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Labormesstechnik im Test Können Sie den Messergebnissen eines Labor-Multimeters vertrauen?

Autor / Redakteur: Franz Josef Kuhn * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Moderne Labor-Multimeter gehören nach dem Oszilloskop zu den wichtigsten Messwerkzeugen eines Entwicklers. In unserem Beitrag untersuchen wir vier unterschiedliche Geräte verschiedener Hersteller.

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Tücken beim Messen: Moderne Labor-Multimeter in einem Testaufbau für die Messung der Bandbreite.
Tücken beim Messen: Moderne Labor-Multimeter in einem Testaufbau für die Messung der Bandbreite.
(Bild: Kuhn, Hoschule Albstadt-Sigmaringen)

Labormultimeter gehören zum wichtigen Handwerkszeug eines Entwicklers im Labor. Den Messergebnissen muss er oder sie vertrauen können. Im folgenden Beitrag haben wir uns zusammen mit Professor Kuhn vier Geräte ausgesucht und diese nach unterschiedlichen Kriterien untersucht.

Dabei sind Keithley 2010, Fluke 8846A, Agilent 34461A (Keysight) und das Hameg HMC8012 (Rohde & Schwarz). Der Beitrag gliedert sich in drei Teile: 1. Effektivwert, 2. Bandbreite, Crestfaktor und der Vergleich aktueller Labormultimeter und 3. Eingangsstrom und Eingangsimpedanz.

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Im ersten Teil geht es um die Messung des Effektivwerts von Spannung und Strömen mit einem Digitalmultimeter, da die Geräte von Seiten der Hersteller immer preisgünstiger angeboten werden. Allerdings wird bei genauerem Hinsehen kein echter Effektivwert nach der Formel 1 gemessen, sondern ein AC-Effektivwert, der nicht dem richtigen Effektivwert entspricht.

Formel 1
Formel 1

Formel 2
Formel 2

Bei den betrachteten Labor-Multimeter hat nur das HMC8012 von Hameg den Effektivwert korrekt berechnet. Alle anderen benötigen hierzu zwei Messungen (AC und DC) und zusätzlich eine externe Berechnung des Effektivwertes (Formel 2), da diese nur den AC-Anteil messen, mögliche Gleichanteile werden über einen Kondensator unterschlagen.

Das Bild 1 zeigt im Prinzip den internen Schaltungsaufbau der AC-Messung. Der Generator XFG1 erzeugt ein Rechtecksignal im Tastverhältnis 50:50 bei einer Amplitude von 5 V (Bild 2). Die Gleichspannung (Generator XFG1) wird über C1 abgetrennt. Der Effektivwert am Eingang Tastkopf 1 (gelb hinterlegt) beträgt 3,536 V, das Messgerät U1 zeigt nur 2,5 V an. Selbst die Simulation mit Multisim von NI zeigt nicht den korrekten Effektivwert an. Der Messwert V(rms) nach dem Kondensator beträgt 2,5 V (Tastkopf 2 gelb hinterlegt).

Die Messung des Effektivwertes in der Praxis

In der Praxis ist die Effektivwertmessung besonders bei Strömen wichtig, da thermische Belastungen von Leiterbahnen oder Sicherungen von den Effektivwerten abhängen. Hier sind Geräte mit einem weiten Eingangsbereich an nur einer Buchse im Strombereich (HMC8012 bei AC und DC mit 20 mA bis 10 A) sehr hilfreich, es entfällt das lästige Umstecken bei der verkehrten Strombuchsenwahl wie bei den Geräten von Keysight oder Fluke, der Austausch der Sicherungen bei einem zu großen Strom oder wenn dieser während der Messung größer wird.

Fazit: Bei der Messung der Effektivwerte unbekannter Signale sind wegen der einfacheren Handhabung, Geräte mit der „echten“ Effektivwertmessung AC und DC im Vorteil, da diese ein aufwendigeres Umschalten von AC auf DC und externe Berechnung vermeiden. Die Gefahr des Unterschlagens einer Messung oder sogar falsche Berechnungen sind nicht gegeben. Das gilt vor allem für die Strommessung.

Durch die fortschreitende Digitalisierung auch bei Netzteilen (Stichworte elektronische Leistungsfaktor-Korrektur, Sleep-Standbybetrieb) treten vermehrt nicht-sinusförmige Signale mit höherem Crestfaktor (Scheitelfaktor) auf, die zu messen sind. Zur Erinnerung: der Crestfaktor ist das Verhältnis der Amplitude zum Effektivwert. Korrelieren Labor-Multimeter mit entsprechend hoher Bandbreite und Genauigkeiten bei sinusförmigen Signalen mit rechteckförmigen Signalen mit hohem Crestfaktor?

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