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1.0 Was ist Rückführbarkeit? - HAAG Elektronische Messgeräte GmbH

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Über die Rückführbarkeit und Kalibration von Netzqualität-Messgeräten
1.0 Was ist Rückführbarkeit?
1.1 Anforderung an Messungen
Messungen im naturwissenschaftlich technischen Sinn
müssen zwei Anforderungen erfüllen:
1. sie müssen reproduzierbar sein
2. und sie müssen vergleichbar sein.
Messungen sind dann reproduzierbar, wenn das Messverfahren so beschrieben ist, dass ein anderer die Messung unabhängig wiederholen kann.
Messungen sind dann vergleichbar, wenn sie für dieselbe
Messgröße denselben Messwert ergeben.
Beispiel: Die Länge einer horizontalen, ebenen, geraden
Strecke kann man sowohl mit einem Messband messen
als auch mit optischen Hilfsmitteln durchführen, so wie
dies die Vermessungstechniker handhaben. Beide Verfahren können eindeutig beschrieben und zu beliebigen
Zeiten wiederholt werden. Damit ist die Reproduzierbarkeit gegeben.
Die Längenmessungen sind dann vergleichbar, wenn
mehrfache Messungen derselben, unveränderten Strecke
im Rahmen der Messgenauigkeit immer dieselbe Länge
ergeben.
1.2 Systematische Messfehler
Dann ist es aber immer noch möglich, dass alle Messungen - weil mit demselben Fehler behaftet - „falsch“
sind. Der Grund könnte sein, dass alle benutzten Messeinrichtungen systematisch so eingestellt wurden, dass
sie andere Messgrößen anzeigen, als der Anwender
vermutet.
Solche Unterschiede können historisch bedingt sein. So
meinen Piloten und Seeleute mit Meile (sie nutzen die
nautische Meile) eine Strecke von 1.85324496 km und
kalibrieren ihre Messeinrichtungen entsprechend, während Autofahrer in den USA unter einer Meile eine Strecke von 1.609344 km verstehen und entsprechend eingestellte Tachometer benutzen.
Bedingungen entsprechen. Insbesondere wird geprüft, ob
die vorgeschriebenen Fehlergrenzen eingehalten werden.
Mit der Stempelung wird bescheinigt, dass ein Messgerät
den Anforderungen genügt, um im „eichpflichtigen Verkehr“ eingesetzt werden zu dürfen. Beispiele für Messgeräte, die einer Eichpflicht unterliegen, sind die Waagen im
Handel, Durchflussmesser an Tankstellen oder Elektrizitätszähler für Abrechnungszwecke.
1.3.2
1.4 Ur-Maße
Die Bereitstellung von Ur-Referenzen für Messgrößen ist
keine triviale Aufgabe, denn man will dabei möglichst
keine willkürlich erzeugten Gebilde wie z.B. das in Paris
aufgehobene Urmeter nutzen. Statt dessen ist ein Meter
inzwischen als die Strecke von 1 650 763,73 Wellenlängen der Strahlung der orangen Linie des Krypton-Isotops
86 im Vakuum definiert. Ähnlich wie beim Meter bemüht
man sich, alle Ur-Maße so direkt wie möglich von Naturkonstanten und Zahlen abzuleiten. Die Vorrichtungen
dazu sind z.T. recht kompliziert; ihre Konzeption wurde
schon mehrfach mit Nobelpreisen bedacht2.
Die Ableitung der Norm-Ur-Maße von Naturkonstanten
mag auf den ersten Blick unnötig teuer und umständlich
