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Inhaltsverzeichnis
 
 
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Digitalmultimeter

Der Film zum Kapitel


Messbereiche

Digitale Multimeter vereinen die Messung verschiedener elektrischer Größen in einem Gerät. Typischerweise können mit einem derartigen Instrument Widerstände, Spannungen und elektrische Ströme gemessen werden.

Widerstandsmessung

Widerstandsmessung
Abbildung 1:
Die Widerstandsmessung erfolgt, indem das Multimeter als Konstantstromquelle fungiert und die zur Aufrechterhaltung des Stromes nötige Spannung wird in den Widerstandswert umgerechnet. Die Stromstärke hängt vom gewählten Messbereich ab: Je höher der Messbereich, um so geringer der Prüfstrom, da ansonsten eine sehr hohe Spannung an die Prüfspitzen gelegt werden müsste, um den entsprechenden Stromfluss zu generieren. Zur Widerstandsmessung wird elektrische Energie in Form einer eingebauten Batterie benötigt.
An welcher Leitung des Multimeters der Plus- beziehungsweise Minuspol anliegt, hängt von dem verwendeten Gerät ab. Bauteile wie Dioden besitzen einen von der anliegenden Polarität abhängigen Widerstand, während das bei Ohmschen Widerständen nicht der Fall ist.
In der Stellung für Widerstände bis zu 2 Kiloohm kann der Spannungsabfall an einer in Vorwärtsrichtung geschalteten Diode gemessen werden. Dazu muss die schwarze Prüfspitze an die Kathode und die rote Prüfspitze an die Anode gehalten werden. Bei falscher Polung wird eine 1 im Display angezeigt.
Die Widerstandsmessung des in dem Video verwendeten Gerätetyps ist um einen sogenannten Durchgangsprüfer erweitert. In dieser Stellung wird der Widerstand gemessen und sobald dieser unter einen bestimmten Wert (hier: 1.5kΩ) fällt, ertönt ein Signal, so dass die Messung auch ohne Blick auf das Display erfolgen kann. Damit lassen sich zum Beispiel Transformatoren oder die Ankerwicklung eines Elektromotors schnell überprüfen.
Da bei der Widerstandsmessung eine Spannung an den Prüfspitzen anliegt, darf diese nicht an einem aktiven Stromkreis erfolgen! Erstens wird durch die an dem Stromkreis anliegende Spannung das Messergebnis unbrauchbar und zweitens können Bauteile und das Messgerät dadurch zerstört werden. Integrierte Schaltkreise (ICs, Operationsverstärker oder Mikrocontroller) können durch falsche Polung zerstört werden!
In der Funktion zur Widerstandsmessung bezeichnet man ein Multimeter auch als Ohmmeter.

Spannungsmessung

Spannungsmessung
Abbildung 2:
Wird ein Multimeter in der Funktion zur Spannungsmessung verwendet, so bezeichnet man dieses auch als Voltmeter. Spannung kann immer nur zwischen zwei Punkten in einem System gemessen werden. Üblicherweise wird ein Referenzpotential wie der Masseanschluss als einer dieser Punkte verwendet und dieser Punkt wird mit der schwarzen Prüfspitze verbunden. Mit der roten Prüfspitze wird dann die Potentialdifferenz zur schwarzen Prüfspitze gemessen. Bei der Spannungsmessung wird zwischen Gleich- und Wechselspannung unterschieden. Die Polung der Prüfspitzen ist bei der Messung von Gleichspannungen zu beachten. Zeigt das Multimeter einen negativen Wert an, so befindet sich das niedrigere Potential (der Minuspol) an der roten Prüfspitze. Bei Gleichspannungsmessungen wird die schwarze Prüfspitze üblicherweise mit dem Minuspol verbunden und mit der roten Prüfspitze werden die gewünschten Messpunkte auf einer Platine oder in einem Stromkreis abgetastet. Um den Spannungsabfall an einem Bauteil innerhalb eines Stromkreises messen zu können, muss das Multimeter parallel zu diesem angeschlossen werden; die Prüfspitzen werden also wie bei der Widerstandsmessung an die beiden Anschlüsse des Bauteils gehalten.

