Messgeräte

Universal-/Multimeter

Ein Multimeter ist ein Messgerät vornehmlich für elektrische Größen, das verschiedene Messarten und -bereiche in einem Gerät vereinigt.

Zur Grundausstattung eines Multimeters gehört seine Verwendbarkeit als Spannungsmessgerät und Strommessgerät. In der Regel ist ein Multimeter zwischen Gleich- und Wechselgrößenmessungen umschaltbar. Zum Standard gehört auch die Ausstattung als Widerstandsmessgerät.

Analoge Multimeter

Bei Analogmultimetern wird der Messwert auf einem Zeigermessgerät mit mehreren Skalen für unterschiedliche Messbereiche angezeigt. Die Ablesewerte sind durch diskrete Teilstriche dargestellt, Zwischenwerte können interpoliert werden. Mögliche Fehlerquellen beim Ablesen sind das Ablesen von der falschen Skale, ggf. eine falsche Umrechnung auf den Messwert oder der Parallaxenfehler, bei dem aus einem falschen Blickwinkel den Zeiger auf einem falschen Skalenwert zur Deckung kommt. Zur Vermeidung der Parallaxe besitzen hochwertige Messgeräte eine Spiegelskala, die erlaubt, die Zeigerstellung parallaxefrei abzulesen. Die Fehlergrenzen von analogen Messgeräten können bei hochwertigen Geräten durchaus weniger als ein Prozent vom Messbereichsendwert betragen.

Als entscheidendes Bauteil, das den Ausschlag bildet, kommt in der Regel das Drehspulmesswerk zum Einsatz, früher auch das Dreheisenmesswerk, noch früher auch das Hitzdrahtinstrument.

Die Messbereiche von Drehspulgeräten erstrecken sich so etwa bei Gleichspannungen von 100 mV bis 1000 V, für Gleichströme von 100 µA bis 10 A, hochwertige Geräte weisen teilweise noch kleinere Bereiche auf. Außer bei Multimetern mit Verstärker setzen die Wechselspannungs- und Wechselstrombereiche bei deutlich höheren Werten ein, da dem Messwerk ein Gleichrichter vorgeschaltet werden muss.

Der zulässige Frequenzbereich erstreckt sich bei hochwertigen oft bis über mehrere 10 MHz, während er bei Standardgeräten bis ca. 10 kHz reicht.

Zur Widerstandsmessung wird der Strom gemessen, den eine eingebaute Batterie durch den Widerstand fließen lässt. Der Zusammenhang ist stark nichtlinear; die Messung eignet sich nur für grobe Aussagen.

Digitalmultimeter

Durch Fortschritte in der Digitalelektronik kamen Digitalmultimeter auf. Bei diesen Messgeräten wird das Signal elektronisch mit einem Analog-Digital-Umsetzer aufgenommen, in digitale Daten (Bitfolgen) umgeformt, von einem Prozessor verrechnet und der gemessene Wert in Ziffernform angezeigt. Die Messbereiche von Universalmultimetern erstrecken sich in der Regel von 200 mV bis 1000 V und von 20 µA bis 20 A. Die elektronische Messwerterfassung arbeitet mit einem recht hohen Innenwiderstand von 1 bis 20 MΩ. Dieser hohe Eingangswiderstand kann zu Fehlanzeigen führen, verursacht durch Einstreuungen und Rauschen. Abhilfe gegen Einstreuungen können geschirmte Messleitungen erbringen. Durch die Digitalisierung erlauben manche Geräte eine Speicherung der Messwerte oder eine Übertragung zum PC, wo sie weiter ausgewertet werden können.

Bedingt durch die Digitalisierung werden nur diskrete Zahlen angezeigt, eine Interpolation ist nicht möglich. Die Anzeigeauflösung ist durch die Diskretisierung vorgegeben. Die relative Fehlergrenze ist je nach Messbereich meist kleiner als 1 %, in den Gleichspannungsbereichen liegt sie bei hochwertigeren Geräten in der Regel unter 0,2 %.

Einige Geräte weisen auch Messmöglichkeiten für Frequenzen, Kapazitäten, Induktivitäten sowie Transistor- und Diodeneigenschaften auf. Mittels eingebauter oder externer Sensoren sind mit manchen Geräten auch Luftfeuchtigkeits-, Schall- oder Temperaturmessungen möglich. Auch ein akustischer Durchgangsprüfer ist bei fast allen Digitalgeräten eingebaut.