erscheinen. Diese Vorgehensweise hat aber den Vorteil,
dass die so gewonnenen Referenz-Maße immer wieder
„frisch“ hergestellt werden können und daher im Prinzip
unzerstörbar sind. Wie wichtig dies ist, zeigt sich am
Beispiel des englischen Ur-Yard, welches sich aufgrund
von Umkristallisationen seiner Legierung in 30 Jahren
um den Faktor 10-6 verkürzt.
1.4.1
1.3 Kalibrieren
Messmittel müssen also in gleichen Messeinheiten kalibriert sein. Das bedeutet: Die Messgröße wird mit zwei
Messeinrichtungen gemessen, mit einer, die kalibriert
werden soll (=Prüfling) und einer anderen, die schon kalibriert ist (=Referenz-Messeinrichtung). Dann wird der
Prüfling so justiert, dass er über den gesamten Messbereich möglichst dieselben Messwerte wie die ReferenzMesseinrichtung anzeigt. Dabei muss die ReferenzMesseinrichtung in der Praxis nicht unbedingt ein Messgerät sein. Es kann sich auch um „Kalibratoren“ handeln,
d.h. um Vorrichtungen, welche einen definierten Wert der
Messgröße erzeugen oder darstellen. So gibt es Endmaße für kleine Längen, Spannungsnormale für elektrische Spannungen, Widerstandsnormale für elektrische
Widerstände.
1.3.1
Eichen
Eine Eichung im gesetzlichen Sinn ist die Prüfung und
Stempelung eines Messgeräts durch die zuständige
Eichbehörde. Eine Eichung umfasst mehr als die Kalibration. Die Behörde prüft dabei auch, ob die Beschaffenheit
und die messtechnischen Eigenschaften den geforderten
Eichbehörden
Die zu Kalibrations- und Eichzwecken eingesetzten Referenz-Messeinrichtungen müssen auch einmal kalibriert
worden sein. Das erfolgt mit einer anderen ReferenzMesseinrichtung, die ebenfalls einmal kalibriert worden
sein muss... Eine unendliche Geschichte, wenn es da
nicht nationale oder internationale Eichbehörden1 gäbe,
deren Aufgabe darin besteht, für alle erdenklichen
Messgrößen eine Ur-Referenz-Messeinrichtung oder eine
Ur-Referenz für die Messgröße bereitzustellen.
Rückführbarkeit
Rückführbarkeit einer Kalibrierung bedeutet, dass alle
Glieder der Kalibrations-Kette vom aktuellen Prüfling bis
zum gesetzlich festgelegten Ur-Maß für die Messgröße
nachvollziehbar dokumentiert sind.
Anders ausgedrückt: Die Kalibration der Hilfsmittel für
eine rückführbare Kalibrierung kann rekursiv bis zu den
Ur-Maßen der zuständigen Eichbehörden verfolgt werden.
1.4.2
Kalibrations-Dienstleister
Zur rückführbaren Kalibration ihrer Produkte benutzen
qualifizierte Messgerätehersteller meist eigene ReferenzMesseinrichtungen mit rückführbarer Kalibration.
Ansonsten können neben der PTB lokale Dienststellen
der Eichbehörden, aber auch auditierte3, Dienstleister
zertifizierte rückführbare Kalibration von Messeinrichtungen durchführen.
1
2
3
In Deutschland die PTB (=Physikalisch-Technische Bundesanstalt) in Braunschweig
So 1985 Klaus von Klitzing für den Quanten-Hall-Effekt, mit
dem sich ein Ur-Widerstand herstellen läßt.
Regelmäßig auf ihre Qualifikation überprüft
Über die Rückführbarkeit und Kalibration von Netzqualität-Messgeräten
2.0 Was ist Netzqualität?