Strommessung

Reihenschlusswiderstand
Abbildung 3:
Wird ein Multimeter in der Funktion zur Strommessung verwendet, so bezeichnet man dieses auch als Amperemeter. Die Strommessung geschieht im Prinzip als eine Spannungsmessung. Dabei wird der Spannungsabfall an einem konstanten ohmschen Widerstand bekannter Größe im Innern des Multimeters gemessen und die Spannung in den fließenden Strom umgerechnet und auf dem Display angezeigt. Je höher der fließende Strom, um so geringer sollte dabei der Widerstand des verwendeten Messwiderstands ausfallen, da durch diesen die Messung beeinflusst wird, wie wir später noch sehen werden. Für Ströme oberhalb 200mA besitzt das Messgerät auf seiner Platine einen Widerstand bestehend aus einem Drahtbügel zwischen der mittleren und linken Anschlussbuchse. Einen derartigen speziellen Messwiderstand bezeichnet man als Nebenschlusswiderstand oder kurz als Shunt. Der sehr niederohmige, separate Widerstand ist nötig, da der zu messende Strom ansonsten durch die sehr dünnen Anschlusskontakte des Wählschalters fließen würde. Diese sehr dünnen Kontakte würden Strömen über einem Ampere jedoch nicht standhalten.

Strommessung
Abbildung 4:
Um den durch einen Stromkreis oder ein Bauteil fließenden Strom messen zu können, muss das Multimeter in Serie zu diesem geschaltet werden. Dazu muss der Stromkreis geöffnet und das Multimeter in diesen eingefügt werden. Wie bei der Widerstands- und Spannungsmessung sollte in einem unbekannten Stromkreis die Messung mit dem größtmöglichen Bereich beginnen - bei diesem Multimeter also mit dem 10A Bereich - womit die rote Prüfleitung in die linke Buchse gesteckt werden muss. Ist der dann gemessene Strom kleiner als 200mA, so kann anschließend in diesen Messbereich gewechselt werden. Dazu muss der Stromkreis unterbrochen, die rote Messleitung zurück in die rechte Buchse gesteckt und der Wählschalter auf 200mA gedreht werden. Bei Strommessungen sollte die Umschaltung zwischen verschiedenen Messbereichen nur dann erfolgen, wenn keine Spannung an dem zu prüfenden Stromkreis anliegt. Beim Umschalten wird der Stromfluss nämlich immer kurz unterbrochen, wodurch an dem Schalter des Multimeters gefährliche Spannungsspitzen auftreten können, sollten sich Elektrospulen in dem Stromkreis befinden.

Achtung!

Beim Umgang mit Multimetern gilt es folgendes zu beachten:

Hohe Spannung
Abbildung 5:
1.) Bei Spannungen oberhalb von 50V besteht Gefahr bei der Berührung spannungführender Leitungen! Durch Kaskadenschaltungen oder induktive Bauteile (Spulen, Elektromotoren) können auch in Schaltkreisen, deren Versorgungsspannung deutlich unterhalb von 50V liegt, gefährliche Spannungen auftreten!

Kurzschluss 1
Abbildung 6:
2.) Das Messgerät VOR dem Anklemmen an einen Stromkreis auf die zu messende Größe (Strom, Spannung oder Widerstand) einstellen. Dreht man am Funktionsschalter während das Messgerät an einen Stromkreis angeschlossen ist, können Bauteile des Stromkreises oder das Messgerät zerstört werden. In der Stellung "Widerstand" gibt das Messgerät Spannung an die Messleitung. Daraus resultierende Gefahren sind weiter oben beschrieben.

Kurzschluss 2
Abbildung 7:
3.) In den Einstellungen zur Strommessung ist der Innenwiderstand eines Multimeters sehr gering und es besteht die Gefahr, in einem elektrischen Stromkreis einen Kurzschluss zu verursachen! Das gilt besonders, wenn der 10A Nebenschlusswiderstand aktiviert ist (die rote Prüfleitung steckt in der linken Buchse).
4.) Bei unbekannten Schaltkreisen immer den höchsten Messbereich einstellen und sich zu den niedrigeren Bereichen "vortasten".

