Einrichtung eines Kalibrierlabors: Bewährte Verfahren für Verkabelung und Prüfleitungen

Ein effektives Kabelmanagement spielt eine entscheidende Rolle in der Kalibrierlaborumgebung. Kabel und Leitungen, die nicht korrekt gehandhabt oder gewartet werden, können Messunsicherheiten einführen, die Messergebnisse beeinflussen und letztlich die Kalibriergenauigkeit beeinträchtigen.

Ein fehlerhaftes Management von Prüfleitungen und Kabeln ist eine Hauptursache für Messfehler in Laboratorien. Die Implementierung bewährter Verfahren für das Kabelmanagement in einem Kalibrierlabor trägt dazu bei, diese Fehler zu eliminieren. Dieser Artikel behandelt den Zusammenhang zwischen Kabeln und Prüfleitungen und der Kalibrierung, erläutert deren Auswahl und beschreibt bewährte Wartungsverfahren.

Die Rolle von Verkabelung und Prüfleitungen in der Kalibrierung

Prüfleitungen und Kabel dienen als elektrische Verbindung zwischen dem Kalibrator und dem Prüfling (UUT). Obwohl Kabel und Leitungen in einem Kalibrierlabor nicht als elektrische Messgeräte im herkömmlichen Sinne gelten, können sie Variable wie Widerstand, Induktivität, Kapazität und dielektrische Absorption einführen. Diese Parameter können Messungen maßgeblich beeinflussen. Zudem können elektromagnetische Störfelder (EMF) Messergebnisse beeinträchtigen, wenn das Kabel nicht ausreichend geschirmt ist.

Die Auswahl der richtigen Prüfleitungen und Kabel, die Wahl geeigneter Steckverbinder und ein effektives Kabelmanagement sind für eine präzise Kalibrierung unerlässlich. Die Investition in die korrekten Kabel und Steckverbinder kann den Zeitaufwand für die Fehlersuche bei Messungen erheblich reduzieren.

Auswahl der richtigen Kabel und Prüfleitungen

In der Präzisionsmesstechnik ist es wichtig, möglichst einfache Verbindungen herzustellen und dabei Steckverbinder, Adapter oder Leitungen aus gleichen Materialien zu verwenden. Bei der Auswahl von Kabeln und Prüfleitungen für Ihr Kalibrierlabor sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Die folgenden Abschnitte behandeln diese Faktoren.

1. Steckverbindermaterial auswählen

Der wichtigste Aspekt bei der Auswahl eines Steckverbinders ist sein Metalltyp. Stellen Sie sicher, dass der Steckverbinder dasselbe Metall wie Ihr Kabel verwendet. Die Verwendung unterschiedlicher Metalle kann Probleme wie thermische Spannungen verursachen, insbesondere bei Gleichspannungsmessungen (DC (⎓)) mit geringem Pegel. Dieses Phänomen ist als Seebeck-Effekt bekannt.

Wählen Sie nach Möglichkeit Steckverbinder und Kabel aus reinem Kupfer, um Unsicherheiten durch thermische Effekte zu reduzieren. Um eine optimale Leistung zu erzielen, verwenden Sie wärmearme Tellur-Kupfer- oder vergoldete Steckverbinder und vermeiden Sie eine Vernickelung.

2. Prüfleitungen und Kabel auswählen

In der Messtechnik werden viele Arten von Leitungen und Kabeln verwendet, aber die drei gebräuchlichsten sind Patchkabel, Prüfspitzen und Koaxialkabel. Die folgenden Abschnitte beschreiben jeden Typ, um Ihnen bei der Auswahl des am besten geeigneten Kabels für Ihr Kalibrierlabor zu helfen.

Patchkabel

Patchkabel eignen sich am besten für Verbindungen von einem Kalibrator zu einem Digitalmultimeter (DMM), von einem Kalibrator zu einem Prüfling (UUT) sowie für Transfermessungen. Sie verfügen typischerweise über denselben Steckverbindertyp, oft einen Bananenstecker, an jedem Ende. Diese Kabel sind leicht erhältlich, und mehrere Einheiten können gestapelt werden, um bei Bedarf mehrere Verbindungen zu ermöglichen.

Typischerweise verfügen preiswerte Sätze nicht über eine Abschirmung, was sie für einige Präzisionsmessungen ungeeignet macht. Zudem können sich die Metalleinsätze in Bananensteckern im Laufe der Zeit lockern, was zu Messfehlern führen kann.