Oberschwingungs-Spannung (Spannungen
Vielfachen der Grundfrequenz),
2.0.1

Zwischenharmonische Spannung (Spannungen
außerhalb der Grundfrequenz, jedoch nicht bei
deren Vielfachen),

Spannungssymmetrie.
Beispiele für Parameter der Netzqualität
An Versorgungsnetzen, in denen stündlich mehrere kurze
Stromausfälle auftreten, kann man keine Computer mit
kritischen Aufgaben betreiben. Das ist jedem klar, der
schon einmal aufgrund einer Kurzunterbrechung seinen
Text zum zweiten mal in eine Textverarbeitung eingetippt
hat. Ganz kurze Unterbrechungen von etwa einer Periode
werden aber von den meisten Rechnern ohne Betriebsunterbrechung oder Datenverlust verkraftet. In dieser Zeit
arbeiten sie mit Energie, die im Netzteil zwischengespeichert ist. Längere Unterbrechungen müssen mit einer
USV4 abgepuffert werden.
Netzqualität wäre in diesem Beispiel also dann gegeben,
wenn Unterbrechungen in der Versorgung, die zu Störungen führen, so unwahrscheinlich sind, dass die Abpufferung per USV teurer käme als der Mehraufwand in
den seltenen Fällen einer Unterbrechung. Die Schwelle
dafür hängt aber nicht nur vom Spannungsverlauf im
Netz, sondern auch vom Netzteil des Computers ab.
Wenn dieses den Rechner nicht nur während einer, sondern auch noch während drei ausgefallener Perioden
versorgen könnte, würden erst Kurzunterbrechungen von
mehr als 60 ms5 die Schadens-Schwelle überschreiten.
Das Beispiel zeigt: Die Ansprüche an die Netzqualität
hängen in erheblichem Maß von der Eigenschaft der
Strom nutzenden Einrichtungen ab.
Ganz andere Probleme ergeben sich, wenn die Spannung in einem Versorgungsnetz höher als die Nennspannung ist. Kurze6, aber starke Spannungs-Pulse7
(=Transienten) können leicht direkt mit dem Netz verbundene Halbleiter zerstören. Viele Halbwellen mit
überhöhter Spannung (= zu hohe Effektivspannung) reduzieren die Lebensdauer von Glühlampen, besonders
von Halogenlampen.
2.1 Normen zur Netzqualität
Anhand ähnlicher Beispiele läßt sich ableiten, dass eine
Beschreibung der Netzqualität8 eine Reihe von Parametern erfordert. Ein Mindestmaß an Merkmalen der Netzqualität und Messvorschriften für diese Merkmale ist
durch Normen verbindlich geregelt.
2.1.1
Merkmale der Netzqualität nach EN 50160
Die Norm europäische Norm EN 50160 legt folgende
Größen als Merkmale der Netzqualität fest:
4
5
6
7
8

Frequenz (Grundfrequenz der Netzspannung),

Effektiv-Spannung (Urms),

langsame und schnelle Spannungsänderungen

Flicker,

Häufigkeit und Dauer von Unterbrechungen,

Netzfrequente Überspannungen,

Transiente Überspannungen
USV = Unterbrechungsfreie Strom-Versorgung
Solch eine Unterbrechung würde sich schon durch deutliches Flackern üblicher Glühlampen bemerkbar machen
Dauer << 1 Halbwelle
> 2 * Unenn
Im englischen oft abgekürzt als PQ von Power Quality
2.1.2
bei
Definition der Netzqualität
Für alle die genannten Größen gibt es mittlerweile genormte Nennwerte und Sollbereiche9.
Damit existiert eine gesetzliche Definition der
Netzqualität, die neben Nennwerten und
Sollbereichen auch vorgibt, ob, wie oft, wie
weit und wie lange solche Toleranzbereiche
überschritten werden dürfen.
So beschreibt z.B. EN 6100–3–3 zulässige Spannungsschwankungen und Flicker.
In Verträgen zwischen Stromlieferant und Stromkunden
können von diesen Normen abweichende Nenn- und
Sollbereiche der Merkmale der Netzbereiche vereinbart
werden.
Für eine Prüfung der Einhaltung solcher Verträge braucht man in jedem Fall Informationen über die tatsächliche Netzqualität.
2.1.3
Beschreibung der tatsächlichen Netzqualität
Die Beschreibung der Netzqualität in einem realen
Netz erfordert eine Messung möglichst aller Merkmale
der Netzqualität.
Die Beschreibung ist erst dann vollständig und mit vertretbarem Aufwand interpretierbar, wenn die Messungen
statistisch ausgewertet sind. Eine solche Auswertung
sollte mindestens darüber informieren,

ob,

wie oft,

wie weit und

wie lange
an einem Messpunkt im Netz die Toleranzbereiche in einem Beobachtungszeitraum tatsächlich überschritten
wurden.
2.2 Messtechnische Anforderungen an Rückführbarkeit:
2.2.1
Primäre und abgeleitete Messgrößen
Viele der Messgrößen für Netzqualität10 sind abgeleitete
Größen. Das heißt: sie müssen aus primären Messgrößen mit z.T. umfangreichen Rechenroutinen abgeleitet
werden.
Um abgeleitete Messgrößen zu bestimmen, müssen zunächst primäre Messgrößen mit Sensoren erfasst werden.
Die meisten Merkmale der Netzqualität werden von den
primären Messgrößen
9 Toleranzbereiche um den jeweiligen Nennwert
10 z.B. Oberschwingungsgehalt, Flicker
Über die Rückführbarkeit und Kalibration von Netzqualität-Messgeräten

