Messen mit digitalen Multimetern – eine Übersicht

GELERNT IST GELERNT
Messen mit digitalen Multimetern –
eine Übersicht
GRUNDLAGEN In der Elektrotechnik gehört das Messen mit digitalen Messgeräten längst
zum Standard. Analoge Zeigermessgeräte haben kaum noch Bedeutung, obgleich sie in hochwertiger Ausführung, wie beispielsweise bei den sehr empfindlichen Speigelgalvanometern,
extrem genau sind.
D
Quelle: P. Groß
igitale Multimeter (DMM) erfassen
konstanten Anteil zusammen. Der proden Messwert nur noch rein elektzentuale Anteil wird im Wesentlichen
ronisch mittels Analog-Digital-Umsetbestimmt durch Abgleich-, Linearitätszer (ADU), der häufig nach dem Dualund Quantisierungsabweichungen, die
Slope-Verfahren (Zwei-Flanken-Verfahzusammengenommen diesen ersten
ren) arbeitet (vgl. S. 78). Die Ausgabe
Wert bilden. Man findet ihn in Verbinerfolgt mittels Flüssigkristallanzeige
dung mit der Abkürzung »v. M.«, was
(LCD=liquid chrystal display) in einfür den Ausdruck »vom Messwert«
deutiger Ziffernform (Bild 1).
steht (DIN 43751-1, Messen, Steuern,
Bild 1: Flüssigkristallanzeige mit analoger
Balkengrafik
Außer den Ziffern gibt es oftmals
Regeln; Digitale Meßgeräte; Allgemeine
auch eine zusätzliche analoge BalkenFestlegungen über Begriffe, Prüfungen
grafik (Bargraphanzeige), die in gerader oder gebogener Version
und Datenblattangaben).
oberhalb oder unterhalb Ziffernanzeige steht (Bild 1) und es erDer konstante Anteil legt eine zusätzliche Messunsicherheit in
möglicht, sich ändernde Werte besser zu verfolgen.
»Digits« fest, die zur prozentualen Abweichung hinzuaddiert wird.
Auf dem Markt gibt es inzwischen eine Vielzahl von Multimek ⋅M
+ z ⋅l
F=
tern, die sich in ihren Möglichkeiten unterscheiden (Bild 2). Zur
100
Grundausstattung von DMM gehören:
Die einzelnen Buchstaben stehen für:
• Gleich- und Wechselspannungsmessung
• F = zulässiger absoluter Fehler (Betrag der Messunsicherheit)
• Gleich- und Wechselstrommessung
• M = Messwert (angezeigter Wert)
• Widerstandsmessung und Durchgangsprüfung
• k = prozentualer Anteil der Messunsicherheit
Dazu kommen bei besser ausgestatteten Geräten:
• z = konstanter Anteil in Digit
• Frequenzmessung
• l = Auflösung der Digitalanzeige
• Kapazitätsmessung
Ein Beispiel soll dies noch etwas anschaulicher machen. Das
• Temperaturmessung
DMM zeigt mit einer 3 ½-stelligen Anzeige den Wert 18,45 V an
• Diodenmessstrecken, Transistorprüfung
und hat 0,5 % + 2 Digit Messunsicherheit. Der Messbereich ist
20 V. Wie groß ist der absolute Fehler? Lösung:
Anzeigeumfang, Auflösung und Anzeigefehler
Auflösung =
Messbereich
Anzeigeumfang
Angenommen der Messbereich ist 20 V und das Display hat den
Umfang von 3 ½, so wäre die kleinste Messgröße 10 mV.
Die Genauigkeit von DMM bezieht sich immer auf den Messwert und wird als Messunsicherheit (Messfehler) bezeichnet. Diese Unsicherheit setzt sich aus einem prozentualen und einem
76
F=
0,5 ⋅18,45 V
+ 2 ⋅ 0,01V = 0,11225 V
100
Letztendlich kann also der Messwert zwischen den Werten 18,34 V
und 18,56 V (gerundet) liegen.
STELLENZAHLANGABE BEI MULTIMETERN
Stellenzahl
½
Anzeige
1. Stelle: 0 oder 1
¾
1. Stelle: 0,1 oder 2
3
000 bis 999
3½
000 bis 1999
4¾
00000 bis 29999
Anzeigeumfang
–
–
1 000
2 000
30 000
Tabelle 1: Beispiele für Stellenzahl und Anzeigeumfang eines DMM
de 7.2013
Quelle: M. Diehl, Redaktion »de«
Der Anzeigeumfang ist die Auskunft, wie viele Werte die Anzeige
darstellen kann. Die Stellenzahl ist hierfür eine gebräuchliche
Angabe im Datenblatt eines Geräts. Ist die Stellenzahl 3 ½, so
kann das Display vom Umfang her 2 000 Werte darstellen, also
von 0000… 1999 (Tabelle 1).
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Anzeige ist die Auflösung.
Sie gibt die kleinste Messgröße an, die innerhalb eines Messbereichs noch angezeigt werden kann.
GELERNT IST GELERNT
de
den Widerstand ebenfalls eine Spannung erzeugt, die wiederum zur Anzeige gebracht werden kann. Die
Prinzipschaltung eines DMM (Bild 3)
verdeutlicht den gesamten Weg des
Messsignals vom Eingang des Geräts
bis zur Anzeige.
