den erwarteten Strompfad messen

Bei einer 24-VDC-Last messen Sie zunächst die Versorgung direkt zwischen Plus und Bezug. Messen Sie anschließend bei eingeschalteter Last über der Last. Prüfen Sie schließlich jede Seite der Last gegen denselben Bezug. Diese Messungen unterscheiden zwischen einem Versorgungsausfall, einem Schaltverlust, einer Unterbrechung der Verdrahtung und Lastproblemen.

Ein gesunder, geschlossener Kontakt sollte unter Last nur eine geringe Spannung über sich aufweisen. Ein großer Spannungsabfall über einem geschlossenen Kontakt weist auf einen Widerstand am Kontakt, Anschluss, Sicherungshalter oder Leiter hin. Über einem geöffneten Kontakt kann nahezu die gesamte Versorgungsspannung anliegen.

Eine Spannungsabfallprüfung ist am aussagekräftigsten, wenn Strom fließt. Ein unbelasteter Stromkreis kann durch Korrosion oder eine hochohmige Verbindung die Nennspannung anzeigen. Die Spannung bricht erst zusammen, wenn die Last Strom anfordert.

Geisterspannungen und gekoppelte Spannungen erkennen

Hochohmige Messgeräte ziehen nur sehr wenig Strom. Das ist für die meisten elektronischen Schaltungen nützlich, kann aber an einem getrennten Leiter eine kapazitiv gekoppelte Spannung anzeigen. Lange parallel verlaufende Kabel, Ausgangsleitungen von Frequenzumrichtern und benachbarte AC-Leiter verstärken diesen Effekt.

Eine niederohmige Messfunktion kann dabei helfen, eine gekoppelte Spannung von einer Quelle zu unterscheiden, die Strom liefern kann, sofern Messgerät und Verfahren dies zulassen. Improvisieren Sie niemals eine Prüflast. Der Stromkreis kann tatsächlich unter Spannung stehen, und eine ungeeignete Last kann eine Gefahr darstellen.

Vergleichen Sie den Messwert mit der Verdrahtungstopologie. Eine stabile Spannung, die bei einer zugelassenen niederohmigen Prüfung verschwindet, deutet auf eine Kopplung hin. Eine Spannung, die bestehen bleibt und Strom liefert, muss als reale Quelle oder Rückspeisung untersucht werden.

Die Belastung durch das Messgerät berücksichtigen

Ein Spannungsmesser ist elektrisch nicht unsichtbar. Seine Eingangsimpedanz bildet einen parallelen Pfad zum Stromkreis. In niederohmigen Leistungs- und Steuerschaltungen ist der Effekt normalerweise gering. In hochohmigen Sensornetzwerken, Leckageerkennungsschaltungen und elektronischen Eingängen kann das Messgerät die gemessene Spannung verändern.

Notieren Sie bei der Diagnose empfindlicher Knoten die Eingangsimpedanz des Messgeräts. Vergleichen Sie die Messungen mit den Gerätespezifikationen und ziehen Sie für Stromkreise außerhalb des Bereichs eines Allzweck-Multimeters ein geeignetes Oszilloskop oder Elektrometer in Betracht.

Gespeicherte Energie erfordert eine eigene Prüfung

Kondensatoren in Antrieben, Stromversorgungen und Filtern können auch nach dem Abschalten der Eingangsspannung geladen bleiben. Befolgen Sie die vom Hersteller angegebene Entladezeit und die vorgesehenen Prüfpunkte. Gehen Sie nicht davon aus, dass ein dunkles Display bedeutet, dass die DC-Zwischenspannung sicher ist.

Messen Sie an den vorgesehenen Anschlüssen mit einem Messgerät, das für die mögliche Spannung zugelassen ist. Warten Sie die angegebene Entladezeit ab und prüfen Sie erneut. Schließen Sie einen Kondensator niemals mit einem Werkzeug kurz und installieren Sie keinen improvisierten Widerstand über einer unbekannten Energiespeicherung.

Zugehörige Antriebskomponenten können in der Kollektion Antriebe und Bewegungssteuerung geprüft werden. Für Entladung, Prüfpunkte und Einschränkungen bei Wartungsarbeiten bleibt das aktuelle Handbuch des Antriebs maßgeblich.

Einen wiederholbaren Diagnoseablauf entwickeln

Beginnen Sie an einer bekannten Quelle und arbeiten Sie sich zur Last vor. Behalten Sie nach Möglichkeit einen Bezugspunkt bei. Dokumentieren Sie den Maschinenzustand, den Befehlszustand, den Messwert, den Messbereich und die Prüfpunkte. Das Wechseln von Bezugspunkten ohne Dokumentation führt zu irreführenden Vergleichen.

Bei sporadischen Fehlern messen Sie während des Ereignisses. Zeichnen Sie einen analogen SPS-Wert erst dann als Trend auf, wenn bestätigt ist, dass das Feldsignal und der Eingangskanal denselben Zustand abbilden. Ein Handmessgerät kann einen kurzen Ausfall übersehen, weil seine Anzeige langsam aktualisiert wird.

Verwenden Sie die Min.-/Max.-Erfassung oder einen korrekt konfigurierten Datenrekorder, wenn die Ereignisdauer zum Messgerät passt. Verwenden Sie für schnellere transiente Vorgänge ein Oszilloskop. Wählen Sie differentielle oder isolierte Messverfahren, wenn Fehler bei der Bezugserde einen Kurzschluss verursachen könnten.

Den Messwert interpretieren, nicht nur die Zahl

Eine gute Diagnose vergleicht die gemessene Spannung mit dem beabsichtigten Verhalten des Stromkreises. Die Nennspannung an einem unbelasteten Anschluss beweist keine nutzbare Leistung. Null Volt beweist nicht, dass Sicherheit besteht. Die Hälfte der erwarteten Spannung kann durch einen Spannungsteiler, Leckage, einen frei schwebenden Bezug oder die Belastung durch das Messgerät entstehen.

Die belastbarste Schlussfolgerung ergibt sich aus mehreren übereinstimmenden Messungen: Quellenspannung, Spannung über der Last, Spannungsabfall über Leitern und Kontakten sowie das Verhalten unter Last. Das Handbuch Electrical Science des U.S. Department of Energy bietet Hintergrundinformationen zu Wechselstromtheorie, Induktivität, Motoren und Messgeräten.

Eine gute Spannungsprüfung ist daher ein Denkprozess. Definieren Sie den Bezug, kontrollieren Sie den Schaltungszustand, prüfen Sie das Messgerät, messen Sie unter der richtigen Last und verknüpfen Sie jeden Messwert mit einem physikalischen Strompfad.