Spannung, Strom und Widerstand Die Vorteile eines Multimeters mit einer Schaltmatrix

Autor / Redakteur: Patrik Gold* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mehr Messaufgaben und ein flexiblerer Einsatz: Ein Multimeter mit integrierter Schaltmatrix eignet sich für unterschiedliche Applikationen. Beispielsweise lassen sich Prozesse überwachen.

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Multimeter: Zusammen mit einer Schaltmatrix spielt das Multimeter seine Vorteile in der Messtechnik aus.
Multimeter: Zusammen mit einer Schaltmatrix spielt das Multimeter seine Vorteile in der Messtechnik aus.
(Bild: Siglent)

Bei der Arbeit mit einem Multimeter wird genau ein Wert zu genau einem Zeitpunkt aufgenommen. Dazu muss der der Prüfling in einen Zustand versetzt werden, bei dem der Messpunkt zugänglich ist. Dazu arbeiten Ingenieure und Entwickler mit einer Messspitze, mit der sie sich durch die Schaltung arbeiten und versuchen, die richtigen Messpunkte zu erreichen, ohne dabei einen Kurzschluss auszulösen oder selbst spannungsführende Teile berühren.

Ein modernes Multimeter wie das Siglent SDM3000X-SC ist mit integrierten Multiplexern ausgestattet. Solch eine Schaltmatrix bietet dem Anwender zusätzliche Flexibilität. Der folgende Text verdeutlicht das an einigen Anwendungsbeispielen.

Die Besonderheit beim Messen mit einem Multimeter

Schaltmatrix: Die Scannercard eines Digitalmultimeters. Solch ein ausgestattetes Multimeter lässt sich für verschiedene Applikationen einsetzen.
Schaltmatrix: Die Scannercard eines Digitalmultimeters. Solch ein ausgestattetes Multimeter lässt sich für verschiedene Applikationen einsetzen.
(Bild: Siglent)

Eine Matrix bezeichnet grundsätzlich das Schema, in dem den Zeilen Spalten zugeordnet werden. In einem elektrischen System werden mehrere Eingänge mit mehreren Ausgängen verbunden. Mit einem Multimeter misst man immer nur einen Messwert auf einmal. Daher entspricht die tatsächliche Funktion der Schaltmatrix einer Selektionsschaltung. Dabei wird das angeschlossene Signale auf den für die Messung erforderlichen Messeingang geschaltet. Das übernehmen Relais. Nicht verbundene Signale werden vom System isoliert. Theoretisch lässt sich an verschiedenen Punkten messen, ohne das sich die einzelnen Signale beeinflussen.

Da die Signale auf das Multimeter geschaltet werden, stehen alle Messfunktionen des Multimeters zur Verfügung. Dazu gehören Temperaturmessung, 4-Draht Widerstandsmessung oder Frequenzmessung. Grundsätzlich zu beachten ist, dass die Scannerkarte (die Form der Schaltmatrix im Multimeter) eigene Spezifikationen bezüglich Spannungen und Strömen mitbringt. Weiterhin zu beachten ist, dass bei Strommessungen der Stromkreis unterbrochen wird, wenn in diesem nicht gemessen wird.

Eine Schaltmatrix lässt sich nicht nur mit Relaistechnik umsetzen. Alternative Systeme basieren auf elek­tronischen Schaltern. Sie sind günstiger, arbeiten deutlich schneller als Relais oder andere mechanische Schaltkontakte und funktionieren ohne bewegte Teile. Deshalb verschleißen sie nicht. Im Vergleich zu Relais haben sie jedoch im eingeschalteten Zustand einen höheren Kontaktwiderstand und im ausgeschalteten Zustand eine geringere Isolation. In der Messtechnik werden sie häufig eingesetzt, wenn es um Geschwindigkeit geht.

Beim Multimeter steht allerdings eine hohe Präzision im Vordergrund. Erreicht wird diese, weil die Messwerte über einen längeren Zeitraum erfasst werden. Die Integrationszeit beträgt typisch 20 ms oder das Vielfache. Daher fällt bei einem Multimeter die höhere Schaltzeit von wenigen Millisekunden oft nicht ins Gewicht.

Ein Prüfling mit hoher Spannung

Die Messergebnisse an drei Zellen eines LiPo-Akkus.
Die Messergebnisse an drei Zellen eines LiPo-Akkus.
(Bild: Siglent)

Mit einer Schaltmatrix lassen sich mehrere Messpunkte in einem System überprüfen, ohne dass der Wechsel der Messpunkte durch einen Eingriff in das System erfolgen muss. Das Multimeter schaltet zwischen den Messepunkten um. Somit lassen sich Systeme gefahrlos testen und prüfen, ohne sie kontinuierlich ein und wieder auszuschalten. Das ist nicht nur effizienter, sondern die Arbeit ist auch sicherer.