Momentanstrom,

Momentanspannung und

Zeit
abgeleitet.
Moderne Messgeräte bestimmen die Strom- und Spannungs-Momentanwerte
mit
Analog-Digital-Wandlern
(=AD-Wandler). Diese liefern als Ergebnis einer einzelnen Messung eine Folge von Nullen und Einsen, welche
die gemessenen Größen als binäre Zahlen repräsentieren. Die Kalibration der Strom- und Spannungs Wandler
erfolgt „klassisch“, d.h.

mit rückführbar kalibrierten Strom- und Spannungsnormalen oder

mit einstellbaren Strom- und Spannungsquellen,
die gleichzeitig mit dem Prüfling und einem rückführbar kalibrierten Strom- und SpannungsMessgerät gemessen werden.
Für die Bestimmung der Netzqualität benötigt man sogar
einen kontinuierlichen Strom solcher Binärzahlen. Dabei
werden an den zeitlichen Abstand der Messungen hohe
Anforderungen gestellt, auf die weiter unten noch näher
einzugehen ist.
Aus den primären Messgrößen werden die abgeleiteten
Messgrößen errechnet. Die dazu nötigen Rechenverfahren (Algorithmen) unterliegen ebenfalls Vorschriften,

für den prinzipiellen Algorithmus an sich und auch

für die Implementierung des Algorithmus.
Die Vorschriften zur Messung der in Kapitel 2.1.1 aufgezählten Merkmale der Netzqualität werden z.B. von den
Normen EN 61000–4–3 (Flicker) und EN 61000–4–30
verbindlich vorgegeben.
Zu einer rückführbaren Kalibration von Messgeräten für
Netzqualität gehört daher auch die Überprüfung der
normkonformen Implementierung der Algorithmen, mit
denen die abgeleiteten Messgrößen aus den primären
Messgrößen berechnet werden. Diese Überprüfung kann
prinzipiell auf zwei Wegen erfolgen:

Als Black-Box-Prüfung12.
Dabei wird an den Prüfling (z.B. mit einem Netzsimulator) ein Signal mit bekanntem Wert der zu
messenden Größe angelegt und der Ausgabewert
des Prüflings bewertet.