Prüfspitzen

Prüfspitzen ermöglichen direkte, präzise Messungen, wenn sie auf einer Leiterplatte oder einem anderen Stromkreis platziert werden. Sie enthalten oft Zubehör wie Krokodilklemmen. Dieses Zubehör bietet zusätzliche Anschlussmöglichkeiten und erleichtert Verbindungen zu schwer zugänglichen Bereichen eines Prüfgeräts.

Allerdings bieten nicht alle Prüfspitzen die gleiche Qualität. Hochwertigere Prüfspitzen umfassen oft Sicherheitsmerkmale wie versenkbare Schirme und kompatible Clip-Zubehörteile, die ihre Zuverlässigkeit verbessern.

Koaxialkabel

Koaxialkabel sind einfach anzuschließen und zu handhaben und bieten typischerweise eine effektive Abschirmung, die Messfehler reduzieren kann. Sie sind mit verschiedenen Steckverbindern wie N-Stecker, BNC oder SMA erhältlich. Koaxialkabel sind eine geeignete Option, wenn der Prüfling (UUT) über einen Koaxialstecker verfügt. Ein Adapter kann auch verwendet werden, um Koaxialkabel mit Bananenbuchsen zu verbinden.

Die meisten Koaxialkabel verwenden ein feindrähtiges Geflecht als Außenleiter, das eine Schirmungsabdeckung zwischen 80 % und 98 % bietet. Einige Kabel verwenden eine Folienabschirmung anstelle eines Geflechts, um eine 100 %ige Abdeckung zu erreichen, sind aber typischerweise teurer und anfälliger für Beschädigungen.

Trotz ihrer hohen Abdeckung und einfachen Handhabung können Koaxialkabel auch eine hohe Kapazität aufweisen, was die Signalqualität mindern kann. Einige Kabel haben einen spezifizierten Biegeradius, und dessen Einhaltung ist entscheidend, um eine Beschädigung der Abschirmung zu vermeiden.

3. Korrekten Schirmungsgrad auswählen

Verschiedene Arten von Verkabelungen und Kabeln können dazu beitragen, den Empfang unerwünschter Signale in einem Stromkreis zu verhindern. Obwohl es keine einzig richtige oder falsche Abschirmungsart gibt, bieten verschiedene Abschirmungsarten je nach Situation unterschiedliche Vorteile. Bei der Auswahl eines Schirmungstyps sollten die Anforderungen der Anwendung und deren Wirksamkeit sowohl gegen elektrostatische als auch magnetische Störungen berücksichtigt werden.

Bewährte Verfahren für Kabel- und Leitungs-Wartung in Ihrem Kalibrierlabor

Vor Beginn jeglicher Kalibrierarbeiten ist es wichtig, die Kabelkonfiguration als integralen Bestandteil der gesamten Kalibrierlaborumgebung zu betrachten. Berücksichtigen Sie die folgenden Punkte:

• Sicherheit: Alle Leitungen und Kabel müssen für die jeweilige Anwendung die korrekte Spannungs- oder Strombelastbarkeit aufweisen.
• Kategoriebewertungen: Prüfleitungen haben eine Kategoriebewertung von Kategorie I bis Kategorie IV. Verwenden Sie Leitungen mit der passenden Bewertung.
• Präzision: Der Unterschied in der Messpräzision zwischen einem 3,5-stelligen und einem 8,5-stelligen Multimeter ist signifikant, und die Anforderungen an die Verkabelung variieren entsprechend.
• Umgebungsfaktoren: Beurteilen Sie die Umgebung, in der die Leitungen eingesetzt werden. Stellen Sie fest, ob die Umgebung kontrolliert ist und identifizieren Sie externe Einflüsse, wie z.B. magnetische oder elektrostatische Felder, die die Messunsicherheit beeinflussen könnten.

Steckverbinderpflege und -reinigung

Die Pflege und Sauberkeit von Steckverbindern in gutem Zustand ist für präzise Messungen unerlässlich und besonders wichtig bei Hochfrequenz-(HF)- oder Mikrowellenmessungen.

