1. Einleitung zum Voltmeter
(Shelly 1PM Gen3 in Verbindung mit dem Shelly Plus Addon)
Da man nur wenig Informationen zum Funktionsanteil des Voltmeters findet, insbesondere wie die sich auswirken, möchte ich meine Erkenntnisse und Erfahrungen hier kund tun.
Wer also - wie ich - gespannt auf die Einsatzmöglichkeiten des Voltmeters ist, sollte dies am Ende besser einschätzen können.
1.1 Zunächst der Auszug aus dem Datenblatt:
Analog input range: 0 to 100%
Analog input report threshold: 1%**
Voltmeter range: 0 to 10 V
Voltmeter report threshold: 0.1 V**
Analog input / Voltmeter accuracy Better than ±5%
** Can be configured in the analog input / voltmeter settings
1.2 Was bedeuten die o.a. Daten?
Grundsätzlich können analoge Daten direkt in Prozent oder in Volt (Gleichspannung) erfasst werden, wenn diese eine einstellbare Schwelle überschreiten. Auch andere, aus der Spannung abgeleitete Größen wären möglich. Die Einheit ist frei definierbar.
Dabei beziehen sich die Angaben zur Toleranz auf den Skalenendbereich (also hier 10V bzw. 100%).
So entspricht die UNTERSTE einstellbare Schwelle 1% = 0.1V (von 10V).
Es werden demnach nur Änderungen, die größer sind als 0.1V übertragen.
Die erfasste (ich mag nicht gemessen schreiben) Spannung darf ±5% von 10V, also ±0.5V abweichen.
2. Überprüfung durch Werte-Aufnahme:
Es sollen der Spannungsbereich in 0.5V-Schritten zwischen 0.5V und 9.5V verglichen werden.
Zusätzlich wurden 0V und 10V angelegt.
Die Spannung wurde dabei über 2 verlässliche und hinreichend genaue DMM kontrolliert.
Bild 01: Eingangsspannung 0.5V und 9.5V
2.1 Erste Ergebnisse zur Linearität
Bis ca. 0.2V wird 0V angezeigt. Das Addon zeigt also erst Spannungen >0.2V SICHER an.
Bis ca. 1V werden die Spannungen mit etwa -0.2V - also kleiner - angezeigt.
Bei ca. 2V stimmt die Spannung in etwa mit dem angezeigten Wert überein.
Ab ca. 4V ist die angezeigte Spannung schon bei 4.3V.
Bei höheren Spannungen steigt die Abweichung auf bis zu +0.4V.
9.5V wurden mit 9.65V angezeigt und 10V wurden mit “keine Daten” (Overload) nicht erfasst.
2.2 Erweiterte Untersuchung, Dokumentation und Interpretation
Bild 02: Steigender Sägezahn 2 mHz (2 Milliherz) von 0V bis 10V (mit DC-Offset)
Die unteren Spitzen sind abgeschnitten und zeigen damit die Unzulänglichkeiten bei knapp über 0V.
Bild 03: Steigender Sägezahn 20 mHz von 0 bis 10V
Relativ schnelle Messwertübermittlung - erstaunlich gut.
Bild 04: Steigender Sägezahn 20 mHz von 0 bis 1V
In diesem Bereich ist die Auflösung von 0.1V (Treppenstufen) gut ersichtlich. Nur 7 bis 8 Treppenstufen die 1V nicht erreichen, auch hier die Unzulänglichkeit bei knapp über 0V sichtbar und beeinflusst die sichtbare Anzahl der Treppenstufen.
Bild 05: Steigender Sägezahn 5 mHz von 0 bis 10V
Im Bereich von 6.5V bis 10V ist die 0.1V-Stufung und der fehlende Datenwert für die 10V (Overload? Lücke oben) erkennbar.
Die leichte Unlinearität (Bogen) der ansteigenden Flanke (ggf. Lineal anlegen) ist auch optisch erkennbar.
2.3 Korrektur
Es lassen sich Korrekturfunktionen (ggf. auch aufwendige z.B. in der Shelly-App) hinterlegen, die eine Korrektur der Anzeige ermöglichen.
