Labor für elektrische Messtechnik

Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften
Fachbereich Elektrotechnik
Prof. Dr. -Ing. M. Könemund
Prof. Dr. -Ing. P. Stuwe
Dipl.-Ing. S. Liu
Labor für elektrische
Messtechnik
Versuch 8 Kalibrieren eines Multimeters
1 Theorie
Unter Verwendung eines einstellbaren Präzisions-Spannungsgenerators für Gleich- und
Wechselspannungen wird ein analoges und ein digitales Multimeter kalibriert, d.h. seine aktuellen Abweichungen vom Idealverhalten verglichen mit den zulässigen Fehlergrenzen des
Datenblattes. Mit den Ergebnissen wird ein Prüf-Protokoll angefertigt.
1.1 Eingangswiderstand des Messgeräts
Betrachtet man ein Vielfach-Messgerät elektrisch nur als Zweipol, den man an dem Messpunkt anschließt, so unterscheiden sich analoge Zeigerinstrumente (ohne Verstärker), solche
mit Verstärker und digitale Messgeräte sehr grundsätzlich in ihrem äußeren elektrischen Verhalten.
(Passive) Zeigerinstrumente sind stromgesteuerte Anzeigegeräte, die für die Bewegung des
Messwerks einen bestimmten Stromfluss (z.B. 0..30 µA) benötigen, den die zu untersuchende
Spannungsquelle liefern muß. Durch eine Kette von Vorwiderständen mit dem Bereichs-
Abbildung 1 passives Vielfachinstrument Strom/ Spannung mit 1 kΩ/Volt
schalter wird sichergestellt, daß in allen eingestellten Spannungs-Messbereichen ein etwa
konstanter Strom durch das Messgerät fließt.
Fließt so durch das Gerät bei Vollausschlag des Zeigers der gleiche Strom durch die Messspitzen, im 3 V-Bereich genauso wie im 300 V-Bereich, ergibt sich ein veränderlicher Eingangswiderstand des Messgerätes, der sich mit der Wahl des Messbereichs ändert (typisch 30 kΩ / Volt, mit Bezug auf den gewählten Messbereich).
Heute verwendete digitale Multimeter sind zunächst Spannungsmessgeräte. Am Eingang wird
ein hochohmiger Spannungsteiler verwendet, von dem mit dem meist zentral angeordneten
Bereichsumschalter bei Bedarf Teilspannungen abgenommen werden. Daher ist der Ein-
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Kalibrieren eines Multimeters
gangswiderstand bei solchen Geräten hochohmig (typisch 10 MΩ) und in allen Bereichen
konstant.
Werden Vielfach-Messgeräte in realen elektronischen Schaltungen eingesetzt, so entstehen
durch den Eingangswiderstand des Messgerätes in Verbindung mit dem Quelleninnenwiderstands möglicherweise große systematische Messfehler oder sogar Störungen der Schaltung.
1.2 Fehlerquellen
Führt man eine Messung durch und notiert den angezeigten Wert, so ist neben der Größe des
Wertes auch die Messunsicherheit von Interesse. Diese mögliche Abweichung zwischen dem
„wahren“ Wert und dem abgelesenen Wert ist vor allem dann wichtig, wenn der Messwert
eine zugesagte Eigenschaft eines Produktes darstellt (z.B. Reichweite, Empfindlichkeit, Leistungsverbrauch).
Bei den Ursachen der Abweichung unterscheidet man:
• zufällige Abweichungen
Sie werden durch zufällige elektrische oder mechanische Störungen, Rauschen, Reibung,
durch Übertragungs- oder Ablesefehler verursacht. Wiederholt man die Messungen
mehrmals, kann durch Mittelwertbildung die Abweichung verringert werden.
• systematische Abweichungen
Sie werden durch eine große Anzahl Ursachen hervorgerufen, die regelmäßig und vorhersagbar auftreten. Dazu gehören Nichtlinearitäten von Bauelementen oder Anzeigegeräten,
Temperatureinflüsse, Lageabhängigkeiten, Nullpunkt- und Skalenfaktorfehler, Trägheit,
Resonanz, Abweichungen durch Quelleninnenwiderstände, Leckströme, Isolationsmängel
und anderes. Sind die Ursachen und Einflüsse genau genug bekannt, könnte man systematische Fehler korrigieren.