Innenwiderstand

Um Spannungen messen zu können, muss der Analog-Digital-Umsetzer des Multimeters elektrisch leitend mit dem Stromkreis verbunden werden. Dabei fließt zwangsläufig ein geringer Strom über die Verbindungsleitungen des Messgerätes. Die Stärke des fließenden Stromes ist abhängig von der anliegenden Spannung und dem elektrischen Widerstand des Schaltkreises des Analog-Digital-Umsetzers. Den elektrischen Widerstand des Multimeters bezeichnet man als Innenwiderstand, dessen Wert bei Spannungsmessungen möglichst hoch sein sollte. Je niedriger der Innenwiderstand, um so höher ist der (unerwünschte) durch das Messgerät fließende Strom.
Strommessungen werden von dem Multimeter als Spannungsmessung durchgeführt. Dabei wird das Messgerät in Reihe zu dem zu untersuchenden Stromkreis beziehungsweise dem Bauteil geschaltet. In dem Messgerät ist ein möglichst niedriger Widerstand bekannter Größe - ein sogenannter Nebenschlusswiderstand oder auch Shunt - eingebaut, an dem der auftretende Spannungsabfall gemessen wird. Der Spannungswert ist direkt proportional zum fließenden Strom und wird in den Stromwert umgerechnet.
Der Innenwiderstand kann mit Hilfe eines zweiten Multimeters direkt gemessen werden. Wird Multimeter Nummer 1 auf Widerstandsmessung eingestellt und Multimeter Nummer 2 auf die Messbereiche zur Spannungs- beziehungsweise Strommessung geschaltet, so ergeben sich bei dem im Video verwendeten Typ die folgenden Werte:

Messbereich Messwert Bemerkung
Gleichspannung 600V 1002kΩ *(1±12)  
Gleichspannung 200V 1009kΩ *(1±12)  
Gleichspannung 20V 1002kΩ *(1±12)  
Gleichspannung 2V 1005kΩ *(1±12)  
Gleichspannung 200mV 1004kΩ *(1±12) Deutliche Abweichung vom indirekt ermittelten Messwert (siehe unten)
Gleichstrom 200mA 1.5Ω *(1±0.3)  
Gleichstrom 20mA 10.6Ω *(1±0.4)  
Gleichstrom 2mA 100.6Ω * (1±0.8)  


Innenwiderstandsmessung
Abbildung 8:
Stehen drei Multimeter zur Verfügung, so kann der Innenwiderstand auch durch die gleichzeitige Messung von Strom und Spannung in einem aus den drei Geräten geschalteten Stromkreis erfolgen. Die sich daraus ergebenden Werte lauten:

Messbereich Spannung Strom Widerstand
(Berechnet)
Bemerkung
Gleichspannung 600V 11.50V * (1±0.08) 0.012mA * (1±0.002) 958kΩ  
Gleichspannung 200V 11.50V * (1±0.08) 0.011mA * (1±0.002) 1045kΩ  
Gleichspannung 20V 11.50V * (1±0.08) 0.011mA * (1±0.002) 1045kΩ  
Gleichspannung 2V 11.50V * (1±0.08) 0.012mA * (1±0.002) 958kΩ  
Gleichspannung 200mV 11.50V * (1±0.08) 0.019mA * (1±0.002) 605kΩ Deutliche Abweichung vom direkt ermittelten Messwert
Gleichstrom 200mA 0.017V * (1±0.002) 13.68mA * (1±0.09) 1.2Ω Zwecks höherer Genauigkeit sollte die Spannung in dem Bereich bis 200mV gemessen werden.
Gleichstrom 20mA 0.141mV * (1±0.003) 13.68mA * (1±0.09) 10.3Ω Zwecks höherer Genauigkeit sollte die Spannung in dem Bereich bis 200mV gemessen werden.
Gleichstrom 2mA 1.376V * (1±0.009) 13.68mA * (1±0.09) 100.6Ω  


Der gemessene Innenwiderstand des Multimeters beträgt in der Einstellung für Gleichspannungsmessungen circa 1MΩ. Daraus ergibt sich ein Strom von 0.001mA pro Volt gemessener Spannung, der durch das Messgerät fließt. Wird der Spannungsabfall an hochohmigen Bauteilen gemessen, kann dieser Stromfluss die Funktionalität des getesteten Stromkreises beeinflussen:

Innenwiderstand
Abbildung 9:
Der hier zu sehende Stromkreis besteht aus einem Spannungsteiler mit zwei Festwiderständen und einer Batterie:
UBat = 12V
R1 = 1MΩ
R2 = 220kΩ

Für die Spannungen an den Widerständen gilt:



und



Woraus sich für U2 die Gleichung (1) ergibt:



