Können Sie den Messergebnissen eines Labor-Multimeters vertrauen?

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Hochschule Albstadt- Sigmaringen

Bei unbekannten Spannungen manuell messen

Einige Geräte haben Probleme mit der automatischen Messbereichsauswahl. Das zeigt sich dadurch, dass die Geräte viel zu geringe Werte anzeigen, weil Teile der Impulsspitze einfach abgeschnitten werden. Die Automatik wählt immer den Bereich mit der höchsten Auflösung. Bei unbekannten Spannungen ist die automatische Messbereichsauswahl abzuschalten und von manuell vom höchsten Messbereich ausgehend.

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(Bild: Kuhn, Hochschule Albstadt-Sigmaringen)

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Man wählt den Bereich, bei dem der Messwert den höchsten Wert (nicht Auflösung) annimmt. Wenig beachtet wird der Einfluss der unterschiedlichen Eingangswiderstände in Verbindung mit der eingebauten Stromquelle am Eingang des Labor-Multimeters. Die Messgeräte im Test haben alle zwei wählbare Eingangsimpedanzen (10 MOhm oder > 10 GOhm) in den unteren Gleichspannungsbereichen. Der Einfluss des Eingangswiderstands ist bei Messungen an Low-Power/Batterie-Schaltungen nicht zu vernachlässigen.

Die Ergebnisse der Simulation zeigt das Bild 5 mit dem Einfluss der Eingangsimpedanz bei einem hochohmigen Spannungsteiler nach [3] Seite 1. Ein signifikanter Messfehler (141 ppm) ist bereits an der 4. Stelle bei 10 GOhm sichtbar. Bei 10 MOhm beträgt der Fehler 15%. Von Vorteil ist die Wahl der Eingangsimpedanz von 10 GOhm.

Jedes Labor-Multimeter hat einen Eingangsstrom, dies ist der Ruhestrom des Eingangsverstärkers. Dieser kann unterschiedliche Vorzeichen haben. Bis auf das HMC8012 haben alle anderen Messgeräte eine Spezifikation von <30 pA bei 25 °C. Wird der Eingangsruhestrom von 30 pA berücksichtigt, so verschlechtern sich die Messergebnisse. Das Bild 6 zeigt das Ergebnis der Simulation mit zwei unterschiedlichen Eingangs-Ruheströmen mit 30 pA und 3 pA. Eine Zusammenfassung der Einflüsse von Eingangs-Ruheströme und Eingangsimpedanz zeigt Tabelle 1.

Der Betrag von 30 pA ist mit 242 ppm - 177 ppm = 65 ppm recht deutlich. Bei einem Vorzeichenwechsel des Eingangsruhestroms würde der Messfehler geringer werden. Messungen an den vier Labormultimeter zeigen, dass der Strom (Bild 6) in die Messgeräte hineinfließt und somit als Stromsenke den Spannungsteiler belastet.

Die direkte Messung der Eingangsströme im pA-Bereich ist sehr aufwendig. Eine einfachere Methode ist die indirekte Messung über einen Kondensator (Formel 3) und Bild 7. Der Kondensator wird eine bestimmte Zeit (dt) an den Eingang des Labor-Multimeters angeschlossen. Der Ruhestrom berechnet sich dann über den Spannungshub (du) und die Kapazität (C).

Für die Messung verwendet man einen Folien-Kondensator mit sehr geringer dielektrischer Absorption. Auch sollte kein abgeschirmtes 50-Ohm-Kabel verwendet werden, da es zu einem Tribo-elektrischen Effekt kommen kann. Es sind nur starre Verbindungen einzusetzen. Der Messaufbau ist angelehnt an [2] Seite 6. Auf eine gute Abschirmung des Kondensators ist zu achten. Bewährt haben sich Zeiten von 100 bis 1000 s, je nach Größe des Ruhestroms. Auf der Anzeige des Labor-Multimeters ist die Spannung abzulesen und in Formel 3 einzusetzen (siehe hier auch die Tabelle 2).

Der Einfluss des Eingangs-Ruhestroms

Den größten Eingangs-Ruhestrom zeigten die Geräte von Keithley und Hameg bei 10 GOhm. Bei einem Widerstand von 10 MOhm ist der Einfluss des Eingangs-Ruhestroms bei allen Geräten nicht praxisrelevant. Bei genauen Messungen in hochohmigen Schaltkreisen ist der hohe Eingangswiderstand von >10 GOhm wegen des geringeren Messfehlers empfehlenswert, dennoch ist der Betrag und das Vorzeichen des Eingangs-Ruhestroms des Labor-Multimeters zu bestimmen, um eine Abschätzung des Fehlereinflusses zu erhalten oder mit dem Überlagerungssatz exakt zu bestimmen.

Es ist zu beachten, dass pro Temperatur-Erhöhung von 10 °C sich die Eingangs-Ruheströme verdoppeln. Der entsprechende Messaufbau im Bild 7 und die zugehörige Formel 3 liefern zusammen und ohne Umwege den Eingangs-Ruhestrom.