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Multimeter

Multimetern / Digitalmultimetern (DMM) für Labor und Service von dataTec

Multimeter / Messen von Spannungen, Strömen und Widerständen

Bei der täglichen Arbeit eines Elektronikers oder Elektrikers müssen immer wieder schnelle Messungen von elektrischen Größen gemacht werden. Zum Erfassen von kleinen Spannungen, Steuerströmen, Widerständen, Frequenzen oder einfach für eine kurze Überprüfung von elektronischen Anlagen und Zuständen von Betriebsständen benötigt der Fachmann eine Vielzahl von Messgrößen bei den elektronischen Messgeräten.

Mit einem Multimeter lassen sich grundlegende Messungen wie z. B. AC- / DC-Spannung, AC- / DC-Strom, Widerstand, Kapazitäten, Durchgangsprüfungen und Diodentests, um nur einige zu nennen, durchführen. Daher ist in der Elektronik und der Elektrotechnik das Multimeter neben dem Oszilloskop eines der wichtigsten Mess- und Diagnosewerkzeuge.

Der Funktionsumfang von Multimetern

Es ist sowohl für mehrere Messgrößen als auch für mehrere Messbereiche einsetzbar. Die Verwendbarkeit als Spannungsmessgerät und Strommessgerät gehört zur Grundausstattung eines Multimeters. Hierbei lässt sich das elektronische Messgerät in der Regel auch zwischen Gleich- und Wechselgrößenmessungen umschalten und die Ausstattung als Widerstandsmessgerät gehört heute durchaus zu den üblichen Funktionen. Je nach Modell besitzt das Multimeter auch noch weitere Zusatzfunktionen.

Die Stromzange

Mit Ausnahme der Stromzangen, die, der Name sagt es bereits, nur Ströme messen können, sind alle anderen Multimeterarten (siehe auch Abschnitt „Bauformen von Multimetern") in der Lage elektrophysikalische Größen zu messen. Darüber hinaus gibt es aber auch Geräte, die zusätzlich einige weitere Messgrößen erfassen und messen können wie z. B. Temperatur mittels eines Kaltleiters (engl. PTC = positive temperature coefficient), Heißleiters (NTC = negative temperature coefficient) oder eines Thermoelementes (Typ K, J, S, A, T, usw.). Weitere Messgrößen sind z. B. Frequenz, Ereigniszählung, Leistungsfaktor, Phasenwinkel, Wirk-, Blind-, und Scheinleistung und weitere.

Grundlagen - Was ist ein 3 ½-stelliges Multimeter bzw. eine 3 ½-stellige Anzeige?

Häufig werden Digitalmultimeter (DMM) durch die Stellenzahl charakterisiert: „3 ½-stellig" ist dann in der Beschreibung zu lesen - aber was bedeutet das?

Hierdurch wird die Ziffernfolge, die dieses Digitalmultimeter (DMM) darstellen kann, angegeben. Bei 3 ½- Stellen bedeutet dies von -1999 bis +1999. Bei ¾ Stellen sind also nur die letzten 3 Stellen vollwertig mit den Ziffern 0 bis 9 belegbar. Die erste Stelle kann nur die beiden Ziffern 0 oder 1 anzeigen und wirkt wie eine „Überlauf-Anzeige" bei dem Übergang von 0999 auf 1000.

Die 7 1/2 stellige Anzeige entspricht der 3 1/2 stelligen - es werden 7 vollwertige Stellen angezeigt (jeweiliger Wertevorrat einer Stelle die Ziffern 0 bis 9) die 1/2-Stelle hat nur den Wertevorrat 0 und 1.

Erklärung-Multimeter-Display-Stellenanzahl

Die Auflösung

Die Auflösung hängt eng mit der Stellenanzahl und dem verwendeten Messbereich zusammen. Im obigen Fall der Ziffernfolge +1999 würde dies im 10 V-Messbereich eine maximale Anzeige von 19,99 V bedeuten. Die letzte Stelle hat in diesem Messbereich eine 10 mV-Wertung und damit eine 10 mV-Auflösung. Wird die Spannung erhöht, muss der Messbereich umgeschaltet werden z. B. auf den 100 V-Bereich, wobei nun die Anzeige z. B. 200,0 V anzeigen würde. Die letzte Stelle hat damit eine Wertigkeit von 100 mV, also eine Auflösung von 100 mV.

Man muss sich darüber im klaren sein, dass die letzte Stelle mit einer Ungenauigkeit behaftet ist, da sie „springt" und man nicht weiß, ob sie am unteren Rand der Schwelle oder am oberen Rand der Schwelle springt - und das sind im letzten Fall 100 mV.