Durch Prüfung des Algorithmus selbst.
Dabei wird geprüft, ob das Programm, mit dem
das Gerät die abgeleiteten Messgrößen aus den
primären berechnet, eine normgerechte Implementierung des vorgeschriebenen Algorithmus
darstellt.
Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile: Eine BlackBox-Prüfung z.B. eines Flickermessgeräts ist schon aufgrund der Messvorschrift sehr zeitaufwendig und kann
kaum die Korrektheit der Messgröße für alle denkbaren
Flicker-Ursachen sicherstellen.
Die Überprüfung des Algorithmus ist mit Herausgabe von
firmenspezifischem Know-How verbunden und erfordert
u.U. eine lange, kostspielige Einarbeitung des Prüfers.
2.3 „Unvergleichlich gute“ Messungen
Ähnlich wie im Beispiel mit der Zinseszinsrechnung,
werden auch die abgeleiteten Messgrößen zur Beschreibung der Netzqualität in erheblichem Maße von der Wahl
der (mathematisch an sich gleichberechtigten!) Algorithmen und Details ihrer Implementierung beeinflusst11.
Folglich ist eine exakte Beschreibung der Algorithmen zur
Berechnung der abgeleiteten Messgrößen und kritischer
Details ihrer Implementierung eine Voraussetzung dafür,
dass verschiedene Geräte vergleichbare Messergebnisse
liefern können.
In dieser Überschrift steckt ein gutes Maß an Ironie. Angenommen, es ständen zwei baugleiche, identisch und
rückführbar normgerecht kalibrierte Messgeräte zur
Messung der Netzqualität zur Verfügung. Bei oberflächlicher Betrachtung sollte man meinen, dass damit im Sinne
der Normen und Vorschriften „gute“ Messungen möglich
sein müssten. Das sollte auch so sein, denn die
EN 61000–4–30 fordert explizit: Wird mit diesen Geräten
an demselben Messpunkt die Netzqualität gemessen,
dann müssen sie zu13 identischen Messergebnissen
kommen.
Wie das folgende Beispiel zeigt, ist jedoch zusätzlich erforderlich, dass beide Messgeräte ihre Messungen
gleichzeitig beginnen und die Mess-Zeitraster über die
gesamte Messdauer genau synchronisiert bleiben. Dies
hat folgenden Grund: Zahlreiche abgeleitete Messgrößen
der Netzqualität werden nach Norm aus der Analyse von
lückenlos aufeinander folgenden Paketen mit je 200 ms
bzw. etwa 10 Perioden Dauer bestimmt. Der genaue
Zeitpunkt, wann die Messung eines solchen Pakets aus
10 Perioden beginnt, muss bei allen Geräten identisch
sein, sonst können statistische Effekte zu unterschiedlichen Messergebnissen führen.
So wird von einer Norm z.B. eine Zählung der Pakete mit
Kurzunterbrechungen in Form einzelner ausgefallener
Perioden gefordert. Dabei können aber im Fall asynchroner Mess-Zeitfenster zwei einzelne ausgefallene Perioden im Abstand von weniger als 10 Perioden in einem
11 Ein gutes Beispiel für eine abgeleitete Messgröße mit vielen
„willkürlichen“ Komponenten und Details im Berechnungsalgorithmus ist die Flickermessung.
12 black box: engl.: schwarzer Kasten. Bei einer Black Box wird
die Abhängigkeit der Ausgangsgröße von der (den) Eingangsgrösse(n) betrachtet. Dabei spielt es keine Rolle, wie
die Ausgangsgröße innerhalb der Kiste aus der (den) Eingangsgrösse(n) erzeugt wird.
13 Im Rahmen der zulässigen Messunsicherheit
Dies sei am Beispiel einer Zinseszins-Berechnung erläutert. Dabei gilt für den prinzipiellen Algorithmus, dass
Zinseszinsen monatlich gutgeschrieben werden. Dies ist
eine willkürliche Festlegung. Mathematisch wäre auch
eine tägliche oder sogar eine kontinuierliche Zinsgutschrift zulässig.
Für die Implementierung des Algorithmus ist wichtig, dass
Beträge unter einem Cent normalerweise nicht auszahlbar sind. Also muss aus praktischen Gründen gerundet
werden. Für das Ergebnis der Rechnung ist aber auch
von Bedeutung, ob diese Rundung für jeden Monatszeitraum oder erst am Endergebnis der Berechnung vorgenommen wird. Wäre dies nicht alles vorgegeben, könnten
es verschiedenen Banken bei Zinseszins-Berechnungen
zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen.
2.2.2
In Normen festgelegte Messvorschriften
Über die Rückführbarkeit und Kalibration von Netzqualität-Messgeräten
Gerät in dasselbe Paket und in einem anderen Gerät in
verschiedene Pakete fallen. Und schon ist die Zählung
