Reinhard Weiß
Energy Analyzer ELV EA8000 - Fehlfunktion

ELV EA8000Der Energy Analyzer EA8000 von ELV ist ein präzises Messgerät zur Erfassung der Wirkleistung von Verbrauchern, inklusive StandBy-Verbrauch, und es kann noch eine Reihe von weiteren Messgrößen ausgeben: Spannung, Stromaufnahme, Scheinleistung, PowerFactor und Verbrauchskosten. Die Genauigkeit der Wirkleistungsmessung im Bereich 0,1 bis 100 W wird mit 1 % +/- 1 Digit angegeben (Benutzerhandbuch).

Das Besondere an dem Gerät ist, dass es genaue Messungen machen kann, unabhängig von der Kurvenform und der Phasenverschiebung des Stroms. Dieser muss nicht sinusförmig sein wie bei ohmschen Verbrauchern. Schaltnetzteile und Dimmer etwa haben stark abweichende Kurvenformen, aber auch Gleichrichterschaltungen erzeugen Stromformen, die viele Messgeräte oft nicht mal erfassen oder aber nicht genau genug messen könnten. Im 3-teiligen Fachartikel von ELV wird das ausgiebig dargelegt.

Welche Fehlfunktion?

Mir ist nun aber aufgefallen, dass die Ausgabe des Stromwerts (Effektivwert) bei bestimmten Verläufen des Laststroms fehlerhaft ist. Nicht nur "ungenau", sondern "falsch". Und zwar in der Beziehung, dass zwar der Effektivwert des Stroms bestimmt wird, aber nur dessen AC-Wert (Wechselstromanteil) ausgegeben wird. Der DC-(Gleichstrom-)Anteil, der bei unsymmetrischen Stromformen als Offset auftritt, wird unterdrückt. Das ergibt bei solchen Stromformen beliebig hohe Messabweichungen. Die Zusammenhänge von AC- und DC-Anteilen beim Effektivwert hatte ich schon beim Artikel über das MASTECH M9803R erläutert.

Das ist eigentlich gar nicht so ungewöhnlich, weil das viele andere Messgeräte bei der Effektivwertmessung auch so machen. Bei denen muss man zusätzlich eine Messung im DC-Bereich machen, um den Strommittelwert (DC-Anteil) zu bestimmen. Beide Werte quadratisch gemittelt ergeben dann den richtigen (gesamten) Effektivwert. Nur kann man mit dem EA8000 den DC-Wert gar nicht bestimmen und dieses Phänomen wird auch überhaupt nicht in der Beschreibung thematisiert.

Andererseits ist die vom EA8000 gemessene Wirkleistung in solchen Fällen dennoch korrekt. Das heißt, der "richtige" Effektivwert des Stroms ist dem Gerät bekannt (wird also richtig erfasst), wird aber nicht so angezeigt.

Was sagt der Hersteller?

ELV ist auch nach ausgiebiger Diskussion nicht Willens oder in der Lage, diesen Fehler zu bestätigen. Offenbar sind sie doch nicht so kompetent wie behauptet (Werbespruch: "Kompetent in Elektronik"). Sie haben meine Anfrage zwar auch an den eigentlichen Hersteller eQ-3 AG (ein Tochterunternehmen von ELV) weiter gegeben, dessen Antwort ist aber leider auch wenig hilfreich. Denn man verweist einfach darauf, dass im Datenblatt des verwendeten Mess-Chips (MAXIM Teridian 71M6521DE, nun vertrieben von Silergy Corp.) nirgendwo stehe, dass nur der AC-Wert allein ausgegeben würde und der Chip diesen Wert eben so vorgäbe, und den Wert zeige man an. Ja, und was da nicht steht, kann auch nicht sein, logisch. Silergy bestätigte mir jedoch, dass man sowohl AC als auch DC-Werte mit einer Firmware abfragen könne, das sei also nicht ausgeschlossen.

