Spannungsmessgerät
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Ein Spannungsmessgerät (auch als 'Spannungsmesser' oder 'Voltmeter' ¹) bezeichnet) dient zur Messung elektrischer Spannungen. Dazu wird die Messgröße in eine Anzeige ihres Vielfachen der Einheit Volt umgeformt. Der Spannungsmesser besteht aus dem eigentlichen Messwerk bzw. Messelektronik und gegebenenfalls einem Vorwiderstand oder Spannungsteiler zur Anpassung des Messbereiches. Für Laboranwendungen gibt es umschaltbare Vielfachmessgeräte mit mehreren Messbereichen, bei digitalen Spannungsmessern abgekürzt als DMM (Digitalmultimeter). Für industrielle Anwendungen gibt es anzeigelose Messeinrichtungen.
¹) Dieser Begriff soll nicht mehr verwendet werden, da er unlogisch ist: Ein Volt ist nichts Messbares, sondern etwas Definiertes. Messbar sind physikalische Größen, in diesem Fall die Spannung.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Ausführungsformen
[Bearbeiten] Analoges Spannungsmessgerät
Bei den analogen Spannungsmessgeräten wird nur bei einem elektrostatischen Spannungsmesser die Spannung direkt in einen Zeigerausschlag umgeformt. Die mechanische Kraft entsteht in diesem Falle durch die Abstoßung gleichnamiger bzw. Anziehung ungleichnamiger Ladungen. Der einfachste elektrostatische Spannungsmesser war das Elektroskop und wurde vor allem zur Messung von höheren Gleichspannungen eingesetzt.
In den meisten Fällen erfolgt die Spannungsmessung bei analogen Messgeräten in Wirklichkeit über eine Strommessung, weil die Bewegung von Ladungen im Magnetfeld die Lorentzkraft für den Zeigerausschlag erzeugt. Der Strom I durch ein Messwerk mit dem Eigenwiderstand (Innenwiderstand) Ri ist zu der anliegenden Spannung U gemäß dem Ohmschen Gesetz proportional. Das Gerät misst also mit seinem Zeigerausschlag eigentlich einen Strom, aber die Skale ist mit den entsprechenden Spannungswerten beschriftet. Das Messwerk ist meist als ein Drehspulmesswerk ausgeführt. Zur Problematik der Messgenauigkeit siehe unter Genauigkeitsklasse.
[Bearbeiten] Digitales Spannungsmessgerät
Bei den heute üblichen digitalen Spannungsmessgeräten wird die Spannung direkt in Ziffernform angezeigt. Die zu messende analoge Spannung wird hochohmig abgegriffen und mittels Analog-Digital-Umsetzer in ein digitales Signal umgesetzt, welches die numerische Anzeige steuert.
Der Vorteil der digitalen Spannungsmessgeräte liegt in deren mechanischen Unempfindlichkeit, leichten Ablesbarkeit der Anzeige, Betriebmöglichkeit in allen räumlichen Lagen, höheren Messgenauigkeit, wesentlich höheren Eingangswiderständen, insbesondere bei kleinen Spannungs-Messbereichen, und geringeren Herstellungskosten. Weiter bieten viele digitale Multimeter eine automatische Bereichswahl, und sie können neben Gleichspannung auch Wechselspannung – teilweise mit einer echten Effektivwertmessung – erfassen.
Der Nachteil liegt darin, dass langsame zeitliche Verläufe nicht so gut verfolgt werden können. Deswegen bieten manche digitale Spannungsmessgeräte auch eine Skalenanzeige in Form von Balken (siehe Digitale Messtechnik) oder Zeiger in einem grafischen Anzeigefeld (schwach zu erkennen im Bild des Vielfachmessgeräts unter dem Ziffernfeld). Auch darf die Darstellungsgenauigkeit der numerischen Anzeige nicht mit der Messgenauigkeit der Messeinrichtung verwechselt werden; zu dieser Problematik siehe unter Digitale Messtechnik und Digitalmultimeter.
[Bearbeiten] Messumformer
In der industriellen Messtechnik bzw. Automatisierungstechnik verwendet man keine anzeigenden Messgeräte, sondern Messumformer, die ein normiertes elektrisches Signal zur zentralen Verarbeitung liefern. Dieses kann analog-technisch ein Einheitssignal sein, z. B. 4 … 20 mA. Es kann auch ein digitales Ausgangssignal zur Übermittlung über eine Datensammelleitung sein, die Bus, in diesem Zusammenhang Feldbus genannt wird. Diese Messgeräte mit digitalem Messsignal am Ausgang heißen dann auch Messumsetzer.
[Bearbeiten] Benutzung
Der Spannungsmesser wird mit den beiden Punkten einer Schaltung verbunden, zwischen denen die Spannung gemessen werden soll. Dies kann für kurze Tests mit Prüfspitzen geschehen, ohne dass dazu in die Schaltung eingegriffen werden muss. Daher ist die Spannungsmessung die häufigste Form der elektrischen Kontrolle. Sogar Strommessungen werden häufig durch Spannungsmessungen ersetzt; wenn man den Wert R des Widerstandes kennt, durch den der Strom fließt, kann über das Ohmsche Gesetz aus der gemessenen Spannung U die Stromstärke I = U/R berechnet werden.