der Kurzunterbrechungen bei beiden Geräten unterschiedlich.
Die Zahl der Beispiele für abgeleitete Messgrößen, deren
Messwerte bei sonst identischen Bedingungen vom Raster der Messzeiträume abhängt, ließe sich fast beliebig
erweitern.
Die Umsetzung dieser Idealbedingungen in ein reales
Messgerät zur flächendeckenden und vergleichenden
Netzqualitätsanalyse galt bisher als unrealisierbar und ist
jetzt erstmals gelungen.
Entscheidend für die Messergebnisse ist, dass sich für
alle Messungen das erwähnte Kriterium der Vergleichbarkeit nur dann erfüllen lässt, wenn die Zeitraster der
Messgeräte bis in den µs-Bereich synchronisiert beginnen (siehe Kapitel 1.1). Voraussetzung dazu ist weiter,
dass die Zeitauflösung immer kleiner sein muss, als der
Messtakt der Messgeräte.
Die neuen, genau für diese Anforderngen entwickelten
Messgeräte EURO-QUANT und COMBI-QUANT bieten
erstmals eine automatische GPS-gestützte, standortübergreifende, auf wenige Mikrosekunden genaue Synchronisation aller Mess-Zeitraster.
Dazu wird die innere Uhr permanent mit der GPS-Zeit
abgeglichen. So werden primäre und auch abgeleitete
Messgrößen, deren Wert vom Messzeitraster abhängt,
vergleichbar. Mehr noch: Beide Geräte versehen alle
Messwerte mit standortunabhängigen hochgenauen
Zeitmarken. Dadurch lassen sich die gleichzeitig an verscheidenen Standorten gemessen Folgen ein und desselben Ereignisses im Netz auch im nachhinein leicht als
solche erkennen und ihrer Quelle zuordnen.
Die Messergebnisse sind so präzise, dass Messwert-Differenzen zwischen den Geräten auch als solche interpretiert werden können und folglich neue Differenzsignale
ergeben. Solche Signale beschreiben dann den „störgenerierenden Anteil“ der Strecke zwischen beiden (oder
mehreren) Messgeräten.
Mehr Infos über EURO-QUANT und COMBI-QUANT
unter :
3.0 Neu: Präzise Zeit öffnet Norm und
Raum
Zur Bedeutung des präzisen Zeitnormals: Die Laufzeit
der Radiosignale des terrestischen Zeitsenders DCF 77
kann im Bereich ihrer Reichweite von >1500 km über 5
ms erreichen. Dies entspricht in der Netzanalyse - je nach
Standort - der Dauer einer Halbwelle oder 90º Phasenfehler und ist um den Faktor 10 000 ungenauer als eine
GPS-synchronisierte Uhr.
GPS: Global Positioning System, ist ein System aus über
20 Satelliten, welche ständig mit hoher Präzision ihre
Position und die Autom-Uhrzeit aussenden. Daraus kann
ein geeigneter Empfänger außer seiner eigenen Position
auch die Laufzeiten der Funksignale von den Satelliten
bis zu seinem Standort selbst bestimmen. Um diese
Laufzeit korrigiert dann der GPS-Empfänger automatisch
seine interne Uhr.
Physikalisch ist die GPS-Zeit ein flächendeckendes,
weltweit kostenlos verfügbares präzises Zeitnormal.
Ihre Nutzung eröffnet eine neue Messtechnik:
Derzeit dominierendes Beispiel hierzu ist die Liberalisierung des Energiemarktes seit 1998. Die messtechnischen
Anforderungen hieraus (z.B. der Haftungsnachweis der
Energiequalität von Erzeugern, Transporteuren und Nutzern) ist nur durch exakten Vergleich der Energiequalität
an vielen Standorten möglich. Konventionelle Messtechnik ist ab 1998 daher nur noch für isolierte Einzelmessungen anwendbar.
Die neue flächendeckende Messtechnik mit vergleichbaren Messergebnissen der eingesetzten Messgeräte setzt
folgende technischen Bedingungen voraus:
3.1 EURO-QUANT® und COMBI-QUANT®
Messgeräte mit standortunabhängiger
Synchronisation aller Mess-Zeitraster
www. haag-messgeraete.de
1. die Samplefrequenz aller beteiligten Messgeräte
ist gleich,
2. die Samplefrequenz aller beteiligten Messgeräte
ist synchron,
3. allen beteiligten Messgeräte liegen dieselben Algorithmen zur Gewinnung der Messwerte zu Grunde,
4. die durch eine Norm festgelegten Messintervalle für
die einzelnen Qualitätsparameter starten samplegenau,
5. die Startzeiten dieser Messintervalle werden von ein
und demselben Zeitnormal abgeleitet.
HAAG
Elektronische Messgeräte GmbH
Emil-Hurm-Str. 18-20
D-65620 Waldbrunn
Tel.: (06436) 40 35 FAX (06436) 33 61
E-mail: info@HAAG-Messgeraete.de
www.HAAG-Messgeraete.de
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