Sicherheit zuerst!

Digitalmultimeter sind die am häufigsten eingesetzten Messgeräte in der Elektrotechnik. Sie sind leicht zu bedienen und die Begriffe Strom, Spannung und Widerstand kennen wir alle aus dem Physikunterricht. Was kann man, versehen mit diesen Kenntnissen,  schon falsch machen bei dem Erwerb eines neuen Multimeters? Der Nutzer weiß welche Größe er messen will und  welche Messbereiche er benötigt.

Multimeter sind Massenware, man kann sie im Baumarkt, im Elektronikversand oder bei einem Fachhändler erwerben. Dementsprechend liegt die Preisspanne bei Handmultimetern  zwischen 5 € und 500 €. Hochwertige Präzisionsmultimeter (Tischgeräte) kosten ca. 1500 €. Die Anzahl der von diesen Geräten gemessenen elektrischen Größen und Messbereiche sind in etwa gleich.

Warum tut es dann nicht das 5 € -Gerät, wenn man doch nur die Spannung an der Steckdose messen will?

Hier die Kriterien die bei dem Einsatz eines  Multimeters zu beachten sind:

1. Sicherheit

2. Qualität

3. Verfahren zur Messung des Effektivwertes der Wechselgrößen

4. Anforderungen an die Präzision des Messergebnisses.

5. Ausstattungsmerkmale

Zu 1. Die Sicherheit, das wichtigste Kriterium

Bei Messungen an Stromkreisen mit hohem Energiegehalt können extrem hohe Kurzschlussströme fließen. Die Folgen eines Kurzschlusses können verheerend sein. Im schlimmsten Fall kommt es zur Lichtbogenbildung. Nur wenn  Schutzvorkehrungen im Messgerät selber getroffen sind,  können  die Unfallfreiheit und eine lange Nutzungsdauer des Messgerätes gewährleistet werden.

Mögliche Schutzvorkehrungen in einem Multimeter:

-Superflinke Sicherungen mit einer hohen Schaltleistung

-Funkenstrecken zur Ableitung von Überspannungen

-Varistoren zur Ableitung von Überspannungen

-Schutzschaltungen mit Dioden zur Ableitung hoher Ströme

-Ein geeigneter interner konstruktiver Aufbau des Messgerätes

-Art und Isolierung der Messleitungen

Um das für Ihre Anwendung unfallsichere Gerät zu erkennen sind diese entsprechend IEC 61010-1 in Messkategorien (CAT I...IV) unterteilt und gekennzeichnet.

CAT I: Messungen an Stromkreisen, die nicht direkt mit dem Netz verbunden sind, z.B. Batterien etc.

CAT II: Messungen an Stromkreisen, die elektrisch über Stecker direkt mit dem Niederspannungsnetz (240 V) verbunden sind , z.B. in Geräten im Haushalt , Büro und Labor (die ihrerseits schon über eine Sicherung verfügen)

CAT III: Messungen in der Gebäudeinstallation , stationäre Verbraucher, Verteileranschluss, Geräte fest am Verteiler

CAT IV: Messungen an der Quelle der Niederspannungsinstallation: Zähler, Hauptanschluss, primärer Überstromschutz.
Ergänzend zur CAT-Kennzeichnung muss der Hersteller zusätzlich die maximal zulässige Betriebsspannung angeben.
 

Abb. 2  Sinusförmige Wechselspannung, gleichgerichtet, quadriert; dazu jeweils die Mittelwerte (----)

Je näher die Messung an der Quelle der Niederspannungsinstallation stattfindet, desto höher und damit energiereicher können Störungen (sog. Transienten) sein. Verursacht z.B. durch Blitzeinschläge oder durch das Umschalten von Lasten.

Zu 2. Qualität

Für den privaten Gebrauch lohnt es sich oft nicht das Geld für ein Markenprodukt zu investieren. In der gewerblichen Nutzung ist es aus Gründen der Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit von Messergebnissen beinahe eine Verpflichtung auf Qualität bei dem verwendeten Messgerät zu achten.

Die häufigsten Mängel bei „preiswerten“ Multimetern sind:

- Kontaktunsicherheiten an den Schaltern.(Führen zu falschen Messergebnissen!)

-Geräte halten die vom Hersteller angegebenen Parameter nicht ein. (Im Produktionsprozess vieler Messgeräte findet nur eine Justage des Grundmessbereiches statt, Die Überprüfung der übrigen Bereiche und Funktionen entfällt aus Kostengründen. Qualitätsbewusste Hersteller liefern ihre Geräte mit einem Kalibrierzertifikat aus!)