Auf meine theoretischen Berechnungen, die meine Beobachtung unterstützen, und meine praktischen Messungen dazu sind ELV und eQ-3 gar nicht eingegangen. Offenbar hat ELV gar kein Labor mehr, wo man mal so eben schnell eine ähnliche Messung selber hätte vornehmen können. Und die angegebenen Formeln und Ableitungen waren denen wohl zu komplex. Wenn ELV einen Qualitätsbeauftragten hätte, hätte ich mich an den gewandt. So aber blieb mir nur eine Beschwerde (in durchaus höflicher Form) an den Geschäftsführer von ELV, Herrn Prof. Heinz-Gerhard Redeker, für die so unwillige Behandlung meiner fundierten Ergebnisse durch das Support-Team. Darauf habe ich bis heute keinerlei Reaktion erhalten. Sieht so Kundennähe aus?

Da fällt mir nur ein Zitat von Lee Young, Business Week ein, der zutreffend meint:

"In viel zu vielen Unternehmen ist der Kunde zu einem Störfaktor geworden, dessen unvorhersagbares Verhalten sich schädlich auf die sorgfältig erstellten Pläne auswirkt, dessen Sonderwünsche nicht in die computergestützten Arbeitsabläufe passen und der stur darauf besteht, daß die von ihm gekauften Erzeugnisse auch funktionieren sollen"

Update 13.06.2018: Genau 3 Monate nach meiner Beschwerde hat ELV nun doch noch geantwortet. Das Thema sei sehr komplex, heißt es in dem erstellten Bericht, so dass man mehr Zeit gebraucht habe. Man habe nun die "Stromdifferenz" auch feststellen können. Aber "Da der Stromwert direkt vom Chip ausgegeben wird, können wir am Verhalten nichts ändern.", heißt es da wieder. Diese Aussage ist unglaubwürdig, weil das eher von der Firmware abhängt, wie Silergy bestätigt. Und weiter meint ELV "Im entsprechenden Preissegment ist das Gerät trotzdem das genaueste am Markt." Dass man das bei einem Strom-Messfehler von 23 % behauptet, ist schon etwas verwegen. Und dass man für die Bestätigung des Fehlers 3 Monate brauchte, wo ich zuvor ja auch schon 2 Monate im Kontakt mit ELV war, ist schon erstaunlich.

Was zeigen Vergleichsmessungen?

Dass der DC-Anteil aber tatsächlich fehlt, kann man auch daran erkennen, dass Vergleichsmessungen mit Geräten, die definitiv nur den AC-Anteil messen (MASTECH M9803R und FLUKE 8060A), bei einer entsprechenden Last (siehe unten Lastfall 2) den gleichen Wert ermitteln wie das EA8000. Der gesamte AC- & DC-Wert in diesem Beispiel ist aber 30 % höher, und diesen höheren Wert müsste das EA8000 anzeigen, wenn es den DC-Anteil mitmessen würde. Die numerischen Verhältnisse zwischen AC- und DC-Anteil bei verschiedenen Kurvenformen sind ganz anschaulich im Handbuch zum Fluke 8060A beschrieben (Tabelle Fig. 2-8, Seite 2-14).

Daneben hat David Köb dankenswerterweise in der gleichen Beschaltung weitere Vergleichsmessungen mit seinem EA8000 gemacht, und zwar verglichen mit dem Messgerät UT71C von UNI-T. Das Gerät zeigt wahlweise die Werte AC, DC oder AC+DC an. Und auch da ist es so, dass der AC-Wert allein dem Ausgabewert des EA8000 gleicht. Den AC+DC-Wert (also der "richtige" komplette Effektivwert) zeigt das UT71C korrekt 30 % höher an. Wenn das EA8000 auch beide Teilwerte anzeigen würde, müsste es denselben Wert ausgeben. Da es nur den AC-Wert ausgibt, hat es in dieser Beschaltung einen Messfehler von -23 % zum korrekten Effektivwert. Der Messfehler ist unabhängig von der Größe des verwendeten Lastwiderstands, er gilt für einen Halbwellenbetrieb in dieser Beschaltung (Lastfall 2).

Infolge des falschen Stromwerts sind dann auch Scheinleistung, Blindleistung und PowerFactor falsch.