Reinigen Sie die Innenseite der Steckverbinder, um Schmutz und Ablagerungen zu entfernen. Isopropylalkohol (auch als Isopropanol bekannt) ist zur Entfernung von Staub oder Verunreinigungen geeignet. Druckluft aus einer Aerosoldose kann ebenfalls verwendet werden; vermeiden Sie jedoch die Verwendung von Werkstatt-Druckluft, da diese durch Kompressoröl verunreinigt sein kann.

Minimierung des Temperatureinflusses

Obwohl die Verwendung unterschiedlicher Metalle thermoelektrische EMK (elektromotorische Kraft) verursachen kann, können auch Temperaturunterschiede zwischen Leitungen und dem Prüfling (UUT) zu thermoelektrischer EMK führen. Um dies zu vermeiden, sollten Messungen erst durchgeführt werden, wenn alle Geräte und Kabel die Umgebungstemperatur erreicht haben.

Schützen Sie den Messbereich zusätzlich vor Zugluft, indem Sie Verbindungsstellen und Anschlüsse mit thermischem Isoliermaterial abdecken. Vermeiden Sie außerdem das Anfassen von Kabeln in der Nähe der Verbindungsstellen beim Wechseln von Anschlüssen.

Reduzierung elektromagnetischer oder statischer Strahlung

Strahlung entsteht typischerweise aus Quellen in der Umgebung, die sich außerhalb des Messaufbaus befinden. Dazu gehören elektrisches Rauschen von Stromleitungen oder anderen Geräten wie Motoren, Lüftern oder Klimaanlagen. Kommunikationsgeräte wie Wi-Fi-Zugangspunkte und selbst Mobiltelefone im Labor können hochpegelige Signale in der Nähe der Instrumentierung erzeugen, was selbst bei niederfrequenten Gleichspannungsmessungen (DC (⎓)) zu Problemen führen kann.

Abschirmung kann diese Effekte mildern und die Strahlung aus der Umgebung oder von Geräten reduzieren. Die meisten gut konstruierten Messgeräte verfügen über eine entsprechende interne Abschirmung; bei kostengünstigeren Modellen ist dies jedoch möglicherweise nicht der Fall. Die Verwendung geschirmter Leitungen kann ebenfalls dazu beitragen, Strahlung zu verhindern und die Messgenauigkeit zu verbessern.

Während die Abschirmung bei Messproblemen, die durch Strahlung oder elektromagnetische Interferenzen verursacht werden, helfen kann, sind das Bewusstsein und der sorgfältige Umgang mit der Umgebung und den Geräten gleichermaßen entscheidend.

• Stellen Sie sicher, dass alle Netzleitungen im Labor durch ein geerdetes Metallrohr geführt werden.
• Schirmen Sie primäre Stromkreise mit einem Schutzleiteranschluss ab, digitale Schaltkreise mit der digitalen Versorgungsmasse und verwenden Sie lokale Abschirmungen, wie einen Faradayschen Käfig, für empfindliche Analogschaltungen.
• Stellen Sie sicher, dass Leuchtstoffröhren und LED-Beleuchtungen geerdete Metallgehäuse zur Reduzierung von Interferenzen aufweisen.
• Vermeiden Sie es, unnötige Geräte während empfindlicher Messungen in der Nähe zu platzieren.

Um Störungen schnell zu überprüfen, führen Sie niederpegelige Wechselstrommessungen (AC (∿)), z. B. Millivoltmessungen, durch. Wenn Sie unerwartet hohe Ergebnisse feststellen, ist möglicherweise eine Störung vorhanden. Versuchen Sie, nahegelegene Geräte auszuschalten, um festzustellen, ob sich die Ergebnisse verbessern. Dies kann die Quelle der Störung anzeigen.

Magnetische Kopplungen und Schleifen

Große Schleifen in der Verkabelung sind anfälliger für die Aufnahme von Interferenzen als enge Schleifen. Das Zusammenhalten von Leitungen minimiert die Spannungsdifferenz und reduziert die Wahrscheinlichkeit, Interferenzen aufzunehmen. Koaxialkabel sind besonders effektiv, da ihre konzentrisch angeordneten stromführenden Leiter elektrische und magnetische Felder aufheben.

Ein Magnetfeld muss eine Schleife senkrecht durchdringen, um Strom zu induzieren. Daher kann die Anordnung von Leitungen im rechten Winkel zum Magnetfeld Interferenzen minimieren. Verdrillte Paare (Twisted Pairs) helfen ebenfalls, die Schleifenfläche zu reduzieren und sind besonders vorteilhaft bei der Arbeit mit hohen Strömen. Das Anbringen einer Abschirmung um die Leitungen oder das Entfernen von potenziellen Störquellen kann ebenfalls dazu beitragen, den Einfluss des Magnetfeldes zu reduzieren.

