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Praxistipp Messtechnik Ungenaue Ergebnisse bei isolierten und nicht isolierten Messgeräten vermeiden

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

Bei statischen Messungen (DC) für isolierte und nicht isolierte Messgeräte kann es zu Ungenauigkeiten bei der Messung kommen. Wir zeigen, was dafür die Gründe sein können.

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Ungenaue Messwerte bei isolierten und nicht isolierten Messgeräten ist Thema im zweiten Teil unserer Serie.
Ungenaue Messwerte bei isolierten und nicht isolierten Messgeräten ist Thema im zweiten Teil unserer Serie.
(Bild: Clipdealer)

Im ersten Teil unserer Serie zusammen mit VX Instruments erklärten wir die Unterschiede zwischen Digitalem Multi Meter (DMM), Digitizer und Oszilloskop sowie die Eigenschaften eines Multi Measurement Devices (MMD) von VX Instruments. Dabei stellten wir wichtige technische Daten im Überblick vor und sind auf Vorteile der isolierten Messtechnik eingegangen. Dieser Artikel geht auf die Gründe der Messungenauigkeit bei statischen Messungen (DC) für nicht isolierte und isolierte Messgeräte ein. Außerdem zeigen wir die Auswirkungen einer unterschiedlichen Aufteilung von Messbereichen eines Messgerätes.

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Die Messgenauigkeit beschreibt einen Wert, welcher die zu erwartende Abweichung des gemessenen vom physikalisch wahren Wert beschreibt. Die genaue Definition variiert in den unterschiedlichen Veröffentlichungen. Zudem werden Begriffe wie Standardfehler, Messungenauigkeit, Messgenauigkeit oder Messfehler verwendet. Die Toleranz, mit der ein Wert erfasst werden kann, bezeichnen wir im Folgenden als Messgenauigkeit. Sie besteht zum einen aus der Messunsicherheit des Messgerätes selbst. Sie wird typischerweise in den Datenblättern oder Gerätespezifikationen durch die Genauigkeit angegeben, welche wiederum aus der Summe der Genauigkeit des Messwertes selbst (Gain Error, Einheit % of value) und der Genauigkeit des Messbereiches (Offset Error, Einheit % of range) besteht. Beispiele für eine solche Spezifikation zeigt die Tabelle.

Zum anderen beeinflusst das Messgerät selbst das zu messende Signal. Das geschieht in erster Linie durch die Eingangsimpedanz, welche aus einem Widerstand und einer parallelen Kapazität besteht. Ein typischer Wert hierfür sind 1 MOhm || 20 pF für Oszilloskope und 10 MOhm || 150 pF für Multimeter. Bei langsamen DC-Messungen ist dabei der Ohmsche Widerstand bestimmend für den Messfehler. Die Parallelkapazität wird in erster Instanz der Betrachtung vernachlässigt. Die Auswirkungen werden im Laufe der Serie bei der Behandlung von Messfehlern bei dynamischen AC-Messungen beschrieben.

Wie Messfehler im statischen Messfall entstehen

Die durch die Eingangsimpedanz des Messgeräts hervorgerufene Verfälschung des Messwerts erzeugt damit den so genannten Messfehler. Definiert wird die Messgenauigkeit gleich Summe aus Messunsicherheit und Messfehler. Schwerpunkt des Beitrags ist die Messgenauigkeit im statischen Messfall. Dabei sind die Eingangskapazität und die parasitären Kapazitäten des Messgerätes nicht relevant. Bei längeren Messungen wirken sie meist vorteilhaft, da sie Störungen und Rauschen minimieren.

Als erstes betrachten wir die Auswirkungen der Messung mit einem nicht isolierten Messgerät (Bild 1) bei einer Low-Side-Messung, also der Messung einer Spannung gegenüber Erdbezug. Dabei ist das zu messende Bauteil sowie das Messgerät mit einem Anschluss direkt mit Messmasse oder Erde verbunden. Das Bild 1 im Detail: In der Abbildung a ist das unbelastete System mit der idealen Ausgangsspannung von 12 V dargestellt. Wird ein Messgerät angeschlossen, um die Spannung über den Widerstand R2 zu messen, wirkt das im statischen Messfall wie ein parallel geschalteter Widerstand.

Bild b zeigt ein Ersatzschaltbild. Für zwei exemplarisch angenommene Geräte werden als Innenwiderstand 1 MOhm und 10 MOhm angenommen. Die Bilder c und d zeigen, wie das Messgerät einen sichtbaren Messfehler erzeugt. Der Messfehler hängt deutlich vom Innenwiderstand des Messgerätes ab.

Bei der Messung mit einem isolierten Messgerät in Bild 2 zeigt sich, dass der Innenwiderstand die gleichen Auswirkungen hat. Der in der Realität vorhandene, in der Regel sehr hohe Isolationswiderstand Rp kann vernachlässigt werden. Durch den Anschluss an den zu messenden Widerstand wird ein Eingang des Messgerätes direkt mit der Messmasse verbunden und damit der Isolationswiderstand Rp kurzgeschlossen. Im konkreten Fall der Low-Side-Messung hat der Widerstand Rp unabhängig von seiner Größe keinerlei Auswirkung. Isolierte und nicht isolierte Messgeräte sind für diesen Messfall gleichermaßen geeignet.

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