Digitale Messgeräte: Typen und Verwendung

Digitale Instrumente erfüllen grundsätzlich die gleiche Funktion wie analoge Instrumente. Der Unterschied besteht darin, dass der Messwert auf einem Display oder LCD-Bildschirm angezeigt wird. Die Datenverarbeitung erfolgt durch Analog-Digital-Wandler (A/D) oder vollständig digital.

Funktionen und Typen von Digitalmultimetern

Digitale Instrumente, oft als Digitalmultimeter bezeichnet, haben viele eingebaute Funktionen. Sie können:

• Spannung (AC und DC) messen
• Strom (AC und DC) messen
• Widerstand messen
• Induktivität messen
• Kapazität messen
• Kontinuität prüfen
• Frequenz messen
• Verstärkung von Bipolartransistoren messen

Es gibt eine breite Palette von Multimetern, die sich in Leistung, Robustheit, Qualität und Preis unterscheiden. Ein Instrument mit einer 3 1/2-stelligen Anzeige kann die letzten drei Ziffern von 0 bis 9 anzeigen, während die erste Ziffer nur 0 oder 1 sein kann. Das bedeutet, dass die größte darstellbare Zahl 1999 ist. "Autoranging"-Instrumente zeigen "OL" (Overload) an, wenn der Messwert außerhalb der Kapazität liegt.

Sampling, Diskretisierung und A/D-Wandlung

Sampling ist ein Prozess, bei dem in festen Zeitintervallen wiederholte Messungen durchgeführt werden. Die Ergebnisse dieser Messungen werden verwendet, um Fehler zu reduzieren. Die Samplingrate bestimmt die Geschwindigkeit des Geräts. Ein Gerät mit einer sehr hohen Samplingrate ist möglicherweise nicht in der Lage, sich schnell ändernde Größen effektiv zu messen.

Diskretisierung und Analog-Digital-Umwandlung: Nach der Messung wandelt das Gerät die Größe in eine dimensionslose Variable um. Die Anzahl der verwendeten Zahlen ist nicht unendlich, sondern hängt von der Rechenleistung und den Konstruktionsmerkmalen des Geräts ab. Diese Ziffern werden als Bits bezeichnet. Eine 10-Bit-Zahl entspricht 1024 Darstellungsebenen.

In digitalen Systemen erfolgt die Signalverarbeitung digital. Wenn das Eingangssignal analog ist, wird es durch einen Analog-Digital-Wandler (A/D) in ein digitales Signal umgewandelt. Digitale Systeme interpretieren zwei logische Zustände (binär): 1 (Ein) und 0 (Aus).

Typen von A/D-Wandlern

• A/D-Wandler mit Rampenleiter: Dies sind die einfachsten Wandler. Sie vergleichen das analoge Eingangssignal mit einer digitalen Rampe.
• A/D-Wandler mit sukzessiver Approximation: Diese Wandler bieten eine gute Kombination aus Geschwindigkeit (1 bis 5 µs) und Auflösung, sind aber teurer.
• Dual-Slope-A/D-Wandler: Diese Wandler werden verwendet, wenn hohe Störfestigkeit, Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit erforderlich sind. Sie sind häufig in digitalen Voltmetern zu finden.
• Spannungs-Frequenz-Wandler (V/F): Diese Geräte wandeln das analoge Eingangssignal in eine Folge von Impulsen um, deren Frequenz proportional zur Eingangsspannung ist.
• Parallele A/D-Wandler: Diese Wandler sind die schnellsten. Sie verwenden ein Widerstandsnetzwerk und eine Reihe von Komparatoren.

Auswahl eines digitalen Instruments: Faktoren

• Genauigkeit: Digitale Instrumente sind in der Regel genauer als analoge. Die Genauigkeitsspezifikationen der Hersteller sollten jedoch sorgfältig geprüft werden.
• Auflösung: Die Auflösung gibt die Anzahl der Ziffern auf dem Display an.
• Konstanter Fehler: Fehler, die über den gesamten Messbereich konstant bleiben (ausgedrückt als Prozentsatz des Skalenendwerts).
• Proportionaler Fehler: Fehler, die sich proportional zum Messwert ändern (ausgedrückt als Prozentsatz des Messwerts).
• Impedanz: Die Eingangsimpedanz des Instruments kann die Messschaltung belasten und zusätzliche Fehler verursachen.
• Lesegeschwindigkeit: Die meisten Instrumente haben eine Lesegeschwindigkeit von einigen Messungen pro Sekunde, aber es gibt auch Geräte mit bis zu 800 Messungen pro Sekunde.

Das Ohmmeter und Digitalmultimeter

Das Ohmmeter im Digitalmultimeter verwendet eine konstante Stromquelle. Dieser Strom fließt durch den zu messenden Widerstand (R). Das Voltmeter misst den Spannungsabfall über dem Widerstand. Das Multimeter berechnet dann intern den Widerstandswert.

Digitalmultimeter sind tragbar, batteriebetrieben und haben zwei Kabel zum Anschluss an den Messpunkt. Sie sind praktischer, handlicher und schneller als analoge Multimeter.

Bedienelemente, Merkmale und Anschlüsse des Multimeters

• Bedienelemente: Auf der Vorderseite des Multimeters befinden sich alle Bedienelemente und das Display.
• Merkmale: Ein Digitalmultimeter kann als Ohmmeter, Voltmeter (DC und AC), Amperemeter und Diodentester verwendet werden.
• Anschlüsse: Multimeter haben Anschlüsse für die Messleitungen (normalerweise rot und schwarz).
• Display: Das Display zeigt alle Messwerte und Informationen an. "OL" (Overload) oder "1" zeigt einen offenen Stromkreis oder einen unendlich hohen Widerstand an.

Die Stromzange

Die Stromzange ist ein Instrument zur Messung des Stroms in einem Leiter, *ohne* diesen physisch zu berühren. Sie misst das Magnetfeld, das um den Leiter herum erzeugt wird. Sie müssen lediglich den zu messenden Leiter in die Zange einführen. Die induzierte Spannung ist proportional zum Strom.

Multimeter-Funktionen und Messungen

• Funktionsumfang: Jedes Multimeter verwendet eine spezielle Symbolik, um bestimmte Situationen anzuzeigen.
• Spannungsmessungen:
  • Gleichspannungsmessung (DC).
  • Wechselspannungsmessung (AC).
• Durchgangsprüfungen: Eine Durchgangsprüfung prüft, ob eine Verbindung zwischen zwei Punkten einen Widerstand unterhalb eines bestimmten Wertes (z.B. 200 Ohm) aufweist. Das Messgerät gibt ein akustisches Signal aus.
• Wechselspannungsmessungen: Das Gerät zeigt den Effektivwert (RMS) der Wechselspannung an. Dies gilt *nur*, wenn der Wechselstrom perfekt sinusförmig ist oder wenn das Voltmeter ein "True RMS"-Voltmeter ist. Andernfalls können erhebliche Fehler auftreten.
• Gleichspannungsmessungen: Um eine Gleichspannung (Potentialdifferenz) zu messen, muss das Gerät auf den entsprechenden Bereich eingestellt werden. Es wird empfohlen, zuerst den größten Messbereich zu wählen.
• Strommessungen: Um einen Strom zu messen, muss das Gerät in Reihe mit dem Stromkreis geschaltet werden. Ein *paralleler* Anschluss kann das Gerät beschädigen.
• Geräteverbrauch: Das Messgerät hat einen Eigenverbrauch, der von dem eingestellten Messbereich abhängt.