Deutsch

Multimeter-Ergänzungen, Teil 4: Fehlersuche bei einem Näherungsschalter mit einem Multimeter und einem Oszilloskop

Die Digitalmultimeter gehört zur Grundausrüstung bei der Fehlersuche in der Elektrik und ist das Messgerät, auf das wir alle zuerst zurückgreifen. In "Multimeter-Ergänzungen" untersuchen wir fünf Beispiele, bei denen ein zusätzliches Oszilloskop eine Fehlersuche schneller, einfacher und effektiver gestalten kann.

Optischer Näherungsschalter bei einem Förderbandsystem
Abbildung 1. Optischer Näherungsschalter bei einem Förderbandsystem.

In Teil 4 wird die Fehlersuche bei unregelmäßigem Betrieb eines Förderbandsystems mit einem Digitalmultimeter und Oszilloskop beschrieben. Mit steigender Prozessgeschwindigkeit gewinnen Timing und Signalwechsel im Hinblick auf störungsfreien Betrieb immer stärkere Bedeutung. Hierdurch wird die Gewährleistung ordnungsgemäß funktionierender Schalter zur Priorität.

Näherungsschalter

Näherungsschalter (siehe Abbildung 1) in Fabriken und verfahrenstechnischen Anlagen kontrollieren die Position und den Fluss der Waren durch den Herstellungsprozess.

Es existieren drei Arten von Näherungsschaltern:

  • Optische Schalter – werden aktiviert, wenn ein Objekt einen Lichtstrahl unterbricht
  • Magnetschalter – verwenden ein Magnetfeld, um Kontakte herzustellen oder zu unterbrechen
  • Mechanische Schalter – werden durch physischen Kontakt mit einem Objekt aktiviert

Mechanische Schalterkontakte nutzen sich mit der Zeit ab. Sie sind mechanischem Verschleiß ausgesetzt und Lichtbogenüberschlag kann zu Lochfraß an den Kontaktflächen führen. Diese Probleme verschlimmern sich nach und nach und führen schließlich zum vollständigen Ausfall des Schalters. Die Fehlersuche bei einem mechanischen Schalter, der vollständig ausgefallen ist – ein "schwerer Fehler" – kann in der Regel durch eine Sichtprüfung oder durch einfache Messverfahren mit einem Digitalmultimeter ermittelt werden. Das Kopfzerbrechen beginnt bei graduellen oder intermittierenden Schalterausfällen.

Ein Multimeter mit der Anzeige von Steuerimpulsspannungen in den Stellungen 'on' (Ein) und 'off' (Aus)
Abbildung 2. Ein Multimeter mit der Anzeige von Steuerimpulsspannungen in den Stellungen "on" (Ein) und "off" (Aus).

Fehlersuche mit dem Digitalmultimeter

In diesem Beispiel verursacht ein sich verschlechternder mechanischer Näherungsschalter unregelmäßigen Betrieb bei einem Förderbandsystem.

Wenn ein Multimeter an den Ausgang der Förderbandsteuerung angeschlossen ist (die vom Näherungsschalter gespeist wird), verdeutlichen die Werte für "Voltage Peak Max" (Spannungsspitze Max) und "Voltage Peak Min" (Spannungsspitze Min), dass der Schalter ordnungsgemäß ein- und ausschaltet (siehe Abbildung 2).

Ein Digitalmultimeter mit Frequenzmessung kann außerdem die Geschwindigkeit wiedergeben, mit der der Schalter seinen Zustand ändert (siehe Abbildung 3).

Multimeter mit der Anzeige von Steuerimpulsfrequenz
Abbildung 3. Multimeter mit der Anzeige von Steuerimpulsfrequenz.

Keine dieser Informationen unterstützt jedoch die Problemdiagnose.

An diesem Punkt könnten wir das Steuermodul austauschen und hoffen, dass das Problem gelöst ist oder wir können versuchen, die Ursache zu ermitteln.

Fehlersuche mit einem Oszilloskop

Mit einem modernen Digitaloszilloskop erhalten Sie viele der Informationen, die Sie auch von einem Digitalmultimeter bekommen, inklusive der obigen Werte für Impulsspannung und Frequenz. Mit einem Oszilloskop können Sie jedoch die Signalinformationen auch visuell analysieren. Auf diese Weise können Sie das Timing für den Schalterstatus "Ein/Aus" erkennen und die zeitliche Verknüpfung zwischen Quell- und Ausgangssignal (der Schalter und Steuerungsausgang im Ausschnitt des folgenden Beispiels).

Oszilloskop mit der Darstellung der Ausgangsimpulse eines Steuermoduls
Abbildung 4. Oszilloskop mit der Darstellung der Ausgangsimpulse des Steuermoduls.
Oszilloskop mit der Darstellung eines Näherungsschaltersignals und der resultierenden Steuermodul-Ausgangsimpulse
Abbildung 5. Oszilloskop mit der Darstellung der Steuermodul-Ausgangsimpulse (obere Kurve) und dem Signal des Näherungsschalters (untere Kurve).
Das
Abbildung 6. "Einzoomen" auf eine Signalform durch Erhöhung der Oszilloskop-Durchlaufgeschwindigkeit. "Kontaktprellen" des Schalters in der unteren Kurve führt zur Ausgangsinstabilität (obere Kurve).

Wenn das Oszilloskop am Ausgang des Steuermoduls angeschlossen ist, sind keine Anomalien der Steuermodul-Ausgangsimpulse erkennbar. Die Impulssignale sind gut ausgeprägt und frei von elektrischem "Rauschen". (Abbildung 4)

Was passiert mit dem Timing? Als nächstes wird das Oszilloskop angeschlossen, damit die Näherungsschaltersignale am ersten Kanal und der Ausgangsimpuls des Steuermoduls am zweiten Kanal erfasst werden können (Abbildung 5). Bei der Ergebnisanalyse wird sofort deutlich, dass etwas nicht stimmt. Die untere Kurve (der Ausgang vom Näherungsschalter) ist hinsichtlich der oberen Kurve (der Steuermodulausgang) instabil.

Ein Oszilloskop zeigt abweichende Spannungen als eine Linie an (auch "Kurve" genannt), die von links nach rechts über den Bildschirm wandert. Wird die Kurve schneller gezeichnet (also bei einer Steigerung der Oszilloskop-Durchlaufgeschwindigkeit), erkennen wir eine detailliertere Darstellung darüber, wie die Spannung sich von Moment zu Moment verändert (oder von Millisekunde zu Millisekunde).

Wenn wir so auf die Signale "einzoomen" (Abbildung 6), dann erkennen wir, dass der Ausgang des Näherungsschalters (untere Kurve) nicht in einem einzigen Übergang von "Aus" nach "Ein" wechselt (roter Kreis). Stattdessen springen fehlerhafte Kontakte wechselweise ca. fünf Millisekunden lang zwischen "Ein" und "Aus", bevor sich der Ausgang stabilisiert. Das Steuermodul kann diese lückenhafte Spannung nicht korrekt interpretieren und deshalb variiert der Ausgang erheblich (über den Zeitbereich, der von den roten Balken in der oberen Kurve dargestellt wird). Dies verursacht den fehlerhaften Betrieb.

Fazit

Ein Digitalmultimeter kann genaue Amplituden- und Zeitmessungen liefern und anzeigen, ob ein Schalter nicht funktioniert. Ein Oszilloskop dagegen gibt Ihnen die Details zur Analyse des Problems bei subtilen, sporadisch intermittierenden Ereignissen. Ein Bild sagt mehr als tausend Worte!