Mögliche Fehlerquellen im Messaufbau

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Fehlerquellen im Messaufbau
Mögliche Fehlerquellen im Messaufbau
Messungen mit Frontends von HEAD acoustics sind einfach und zusammen mit unseren Software-Produkten benutzerfreundlich durchzuführen. Um die Frontends nicht zu beschädigen,
muss dennoch beim Versuchsaufbau einiges beachtet werden.
Im Folgenden werden einige typische Fehlerquellen aufgezeigt, die unter gewissen Umständen
bei Messungen mit Frontends ohne galvanische Trennung der Aufnahme-Kanäle zu Problemen
führen können.
Grundsätzlich kommen die beschriebenen Probleme, besonders bei der Verwendung von Standard-Aufnehmern wie Mikrofonen, nahezu nicht vor. Besondere Aufmerksamkeit ist jedoch geboten, sobald im Messaufbau das Frontend und das Messobjekt elektrisch miteinander verbunden sind.
Masseschleifen
In Abbildung 1 ist das Auftreten von Masseschleifen skizziert. Im Bild links ist das Frontend dargestellt und rechts ein Messobjekt, das die aufzunehmenden Signale erzeugt. Diese Signale sind
an zwei der analogen Messkanäle des Frontends angeschlossen. Die Signalmassen der beiden
Signale werden im Frontend über eine Schutzmasse kurzgeschlossen. Ist diese Schleife mit einem
Wechselfeld durchsetzt (z.B. 50-Hz-Netzbrummen), wird eine Störspannung erzeugt. Diese verschlechtert das Verhältnis zwischen Nutzsignal und Rauschanteil und führt so zu einer Verschlechterung der Aufnahmequalität. In den meisten Fällen kann eine Masseschleife durch eine
geeignete Platzierung des Aufnahme-Equipments oder durch die Verringerung des Querschnitts
der Masseschleife vermieden werden.
Abbildung 1: Auftreten von Masseschleifen in einem Messaufbau
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Potentialdifferenz der unterschiedlichen Erdungen
In Abbildung 2 ist das Auftreten einer Potenzialdifferenz zwischen der Erdung des Computers
und der Signalmasse schematisch dargestellt. In der Abbildung ist das Frontend in der Mitte
skizziert und über USB an einen Desktop-PC (links im Bild) angeschlossen. Die USB-Buchse ist
mit dem Gehäuse des Computers verbunden und so über den Netzstecker geerdet. Im gezeigten
Anwendungsbeispiel wird an einen analogen Kanal des Frontends ein Signal angeschlossen,
dessen Erdung eine Potenzialdifferenz von 20 V (rechts im Bild) zu der des Computers aufweist.
Das eigentliche Messsignal, das im gezeigten Beispiel 50 mV AC beträgt, liegt im für das Frontend zulässigen Bereich. Da aber im Frontend die Masse des Signals und die Masse des Computers über eine Schutzerdung kurzgeschlossen werden, beschädigt die Differenz von 20 V AC oder DC zwischen den Erdungen das Frontend.
Abbildung 2: Potenzialdifferenz zwischen unterschiedlichen Erdungen
Um dieses Problem zu umgehen, muss der Nutzer dafür sorgen, dass neben der Signalmasse
keine weitere Masseverbindung an das Frontend angeschlossen werden. In Abbildung 3 ist ein
Beispiel dargestellt, wie dies gewährleistet werden kann.
Das verwendete Notebook zur Aufzeichnung der Signale wird über einen Akku betrieben und ist
nicht geerdet. Auf diese Weise besteht keine Potenzialdifferenz über die Schutzerdung und die
Messung kann ohne Gefährdung des Geräts durchgeführt werden. Dies gilt aber nur solange
keine weitere Masseverbindung mit einer Potenzialdifferenz (z.B. über die anderen analogen
oder digitalen Kanäle des Frontends) vorhanden ist.
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Abbildung 3: Möglichkeit zur Vermeidung der in Abbildung 3 gezeigten Potenzialdifferenzen
Potenzialdifferenz zwischen den Signalmassen
Eine hohe Potenzialdifferenz zwischen den Signalmassen der angeschlossenen Messkanäle gefährdet sowohl das Frontend als auch das Messobjekt, das die Signale erzeugt. In Abbildung 4
ist ein solcher Fall schematisch dargestellt.
Abbildung 4: große Potenzialdifferenz zwischen den Signalmassen
Im Frontend (links im Bild) werden die Massen, der an die anlogen Kanälen angeschlossenen
Signale, über eine Schutzmasse im Frontend kurzgeschlossen. Die in diesem Beispiel angenommene Differenz von 20 V ist zu hoch, so dass sowohl das Frontend als auch das Messobjekt
dauerhaft geschädigt werden können.
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Spannungsspitzen durch die Überlagerung eines Wechselspannungssignals mit
einer Gleichspannung
Durch die Überlagerung eines Wechselspannungssignals mit einer Gleichspannung können
Spannungsspitzen auftreten, die das Frontend beschädigen. In Abbildung 5 ist ein solches Beispiel dargestellt.
In dem Beispiel wird ein Frontend verwendet, das für eine maximale Eingangsspannung von 18V
ausgelegt ist (wie z.B. ein SQuadriga). Prinzipiell kann ein Wechselspannungssignal mit einer
Amplitude von 8 VSpitze-Spitze mit einem solchen Frontend aufgezeichnet werden. Eine Spannungsamplitude dieser Größenordnung fällt in den für dieses Frontend akzeptablen Bereich. Ein
Gleichspannungssignal von 16 V wiederum kann zwar nicht mit jedem Frontend aufgezeichnet
werden, beschädigt es aber auch nicht.
Bei der Überlagerung dieser beiden Signale werden jedoch Spitzenwerte von 20 V erreicht. Dies
überschreitet die maximal erlaubte Eingangsspannung von 18 V. Eine Überschreitung der zulässigen Eingangsspannung kann z.B. bewirken, dass die eingebauten Varistoren (spannungsabhängige Widerstände) leiten. Dies führt zunächst nur zu Störgeräuschen („Prasseln“) in der Aufnahme. Bei dauerhafter Überschreitung des Grenzwertes werden die Varistoren allerdings zerstört.
Abbildung 5: Wechselstromsignal mit hohem Gleichanteil überlagert
Allgemeiner Hinweis
Die hier beschriebenen Fehlerquellen treten bei normaler Nutzung eines Frontends zusammen
mit Mikrofonen und Beschleunigungsaufnehmern nicht bzw. nur sehr selten auf. Grundsätzlich
kann es aber sinnvoll sein, sich vor den Messungen zu vergewissern (z.B. mit einem Multimeter),
dass keine Potenzialdifferenzen im Messaufbau vorliegen. Dies schützt das Mess-Equipment
ebenso wie die zu messenden Objekte. Dabei ist zu beachten, dass ein Multimeter in den meisten Fällen Effektiv-Werte anzeigt und nicht die Spitzen-Werte. Der Effektiv-Wert und der SpitzenWert unterscheiden sich bei Sinusförmigen Signalen um den Faktor 2 .
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