Die nachfolgende Tabelle gibt an, wie viele Bits notwendig sind um z. B. eine 4 ½ -stellige Anzeige zu „erzeugen".

Digits3,0 3,3 3,6 3,8 3,8 4,0 4,3 4,6 4,8 5,0 5,6 6,0 6,3 7,0 7,3 8,0 8,3
Bits
10,97
11,97
12,97
13,55
13,77
14,29
15,29
16,29
17,10
17,61
19,61
20,93
21,93
24,25
25,25
27,58
28,58
Stellen3 3 1/2 3 3/4 3 5/6 3 6/7 4 4 1/2 4 3/4 4 6/7 5 5 3/4 6 6 1/2 7 7 1/2 8 8 1/2

Für 4 Stellen werden 19999 unterschiedliche Digital-Stufen plus eine für die „0" benötigt. Dies entspricht 20000 Werten, wozu X Bits notwendig sind.

20000 Werte  = 2x Bits was umgeformt zu X Bits = log 20000 Werte / log2=14,29 Bit ergibt. Addiert man noch ein Bit für das Vorzeichen „+/-" hinzu, ist das der Wert, welcher in der Tabelle unter „Bits" mit z. B. 15,29 angegeben wird.


Ungenauigkeit 

Die Ungenauigkeit wird von den Herstellern oft unterschiedlich angegeben - hier muss ein wenig gerechnet werden:

Keysight gibt z. B. für ein 7 ½-stellige Tisch- / System-Multimeter für den DC-V-Messbereich 100 mV die Genauigkeit über ein Jahr mit  ± 0,0040 % vom Anzeigewert +0,0035 % vom Messbereich an. Werden unter anderem die Randbedingungen, eine mindestens 1-stündige Aufwärmphase des Gerätes auf Betriebstemperatur und ein Nullabgleich, der nicht länger als zwei Tage zurück liegt miteinbezogen, kann beim Zusammenrechnen dieser Ungenauigkeiten ein Ungenauigkeitswert von ±7,5 μV für dieses Digitalmultimeter errechnet werden.

Ein anderer Hersteller wie z. B. Chauvin Arnoux spezifiziert die Genauigkeit mit z. B. 0,8 % (Anzeigewert) + 4D:

Dies bedeutet 0,8 % vom abgelesenen Wert + 4 Digits. Diese 4 Digits beziehen sich auf die niederwertigste Stelle im Messbereich. Im 100 mV-Messbereich hat die niederwertigste Stelle einen Wert von 0,1 mV. Wird z. B. eine Spannung abgelesen von 100 mV, so errechnet sich die Genauigkeit in diesem Beispiel zu (0,8 mV + 0,4 mV) = 1,2 mV.

Multimeter-Display-Erklärung-Ungenauigkeit-4Digits

Vierdraht-Messung

Die Vierdraht-Messung sagt bereits etwas über die Anzahl der Mess-Verkabelung des Messobjektes aus. Dazu werden vier Leitungen benötigt, ein Paar für die stromführenden Leitungen, das andere Paar für die reinen Messleitungen. Die Grafik unten zeigt ein System mit vier Messleitungen.

Multimeter-Vier-Draht-Messung

Sofort ist ersichtlich, dass in dem stromführenden Pfad der Widerstand der Leitung einen Fehler in der Spannungsmessung hervorrufen würde, wenn die Messleitung nicht angeschlossen wäre. Vierdraht-Messungen sind immer dann notwendig, wenn ein größerer Strom zum Messobjekt hin und wieder weg geführt werden muss. Zum Beispiel ist dies bei Diodenmessungen (Kennlinie) oder bei genauen Widerstandsmessungen wichtig. Es wird ein Strom eingeprägt, der durch das zu messende Bauteil fließt, was zu einem Spannungsabfall an den Zuführdrähten führt. Um diese Spannungserhöhung nicht mit zu messen, sondern nur die Spannung die direkt über dem Bauteil abfällt, wird ein weiteres Leitungspaar eingeführt das auf einer Seite direkt am Messobjekt angeklemmt wird.

Ein kleines Beispiel: Abstand Messobjekt zum Messgerät 1 m, Drahtverbindung 22 AWG (American Wire Gauge = amerikanische Norm für Drahtquerschnitte) mit 0,0547 Ω/m, einem eingeprägten Messstrom von 1 mA und einem zu messenden Nennwiderstand von 1 kΩ würde eine Spannungsmessung von 1,0001094 V ergeben, wenn nur eine 2-Leitermessung vorliegt. Der Fehler, der in diesem Fall gemacht würde, beträgt 0,01094 %.