Platzierung oder Stapelung von Messgeräten

Die Platzierung von Messgeräten, z. B. durch Stapelung, kann ebenfalls die Messergebnisse beeinflussen. Beispielsweise kann ein Gerät, wie ein Netztrafo, Magnetfelder mit einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz abstrahlen. Diese Felder können sich durch das Gerätegehäuse ausbreiten und ein anderes Gerät beeinflussen.

Sollten ungewöhnliche Messwerte auftreten, ordnen Sie den Aufbau neu an, um Verbesserungen zu erzielen.

Erdung

Masseschleifen, die durch eine fehlerhafte oder nicht übereinstimmende Erdung entstehen, können Messfehler verursachen. Eine solche Konfiguration kann dazu führen, dass Signalströme durch die Schutzleiter-Masseschleife fließen.

Um das Risiko von Masseschleifen zu reduzieren, beachten Sie Folgendes:

• Schließen Sie die Netzversorgung des Kalibrators und des Prüflings (UUT) an dieselbe Steckdose an.
• Schließen Sie, wenn möglich, Geräte, die signifikante Ströme über den Schutzleiteranschluss einführen, an einen anderen Stromkreis an.
• Halten Sie Systemverbindungen so kurz wie möglich und verwenden Sie Kabel mit geringem Widerstand, um ohmsche und reaktive Impedanzeffekte zu reduzieren. Koaxialkabel sind ideal, insbesondere für HF-Signale.
• Betreiben Sie niemals Geräte, wenn der Schutzkontaktstecker entfernt oder mit einem „Schuko-Adapter“ überbrückt wurde. Dies hebt den Schutz vor elektrischem Schlag auf.

Geräteabschirmung

Die Abschirmung eines Instruments mit einem Faradayschen Käfig hilft empfindlichen Messschaltungen, Problemen durch elektrostatische oder elektrische Feldkopplung vorzubeugen. Materialien wie Mu-Metall können auch eine Abschirmung gegen magnetische Effekte bieten.

Welche Fluke Kabel- oder Prüfleitungen sind am besten für Ihr Kalibrierlabor geeignet?

Die optimalen Kabel- und Prüfleitungen hängen von der Art der im Labor durchgeführten Messungen ab.

Beste Kabel für Gleichspannungsmessungen

Anwendungen mit geringem Widerstand: Verwenden Sie für optimale Leistung Kabel mit niedriger Spannung und geringer EMK. Thermische Effekte, die durch unterschiedliche Metalle entstehen, beeinflussen Gleichspannungsmessungen leichter. Für diese Anwendungen sollten Kupferdrähte oder Kabelschuhe, die sicher an den Anschlussklemmen befestigt sind, anstelle von Bananenbuchsen verwendet werden.

Anwendungen mit hohem Widerstand: Für hochohmige Anwendungen verwenden Sie Kabel mit sehr hohem Isolationswiderstand und hochwertige Bananenstecker-Kabel. Eine Polytetrafluorethylen (PTFE)-Beschichtung ist typischerweise die beste Isolationsoption.

Beste Kabel für Wechselspannungsmessungen

Die Kabelkapazität hat einen größeren Einfluss auf Wechselstrommessungen (AC (∿)); daher ist es wichtig, ein Kabel mit der geringstmöglichen Kapazität zu wählen. Ein hochwertiges, geschirmtes, isoliertes Twisted-Pair-Kabel mit einer Kapazität unter 20 Pikofarad pro Fuß (20 pF/ft) ist effektiv, um die Kapazität zu minimieren und elektromagnetische Felder (EMF) daran zu hindern, die Messung zu beeinflussen.

Verwenden Sie Koaxialkabel nur in Situationen mit moderater Genauigkeit, da diese eine hohe Kapazität aufweisen.

Fazit

Das Verständnis der Faktoren, die Prüfleitungen und Steckverbinder in die Genauigkeit von Messungen und Kalibrierprozessen einbringen können, ist entscheidend. Die Minderung dieser Faktoren durch sorgfältige Kabelauswahl und -management trägt zu einer präziseren Kalibrierung bei und vermeidet viele potenzielle Messprobleme.