Es geht also nicht mehr um die Frage, ob das EA8000 falsch misst, sondern nur noch darum, wann tritt der Fehler auf und wie könnten man ihn vermeiden. Vielleicht entschließt sich ELV ja irgendwann einmal zu einem Firmware-Update (sehr unwahrscheinlich). Dazu müssten sie den Fehler ja erst einmal einsehen (den sie immerhin nach 5 Monaten "Verhandlung" endlich zugestehen, siehe Update oben).

Fehlfunktion nachstellen

Die Fehlmessung kann man ganz einfach nachstellen. Man belastet das Gerät mit einer Last, die aus der Reihenschaltung einer Diode und einem Leistungswiderstand besteht (Einweggleichrichtung). Dies ergibt einen halbwellenförmigen Stromverlauf, was einem DC-Offset entspricht. Der Strom setzt sich dann aus einem Wechselstromanteil (AC) und einem Gleichanteil (DC) zusammen (siehe Artikel zum M9803R). Der DC-Anteil wird vom Gerät unterdrückt und führt daher zu einem Messfehler. Die nachfolgenden Bilder zeigen das im Detail.

Im Lastfall 1 (siehe Bild unten) wird zunächst ein Widerstand (1 kOhm, 50 W) direkt an die Ausgangsklemmen geschaltet. Das ist die Referenzmessung. Bei gemessenen 235 V (Anzeige am EA8000) stellt sich ein Strom von 230 mA (effektiv) ein, was zu einer Wirkleistung (Po) von 54,1 W führt, wie das Gerät richtig anzeigt.

Hinweis: Bei meinen hier vorgestellten Messwerten verwende ich teilweise etwas gerundete Werte, so dass beim Nachrechnen geringe Abweichungen auftreten können. Auch war bei den Messungen die Netzspannung nicht ganz konstant, was weitere Fehler (im Bereich 1 %) hervorruft. Die Diode habe ich immer als ideal angenommen. Hier kommt es mir nur auf das Prinzip an. Die benutzten Formeln habe ich separat zusammengestellt (Formeln 1, Formeln 2, Formeln 3).

Im Bild Lastfall 2 ist die kritische Beschaltung zu sehen. Das EA8000 zeigt als (angeblichen) Effektivstrom 126 mA und als Wirkleistung (P1) 27,1 W an. Die Leistung ist tatsächlich korrekt. Aber der Strom stimmt nicht. Rechnerisch ist der Effektivwert dieses Stroms 163 mA, der sich zusammensetzt aus dem AC-Anteil von 126 mA und einem DC-Anteil von 104 mA. Beide Werte muss man quadratisch mitteln, um den Gesamtstrom zu erhalten: = Wurzel(126^2 + 104^2) = 163 mA. Hier sieht man schon, dass der Ausgabewert des EA8000 nur diesem AC-Wert entspricht.

Da die Wirkleistung stimmt, kann man den Effektivwert auch ganz einfach nachrechnen aus Ieff = WURZEL(P / R) = WURZEL(27,1 W / 1 kOhm) = 165 mA, was zum selben Ergebnis führt. Jetzt könnte man noch einwerfen, dass die Wirkleistung auch nennenswert an der Diode abfällt, etwa wegen möglicherweise parasitärer Effekte (wenn es die denn gibt).

Dass das nicht der Fall ist, erkennt man daran, dass etwa der Gleichrichtwert (das heißt der Mittelwert) der Spannung bei Halbwellenbetrieb an dem Widerstand rechnerisch zu UG_ = 106 V bestimmbar ist. Nachgemessen mit einem normalen Multimeter ergab sich 105 V (daraus errechnet sich auch der DC-Anteil des Stroms IDC zu UG_ / R = 105 mA). Wenn die Diode Einfluss hätte, würde der Wert stärker abweichen müssen. Um das weiter abzusichern, habe ich mit dem Lastfall 3 die Schaltung verdoppelt. Das EA8000 sieht nun wieder normalen Wechselstrom und misst korrekterweise eine Wirkleistung (P1) von 54,6 W. Das ist praktisch die gleiche Leistung wie im Lastfall 1, also können beide Dioden keinen nennenswerten (Wirk-)Leistungsbeitrag liefern.