Messkategorien

Ein wichtiges Auswahl- / Entscheidungskriterium bei der Anschaffung eines Multimeters ist sein Einsatzgebiet.

Nach der Norm IEC 61010-1 werden unterschiedliche Sicherheitsbereiche in den Kategorien CAT I bis CAT IV festgelegt. Die verwendeten Multimeter dürfen nur für den Bereich verwendet werden, für den sie zugelassen sind.

Nach der Norm IEC 61010-1 sind folgende Sicherheitsklassen festgelegt:

Messkategorien Multimeter (DMM) IEC 61010-1 CAT I bis CAT IV

Quelle: GOSSEN METRAWATT, GMC-I Messtechnik GmbH  

CAT I (0):Messungen an Stromkreisen, die keine Verbindung zum Netz haben (Batteriebetrieb) z. B. Geräte der Schutzklasse 3 (Geräte mit Schutzkleinspannung), wie PKW-Elektrik, batteriegetriebene Geräte
CAT II:
Messungen an Stromkreisen, die eine direkte Verbindung über Stecker mit dem Niederspannungsnetz haben, z. B. Haushaltsgeräte, tragbare Elektrogeräte
CAT III:
Messungen innerhalb der Gebäudeinstallation (stationäre Verbraucher mit nicht steckbarem Anschluss, Verteileranschluss, fest eingebaute Geräte im Verteiler Unterverteilung
CAT IV:
Messungen an der Quelle der Niederspannungs-Installation (Zähler, Hauptanschluss, primärer Überstromschutz), z. B. Zähler, Niederspannungsfreileitung, Hausanschlusskasten

An den Messgeräten muss die zulässige Sicherheitsklasse deutlich sichtbar angebracht sein. Ist keine Sicherheitsklasse angegeben, darf das Messgerät nur für den Sicherheitsbereich CAT I eingesetzt werden.

Bauformen von Multimetern

Multimeter gibt es in den unterschiedlichsten Bauformen und für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche. Demnach sind sie auf diese Anwendungsfälle konzipiert und bieten dann auch die entsprechende Genauigkeit.

Die einzelnen Kategorien von Multimetern sind:

  • Tisch- und Systemmultimeter
  • PXI-Multimeter
  • Handmultimeter
  • Datenlogger - Multimeter
  • Vielfach-Messzangen
  • Spannungsprüfer
  • Prozesskalibratoren

Zu jedem Gerät gibt es noch ein mehr oder weniger reichhaltiges Angebot an Zubehör wie Messkabel, Thermoelemente, Prüfspitzen usw.

Tisch- und Systemmultimeter

Im Labor-, Produktions-, Prüffeld und Service-Bereich wird hauptsächlich diese Art Messgeräte eingesetzt. Kennzeichnend für diese Geräteklasse ist die meist hohe Anzahl an Display-Stellen, um eine genaue Messung durchführen zu können. Des Weiteren sind Tisch bzw. Systemmultimeter sehr gut in automatischen Messsystemen einsetzbar, da sie über entsprechende Schnittstellen verfügen wie z. B. GPIB, RS232, USB usw. Ferner können sie eine Vielzahl an unterschiedlichen Messgrößen direkt messen. Ein Studium der Datenblätter ist hier unbedingt angeraten, da auch hier die Genauigkeiten, Temperaturdriften und weitere Randbedingungen beschrieben sind.

PXI-Multimeter 

PXI-Multimeter entsprechen vom Aufbau her den Tisch- und System-Multimetern. Allerdings verfügen sie über kein eigenes Display. Der Messwert wird vom embedded Computer des PXI-Systems entsprechend dem programmierten Testablauf angefordert und über den Systembus an den Computer übertragen. Die mechanischen Ausmaße der PXI-Multimeter-Module entspricht den genormten PXI-Standards, so dass sie zusammen mit anderen Modulen in ein Gehäuse eingeschoben werden können. Durch die PXI-Technik erreicht man einen wesentlich kompakteren Messaufbau, was zu weniger Platzbedarf im Produktionsbereich führt.