-Defekte Funktionen und Bereiche. (Oft durch eine Überlastung des Messgerätes hervorgerufen. Für den Überlastungsfall sollten in den Schaltungen der Gräte „Sollbruchstellen“ , also Sicherungen, Varistoren,  Funkenstrecken und Schutzdioden  eingebaut sein. Versagen diese Schutzelemente oder fehlen diese ganz, führt das zur Gefährdung des Benutzers und zur Zerstörung des Gerätes.)

Zu 3. Verfahren zur Messung des Effektivwertes der Wechselgrößen

Bei einfachen Handmultimetern wird zur Messung der Wechselgrößen (Wechselspannungen und –ströme) ein Gleichrichter zur Betragsbildung eingesetzt. Es steht damit der arithmetische Mittelwert der gleichgerichteten Wechselspannung (der Gleichrichtwert) zur Verfügung. Der Effektivwert einer sinusförmigen Wechselgröße ist aber um den Formfaktor  1,11072 =p/  größer als der Gleichrichtwert. Die Anzeige des Messgerätes muss deshalb auf  Effektivwertanzeige eingestellt (skaliert) werden.

Achtung! Diese elegante Methode funktioniert wegen des oben beschriebenen Zusammenhangs nur bei einem rein sinusförmigen Signalverlauf. Bei jeder Abweichung von der Sinusfunktion weicht die Anzeige des Multimeters deutlich vom Effektivwert ab.

Eine wesentlich bessere Methode zur Ermittlung des Effektivwertes von Wechselgrößen ist die elektronische Abtastung und Verarbeitung  des Signals in einem Analog- Digitalwandler. Die zu messende Wechselgröße wird in einer Frequenz abgetastet, die nach dem Abtasttheorem von SHANNON mehr als doppelt so groß sein muss als die maximal auftretende Frequenz des abzutastenden Signals

##Abb. 3  Darstellung eines abgetasteten Sinussignals mit 20 Abtastwerten

Die zeitdiskreten Werte von Abtastsignalen können durch den Analog/Digitalwandler nur in Datenworte endlicher Länge (8 bit...12 bit...) abgebildet werden. Dies bedeutet, dass ein Amplitudenwert in maximal 256 Quantisierungsschritte bei 8 bit-Wandlern und bei 12 bit-Wandlern schon in maximal 4096 einzelne Teile aufgelöst werden kann. Die erreichbare Präzision steigt  mit der Anzahl der Abtastungen je Periode  und der maximal möglichen Auflösung der Amplitude des  abgetasteten Signals durch den A/D-Wandler.

Mit dem oben grob beschriebenen Verfahren lässt sich fast zu jedem beliebigen Signalverlauf der echte Effektivwert (englisch: true root mean square, Abkürzung: true rms) ermitteln.

Zu 4. Anforderungen an die Präzision meines Messergebnisses

Jedes Messergebnis besteht aus dem Messwert und der Angabe der diesem Wert zuzuordnenden Messunsicherheit. Ein Beitrag zur Unsicherheit eines Messergebnisses ist die Toleranz des verwendeten Messgerätes. Sind Fehler während der Messung vermieden worden, bestimmt dann hauptsächlich die Messgerätetoleranz die Qualität (Messunsicherheit) des Messergebnisses. Um die für den Messwert angestrebte Fehlergrenze nicht zu überschreiten, sollte das Messgerät möglichst viermal genauer sein als diese Fehlergrenze.

Zu 5. Ausstattungsmerkmale

Moderne Multimeter bieten auch eine Vielzahl von sehr praktischen und für einzelne Anwendungen unverzichtbaren Zusatzfunktionen.

• Interner Speicher
• Schnittstelle
• Erfassung von Maximal- und Minimalwerten
• Grafische Darstellungen
• Displaybeleuchtung
• etc.

Für fast jeden Anwendungsfall ist auf dem Markt ein geeignetes Multimeter zu finden. Kompromisse muss man eventuell zu dem einen oder anderen technischen Merkmal machen, nur bei dem Punkt Sicherheit sollte man keine Kompromisse eingehen.

Autor:
Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Wozniak, Inhaber von KSW Kalibrierservice Wozniak. Das vom DKD akkreditierte Labor kalibriert für die Industrie und als Partner von mtk biomed medizinische Mess- und Prüfgeräte.

Weitere Informationen:
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