EA8000 Fall 1 EA8000 Fall 2 EA8000 Fall 3

Lastfall 1

Lastfall 2

Lastfall 3

R = 1 kOhm +/- 5%

mit EA8000 gemessen:
Uo = 235,1 V
Io = 230 mA
Po = 54,2 W

mit EA8000 gemessen:
Uo = 235,5 V
I = 126 mA
P1 = 27,1 W

mit DMM gemessen:
UG_ = 105 V

gerechnet aus Uo:
IDC = 104 mA
IAC = 126 mA
Ieff = 163 mA
P1 = 27,1 W
UG_ = 106 V

mit EA8000 gemessen:
Uo = 235,5 V
Io = 232 mA
P1 = 54,6 W

 

Standardformeln für
Halbwellenbetrieb:

Ieff = ISpitze / 2

ISpitze = WURZEL(2) * Uo / R

IDC = ISpitze / Pi

IAC = WURZEL(Ieff^2 - IDC^2)

 

Wenn man für beliebige Werte von Uo und R den sich ergebenden Effektivwert des Stroms Ieff im Lastfall 2 (Halbwellenbetrieb) errechnen will, kann man die in der Tabelle angegebenen Formeln verwenden. Unter Annahme einer idealen Diode lässt sich der Spitzenwert des Stroms ISpitze aus dem Spitzenwert der sinusförmigen Ausgangsspannung Uo (eff) errechnen. Den sich ergebenden Effektiv-Stromwert müsste ein Messgerät anzeigen, das den Effektivwert aus AC- und DC-Komponente berechnet.

Den DC-Anteil IDC allein kann man aus der angegebenen Formel ebenso leicht errechnen. Um ihn zu messen, muss man nur ein Amperemeter im DC-Messbereich in den Stromkreis schalten.

Den AC-Anteil IAC allein kann man am einfachsten aus Ieff und IDC errechnen. Diesen Wert zeigen Messgeräte an, die beim Effektivwert nur den AC-Anteil anzeigen können, also auch das EA8000.

Will man selber die Schaltungen aufbauen und Messungen vornehmen, sollte man sehr vorsichtig vorgehen. Je nach Größe des Lastwiderstands eignet sich eine Standard-Gleichrichter-Diode vom Typ 1N4007 (1000 V/1 A) oder ähnlich. Der Widerstand muss eine ausreichende Leistung vertragen und bei längerdauernder Messung gekühlt werden. Als Alternative zum Lastwiderstand ist auch ein "alter" 230 V-Lötkolben praktisch, der ungeregelt sein muss, keine Elektronik beinhalten darf und keinen Trafo, um die Messwerte nicht zu verfälschen. Heißklebepistolen sind z.B. nicht geeignet, weil die aufgenommene Leistung nicht stabil ist.

Im Fehlerfall

Der Fehler tritt nur auf, wenn es einen Gleichstromanteil beim Strom gibt. Ob das der Fall ist, kann man bei einer Messung leicht nachprüfen, indem man in Reihe mit der Last einen DC-Strommesser schaltet (ideal ist dazu der Adapter ELV MA 230). Bei analogen oder digitalen Messgeräten im DC-Bereich wird der arithmetische Mittelwert des Stroms gemessen, der identisch mit dem Gleichstromanteil ist. Ist dieser Wert 0, ist die Anzeige des Stroms vom EA8000 davon unbeeinflusst, also fehlerfrei. Wird ein Gleichstrom gemessen, muss man den mit dem gemessenen AC-Wert des EA8000 quadratisch mitteln, um den gesamten Effektivwert zu erhalten: Ieff = WURZEL(IAC^2 + IDC^2). Die Werte Scheinleistung, Blindleistung und Powerfaktor müssen manuell nachgerechnet werden.

