Digitalmultimeter

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Digitalmultimeter

Ein Digitalmultimeter (kurz DMM) ist ein digitales Test- und Messgerät in der Elektrotechnik, das zum Messen von elektrischen Strömen, Spannungen und für verschiedene andere Messzwecke (Widerstand, Kapazität, Induktivität, Leistung, Arbeit, Temperatur) z. B. zum Testen von Transistoren verwendet wird.

Sie arbeiten mit elektronischen Wandlern, Analog-digital-Umsetzern, und zeigen das Messergebnis als LED/LCD-Ziffernanzeige an bzw. ermöglichen eine Datenübertragung.

Bis zur Einführung der digitalen Geräte waren analoge Test- und Messgeräte üblich.

Der Ausdruck "31/2-stellige Anzeige" bedeutet, dass die erste Ziffer nur eine "1" darstellen kann. So kann z. B. im Messbereich "20 Volt" maximal der Wert 19,99 angezeigt werden, ggf. mit dem Vorzeichen "-" (minus) versehen.

Inhaltsverzeichnis

Anwendungen im Modellbaubereich

Spannung

Es können Wechsel- und Gleichspannungen gemessen werden. Die Prüfspitzen werden dabei parallel zum (gedachten) Verbraucher angelegt.

  • Prüfen neu erbauter Gleisabschnitte, Schalter und Verteilungen auf korrekte Versorgung


Widerstand

Der entsprechende Bereich sollte mit dem Symbol Ω (für die Größe Ohm, den elektrischen Widerstand) markiert sein. Die wählbaren Messbereiche sind meist in Zehnfachen von 20 angegeben.

  • Prüfen von Spulen (in Motoren oder Weichen und Signalantrieben) bei Verdacht auf Defekt (Windungsschluss)

Eine intakte Spule wird zunächst gemessen, um den üblichen Widerstand zu sehen. Ist der Wert bei der "Verächtigen" nun erheblich geringer, liegt vermutlich ein (irreparabler) Windungsschluss vor.

  • Identifizieren von Bauteilen (Widerständen) bei unklarer oder unleserlicher Beschriftung/Markierung

Bei Bauteilen unterschiedlicher Herkunft weichen die Farbtöne der Markierungsringe bisweilen erheblich voneinander ab. Bei Unsicherheit, ob nun der dritte Ring tatsächlich schwarz (Faktor 1), braun (Faktor 10) oder doch eher dunkelrot ist (Faktor 100) schafft der Multimeter Klarheit.

Durchgang

Schaltzeichen Diode

Die Schalterstellung ist meist mit dem Schaltzeichen für "Diode" markiert, gelegentlich findet sich noch eine weitere Position, die ein Lautsprechersymbol trägt. Hält man die Prüfspitzen an die Enden einer Leitung, ertönt ein Piep- oder Summton, der anzeigt, dass die Leitung durchgängig ist. Zeigt das Display dagegen eine Zeichenkombination wie "-OL-" (für Off-Line) oder ein "1" ganz links, ist die Leitung unterbrochen. Die Schalterstellung eignet sich für

  • Identifizieren defekter Adern/Leitungen
  • Identifizieren bestimmter Leitungen in einem Kabelbaum mit gleichfarbigen Adern
  • Prüfen von Trennstellen (Signalabschnitten)
  • Prüfen von Signalantrieben/Relais auf korrekte Funktion
  • Prüfung von Dioden auf Funktion und/oder Einbaurichtung

Stromstärke

Im Unterschied zur Spannungsprüfung wird bei der Messung der Stromstärke das Messgerät in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet. Bei manchen Modellen muss dazu das Kabel der einen Prüfspitze in eine andere Buchse eingesteckt werden.

Vorsicht! Möchte man unmittelbar darauf eine Spannung messen und vergisst das Zurückstöpseln der Leitung, kann eine eventuell vorhandene Feinsicherung sofort durchbrennen! Um diesen Ärger zu vermeiden,sollte man sich angewöhnen, vor jeder Messung den eingestellten Bereich und die Position der Stecker zu prüfen.

