Informations- und Kommunikationstechnik

Spannungsmessung

Spannungsmessung

Bei der Spannungsmessung wird das Voltmeter direkt an die Klemmen der Spannungsquelle angeschlossen. Wird die Spannung innerhalb einer Schaltung am Widerstand oder einer Baugruppe gemessen, muss der Spannungsmesser parallel dazu angeklemmt werden.

Das Messgerät zeigt nur dann einen Wert an, wenn es vom Strom durchflossen wird und an seinem Innenwiderstand die angezeigte Spannung entsteht. Dieser Innenwiderstand stellt für die zu messende Spannung eine Belastung dar. Je geringer der Widerstand des Messwerks ist, desto größer ist der Messfehler. (Siehe auch: Ausführungen zum belasteten Spannungsteiler).

Der Innenwiderstand eines Voltmeters RM wird vom Hersteller in Ohm/Volt für den eingestellten Messbereich angegeben. Daraus errechnet sich der maximal erlaubte Strom bei Vollausschlag. Übersteigt die zu messende Spannung den maximalen Messbereich des Spannungsmessers, so muss sein Bereich durch einen entsprechenden Vorwiderstand RV erweitert werden.

Formeln

Bei den gängigen Multimetern muss man sich darüber keine Gedanken mehr machen und keine Korrekturrechnungen durchführen. Sie zeigen in allen Spannungsbereichen einen konstanten sehr hohen Eingangswiderstand von normalerweise 10 MΩ. Für die interne Messbereichserweiterung gelten die folgenden Darstellungen weiterhin. Faktor n steht für die Bereichserweiterung mit dem der erforderlich Wert des Vorschaltwiderstands errechnet wird.


Strommessung

Strommessung

Das Amperemeter muss vom zu messenden Strom durchflossen werden und liegt im Stromkreis der Schaltung. Der Innenwiderstand des Strommessgeräts ist sehr klein, damit der Stromkreis nicht durch seinen zusätzlichen Widerstand negativ beeinflusst wird. Ein Amperemeter darf somit nie parallel zum Messobjekt geschaltet werden, da es dann mit dem geringen Innenwiderstand das Messobjekt und die Spannung an der Messstelle kurzschließt.

Ist der zu messende Strom größer, als der zum Vollausschlag maximal erlaubte Strom, so kann der Messbereich erweitert werden. Dazu wird parallel zum Messwerk ein Widerstand geschaltet. Durch diesen Shunt- oder Nebenwiderstand RN teilt sich der Strom auf. Die Berechnung erfolgt durch Anwendung des ohmschen Gesetzes auf eine Parallelschaltung. Der Faktor n gibt an, wie der Messbereich zu erweitern ist, damit das Amperemeter nicht überlastet wird.

Messbereicherweiterung

Die Güteklasse und weitere Messfehler

Kein Messgerät zeigt den zu messenden Wert mit absoluter Genauigkeit an. Die Konstruktion des Instruments bedingt einen Anzeigefehler. Der Hersteller berücksichtigt das durch die Angabe einer Güteklasse. Weitere Messungenauigkeiten beruhen auf dem persönlichen Ablesefehler. Die Gebrauchslage des Instruments, die Umgebungstemperatur, der Frequenzbereich und äußere elektromagnetische Felder können weitere Messungenauigkeiten verursachen.

Die Einteilung der Güteklassen gibt den auf den Vollausschlag bezogen den Fehlerwert in Prozent an. Betriebsmessgeräte haben die Güteklasse 1 - 6 - 1,5 - 2,5 oder 5 Prozent. Bei Feinmessgeräten liegen die Werte bei 0,1 - 0,2 oder 0,5 Prozent. Dieser Fehlerwert ist über den gesamten Skalenbereich konstant.

Fehlerdiagramm bei der Skalenanzeige

Damit der Gerätefehler nicht zu sehr den wahren Messwert verfälschen kann, sollte die Messung nur im oberen 2/3-Bereich der Skala erfolgen. Das nebenstehende Diagramm stellt den prozentualen Fehler vom Messwert in Abhängigkeit zum Skalenbereich bei einer Güteklasse von 5% dar.

Werden mit diesem Gerät bei Vollausschlag 100 V gemessen, so kann der wahre Wert zwischen 95 ... 105 V liegen. Bei der Anzeige 50 V gilt die Ungenauigkeit von ± 5 V weiterhin. Auf den Messwert bezogen ist das aber ein Fehler von 10%. Ein Messwert von 10 V weist dann die nicht mehr tolerierbare Ungenauigkeit von 50% auf.

Zur genaueren Messung im oberen Skalenbereich muss das Messgerät in einem optimalen Messbereich umgeschaltet werden.

Persönliche Ablesefehler bleiben klein, wenn man die Augen senkrecht zum Zeiger ausrichtet. Bei einer Spiegel hinterlegten Skala muss der Zeiger deckungsgleich mit seinem Spiegelbild sein. Alle anderen Ablesestellungen liefern wegen der Parallaxe, der Verschiebung auf der Linie Auge–Zeiger–Skala, zu hohe oder zu niedrige Ablesewerte.