Zumeist kann jede Größe in mehreren Messbereichen gemessen werden, wobei komfortable Geräte den Spannungsmessbereich automatisch wählen.

Zur Einmessung von Bandgeräten sind diese digitalen Multimeter leider zu grob gerastert, träge, und daher unbrauchbar.

Millivoltmeter

Ein Spannungsmessgerät (auch als Spannungsmesser oder Voltmeter<ref>Dieser Begriff ist gebräuchlich, jedoch umstritten: Ein Volt ist nichts Messbares, sondern etwas Definiertes. Messbar sind physikalische Größen, in diesem Fall die Spannung</ref> 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, die bei digitalen Spannungsmessern auch als DMM (Digitalmultimeter) bezeichnet werden.

Ausführungsformen

Analoge Geräte

Elektrostatische Messwerke

Bei einem elektrostatischen Spannungsmesser führt die Spannung ohne Stromfluss zu einem Zeigerausschlag. Die mechanische Kraft entsteht 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. Genauere Instrumente besaßen drei Elektroden, von denen eine ein beweglich gelagertes Blech zwischen den beiden anderen Elektroden war. Die Spannung wurde je an beide feststehenden Elektroden sowie mit einem Pol an die bewegliche angeschlossen<ref>Varduhn, A.; Nell, W.: Handbuch der Elektrotechnik Band II; Fachbuchverlag Leipzig, 1951; Seite 159</ref>. Die Instrumente besaßen oft einen Lichtzeiger (Anzeigeprinzip des Spiegelgalvanometers). Sie waren auch für Wechselspannung geeignet. Diese Geräte werden seit Jahrzehnten nicht mehr hergestellt.

Dreheisen- und Drehspulmesswerke

Hierbei erfolgt die Spannungsmessung über den Umweg der Messung eines Stromes, der durch den Widerstand der Antriebsspule, eventuell ergänzt um einen Vorwiderstand, proportional zur Spannung ist. Das Gerät misst also mit seinem Zeigerausschlag eigentlich einen Strom, aber die Skala ist mit den entsprechenden Spannungswerten beschriftet. Beim Drehspulmesswerk erzeugt die Lorentzkraft den Zeigerausschlag. Beim Dreheisenmesswerk ist es die magnetische Anziehung bzw. Abstoßung von Eisenteilen, die im Inneren einer feststehenden Spule liegen. Drehspulmessgeräte besitzen immer einen Vorwiderstand, Dreheisenmesswerke oft nicht – bei diesen kann die Spule ausreichend hochohmig ausgeführt werden. Drehspulmessgeräte messen den polaritätsrichtigen Mittelwert; um Wechselspannung zu messen, müssen sie einen Messgleichrichter besitzen. Dreheisenmesswerke messen den Effektivwert; sie benötigen keinen Gleichrichter. Messwerke beiderlei Art besitzen in der Regel eine auf der Skala angegebene Genauigkeitsklasse sowie ggf. eine Spiegelskala.

Digitale Messgeräte

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.

Leider sind diese Geräte meist zu grob ablesbar, um sie für Einmessarbeiten nutzen zu können.

Benutzung

Der Spannungsmesser wird mit den zwei Punkten einer Schaltung verbunden, zwischen denen die Spannung gemessen werden soll. Wenn man die Spannung messen will, die über einem Bauteil oder Messobjekt abfällt, wird der Spannungsmesser dazu parallel geschaltet. Dieses 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. Strommesswerte können oft indirekt aus einer Spannungsmessung gewonnen werden, wenn der Wert des Widerstandes R bekannt ist, über dem gemessen wird (ohmsches Gesetz: Stromstärke I = U/R mit U - gemessene Spannung).

