Praxistipp Messtechnik Messgenauigkeit und Messbereiche im dynamischen AC-Messfall

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wer in der Messtechnik unterwegs ist, der kommt um Messfehler und Messungenauigkeiten nicht herum. In unserem Beitrag zeigen wir die Auswirkungen im dynamischen AC-Messfall.

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Praxistipp Messtechnik: Im dritten Teil unserer Serie erklären wir die Auswirkungen von Messgenauigkeit und Messbereiche im dynamischen AC-Messfall.
Praxistipp Messtechnik: Im dritten Teil unserer Serie erklären wir die Auswirkungen von Messgenauigkeit und Messbereiche im dynamischen AC-Messfall.
(Bild: Clipdealer / CC0 )

Im zweiten Teil unseres Praxistipps Messtechnik stellten wir die Einflüsse eines Messgerätes auf Messungenauigkeit und Messfehler im statischen DC-Messfall vor. Zudem zeigten wird den Vorteil von Messgeräten mit einer höheren Anzahl von Messbereichen in Bezug auf die Messunsicherheit. In diesem Artikel gehen wir aufbauend auf die Auswirkungen im dynamischen AC-Messfall ein.

Im letzten Artikel wurde definiert, dass die Messgenauigkeit die Summe aus Messunsicherheit und Messfehler darstellt. Die Messunsicherheit tritt sowohl bei dynamischen AC-Messungen als auch bei statischen Messungen auf: Es sind die in den Datenblättern angegebene Werte zu berücksichtigen. Beim Messfehler durch das Messgerät selbst kommt bei dynamischen AC-Messungen neben dem internen ohmschen Widerstand auch die dazu parallele interne Kapazität zum Tragen (Bild 2).

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Parallel geschalteter ohmscher Widerstand oder Kondensator

Die Eingangsimpedanz eines Oszilloskops, Digitizers oder Multimeters wird daher üblicherweise als die Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes und eines Kondensators definiert. Typische Werte für Digital Multimeter sind 10 MOhm und Kapazitäten von 20 bis 300 pF („So wählen Sie Oszilloskop, Digitizer und DMM aus“). Bei Oszilloskopen ist hier mit 1 MOhm und parallel dazu 20 pF zu rechnen.

In dem Beispiel der Messung an einem Spannungsteiler wird ein sinusförmiges Quellsignal von 24 VAC eingespeist. Das Bild 1 zeigt auf der linken Seite das unbelastete System mit der idealen Ausgangsspannung von 12 VAC. Wird ein Messgerät angeschlossen, um die Spannung über R2 zu messen, wirkt in unserem dynamischen Messfall die Kombination aus parallel geschaltetem Widerstand und parallel geschalteter Kapazität; zu sehen auf der rechten Seite des Bildes 1 in einem Ersatzschaltbild.

Damit ergibt sich eine Impedanz Zi, welche dem zum messenden Widerstand parallel geschaltet wird und somit einen frequenzabhängigen Messfehler erzeugt. Die Impedanz Zi berechnet sich wie in Bild 1. Als praktisches Beispiel werden ein Messgerät mit niedriger Eingangskapazität von 20 pF, wie das Multi Measurement Device PXMe7820 (siehe Kasten), und ein exemplarisches Messgerät mit einem marktüblichen Kapazitätswert von 300 pF angenommen.

Für beide Geräte wird ein ohmscher Eingangswiderstand von 10 MOhm zugrunde gelegt. Damit ist die Auswirkung der unterschiedlichen Eingangskapazitäten auf die Gesamtimpedanz zu sehen (Bild 3). Bereits bei niedrigen Frequenzen ab 100 Hz führt das zu einem deutlichen Unterschied in der Beeinflussung des Messsignals, also des erzeugten Messfehlers.

Für unser aufgeführtes Beispiel ergibt sich damit der in Bild 4 aufgezeigte Messfehler für beide Messgeräte. Bereits bei einer Frequenz von 1 kHz ist hier ein deutlicher Unterschied zwischen beiden Geräten zu erkennen. Ein Messfehler von nahezu 5 Prozent ist für die meisten Anwendungen nicht akzeptabel.

Ergänzendes zum Thema
Das Multi Measurement Device im Überblick

In unserem Beitrag wird das Multi Measurement Device des Typs PXMe7820 erwähnt. Hier werfen wir einen kurzen Blick auf die technischen Parameter der Familie. Das Modell PXM7820e bietet 16 Bit sowie 10 MS/s. Jeweils 24 Bit bei 1 MS/s bieten die Modelle 7822 und 7824 (inklusive 16 Bit bei 40 MS/s).

Die Familie PXMe 782x vereint die Funktion eines Digitizers bis 250 V und 40 MS/s, eines digitalen Multimeters mit 24 Bit bis zu 250 V inkl. RLC, eines Timers/Counters und einer hochkonfigurierbaren Trigger-Matrix.

  • Hochspannungsbereich bis 500 Vpp,
  • Digitales Multimeter mit 24 Bit und 1 MS/s,
  • Digitizer mit 16 Bit und 40 MS/s,
  • komplett isoliertes Design,
  • Eingangs-Impedanz >> 1 GOhm,
  • Konfigurierbare Trigger-Matrix,
  • LCR-Meter und
  • Timer/Counter Engine

Als weitere Besonderheit bieten die Geräte sehr kurze Umschaltzeiten zwischen den einzelnen Betriebsarten und Messbereichen von <1 ms. Zudem ist in allen Modellen eine hoch konfigurierbare Triggermatrix integriert. Über zwei Ein-/Ausgänge an der Gerätefront und die PXI Triggerlanes auf der Backplane lassen sich weitere Geräte synchronisieren. Die Serie PXMe 782x eignet sich vor allem für Anwendungen in der Produktion.

Abschätzung mit einem Impedanz-Diagramm

Eine schnelle Abschätzung der Impedanz des Eingangskondensators über die Frequenz erfolgt mit einem Impedanz-Diagramm, das auch als HF-Tapete bekannt ist (Bild 5). Um die Impedanz bei einer bestimmten Frequenz abzuschätzen, wählt man als erstes diesen Punkt auf der x-Achse aus. Das kann beispielsweise 10 kHz sein. Im weiteren Verlauf folgt man einer gedachten Linie in y-Richtung, bis diese die Diagonale mit dem passenden Kapazitätswert mit beispielsweise 10 pF schneidet.

Projiziert man diesen Schnittpunkt in horizontaler Richtung auf die y-Achse, erhält man die gesuchte Impedanz, in unserem Beispiel einen Wert von ungefähr 1,4 MOhm. Zu beachten dabei ist die doppelt logarithmische Darstellung, welche im rechten Teil des Bildes 5 in vergrößerter Darstellung abgebildet ist. Eine niedrige Eingangskapazität ist unabdingbar, wenn präzise AC-Messungen gefordert sind. Diese kann je nach Anwendungsfall bereits bei sehr niedrigen Frequenzen eine wichtige Rolle bei der erreichbaren Genauigkeit spielen.

In den nächsten Artikeln aus der Serie werden wir auf die Auswirkungen der Messgeräte bei sogenannten High-Side-Messungen und auf den Unterschied zwischen differentieller Messung und isolierter Messtechnik eingehen. Weiterhin betrachten wir die Auswirkungen der Eingangsimpedanz bei der Aufzeichnung schneller Signale mit Oszilloskop und Digitizer.

Lesen Sie hier die erwähnten Teile

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