Bei umfangreicheren Modellbahnanlagen können die Transformatoren schnell an ihre Leistungsgrenze geraten. Rechnen wir pro konventionellem Glühlämpchen etwa 0,8 bis 1 Watt, so kann ein reichhaltig ausgeleuchteter Bahnhof (Gebäude, Bahnsteige, Gleisfeld, Signallämpchen) schnell die Kapazität eines ganzen 60-Watt-Trafos beanspruchen. Im Zweifelsfall die Beleuchtung in mehrere Kreise aufteilen und durch verschiedene Trafos versorgen. Eine Messung der einzelnene Verteilerkreise schafft da schnell Übersicht.


Transistor-Prüfung

Hierzu stellt man den Wählschalter auf "hFE", die Beinchen des fraglichen Transistors werden testweise in die entsprechend bezeichnete Lochschablone auf der Vorderseite eingesteckt. Durch probieren der verschiedenen Möglichkeiten des Einsteckens, wird eine davon ein Ergebnis in der Anzeige hervorufen. Jetzt notiert man sich die entsprechende Zuordnung der gekennzeichneten Löcher zu den Beinchen (E, C, B und ob es ein pnp- oder ein npn-Transistor ist. Hilfreich, wenn man mit einer unbekannten Gehäuseform oder einem Bauteil mit unklarer/undeutlicher Beschriftung zu tun hat.


Digitale Multimeter und ihre Wandler

Ein digitales Multimeter, DMM, kann durch meist mechanische Umschaltung mehrere elektrische Größen messen, üblich sind Spannung, Strom, Widerstand. Hochwertige DMM wählen den Messbereich selbst und können sich gegen Überlast/-spannung schützen. Diese zeigen dann auch den echten Effektivwert einer beliebigen Spannungsform an.

ADC nach dem Dual-Slope-Verfahren

Herzstück eines DMM ist der ADC. Die meisten Wandler arbeiten nach dem Dual-Slope-Verfahren. Er ist das Gegenstück zum Drehspulmesswerk. Dieses ist ein integrierendes Verfahren. Vergleiche dazu das Integral in Arithmetischer_Mittelwert. Ein Kondensator wird dazu mit einem Strom, welcher der Messspannung proportional ist, eine bestimmte Zeit t1 aufgeladen.

Wird eine Gleichspannung gemessen, so steigt die Kondensatorspannung zeitproportional an. Anschließend wird der Kondensator mit einer Referenzspannung gezielt entladen. Die Entladezeit t2 ist der Messgröße proportional, denn je größer die Ladeentspannung, desto länger dauert der Entladevorgang.

Während der Lade- und Entladezeit werden Impulse digital gezählt. Das Verhältnis der Lade- zu Entladezeit ist somit ein Maß für die Messspannung Ux = Uref (t2 / t1).

Ist die Messgröße eine Wechselspannung, so wird der Kondensator ständig auf und entladen. Nach genügend großer Zeit t1 ist die Kondensatorspannung trotzdem 0 Volt.

Mit dem ADC nach dem Dual-Slope-Verfahren kann man nur Gleichspannungen messen. Es ermittelt wie das Drehspulmesswerk den arithmetischer Mittelwert. Sollen Wechselspannungen gemessen werden, so ist ein Gleichrichter = Betragsbildner notwendig. Es ermittelt dann aber auch nur den arithm. Mittelwert der Wechselspannung. Da den Anwender aber der Effektivwert einer Wechselspannung interessiert, wird dieser mit dem Faktor 1,1 = 1/0,9 gewichtet. Hier wird für sinusförmige Spannungen der Effektivwert angezeigt.

  • Die Auflösung lässt sich durch längere Integrationszeit oder höhere Zählfrequenz verbessern.
  • Kostengünstiges Verfahren
  • Die Langzeitstablität der Kapazität macht sich in beiden Zeiten bemerkbar. Das Messergebnis wird nicht verfälscht.
  • Das integrierende Verfahren unterdrückt Brumm- und Rauschspannungen.
  • Es wird im AC-Bereich kein echter Effektivwert gemessen.
  • Das Verfahren ist langsam, aber für die menschliche Ablesegeschwindigkeit schnell genug.

