Spannungs- und Strommessungen sind grundlegende Verfahren in der Elektrotechnik. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die verschiedenen Messgeräte und die korrekte Durchführung der Messungen.
Drehspulmessgerät
Moderne Vielfachmessgeräte, auch Multimeter genannt, zeigen das Messergebnis digital an. Sie benötigen eine eigene Elektronik und eine DC-Spannungsversorgung. Allerdings haben analoge Zeigerinstrumente, wie Drehspulinstrumente, immer noch ihre Berechtigung. Sie kommen ohne aktive Elektronik aus und eignen sich besonders für präzise Strom- und Spannungsmessungen in kleinen Messbereichen. Das Messwerk besteht aus einer kleinen Spule mit einem Zeiger, die in einem starken Permanentmagnetfeld drehbar aufgehängt ist. Der Strom wird über Spiralfedern oder Torsionsbänder zugeführt. Durch die Kombination des Magnetfelds der Spule mit dem Permanentfeld ergibt sich eine lineare Skaleneinteilung innerhalb eines 90° Drehwinkels. Drehspulinstrumente eignen sich nur für Gleichstrom, können aber durch Gleichrichterschaltungen erweitert werden, um Wechselstrom zu messen. Sie besitzen eine bauartbedingte Empfindlichkeit und einen maximalen Anzeigewert. Mit Hilfe von Widerstandsschaltungen oder elektronischen Messverstärkern kann der Messbereich erweitert werden. Das Drehspulmesswerk kann auch zur Messung von Spannungen verwendet werden, da jede Spule einen ohmschen Widerstand hat, der in Spannungswerte geeicht werden kann.
Spannungsmessung
Bei der Spannungsmessung wird das Messgerät parallel zum Messobjekt angeschlossen, um den Spannungsfall zu ermitteln. Der Messwiderstand des Spannungsmessgeräts stellt dabei eine Belastung für die zu messende Spannung dar. Je geringer der Widerstand ist, desto größer ist der Messfehler. Eine genaue Spannungsmessung erfolgt immer parallel zum Messobjekt. Wenn die Spannungsquelle nicht mit einem Stromkreis verbunden ist, kann auch die Klemmen- oder Leerlaufspannung direkt gemessen werden. Da es keine ideale Spannungsquelle gibt, hat sie einen sogenannten Innenwiderstand, der nicht verändert oder ausgebaut werden kann. Das Spannungsmessgerät schließt den äußeren Stromkreis und der Strom fließt durch die Quelle zurück, wodurch ein Spannungsfall am Innenwiderstand der Quelle entsteht. Die genaue Messung der Leerlaufspannung ist auf diese Weise nicht möglich. Je geringer der Messstrom ist, desto weniger wird die Quelle belastet und der angezeigte Messwert nähert sich dem Wert der Leerlaufspannung an. Um eine möglichst genaue Spannungsmessung durchzuführen, sollte der Messgerätewiderstand wesentlich größer sein als der Widerstand, an dem die Spannung gemessen werden soll.
Messwerk-Innenwiderstand
Angaben zum Innenwiderstand eines Drehspulmesswerks sind selten zu finden. Für den Vollausschlag eines 100 μA Drehspulstrommessgeräts wird ein Widerstand von 1 kΩ angegeben. Für einen Vollausschlag von 50 μA werden 3 kΩ und für einen Vollausschlag von 1 mA werden 200 Ω angegeben. Drehspulgeräte mit einem hohen Messwerkwiderstand RMW sind für Spannungsmessungen geeignet, da ihr kleiner Maximalstrom die Messstelle nur wenig belastet. Die Skalenendwerte für die Spannungsmessung wären bei den ersten beiden Drehspulgeräten mit 100 mV und 150 mV recht niedrig. Spannungsmesswerke für Drehspulgeräte haben manchmal einen spannungsbezogenen Widerstand in der Form 1 Ω/mV angegeben. Dieser Wert berechnet sich aus dem Messwerkwiderstand geteilt durch den Endwert der Spannung, abhängig vom Maximalstrom des Vollausschlags.
Messbereichserweiterung
Wenn der Vollausschlag eines Drehspulmessgeräts erreicht ist, fließt der Maximalstrom Imax und erzeugt am Innenwiderstand RMW des Messwerks die Maximalspannung Umax. Die in Spannung geeichte Skala zeigt diesen Wert an. Wenn der Messbereich um den Faktor n erweitert werden soll, muss ein Vorwiderstand Rv berechnet werden. Der Vorwiderstand ermöglicht eine Erweiterung des Messbereichs, während der gemessene Spannungswert konstant bleibt. Der Vorwiderstand kann mit der Formel Rv = (n – 1) * RMW berechnet werden.
Gleichzeitige Strom- und Spannungsmessung
Es ist möglich, gleichzeitig Strom- und Spannungswerte im Stromkreis zu messen. Allerdings ist die Strommessung innerhalb bestückter Platinen nicht zu empfehlen. Das Strommessgerät kann nicht einfach in Reihe zum Stromkreis geschaltet werden. Wenn eine gleichzeitige Messung durchgeführt wird, müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein, um möglichst genaue Messwerte zu erhalten. Ein vollkommen genauer Messwert kann nicht erzielt werden, jedoch können reproduzierbare Messwerte mit geringem absolutem Fehler ermittelt werden. Systematische Fehler dürfen nicht außer Acht gelassen werden und sind von der Güte des Messgeräts abhängig.
Korrekte Spannungsmessung
Bei der korrekten Spannungsmessung wird das Messgerät parallel zum Messobjekt angeschlossen. Der gemessene Strom Iges wird um den Fehlerstrom IF, der zur Anzeige benötigt wird, zu groß. Damit der systematische Fehler der Strommessung klein ist, muss die Voraussetzung RMW > R erfüllt sein. Die korrekte Spannungsmessung erfordert einen hohen Innenwiderstand des Messgeräts und ist besonders für kleine Widerstandswerte optimal. Für R ≤ 500 kΩ und RMW = 10 MΩ kann der Widerstand mit einer Genauigkeit von ≤ 5% bestimmt werden.
Korrekte Strommessung
Bei der korrekten Strommessung wird das Strommessgerät in Reihe zum Messobjekt geschaltet, um den korrekten Strom zu messen. Wenn gleichzeitig die Spannung gemessen werden soll, muss das Messgerät parallel zur Reihenschaltung angeschlossen werden, damit der durch das Spannungsmessgerät fließende Strom IVM den Strom I nicht beeinflusst. Die gemessene Spannung Uges ist um die Fehlerspannung UF am Innenwiderstand des Strommessgeräts zu groß. Damit der systematische Fehler der Spannungsmessung klein ist, muss die Voraussetzung R > RMW erfüllt sein. Die korrekte Strommessung erfordert einen kleinen Innenwiderstand des Strommessgeräts und ist besonders für große Widerstandswerte optimal. Für R ≥ 100 Ω und RMW = 5 Ω kann der Widerstand mit einer Genauigkeit von ≤ 5% bestimmt werden.
Mit diesen Informationen sind Sie bestens gerüstet, um Spannungs- und Strommessungen richtig durchzuführen und genaue Messwerte zu erhalten.