Messbereich

Ein Drehspul- oder Dreheisenmesswerk hat konstruktionsbedingt einen maximalen Ausschlag (Vollausschlag) bei einer maximalen Stromstärke I_max. Zugleich besitzt es einen Eigenwiderstand (Innenwiderstand R_i), das heißt, bei Vollausschlag liegt am Messwerk eine Maximal-Spannung an (U_max = R_i ⋅ I_max). Die Spannung für Vollausschlag kann mittels Vorwiderständen erhöht werden. Für mehrere Messbereiche werden mehrere Vorwiderstände in Reihe geschaltet und mit einem Stufenschalter wird zwischen deren Verbindungspunkten umgeschaltet. Bei Überschreiten der maximalen Spannung können das Messwerk oder die Vorwiderstände überlastet werden. Für Messgeräte mit einem Klassenzeichen ist eine zulässige Überlastbarkeit durch Normung festgelegt.

Bei digitalen Spannungsmessgeräten besteht dieses Problem der Überlastung nicht in dieser Form, da deren Innenwiderstand sehr hoch ist und daher nur wenig Leistung umsetzt. Bei Überschreitung der in einem Messbereich maximal anzeigbaren Spannung wird oft automatisch in den nächst höheren Spannungsbereich umgeschaltet.

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.

Osziloskop

Analoges Oszilloskop

Bei analogen Oszilloskopen wird die zu messende Spannung über einen einstellbaren und in seiner Verstärkung kalibrierten Verstärker auf den Bildschirm einer Elektronenstrahlröhre projiziert. Für die X-Ablenkung muss dazu eine Kippschwingung erzeugt werden, welche gleichmäßig ansteigt und dann schnell wieder abfällt. Die ebenfalls kalibrierte Frequenz dieser sägezahnförmigen Kippschwingung entspricht der angezeigten Zeitdauer des Signales. Sie ist zumeist in einem sehr weiten Bereich einstellbar. Der Elektronenstrahl bewegt sich dadurch von links nach rechts (während dieser Zeit wird das Bild gezeichnet) und kehrt anschließend sofort zum Ausgangspunkt zurück, dabei wird der Strahl dunkelgetastet, damit man den Rücklauf des Leuchtflecks nicht sieht.

Die Ablenkung des Elektronenstrahls erfolgt bei Oszilloskopen im Gegensatz zu anderen Bildschirmen kapazitiv durch elektrische Felder. Diese Ablenkung wurde gewählt, weil sie

• wesentlich unkomplizierter über große Frequenzbereiche beherrschbar ist,
• zur Ablenkung keine elektrische Leistung benötigt wird (und damit auch keine aufwendigen Verstärkerschaltungen).

Die Vorteile überwiegen die Nachteile (Leuchtfleckverformungen mit zunehmender Ablenkung, große Einbautiefe der zugehörigen Bildröhre) im angestrebten Einsatzbereich bei weitem.

Mehrkanalbetrieb

Oft ist es notwendig, zwei Signale auf dem Schirm gleichzeitig darzustellen, um sie zu vergleichen. Dazu gibt es bei analogen Oszilloskopen mehrere Verfahren:

• Mehrsystemröhre: In vergangenen Zeiten, als noch keine geeigneten Schaltmittel zur Verfügung standen, wurden mehrstrahlige Oszilloskope verwendet. Dabei befanden sich in der Röhre mehrere Elektronenkanonen und Ablenksysteme. Auf diese Weise ließen sich zwei bis vier unabhängige Kurvenverläufe zeitgleich darstellen. Mehrstrahlige Oszilloskope gelten heutzutage als technisch veraltet und werden nicht mehr hergestellt.
• Chopper-Betrieb: Bei der Darstellung von langsamen Signalverläufen kann man sehr schnell zwischen den beiden Eingängen umschalten und dabei auch die vertikale Strahlposition auf dem Bildschirm verändern. Das führt dazu, dass z. B. Kanal 1 in der oberen Bildschirmhälfte dargestellt wird und Kanal 2 in der unteren. Nachteil ist, dass jeder Kanal nicht kontinuierlich dargestellt wird, sondern aus einer gestrichelten (zerhackten) Linie besteht. Kurze Impulse können in der Zwischenzeit (wenn der andere Kanal geschrieben wird) verloren gehen. Dies verwendet man meist unter 100 Hz
• Alternierender Betrieb: Bei der Darstellung von schnellen Signalverläufen lässt man das Signal des einen Kanals einmal ganz auf dem Bildschirm darstellen, schaltet dann auf den anderen Kanal und stellt diesen auf einer anderen Position dar. Es wird also nach jedem Strahldurchlauf zwischen Kanal 1 und 2 umgeschaltet. In dieser Betriebsart kann allerdings die Phasenverschiebung nicht exakt bestimmt werden, weil der Triggerimpuls nicht gleichzeitig ausgelöst wird.