Messbereich: Ein analoges Spannungsmessgerät hat konstruktionsbedingt einen maximalen Ausschlag bei einer bestimmten maximal möglichen Stromstärke Imax. Zugleich besitzt es einen Eigenwiderstand (Innenwiderstand Ri). Das bedeutet, wenn die maximale Stromstärke fließt, liegt eine gewisse maximal mögliche Spannung an, die sich nach dem Ohmschen Gesetz zu
-
- Umax = Ri ⋅ Imax
berechnet. Bei Überschreiten der maximalen Spannung bzw. der maximalen Stromstärke kann das Messwerk überlastet werden. Auf der zugehörigen Skale entspricht die maximale Spannung dem Vollausschlag. Für Messgeräte mit einem Klassenzeichen gibt es eine zulässige Überlastbarkeit.
Bei digitalen Spannungsmessgeräten besteht dieses Problem der Überlastung nicht in dieser Form, zumal wenn bei Überschreiten der in einem Messbereich maximal möglichen Spannung automatisch in den nächst höheren Spannungsbereich umgeschaltet wird.
Eine aus Gründen der Sicherheit maximal zulässige Spannung liegt meist im Bereich 700 V bis 1000 V und ist teilweise auf dem Messgerät aufgedruckt, teilweise in der Gebrauchsanweisung angegeben.
[Bearbeiten] Messbereichsanpassung, Fehler durch Eigenverbrauch
[Bearbeiten] Bei Geräten mit Drehspulmesswerk
Um ein Drehspul-Spannungsmessgerät an den gewünschten Messbereich anzupassen, wird es mit einem geeigneten Vorwiderstand Rv in Reihe geschaltet. Von der bei Vollausschlag messbaren Spannung U entfällt dann ein Teil Umax auf das Messwerk, der Rest Uv = U - Umax auf den Vorwiderstand.
Beispiel: Das Messwerk habe einen Innenwiderstand Ri = 750 Ω und schlage beim Maximalstrom Imax = 200 µA voll aus. Es soll in einem Spannungsmesser für den Messbereich U = 10 V verwendet werden. Über dem Messwerk liegt bei Vollausschlag die Spannung Umax = Ri ⋅ Imax = 750 Ω ⋅ 0,2 mA = 150 mV. Es muss also Uv = 10,00 V - 0,15 V = 9,85 V am Vorwiderstand liegen. Da auch durch ihn der Strom von 200 µA fließt, berechnet sich hieraus Rv = Uv/Imax = 9,85 V/0,2 mA = 49,25 kΩ. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung liegt dann bei Rv + Ri = 50,00 kΩ.
Der Umstand, dass durch das Spannungsmessgerät der für die Messung bestimmende Strom fließt, führt dazu, dass jede Messung die ursprünglichen Verhältnisse am Messobjekt verfälscht, da zur Messung ein (zusätzlicher) Strom entnommen wird. Daher sollte dieser möglichst klein gehalten werden, d.h. der Widerstand des Spannungsmessers (Rv + Ri) sollte möglichst hoch sein.
Bei Multimetern auf Drehspul-Basis ist Imax meistens eine für alle Messbereiche gültige Konstante, oder andersherum ist der Innenwiderstand in jedem Bereich ein anderer, - umso größer, je größer der Messbereich. Zur leichten Berechnung des Innenwiderstandes wird bei Spannungsmessern ein spannungsbezogener Widerstand ρ = 1/Imax angegeben und zwar in Ω/V (Ohm pro Volt), ebenfalls als Konstante für alle Messbereiche. Diese Angabe ist mit dem Vollausschlag des jeweiligen Messbereiches zu multiplizieren, um den tatsächlichen Widerstand zu erhalten.
Beispiel: Das oben berechnete Messgerät hat einen Widerstand von 750 Ω bei einem Messbereich von 150 mV. Daraus folgt ρ = 750 Ω/150 mV = 5,00 kΩ/V. Wenn man es für einen Messbereich von 10 V einsetzt, hat es demnach den Widerstand 10 V ⋅ 5 kΩ/V = 50 kΩ, wie oben auf anderem Wege berechnet. Sollte das Messobjekt (die Spannungsquelle) in diesem Falle seinerseits einen Widerstand haben von z. B. 5 kΩ, so entsteht ein Spannungsteiler aus Messobjekt-Widerstand und Messgeräte-Widerstand, und durch die Messung fällt im Messobjekt im Verhältnis der Widerstände 5 kΩ/(5 kΩ + 50 kΩ) = 9 % eine Spannung ab; der Messwert wird mit einem relativen Messfehler von – 9 % bestimmt.
[Bearbeiten] Bei digital-elektronischen Geräten
Bei digitalen Spannungsmessgeräten ist diese Form der Bereichserweiterung mit einem Vorwiderstand nicht möglich, da dafür der Innenwiderstand bei diesen Messgeräten viel zu hoch ist. Er liegt typisch bei 1 … 10 MΩ in allen Bereichen. Vielmehr verwendet man hier Spannungsteiler; bei Multimetern ist dieser intern eingebaut. Durch den hohen Innenwiderstand tritt auch das Problem der Rückwirkungsabweichung (Schaltungseinflussfehler) nicht in demselben Umfang auf wie bei Drehspul-Spannungsmessern.
Beispiel: Wenn das Messgerät einen Widerstand von 1 MΩ hat und die Quelle wieder 5 kΩ, dann geht von der zu messenden Spannung der Anteil 5 kΩ/(5 kΩ + 1 MΩ) = 5 ‰ am Quellenwiderstand verloren.
[Bearbeiten] Siehe auch
Strommesser, Messtechnik, Digitale Messtechnik, Messgerät, Messgerätefehler