1.3 Klassengenauigkeit
Die Klassengenauigkeit oder Garantiefehlergrenze eines Messgerätes ist ein bei analogen
Instrumenten vom Hersteller festgelegter Wert. Der Hersteller sichert dem Benutzer zu, dass
die Fehler der mit dem Messgerät unter festgelegten Bedingungen ermittelten Messwerte innerhalb der angegebenen Grenzen liegt und diese keinesfalls überschreitet. Diese Garantiefehlergrenze G als mögliche größte Abweichung bezieht sich auf den Messbereichsendwert
Unsicherheit ∆x
∆x
G =±
=
Meßbereichsendwert X
X
und bildet so ein Unsicherheitsband mit konstanter Breite um die ideale Kennlinie herum.
1.4 Fehlergrenzen digitaler Messgeräte
In den Datenblättern von digitalen Messgeräten ist die Messunsicherheit aufgeteilt in einen
Skalenfaktorfehler und eine Nullpunktabweichung, weil die Nichtlinearität der Messwertverarbeitung nur vernachlässigbar klein ist. Die Messunsicherheit G ist für jeden Bereich angegeben als
G = ± ( % der Ablesung ± Anzahl von Meßschritten (digits ))
und bildet deswegen als Unsicherheitsbereich einen mit dem Ausschlag zunehmenden Trichter und einem kleinen konstanten Anfangsbereich.
Bei der Kontrolle digitaler Messgeräte ist zu beachten, dass ein Offsetfehler der Wandlung
dazu führen kann, dass die Abweichung auf Grund der Quantisierung nicht symmetrisch zum
Messwert liegen. Da bei der Kalibrierung die max. mögliche Abweichung bestimmt werden
soll, muss sich bei der Untersuchung des Digitalmessgerätes dem korrekten Anzeigewert
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Kalibrieren eines Multimeters
einmal von einem geringeren und einmal von einem höheren Wert kommend angenährt werden. Der (vom Betrag her) größere Wert ist dann im Kalibrierprotokoll festzuhalten.
1.5 Auflösung
Die Anzahl der angezeigten Stellen bei einem digitalen Messgerät hat nur wenig mit der Genauigkeit der Messung zu tun. Die kleinste unterscheidbare Wertänderung ist ein Schritt in
der kleinsten Stelle, die Auflösung des Messbereichs. Die Messunsicherheit kann aber um ein
vielfaches größer als die Auflösung sein. Als Beispiel kann ein Vielfachmessgerät (LCDAnzeige 0…3999) mit der Auflösung 1/3999 = 0,025% im Bereich Gleichspannung eine
Messunsicherheit von ±(0,8% ± 3 digits) haben, ein real viel größerer Wert.
1.6 Kalibrieren
Kalibrieren ist eine Prüfung auf Einhaltung der zugesicherten Fehlergrenzen unter vereinbarten Testbedingungen, z.B. Raumtemperatur, Lage des Geräts, Aufwärmzeit und Signalform. Das Ergebnis ist hauptsächlich „erfüllt“ oder „nicht erfüllt“. Abweichungen vom Idealwert werden nicht korrigiert. Die Messergebnisse werden protokolliert.
Bei der Herstellung oder Reparatur eines Messgerätes werden die Eigenschaften justiert, bis
sie innerhalb der Fehlergrenzen liegen.
Das moderne Qualitätsmanagement (ISO9000) fordert für alle wertenden Messgeräte eine
regelmäßige Kalibrierung gegenüber einem geeignet genauen Referenzgerät.
1.7 Spannungs-/Stromnormale
Für den Einsatz als Prüfgeräte oder Signalquellen in Versuchen gibt es besondere einstellbare
Spannungs- oder Stromquellen, die über digitale Schalter in feinen Stufen einstellbar, z.Teil
auch fernsteuerbar (z.B. über den IEC-Bus) sind und speziell für eine hohe Stabilität der Ausgangswerte entwickelt wurden. Werden sie von offiziell zugelassenen Prüfinstituten, z.B. dem
Deutschen Kalibrierdienst DKD auf Genauigkeit und Einhaltung der Werte, besonders mit
Bezug auf die offiziellen Größen des SI-Systems der PTB, überprüft, können sie als Normalspannungsquellen für die Prüfung und Freigabe von Messgeräten verwendet werden. Von
einem Labornormal erwartet man in der Regel eine um den Faktor 3...10 geringere Messunsicherheit als die des Prüflings. Besonders die Erzeugung fein abgestufter Wechselspannungen mit hoher Genauigkeit erfordert einen hohen technischen Aufwand.