Bbei mir passte:
U-Anzeige = U + ΔU
≈ x + 0.02 * x * x - 0.228 * x + 0.28
Die Einheit ist frei wählbar und könnte auch mV, °C, Liter, usw. sein.
Die 0.1V-Schritte oder die Unzulänglichkeiten knapp oberhalb von 0V (Anzeigewert 0 bei z.B.: 0.2V. Bis ca. 1 V wird oft nur jeder 2. oder gar 3. 0.1V-Schritt erkannt.) lassen sich so, allerdings nicht beseitigen.
3. Zeitverhalten (Schnelligkeit der Messwert-Erfassung)
Bei der AD-Wandlung ist auch immer das Zeitverhalten von Interesse. Das Ergebniss (Kurvenform und Darstellung) wird ggf. durch die Abtastrate oder die Schnelligkeit der Messwert-Erfassung beeinflusst.
Um hier die Grenzen aufzuzeigen, wurde ein fallender Sägezahn mit 0.2 Hz von 10V bis 0V gewählt.
Bild 06
Bei Spannungsänderungen von mehr als 0.1V, wird etwa je Sekunde ein neuer Messwert übermittelt.
Die Stufen sind hier größer, da die Änderung >2V/s ist und die Grenze der “1 Messunn pro Sekunde” erreicht ist.
4. Eingangswiderstand / -impedanz
Der Eingangswiderstand ist nicht, wie üblich, einfach durch ohmsche Messung zu ermitteln. Vermutlich der Grund, warum man in den technischen Daten nicht fündig wird.
Eine Messung mit dem Oszilloskop zeigt negative und positive Impulse mit einer Frequenz von ca. 750 Hz, ähnlich einem Rechtecksignal, dass auf einen Kondensator gegeben wird und man den Strom bzw. Spannung über einem Widerstand misst.
Zur ungefähren Abschätzung, der Last bedingt durch das Voltmeter, wurde folgender Aufbau gewählt:
Über einen Spannungsteiler (100kOhm + 100kOhm) mit einer Betriebsspannung von 10V sollten sich am Mittelabgriff ca. 5V ergeben.
Wenn das Shelly-Voltmeter angeklemmt wird, dann steigt/fällt die Spannung um ca. 0,07V. Die gleiche Steigerung ergibt sich durch einen 2,7 MOhm Widerstand. Unter den gegebenen Bedingungen (bei 5V) dürfte der Eingangswiderstand in einer ähnlichen Größenordnung liegen.
5. Fazit
Das Voltmeter entspricht einem 2-stelligen Digitalmultimeter (mit 100 Counts) und einer 5% Genauigkeit über den Messbereich.
Man muss also mit einer Abweichung von ±0.5V über den ganzen Messbereich rechnen. Die übliche Angabe von “± x-Digits”, spielt bei der o.a. Toleranz wohl keine Rolle mehr bzw. ist bereits enthalten.
Die Unzulänglichkeiten im Bereich knapp über 0V lassen sich ggf. umgehen (Verlagerung in einen anderen Spannungsbereich). Das Addon übermittelt unerwartet schnelle Messwerte und ist daher für relativ agile UND große Spannungsänderungen geeignet.
Sensoren, deren relevante Änderungen größere Spanungenänderungen als 0.1V verursachen, können so auch in HA eingebunden werden.
Das “Shelly Plus Addon” hält in der Voltmeter-Funktion die angegeben Werte ein - auch wenn sie groß erscheinen mögen und findet seinen Platz bei der “groben,zeitnahen Wertermittlung”.
Verdeutlichung des Ausdrucks “grob”
Der Zollstock (Meterstab) bietet eine, um eine Zehner-Potenz bessere Auflösung und sollte keine Toleranz von ± 5cm zeigen, kann dafür aber auch nur Längen messen. 
Wenn die Shelly-Anzeige 5.0 zeigt, dann kann die wahre Spannung zwischen 4.5V und 5.5V liegen. Das mag für einige Anwendungen hinreichend genau sein.
Die praktische Huckepack-Montage des Addons auf einen herkömmlichen Shelly macht die Messstelle handlich, klein und angemessen im Preis.
R. Hsm