Gleichzeitige Strom- und Spannungsmessung

Zur gleichzeitigen Strom- und Spannungsmessung im Stromkreis sind bestimmte Voraussetzungen zu treffen, damit der Messfehler im Bereich der Fehlergrenzen bleibt, der durch die Güteklasse der Instrumente gegeben ist. An den folgenden beiden Schaltungsbeispielen werden die Messfehler erklärt.

Korrekte Spannungsmessung

Das Strommessgerät ist vor dem Anschlusspunkt des Spannungsmessgeräts geschaltet. Bei kleinem bis mittelhohem Lastwiderstand R fließt ein relativ großer Strom I. Der Fehlerstrom IF, der vom Voltmeter zur Anzeige benötigt wird, ist wegen des hohen Innenwiderstands RM klein im Vergleich zum Strom I. Der gemessene Gesamtstrom IM ist etwas zu groß. Da IF < I ist, bleibt der Stromfehler innerhalb der Fehlergrenzen der Instrumente.

korrekte Spannungsmessung

Bei großem Lastwiderstandswert fließt ein wesentlich kleinerer Strom I. Der Stromfehler IF durch das Spannungsmessgerät wirkt sich umso stärker auf den Messstrom IM aus, je mehr sich R und RM gleichen. Der Stromfehler ist zu beachten. Soll der Messfehler durch Rechnung berücksichtigt werden, so eignet sich dieser Messaufbau am besten, da der Innenwiderstand des Voltmeters fast immer bekannt ist.

Korrekte Strommessung

Der in der Reihenschaltung fließende Strom wird in jedem Fall korrekt angezeigt. Das Spannungsmessgerät erfasst die Gesamtspannung parallel zum Innenwiderstand des Strommessgeräts und dem Lastwiderstand. Bei kleinem bis mittlerem Lastwert R fließt ein großer Strom I und verursacht den Spannungsfehler UF am kleinen Innenwiderstand des Amperemeters. Je mehr sich der Lastwert R dem Innenwiderstand des Amperemeters nähert, desto ungenauer kann aus der Gesamtspannung U auf die Spannung am Lastwiderstand geschlossen werden.

korrekte Strommessung

Bei großem Lastwert R fließt ein viel kleinerer Strom I. Dieser Strom erzeugt am gleichen kleinen Innenwiderstand des Strommessers einen viel kleineren Spannungsfehler. Da UF < UR ist, bleibt der Spannungsfehler innerhalb der Fehlergrenze des Spannungsmessers.

Spannungen werden stets parallel zur Spannungsquelle gemessen.
Das Voltmeter sollte die Spannungsquelle nicht zusätzlich belasten. Der Innenwiderstandswert muss daher groß sein.
Die Messbereichserweiterung eines Voltmeters erfolgt durch einen Reihenwiderstand.

Das Amperemeter liegt mit dem Verbraucher in Reihe und wird vom Gesamtstrom durchflossen.
Der Innenwiderstandswert des Amperemeters muss sehr klein sein, um den Gesamtstrom möglichst nicht zu begrenzen.
Die Messbereichserweiterung eines Strommessers erfolgt durch einen Parallelwiderstand, dem Shunt.

Der Anzeigewert sollte im oberen 2/3-Bereich der Skala liegen, damit der durch die Güteklasse bedingte Messfehler klein bleibt.
Bei gleichzeitiger U- und I-Messung ist der Strom- und Spannungsmessfehler vernachlässigbar, solange gilt:
( Fehlerwert / Messwert)·100 < Güteklasse des Messgeräts.

Interaktive Spannungsmessung

Mit der interaktiven Simulation kann der richtige Umgang mit einem analog anzeigenden Vielfach-Spannungsmessgerät geübt werde. Mit jedem Einschalten des Generators wird er mit dem Messgerät verbunden und eine zufällige Gleichspannung zwischen ±0 ... 100 Volt liegt an. Nach der Wahl eines Messbereichs, sicherheitshalber sollte es anfangs immer der höchste sein, muss das Messgerät eingeschaltet werden. Die Messbereiche können jederzeit umgeschaltet werden. Die angezeigte Spannung ist in einem optimalen Messbereich abzulesen und der Wert in das vorgesehene Feld einzutragen. Für eine Dezimalzahl ist der Punkt zu verwenden.

Nach Betätigen der Prüftaste zeigt das Programm den tatsächlichen Spannungswert des Generators und den persönlichen Messfehler an. Die Simulation berücksichtigt keine nachträglichen Korrekturversuche. Selbstverständlich führt eine Fehlbedienung bei aktivierter Tonausgabe zur lautstarken "Zerstörung" des Messgeräts. Die Simulation lässt sich nach dem Zurücksetzen der DEF-Taste fortführen.