Ein solches Kalibriergerät wird im Rahmen dieses Versuches eingesetzt.
1.8 Messfehler in realen Schaltungen
Eine aktive elektronische Schaltung, z.B. ein Transistor-Verstärker, bildet ein kompliziertes
Netzwerk aus linearen und nichtlinearen Bauelementen. Häufig haben Ströme und Spannungen in der Schaltung sehr geringe Werte und sind miteinander verkoppelt. Durch das Hinzufügen des Messgeräte-Innenwiderstands beim Messen wird das Verhalten der Schaltung beeinflusst oder sogar gestört. Eine Messung gegen das Null-Potential (Masse) führt z.B. zu
einem zusätzlichen Abfluß von Strom aus einem Netzknoten, eine Messung der Spannungsdifferenz führt zu Zu- und Abflüssen des Stroms zwischen den Netzknoten. Knoten mit sehr
geringen Strömen lassen sich häufig nur indirekt oder mit Spezialmessköpfen messen.
Eine Spannungsmessung an Quellen mit hohem Quellenwiderstand ergibt systematisch falsche Messungen mit Abweichungen, die häufig viel größer als die angegebenen Messgeräteunsicherheiten sind. Möglicherweise wird die Funktion der Schaltung durch die Messung
massiv gestört.
Zusätzlich zur Verschiebung der Gleichspannungsarbeitspunkte können durch die Messgeräte
und angeschlossenen Kabel Brumm- und Hochfrequenzstörungen in die untersuchte Schaltung eingekoppelt werden.
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Kalibrieren eines Multimeters
Versuch 8 Kalibrieren eines Multimeters
2 Versuchsvorbereitung
2.1
Allgemeine Kurzfragen
a) Erklären Sie den Unterschied zwischen „Eichen“, „Kalibrieren“ und „Justieren“.
b) Unmittelbar neben der Skala eines analogen Messgerätes befinden sich die folgende
Symbole:
- 1,0
3
!
~ 2,5
Erklären Sie die Bedeutung dieser Symbole!
∩
c) Ein 3 12 -stelliges Digitalmultimeter messe in einem Messbereich von 4 V eine Spannung von 1 V (Anzeige: 1,000). Die Abweichung ist vom Hersteller mit
± (0,8% + 3 dgts) angegeben. In welchem Bereich (von/bis) befindet sich der tatsächliche Spannungswert?
d) Diskutieren / berechnen Sie, wie viele der angezeigten Stellen des unter c) beschriebene Messgerät genau sind?
e) Zu welcher Art von Fehlern gehört ein Offsetfehler? Begründen Sie Ihre Antwort.
2.2 Kalibrator
Es soll sich mit der Bedienungsanleitung des im Versuch verwendeten Kalibrators „Fluke
5500A“ vertraut gemacht werden. Zur Durchführung soll mind. der Kapitel 4 „Front Panel
Operation“ Bedienungsanleitung von Ihnen mitgebracht werden:
•
Erklären Sie die Funktionen der Tasten „STBY“, „OPR“, „EARTH“, „RESET“, „CE“
sowie die Verwendung der Buchsen „Normal“ und „Aux“.
•
Beschreiben Sie kurz das prinzipielle Vorgehen (incl. der notwendigen Bedienschritte
am Kalibrator) für die Kalibrierung eines Spannungs-, Stroms und Widerstandsbereichs.
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Kalibrieren eines Multimeters
Die Fehlergrenzen werden von Ihnen am Laborplatz für die dort zur Kalibrierung bereitstehenden Geräte ermittelt und eingetragen. Unter Verwendung der dort vorhandenen Datenblätter und Tabellen bereiten Sie die Kalibrierung der Messgeräte vor, indem Sie für einen
ausgewählten Bereich der Messgeräte die Fehlergrenzen berechnen und skizzieren. Es spricht
nichts gegen die Kalibrierung eines von Ihnen mitgebrachten Messgerätes! Soll hierfür eine
Kalibrierung durchgeführt werden ist die zugerhörige Bedienungsanleitung, aus der die vom
Hersteller angegebenen Toleranzen entnehmbar sind, vor Beginn des Versuchs vorzulegen.