Bei einer Batteriespannung von 12V erhalten wir somit theoretisch einen Spannungsabfall an R2 von 2.16V und an R1 von 9.84V. Messen wir die Spannung an R1 mit einem Multimeter, so muss dieses parallel zu dem Widerstand geschaltet werden. In der Einstellung zur Spannungsmessung besitzt das im Video verwendete Multimeter einen Innenwiderstand von einem Megaohm, womit sich das folgende Ersatzschaltbild ergibt:

Gesamtwiderstand mit Spannungsmesser
Abbildung 10:
Der Gesamtwiderstand von R1 und RV errechnet sich nach Formel [3.12] zu:



Für RX erhalten wir somit 500kΩ und wenn wir diesen Wert für R1 in Gleichung (1) einsetzen, so erhalten wir für den Spannungsabfall an R2 einen höheren Wert von 3.67V und entsprechend für den Spannungsabfall an RX einen niedrigeren Wert von nur noch 8.33V. Wird das Multimeter parallel zu R2 geschaltet, um den Spannungsabfall an diesem Bauteil messen zu können, so sind jetzt ein 220kΩ und mit dem Multimeter ein 1MΩ Widerstand parallel geschaltet, deren Gesamtwiderstand 180kΩ ist. Damit ergibt sich für den gemessenen Spannungsabfall an R2 ein Ergebnis von nur 1.83V. Laut Messung ergibt sich für die Gesamtspannung von U1 + U2 ein Wert von nur 10.16V und dieser liegt um 1.84V unter dem theoretisch erwarteten Wert. Die Messung mit dem Voltmeter beeinflusst den zu messenden Stromkreis in nicht unerheblichem Maße!

Eine ähnliche Situation ergibt sich bei der Strommessung:

Innenwiderstand Strommessung
Abbildung 11:
Versorgungsspannung: 3.3V
R1 = 180Ω
R2 = 100Ω
R3 = 2kΩ

Der Strom durch R1 ist um so höher, je niedriger der Widerstand von R1 im Verhältnis zu R2:



Für die Parallelschaltung von R1 und R2 ergibt sich ein Gesamtwiderstand von 64Ω, womit nach Gleichung (1) eine Spannung von 0.10V an R1 und R2 abfällt. Durch R1 fließt somit ein Strom von I1 = 0.10V / 180Ω = 0.556mA und durch R2 ein Strom von I2 = 1mA. Wird das Amperemeter in den Stromzweig von R1 geschaltet, um den Strom durch dieses Bauteil messen zu können, so steigt der Gesamtwiderstand dieses Zweiges um den Innenwiderstand des Multimeters. Der gemessene Strom ist somit kleiner als der theoretisch zu erwartende Wert. Das im Video gezeigte Multimeter besitzt in der Einstellung zur Strommessung bis 2mA einen Innenwiderstand von 100Ω. Wird dieses in den Zweig von R1 geschaltet, um den durch diesen Widerstand fließenden Strom messen zu können, erhöht sich der Widerstand von 180Ω auf 280Ω. Der Spannungsabfall an diesem Zweig des Stromkreises steigt von ursprünglich 0.10V auf nun 0.12V, der Stromfluss durch R1 und somit auch durch das Amperemeter sinkt hingegen auf nur noch I1 = 0.12V / (180Ω + 100Ω) = 0.42mA. Auch bei der Strommessung beeinflusst der Innenwiderstand des Amperemeters das Ergebnis unter Umständen deutlich.

Messabweichung

Wie im Kapitel zur Messabweichung erläutert, sind Messungen stets fehlerbehaftet und die Fehlergrenzen der verwendeten Geräte müssen beachtet werden. Für den in dem Video verwendeten Gerätetyp gelten die folgenden Fehlergrenzen:

Digitales Multimeter Abbildung 12:
Gleichspannung
Messbereich Auflösung Messabweichung
200mV 0.1mV ±0.5% ±2 Digits
2V 0.001V ±0.5% ±2 Digits
20V 0.01V ±0.5% ±2 Digits
200V 0.1V ±0.5% ±2 Digits
600V 1V ±0.8% ±2 Digits
Gleichstrom
Messbereich Auflösung Messabweichung
2mA 0.001mA ±1% ±2 Digits
20mA 0.01mA ±1% ±2 Digits
200mA 0.1mA ±1.5% ±2 Digits
10A 0.01A ±3% ±2 Digits
Wechselspannung
Messbereich Auflösung Messabweichung
200V 0.1V ±1.2% ±10 Digits
600V 1V ±1.2% ±10 Digits
Widerstand
Messbereich Auflösung Messabweichung
200Ω 0.1Ω ±0.8% ±3 Digits
2kΩ 0.001kΩ ±0.8% ±2 Digits
20kΩ 0.01kΩ ±0.8% ±2 Digits
200kΩ 0.01kΩ ±0.8% ±2 Digits
2MΩ 0.001MΩ ±1.0% ±2 Digits
Temperatur
Messbereich Auflösung Messabweichung
-20°C - 0 °C 1°C ±10% ±2 Digits
0°C - 400 °C 1°C ±1% ±3 Digits
400°C - 1000 °C 1°C ±2%