Allerdings ganz so dramatisch ist dieser Fehler in der Praxis auch wieder nicht, weil es kaum handelsübliche Geräte gibt, die einen Gleichstromanteil bei der Stromaufnahme haben (unsymmetrische Stromform). Schaltungen mit Einweggleichrichtung ohne Trenntrafo wie in meinem Beispiel sind doch eher unüblich. Sie werden aber im Kleinleistungsbereich eingesetzt, wo man aus Platz- oder Kostengründen auf einen Netztrafo verzichtet und keine Netztrennung benötigt. Ein Beispiel dafür sind Steckdosen-Nachtlichter, die mit LED arbeiten. Man sieht schon am Flackern aus dem Augenwinkel, dass da ein lückendes 50 Hz-Licht werkelt, weil man aus Kostengründen nur 1 Gleichrichterdiode eingesetzt hat. Die vom EA8000 angezeigte Strom liegt dann z.B. bei 7,7 mA (AC), tatsächlich aber fließt ein Effektivstrom von 9,9 mA (gemessener DC-Anteil 6,3 mA), bei einer Wirkleistung von 1,7 W. Auch beim Netzteil für die Rollladensteuerung somfy Unimatic CG (Schaltung) wird nur 1 Halbwelle verwendet.

Auch wenn es nur wenige Anwendungsfälle gibt, die solch einen unsymmetrischen Strom erzeugen, sind das möglicherweise gerade diejenigen Anwendungen wo man das EA8000 verwenden will, um den permanenten StandBy-Verbrauch zu kontrollieren.

Allerdings sind auch Fehlerfälle denkbar, wo der Strom unbeabsichtigt nur noch in einer Richtung fließt (z.B. defekter Triac im Dimmer). Auch Vormagnetisierung bei Transformatoren kann zur unsymmetrischen Sättigung und damit zu einem Gleichstromanteil führen.

Achtung!Achtung: Bei den oben beschriebenen Messungen müssen die Sicherheitsvorschriften beachtet werden. Arbeiten unter hoher Spannung dürfen nur von fachkundigen Personen durchgeführt werden. Dabei müssen geeignete Bauteile eingesetzt werden, die auch die auftretenden Spannungen und die Belastung vertragen. Der Lastwiderstand kann sehr heiß werden.

Weitere Auffälligkeiten

Neben diesen Abweichungen bei der Strommessung ist mir noch aufgefallen, dass im Fall 2 ein PowerFactor (PF, Leistungsfaktor) von 0,9 ausgegeben wird. Formal ist das richtig, wenn man die Wirkleistung durch die Scheinleistung (Ueff * Ieff) dividiert. Ein Schönheitsfehler ist nur, dass diese Scheinleistung aus dem falschen Strom-Effektivwert gebildet wird (da nur AC-Anteil). Damit sind sowohl der PowerFactor als auch die Scheinleistung falsch ermittelt.

Wenn man bei rein ohmscher Belastung den Messbereich von 40 VA auf 3680 VA umschaltet, entsteht plötzlich im Fall 1 und 3 eine Blindleistung von etwa 0,7 var, die gar nicht vorhanden ist. Das ist ein Messfehler, zumal im Messbereich 3680 VA nur noch 1 Nachkommastelle ausgegeben wird, die kann immer falsch sein. Die Genauigkeit bei diesem Messwert wird auch nicht spezifiziert.

Auf jeden Fall zeigen diese Beispiele, dass man den Messwerten eines so hochwertigen Messgeräts nicht unbedingt trauen darf. Die Spezifikation ist ohnehin nur für Wirkleistung, Spannung und Strom definiert.

Das kleinere ELV-Gerät Energy Master Profi-2 verwendet übrigens den gleichen Mess-Chip wie das EA8000 (71M6521DE). Es wäre interessant zu hören, ob dieses Gerät den gleichen Fehler hat. Da der Chip programmierbar ist, könnte es da durchaus Unterschiede geben. Vielleicht kann mir ein Leser darüber berichten.

Ein interessanter Beitrag zu Messproblemen mit dem EA8000 ist auch im Forum von ELV zu finden: Anfrage und Update. Die dortigen Messfehler konnte ich zwar nicht nachvollziehen (eine Last von 0,25 µF mit 100 Ohm wurde bei mir plausibel angezeigt), allerdings zeigt der Beitrag, dass die Berechnung des Leistungsfaktors aufgrund von Rundungsfehlern nicht sehr genau sein muss, auch wenn er mit 3 Nachkommastellen angezeigt wird.

(Berichtsstand: 03.04.2018, ergänzt 16.06.2018)

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© Reinhard Weiß 2018 - letzte Änderung: 03.10.2018 11:39 / 4