2.3
Transistorschaltung
Abbildung 2: Transistor-Verstärker in Emitterschaltung
mit NPN-Transistor
Annahmen:
Basis-Emitter-Spannung
UBE = 0,6 Volt;
Stromverstärkung
B = IC / IB = 100,
Basisstrom = 1/B ⋅ Kollektorstrom
Für eine vereinfachte Rechnung
gilt: I(R1) << I(R4)
Arbeitspunkte und Potentiale der Schaltung (Näherungsrechnung):
Berechnen Sie den Arbeitspunkt und
• den Strom im Spannungsteiler R3, R4, unbelastet
• die Spannung am Punkt TP1.
• die Spannung am Testpunkt TP4 unter der Annahme UR1 = 150 mV (Anwendung des
Maschensatzes)
• den Emitter- gleich Kollektorstrom über UTP4 und R5
• die Spannung am TP3 über den Kollektor-Strom, der näherungsweise wertmäßig dem
Emitterstrom entspricht.
Sollten Sie eine Simulation der Schaltung vornehmen ist ggf. die Gleichstromverstärkung B
des Transistormodells entsprechend den Angaben des Anhangs zu modifizieren!
Bereiten Sie eine Tabelle zur Durchführung 3.2 vor.
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Kalibrieren eines Multimeters
3 Durchführung
3.1 Kalibrierung
Am Kalibrator ist eine maximale Ausgangsspannung von ± 50 V und ein maximaler Strom
von ± 3 A voreingestellt. Diese Einstellung darf aus Sicherheitsgründen während des Versuchs nicht verändert werden!
Kalibrieren Sie ein analoges und ein digitales Multimeter in jeweils
• 2 Gleichspannungsbereichen,
• 1 Wechselspannungsbereich bei 50 Hz
• 1 Wechselspannungsbereich an der vom Hersteller angegebenen oberen Frequenzgrenze
• 2 Gleichstrombereichen (nach Wahl),
jeweils Anfangs-, Endwert und 3 Zwischenwerte.
Die Anfertigung eines (endgültigen) Kalibrierprotokolls sollte – sofern die Zeit ausreicht –
bereits während der Versuchsdurchführung erfolgen.
Hinweise zur Kalibrierung nach VDI-Richtinie 26221 (gekürzt)
• Vor der Kalibrierung ist der u. a. allgemeine Zustand des Messgeräts durch eine
Sichtprüfung zu begutachten, bei festgestellten Mängeln, die die Sicherheit des Geräts
oder des Kalibrierpersonals gefährden, erfolgt die Kalibrierung erst nach deren Beseitigung.
• Während der Kalibrierung sind die vom Hersteller angegebenen Referenzbedingungen,
Einlaufzeiten usw. zu beachten.
• Das Kalibrieren der Messgrößen Spannung und Strom kann prinzipiell mittels eines geeigneten Normals oder per Vergleich mit einem weiteren Messgerät, welches dann als
Bezug dient, durchgeführt werden.
• Es sind folgende Kalibrierpunkte zu überprüfen
o Nullpunkt im kleinsten Messbereich, in allen anderen Messbereichen der Messbereichsanfang (z.B. 10 %)
o 5 gleichmäßig verteilte Messpunkte
o Messbereichsendwert (ggf. 90%)
Sind (bei Wechselstrom und -spannungsmessungen) keine Frequenzwerte angegeben,
so sind am Messbereichsanfang 50 Hz oder 1 kHz zu verwenden, in der Messbereichsmitte 20 Hz, 50 Hz und 1kHz und am Messbereichsendwert 20 Hz, 50 Hz, 1 kHz sowie
20 kHz.
1
Diese Richtlinie VDIVDE/DGQ/DKD 2622 gilt streng genommen ausschließlich für Digitalmultimeter, soll
jedoch in diesem Versuch auch für die Überprüfung des analogen Messgerätes angewendet werden.