Je nach Anwendung müssen Anwender einige Punkte beachten. Wird beispielsweise ein Strom gemessen und die Leitungen sollen nicht unterbrochen werden, sollten bereits in der Entwicklungsphase Shunts in den Prüfling eingeplant werden. Die Shunts dienen in den stromführenden Leitungen als Messwiderstand. Dazu werden Pads so eingeplant, dass sie bei der Produktion verbunden sind. Beim Prototyp wird an dieser Stelle die Leitung durchtrennt und der Messwiderstand aufgelötet.

Für eine genaue Messung sollte der Shunt vorher vermessen und die Messleitungen direkt am Shunt angebracht werden. So wird der Fehler bei der Berechnung des gemessenen Stromes minimiert.

Der Einfluss der Messleitungen

Die Messleitungen sind nur theoretisch ohne Einfluss auf das System. So beeinflussen parallel geführte Leitungen trotzdem das System. Das sind induktive und kapazitive Kopplungen miteinander sowie mit der Masse, die ebenfalls mitgeführt werden muss. Im schlechtesten Fall funktioniert der Prüfling mit angeschlossenen Messleitungen, hat aber ohne Messleitungen Probleme. Das ist recht selten, grundsätzlich sollte der Einfluss durch die Messungen selbst beim Erstellen von Versuchsreihen im Hinterkopf behalten werden.

Da die Relais die Verbindung tatsächlich mechanisch trennen, bietet eine solche Schaltmatrix auch Lösungsansätze, die mit nicht isolierten System nur schwer umzusetzen wären. So lassen sich beispielsweise die einzelnen Zellen von Akkupacks messen, ohne dass die Verbindung zu mehreren Messpunkten zu ungewollten Kurzschlüssen führt. Der Multiplexer sollte beide Messpunkte umschalten und nicht auf eine System-Masse referenzieren. Damit lässt sich differentiell und erdfrei messen.

Oft lassen sich Prüflinge nur dann testen, wenn sie sich in einem bestimmten Zustand befinden. Ein typisches Beispiel sind Messungen während das Gerät in einer Klimakammer verschiedene Testzyklen durchläuft. Eine andere Aufgabenstellung ist, wenn ein Gerät mit geschlossenem Gehäuse getestet werden soll. Mit einem einfachen Multimeter lässt sich das kaum realisieren.

Prozessüberwachung am Beispiel einer Fertigungsanlage

Die erfassten Daten einer Anlage als Graph dargestellt.
Die erfassten Daten einer Anlage als Graph dargestellt.
(Bild: Siglent)

Die verschiedenen Zustände einer Fertigungsanlage müssen häufig überwacht werden. Hat beispielsweise der Ofen die Solltemperatur erreicht? Können die Kompressoren den erforderlichen Druck erreichen und halten? Auch wenn sich die Fertigungsprozesse unterscheiden: Es müssen unterschiedliche Sensoren ausgelesen und bewertet werden.

Fallen einzelne Ergebnisse aus den Vorgaben, kann nachgeregelt oder ein Alarm ausgelöst werden. Eine Relais-Schaltmatrix gewährleistet dank einer hohen Messgenauigkeit des Multimeters, dass die Toleranzen maximal ausgenutzt werden können. Dabei bleiben die Kosten überschaubar, selbst wenn eine Vielzahl von Sensoren überwacht werden muss.

Autonomes Multimeter arbeitet als flexible Datenlogger

Bei einem Dauertest in der Produktentwicklung, einer Langzeitüberwachung von Sensorwerten an einem abgelegenen Standort oder einfach nur die Sorge vor Windows Updates, die über Nacht den Mess-PC neu startet. Die Kombination aus großem Speicher und automatisierter Messdatenerfassung bietet die notwendige Flexibilität, ein entsprechend ausgestattetes Multimeter autonom arbeiten zu lassen und als flexiblen Datenlogger zu verwenden. Ein solches System stellt der Portabilität eines applikationsspezifischen Datenloggers die hohe Flexibilität und Messgenauigkeit für viele Applikationen gegenüber.

Ein Multimeter mit Schaltmatrix lässt sich vielfältig einsetzen. Ein Universalmessgerät zusammen mit einem Multiplexer bietet eine hohe Flexibilität und sollte bei der Kaufentscheidung berücksichtigt werden. So ausgerüstet, lassen sich Fehler und Problemstellen entdecken. Vor allem dann, wenn ein automatisierter Dauertest keinen großen Aufwand darstellt, sondern vielmehr, dank schneller und einfacher Bedienung, zur Gewohnheit wird.

* Patrik Gold arbeitet als technischer Support- und Applikations-Manager bei Siglent.

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