Echt Effektivwertmessung

Soll der Effektivwert einer beliebigen Spannungsform gemessen werden, muss ein Wandler verwendet werden, welcher so wie das Integral zur Bestimmung des Effektivwertes arbeitet.

Funktionsprinzip:

Ein Absolutspannungs- Stromwandler erzeugt aus der Messspannung einen Strom I1. Dieser wird einem Quadrierer / Dividierer zugeführt. Der Divisor entsteht durch einen Spiegelstrom nach Integration mit einem Kondensator. Er ist der Mittelwert des Stromes I1. Dadurch wird ein Ausgangsstrom gebildet, welcher dem true Effektivwert entspricht. Vergleiche Datenblatt Maxim Mx536A.

Fehler beim Messen mit dem Digitalmultimeter

Abgleich-Fehler

DMM haben zur Bereichswahl einen Spannungsteiler. Hier verbergen sich Fehler durch die Toleranz der Widerstände.

Linearitätsfehler

Integrale Linearität: Die Übertragungskennlinie eines Analog-digital-Umsetzers ist nicht linear. Die Ursache lässt sich z.B. beim ADC nach dem Verfahren der Sukzessiven Approximation SAR mit den Widerständen des internen DACs erklären.

Quantisierungsfehler

Differenzielle Linearität: Sind die Quantisierungsschritte nicht gleich groß, so entstehen Fehler, wenn die Spannung von einer höheren zur tieferen Stufe oder umgegekehrt wechselt.

Obige Unsicherheiten werden zusammengefasst mit der Angabe z. B. F = +-( 0,1 % vA + 2 Digit)

Einflussgrößen

Temperatur

Wirkt eine Temperatur auf das Messgerät ein, wird die Messunsicherheit größer. Die Angabe erfolgt mit einem Steigungsfaktor z. B. F * 1/10 K

Crestfaktor

Der Crestfaktor ist das Verhältnis von Amplitude zu Effektivwert, z. B. für Sinus C = 1,414. Ist die Amplitude sehr viel größer als der Effektivwert, z. B. bei Impulsen, kommt es zu Fehlmessungen. Die Grenze ist spannungsabhängig. Typisch ist C = 1 für Gleichspannung. Der Effektivwert der Gleichspannung ist gleich der konstanten Amplitude. Bei Wechelspannung ist in Europa die Nennspannung (Effektivwert) 230 Volt, die maximale Amplitude liegt bei 325 Volt.

Berechnung der Messunsicherheit

Beispiel 1:

Anzeige U = 123,4 V; Angabe des Herstellers: <math>F = \pm \mathrm{(0{,}1\,%\,vA\,+\,2\,Digit)}</math> (mit vA = von der Anzeige)
<math>F_1 = \pm (123{,}4\,\mathrm{V} \cdot 0{,}001 + 2 \cdot 0{,}1\,\mathrm{V}) = 0{,}3234\,\mathrm{V}</math>

Beispiel 2:

Das Messgerät wird in einer Umgebung mit höherer Umgebungstemperatur 45 °C betrieben. Der Hersteller gibt die obige Messunsicherheit für einen Betriebstemperaturbereich von 10 °C ... 30 °C an.
Zusatzfehler: F = (0,05 % vA + 2 D)/ 10 K (mit vA = von der Anzeige)

<math>F_2 = \pm (0{,}0005 \cdot 123{,}4\,\mathrm{V} + 2 \cdot 0{,}1\,\mathrm{V}) \cdot 15\,\mathrm{K} / 10\,\mathrm{K} = \pm (0{,}2617) \cdot 1{,}5 \,\mathrm{V} = 0{,}39255\,\mathrm{V}</math>

<math>F_{\rm ges} = F_1 + F_2</math>

Weblinks


Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Digitalmultimeter aus der freien Enzyklopädie Wikipedia, teilweise können Textpassagen übernommen worden sein. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
Bitte fügt detaillierte Infos zu den Vorbildern entsprechend in der Wikipedia hinzu, so dass wir uns hier auf die Modellbauaspekte konzentrieren können.