Triggerung

Um bei periodischen Signalen (dies kann ein einfaches Sinus-Signal sein, aber auch ein äußerst komplexes Signal) ein stehendes, klares Bild zu erhalten, ist es nötig, den Elektronenstrahl vor jedem Durchlauf solange aufzuhalten, bis das zu messende Signal einen definierten Zustand (entspricht einem Zeitpunkt) erreicht. Man stellt mit dem "Level"-Potentiometer einen Spannungswert ein, der diesem Zustand entspricht, und kann zumeist festlegen, ob sich dieser auf einer ansteigenden oder fallenden Flanke befinden soll. Somit werden die einzelnen Signalperioden stets genau übereinander gezeichnet und ermöglichen zusammen mit der relativ langen Nachleuchtdauer der Leuchtschicht ein mehr oder minder stehendes Bild. Je nach Ausstattung des Oszilloskops gibt es noch weitere Triggerungsmethoden oder die Möglichkeit, ein externes Triggersignal zu verwenden.

NF-Generator

Ein Tonfrequenzgenerator ist ein Gerät, welches üblicherweise ein sinusförmiges, rechteckförmiges oder sägezahnförmiges elektrisches Signal im für den Menschen hörbaren Frequenzbereich, d.h. 20 bis 20.000 Hz erzeugt. Es dient meistens als Meßwertgeber.

Gerätevarianten

Die Geräte sind im Allgemeinen so konstruiert, dass das Ausgangssignal sowohl in Frequenz als auch Amplitude manuell einstellbar ist, um das Meßsignal durch passende Einstellungen flexibel den Erfordernissen anpassen zu können.

Seltener werden Festfrequenzgeber eingesetzt, die eine konstante Frequenz (z.B. 800 Hz oder andere Normfrequenzen) mit konstantem Signalpegel (z.B. 0 dB) abgeben.

Eine Sonderform stellen Wobbelgeneratoren dar, die in einem Zeitintervall kontinuierlich ihren gesamten Frequenzbereich durchlaufen können. Zeitintervall, Frequenzbereich und Pegel lassen sich innerhalb weiter Grenzen einstellen.

Alle Varianten eines Tonfrequenzgenerators können auch durch eine von einem geeigneten Computerprogramm gesteuerte Soundkarte am PC ersetzt werden.

Einsatz

Tonfrequenzgeneratoren werden für Prüf- und Messzwecke im NF-Bereich verwendet, u.a. in der Übertragungstechnik, der akustischen Messtechnik und in der Elektroakustik. Sie werden dabei in Kombination mit einem geeigneten Tonpegelmesser eingesetzt.

Im einfachsten Fall lässt sich mit dem Festfrequenzgeber feststellen, ob der Meßton ein Tonübertragungssystem mit gewünschtem Pegel durchläuft und dieses somit grundsätzlich funktionsfähig ist.

Einstellbare Generatoren gestatten darüber hinaus durch manuelle Aufnahme von mehreren/vielen Pegelmeßwerten über den Frequenzbereich die qualitative Beurteilung des Frequenzganges eines Übertragungssystems.

Der Wobbelgenerator ermöglicht in Verbindung mit einem Oszilloskop als Pegelmesser die automatische Frequenzgangaufnahme. Die Linearität des Übertragungsweges über die Frequenz kann direkt vom Bildschirm abgelesen werden.

In der elektronischen Musik werden Tongeneratoren z.B. in Synthesizern zur Klangerzeugung verwendet.

Literatur

• Telefunken Laborbuch Band 2, 5. Ausgabe, Herausgeber AEG-Telefunken, erschienen im Franzis-Verlag G. Emil Mayer KG, München

Weblinks

• Bilder eines klassischen Tonfrequenzgenerators
• Beispiel eines Programmes für einen (stereotauglichen) Sinusgenerator - (englisch)
• NF-Signalgenerator mit Soundkarte

Bandlauf(-zug)-Einstellhilfen

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