Bild 2: Digitale Multimeter mit unterschiedlicher Ausstattung
Prinzipielle Vorgehensweise
bei Messungen
Quelle: P. Groß
Für jede praktische Messung ist es ratsam, sich vorher zu vergegenwärtigen mit
welchem Messergebnis gerechnet werden kann (Messerwartung), um den
Wahlbereichsschalter (vgl. Bild 2) entsprechend in Position zu bringen. Ist das
Messergebnis nicht bekannt, wird mit
dem größtmöglichen Bereich begonnen.
Verfügt das Gerät über eine automatische Bereichswahl (Auto
Range), kann dieser Schritt entfallen. Sie schließt auch die Bargraphanzeige ein und ist bei allen vorhandenen Meßarten wirksam. Ansonsten ist die Vorgehensweise bei ausgeschaltetem Multimeter folgende:
• Einstecken der Messleitungen in die Anschlußbuchsen,
entsprechend der gewünschten Messart (Strom-,
Spannungs- oder Widerstandsmessung)
• Einstellen der Messart
• Messleitungen mit Messstelle verbinden.
• DMM einschalten
Außerdem gibt es generelle Sicherheitshinweise, die unbedingt
beachtet werden sollten:
• Nur geeignete Messleitungen mit vorschriftsmäßiger
Isolierung benutzen
• Sich vor der Messung nochmals vergewissern, dass der
richtige Messbereich gewählt ist
• Gefährdungen durch direktes oder indirektes Berühren
müssen ausgeschlossen sein
• Das Messgerät muss von seiner Kategorie her (EN 61010-1)
für die Messung geeignet sein (vgl. S. 78)
Vom Messobjekt zum angezeigten Wert
Der Anfangs erwähnte Analog-Digital-Umsetzer kann nur eine
Spannung verarbeiten. Deswegen sind für die Messung von Strömen und Widerständen Messwertumformer nötig. Für die Umformung von Strömen dienen Präzisionswiderstände, durch die der
Messstrom fließt.
Widerstände werden mit Hilfe einer Konstantstromquelle gemessen. Durch den so erzeugten Strom wird an dem zu messen-
Bereichsumschalter
Eingangsverstärker
Analog-DigitalWandler
Mikrocontroller
Quelle: M. Diehl, Redaktion »de«
⊂
µC
#
Technische Kennwerte
eines DMM (Auswahl)
Du
Durch die große Bandbreite der auf
de
dem Markt erhältlichen Multimeter,
gi
gibt es keine allgemein gültige Aussage zu typischen Parametern und Kennwerten dieser Geräte. Dennoch gibt es auch hier minimale Anforderungen, die ein gutes
Messgerät haben sollte:
• Spannungsbereich 10 μV … 1 000 V
• Strombereich 0,1 mA … 10 A
• Widerstandsmessung 0,01 Ω … 40 MΩ
• Eigenabweichung ± 0,5 % v. M. + 3 Digits (Wechselspannung)
• Eigenabweichung ± 1,5 % v. M. + 30 Digits (Wechselstrom)
• Eigenabweichung ± 0,2 % v. M. + 5 Digits (Widerstandsmessung)
• Mögliche Stellenzahl wenigstens 12 000 Digits
• Bandbreite 1 kHz … 10 kHz
• Messkategorie CAT III / 1 000 V
• 40 Analog- und 10 Digitalmessungen pro Sekunde
Zusätzliche und nützliche Funktionen
Je komfortabler ein DMM ausgestattet ist – dies ist natürlich sehr
häufig ein Frage des Preises – umso mehr nützliche Funktionen
sind in der Ausstattung vorhanden:
• Hold-Funktion: Durch Drücken der HOLD-Taste wird der im
Display angezeigte Wert festgehalten (»eingefroren«). Durch
nochmaliges Drücken kehrt das Gerät wieder in den Messbetrieb zurück.
• Store-Funktion: Ein momentaner Meßwert wird bei Drücken
der Taste »STORE« im internen Messwertspeicher abgelegt.
• Min. / Max.-Funktion: Speichen des kleinsten und größten
Meßwertes bei veränderlichem Meßwert
• Relativwertmessung: Es wird ein auswählbarer Meßwert (Referenzwert) per Tastendruck gespeichert und die Differenz bei
Folgemessungen zwischen dem Referenzwert und den Momentanwerten angezeigt.
• Datenübertragung: über RS232-, USB- oder Infrarot-Schnittstelle und entsprechender Software lassen sich die Meßwerte
zu einem Computer Übertragen und weiterverarbeiten.
Abschließend sei noch erwähnt, dass die bisher beschriebenen
Funktionen oder Parameter stets unter den Referenzbedingungen
des Herstellers zu sehen sind. Die wichtigste Größe für die Justierung ist die Temperatur. Nach DIN 43751-1 sind die möglichen
Werte hierfür 20 °, 23 ° oder 25 ° Celsius.
AUTOR
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Bild 3: Blockschaltbild eines digitalen Multimeters
www.elektro.net
Dipl.-Ing. Peter Groß,
Leipzig
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