Die Messabweichung ist wie folgt zu interpretieren:
Von dem abgelesenen Wert muss zunächst der relative Fehler bestimmt werden. Befinden wir uns im Messbereich für 20V Gleichspannung und der abgelesene Wert beträgt 10.00V, so ergibt sich eine relative Abweichung von 10.00V * 0.005 = 0.05V. Zu diesem Wert müssen noch zwei Digits addiert werden. Ein Digit, genau genommen das Least Sigificant Digit (LSD) ist die niederwertigste Anzeigestelle des Multimeters in dem jeweiligen Messbereich. In dem gewählten Bereich von 20V, entspricht ein Digit 0.01V und zwei Digits ergeben 0.02V. Insgesamt beträgt die Abweichung somit ±0.07V und der tatsächliche Spannungswert liegt irgendwo zwischen 9.93V und 10.07V.
Messen wir eine Spannung von 10V in dem Messbereich für 600V Gleichspannung, so ist mit einer Messabweichung von ±0.8% ±2 Digits zu rechnen. Es ergibt sich eine Abweichung von: 10V * 0.008 + 2V = 2.08V. Der tatsächliche Wert liegt nun in einem Bereich von 8V bis 12V. Bei Messungen sollte also immer der kleinstmögliche Messbereich gewählt werden, um die Messabweichung gering zu halten.

Temperaturmessung

Temperaturmessung
Abbildung 13:
Die Temperaturmessung erfolgt mit Hilfe eines Thermoelements, wie in dem vorherigen Kapitel beschrieben. Auch hier wird im Prinzip eine Spannung gemessen und in einen Temperaturwert umgerechnet. Die Temperatur von Eiswasser beträgt 0°C, die von kochendem Wasser etwa 100°C. Mit diesen beiden Eckdaten lässt sich der Temperaturfühler zumindest grob eichen. Der Temperaturmessbereich des im Video verwendeten Multimeters reicht von -20°C bis zu +1000°C.

Welches Digitalmultimeter soll ich kaufen?

Gebrochene Isolierung
Abbildung 14:
In allererster Linie ein robust verarbeitetes Gerät. Ich wollte in dem Video zu diesem Kapitel die elektrischen Eigenschaften von Billiggeräten durchleuchten. Während die elektrischen Daten durchaus als gut zu bezeichnen sind, ergeben sich auf Grund der schlechten Materialqualität jedoch einige Nachteile:
Zum Batteriewechsel müssen die Geräte komplett geöffnet werden und die dabei zu lösenden Schrauben greifen in Plastikgewinde. Diese gehen leicht kaputt und das Gehäuse lässt sich folglich nicht mehr ordnungsgemäß schließen.
Weiterhin ist die Isolierung der Messleitung ein Kritikpunkt. Trotz sorgsamen Umgangs ist diese an einem Steckkontakt aufgeplatzt. Ferner ist eine Leitung im Innern der Prüfspitze abgebrochen, was zunächst unbemerkt geblieben ist. Diese Schwachstellen führen dazu, dass die Isolierung nicht mehr gegeben ist und beim Messen hoher Spannungen Lebensgefahr besteht!.
Der Drehschalter führte zumindest bei einem Gerät recht schnell dazu, dass dieses ebenfalls falsche Messergebnisse anzeigte, da der Schalter nicht immer an der korrekten Stelle einrastet.
Kauft also auf jeden Fall ein Gerät mit guten mechanischen Eigenschaften - ihr habt länger Freude daran. Die elektrischen Eigenschaften - also die Genauigkeit der angezeigten Werte - selbst der Billiggeräte sind für Anwendungen im Hobbybereich allemal ausreichend. Welche Funktionen ihr neben Widerstands-, Gleichstrom- und Spannungsmessung benötigt, könnt nur ihr entscheiden - dazu kann ich keine Hilfestellung geben.


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