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Laborbericht Kalibrieren eines Multimeters
Kalibrierprotokoll: Prüfung eines analogen Multimeters
Datum:
Uhrzeit:
Prüfstand:
Spannungs-/Stromnormal:
verwendete Messbereiche
Raumtemperatur:
Prüfling:
Bezeichnung
Typ
Seriennummer:
Inventar-/Geräte-Nummer
Baujahr:
Prüfer:
Ergebnis:
das Gerät ist zur allgemeinen Benutzung freigegeben:
O ja
O nein
Datum, Unterschrift
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Kalibrieren eines Multimeters
Kalibrierprotokoll: Prüfung eines digitalen Multimeters
Datum:
Uhrzeit:
Prüfstand:
Spannungs-/Stromnormal:
verwendete Messbereiche
Raumtemperatur:
Prüfling:
Bezeichnung
Typ
Seriennummer:
Inventar-/Geräte-Nummer
Baujahr:
Prüfer:
Ergebnis:
das Gerät ist zur allgemeinen Benutzung freigegeben:
O ja
O nein
Datum, Unterschrift
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Kalibrieren eines Multimeters
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Kalibrieren eines Multimeters
3.2
Messaufgabe
Schließen Sie nun die Transistorschaltung an ein 12 V-Labornetzgerät an. Messen Sie die genaue
Quellenspannung des Netzgeräts und anschließend die Gleichspannungsarbeitspunkte der Transistorschaltung wie in der Abbildung 2 beschrieben.
Schalten Sie bei der Messung mit dem analogen Multimeter auch in höhere Messbereiche und
beobachten Sie die Auswirkung dieses Umschaltens auf die Arbeitspunkte der Schaltung.
Die folgenden Messungen sollen jeweils mit dem Analog- und dem Digitalmultimeter durchgeführt werden:
(a) Basis-Vorspannung: TP1 gegen Masse, TP 2 gegen Masse ; dazu als Kontrolle mit dem anderen Instrument die Spannungsänderung durch den Messvorgang an TP4
(b) Basis-Strom durch eine Spannungsmessung von TP1 gegen TP2;
(c) Basis-Kollektor-Spannung: TP3 gegen TP2 , dazu als Kontrolle mit dem anderen Instrument
die Spannungsänderung durch den Messvorgang an TP4
(d) Kollektorspannung: TP3 gegen Masse.
(e) Erstellen Sie eine Tabelle mit den Spalten für errechnete Werte, „wahre Werte“ (Laborplatz),
gemessene UNIGOR-Werte, %Fehler zwischen gemessenen und wahren Werten des UNIGORs, gemessene Digitalmultimeter-Werte, %Fehler für die gemessenen Werte an den Testpunkten.
4 Auswertung
• Zu 3.1: Die Kalibrierurkunden werden (sofern ausreichend Zeit vorhanden ist) am Laborplatz
mit der Beendigung der Messungen fertig gestellt. Die Ergebnisse werden unmittelbar nach
dem Versuch präsentiert und die Geräte für die weitere Verwendung freigegeben oder gesperrt. Die geprüften Geräte werden entsprechend gekennzeichnet.
• Zu 3.2: Die bei der Einbringung der Messgeräte in die Transistorschaltung beobachteten Effekte sind zu diskutieren. Die Arbeitspunkte der Transistorschaltung sind - erweitert um die
Innenwiderstände der Messgeräte - erneut zu berechnen und mit den gemessenen Werten zu
vergleichen. Die tatsächlich in der Schaltung vorhandenen Spannungen und Ströme sind zu
bestimmen und mit den gemessenen zu vergleichen. Eventuell auftretende Abweichungen
sind zu diskutieren.
Die Verwendbarkeit der Messgeräte in dieser Schaltung ist zu diskutieren
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Laborbericht Kalibrieren eines Multimeters
5 Prüflinge und Geräte:
Bei dem Versuch eingesetzte Prüflinge：
Transistor-Verstärker in Emitterschaltung
mit NPN-Transistor
Analoger Multimeter „UNIGOR 3n“
Digitaler Multimeter „M-3860M“
Digitaler Multimeter „HEWLETT PACKRAD
34401A“
Digitaler Multimeter „VOLTCRAFT VC222“
Digitaler Multimeter „VOLTCRAFT VC444“
ACHTUNG: Frequenzbereich: bis 400Hz
Bei dem Versuch eingesetzte Geräte:
Kalibrator „Fluke 5500A“
Datenblätter und Anleitungen zu den Geräten finden Sie auf dem Messplatz.
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