Praxistipp Messtechnik

Ungenaue Ergebnisse bei isolierten und nicht isolierten Messgeräten vermeiden

Seite: 2/2

Firma zum Thema

Messunsicherheiten und Messbereiche

Wie groß der Messfehler ausfällt, hängt vom Verhältnis des Innenwiderstandes des Gerätes zum Widerstand des zu messenden Objektes ab. Ein Gerät mit hohem Eingangswiderstand verfälscht unabhängig von der Impedanz des zu messenden Signals eine Messung weniger und ist daher ist für präzise Messungen immer vorteilhaft. In der Fortsetzung dieser Artikelreihe wird unter anderem auf die Messgenauigkeit bei High-Side-Messungen und die Messgenauigkeit bei dynamischen Messvorgängen von AC-Signalen eingegangen.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 7 Bildern

Die Messunsicherheit ist, wie bereits aufgeführt, die Summe aus Gain Error und Offset Error. Dabei ist der Gain Error abhängig vom Messwert und der Offset Error ist innerhalb eines Messbereiches konstant. Das bedeutet, dass die Messunsicherheit innerhalb eines Messbereiches linear ansteigt. Die beiden Fehler sind nicht in allen Messbereichen gleich groß. Typischerweise steigen die Fehler hin zu den kleinsten, bzw. zu den größten Messbereichen etwas an. Da dies auf die Darstellungen der Auswirkung einer unterschiedlichen Anzahl von Messbereichen kaum Einfluss hat, werden zur einfacheren Darstellung in allen Messbereichen die gleichen Fehler angenommen. Man sieht hier deutlich die jeweils konstanten Offset-Fehler der Messbereiche und den variablen Gain-Fehler, die abhängig vom Messwert sind (Bild 3 und 4).

Außerdem ist erkennbar, dass die Auswahl eines passenden Messbereiches essentiell ist. Man kann eine Spannung von 8 V mit dem Messbereich von 100 V messen, tut das aber in unserem Beispiel mit einer ungefähr doppelt so großen Messunsicherheit wie im Messbereich von 10 V. Das Messgerät 2 verfügt über eine größere Anzahl von Messbereichen (Bild 4).

Die Diagramme in den Bildern 3 und 4 zeigen, dass die Unterschiede zwischen den beiden Geräten mit steigender Spannung immer größer werden. Ursache ist, dass der Offset-Fehler immer für einen Messbereich gilt. Je größer der verfügbare Messbereich ist, desto größer sind die Auswirkung im unteren Teil des Messbereiches im Bezug auf den Gain-Fehler. Durch eine größere Anzahl von Messbereichen reduziert sich die absolute Messunsicherheit in weiten Teilen des gesamten Messbereiches. Hintergrund ist die unterschiedliche, notwendige Ausnutzung der Messbereiche.

Wie sich unterschiedliche Messbereiche auswirken

Bei einer 10er Teilung der Messbereiche reicht der 100-V-Messbereich von 10 bis 100 V. Es müssen also immer 90 Prozent des Messbereiches ausgenutzt werden. Bei einer 2er Teilung reicht der 128-V-Messbereich von 64 bis 128 V, was lediglich 50 Prozent des Messbereiches darstellen. Für Anwender ist entscheidend, wie genau ein Wert selbst gemessen werden kann. Um zu verifizieren, dass die ausgegebene Spannung eines Prüflings von 14 V ±0,1 Prozent korrekt ist, muss die Genauigkeit des Messgerätes normiert auf den Messwert 14 V bekannt sein. Dazu wird der absolute Fehler bei 14 V berechnet und durch 14 V geteilt.

Die Bilder 5 und 6 zeigen die normierte Darstellung der Messunsicherheit für beide Messgeräte. Der Vorteil der 2er Teilung wird besonders deutlich. Der normierte Fehler kann damit über den gesamten verfügbaren Messbereich gering gehalten werden. In unseren Beispielen haben wir Geräte mit einem Offset-Fehler von 0,01 Prozent und einem Gain-Fehler von 0,08 Prozent gewählt. Man ist verleitet anzunehmen, dass damit immer mit einer Unsicherheit von 0,09 Prozent gemessen werden kann.

Eine Messung erzeugt immer einen Messfehler

In der normierten Darstellung kann man erkennen, dass diese Annahme nur für jeweils den maximalen Messwert innerhalb eines Bereiches gilt. Je niedriger der Messwert innerhalb eines Bereiches ist, desto größer die Messunsicherheit bezogen auf den Messwert selbst. Eine Spannung von 14 V wird mit Messgerät 1 mit einer Unsicherheit von 21,2 mV gemessen. Das entspricht einem normierten Fehler von ungefähr 0,15 Prozent. Messgerät 2 misst die Spannung mit einer Unsicherheit von 12,8 mV, was einem normierten Fehler von 0,091 Prozent entspricht. Damit ist bei diesem Messwert die Messunsicherheit des Messgerätes 1 um ungefähr 65 Prozent schlechter als bei Messgerät 2.

Der Anwender sollte sich immer bewusst sein, dass eine Messung stets einen Messfehler erzeugt. Dieser kann durch Geräte mit hohen Eingangsimpedanzen minimiert werden. Bei Applikationen mit hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit ist es zudem vorteilhaft, ein Gerät mit einer größeren Anzahl an Messbereichen zu nutzen, um die Messunsicherheit entsprechend gering zu halten.

Der nächste Teil der Serie erläutert die Messgenauigkeit bei High-Side-Messungen, die differentielle Messung mit Gleichtaktanteil und die Auswirkungen auf die Messgenauigkeit bei dynamischen Messvorgängen von AC-Signalen.

(ID:44458359)