Handmultimeter

Diese Geräte sind in der Regel für den Handwerker, Elektriker, KFZ-Mechaniker, also für den robusten Einsatz gedacht. Das Angebot reicht vom einfachen Messgerät für noch unter 50,00 € bis zu Handmultimetern im Preissegment über 2.000 €. Eines der teuersten Messgeräte dieser Klasse ist für Spezialanwendungen wie z. B. Milliohmmessungen mit Auflösung von 10 µΩ in explosionsgefährdeten Umgebungen konzipiert. Die Anzeige bei Handmultimetern reicht von 3 bis 5 Stellen, verbunden mit der jeweiligen Auflösung. Ebenfalls noch verfügbar in der Geräteklasse der Handmultimeter ist eine Analoganzeige (Zeigerinstrument), kombiniert mit einer Digitalanzeige.

Datenlogger

Im weiteren Sinne lassen sich auch Datenlogger zu den Multimetern rechnen - man beachte hierzu auch in der Rubrik „Technik-Themen" die Darstellung zu „Datenlogger". Es gibt eine Vielzahl an Datenloggern, auch modulare Systeme, die je nach eingesetzter Messkarte bzw. Modul die unterschiedlichsten physikalischen Größen erfassen können.

Vielfach-Messzangen (Stromzangen)

Eine weitere Klasse an Hand-Messgeräten sind die Stromzangen oder auch Vielfach-Messzangen genannt. Schon im Namen ist ihr Verwendungszweck erklärt. Sie werden zur Strommessung genutzt, ohne dass der Stromkreis, zum Einfügen des Messgerätes in den Stromkreis, geöffnet werden muss. Die Zange lässt sich öffnen und die stromführende Leitung, in der der Strom fließt, wird umschlossen. Da jeder Strom ein Magnetfeld um den Leiter erzeugt, kann der Strom durch den Leiter gemessen werden. Auswahlkriterien sind neben dem maximalen und minimalen Strom der gemessen werden kann auch die Zangenöffnung, die bestimmt welche Stromkabeldurchmesser umfasst werden können. Viele dieser Geräte können neben der reinen Strommessung auch Leckströme, den Leistungsfaktor (cos ϕ), den Phasenwinkel, Wirk-, Blind-, und Scheinleistung usw. messen.

Bei einigen dieser Stromzangen sind Multimeter-Funktionen integriert, so dass mit dem einstecken von Messleitungen, zusätzliche Parameter gemessen werden können die einem Multimeter entsprechen. Damit stehen dann zusätzliche Messparameter wie z. B. Leistungsmessung, THD, Diodenmessungen, Durchgangsprüfung, Drehfeldrichtung, Frequenzmessung, Strom- /Spannungsspitzenwerte, Temperaturmessung, Widerstandsmessungen etc. zur Verfügung.

Spannungsprüfer

Eine weitere Geräteart sind die Spannungsprüfer die hauptsächlich von Industrieelektrikern und im Installationsbereich genutzt werden. Mit einigen dieser Geräte lässt sich berührungslos die Spannung messen oder detektieren ob überhaupt Spannung auf dem getesteten Kabel vorhanden ist. Einige Geräte bieten neben einer Spannungsprüfung, unter anderem auch eine Drehfeldanzeige oder eine bewusste Auslösung des FI-Schutzschalters.

Auswahlkriterien sind neben diesen Funktionen auch die maximal zulässige Spannung, in der diese Handgeräte genutzt werden können z. B. von 12 V bis 1.000 V AC/DC. Zu beachten ist auch die Sicherheitsausstattung dieser Geräte - so bieten sie beispielsweise einen Vibrationsalarm, wenn Spannungswerte zu hoch sind. Ebenso sind Frequenzmessungen bei manchen Geräten integriert, die in gemischten Netzen Frequenzen von 16 2/3 Hz bis 800 Hz anzeigen bzw. messen können.

Auswahlkriterien für ein Multimeter

Damit stehen schon einige Auswahlkriterien für ein Multimeter  fest:

  • Einsatzgebiet / Anwendung
  • Welche Auflösung muss das Gerät besitzen
  • Genauigkeit: Wie genau muss das Gerät messen bzw. welche Anzahl an Stellen werden benötigt
  • Welche Schnittstellen (z. B. GPIB, RS232, USB) werden benötigt
  • Welche Spezifikationen/ Messfunktionen werden benötigt? (Spannungen, Strom, Widerstand, Temperatur, Durchgang, Kapazität, usw.)
  • Ersatzsicherungen? Es gibt Multimeter mit 1 oder 2 Sicherungen für den Strombereich

Unsere Spezialisten stehen Ihnen mit Rat und Tat zur Seite, um das für Sie richtige Multimeter zu finden.

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