Spannungsmesser

Ein Spannungsmessgerät (auch als Spannungsmesser oder überholt als Voltmeter bezeichnet) dient zur Messung elektrischer Spannungen. Der Begriff Voltmeter ist seit Langem in der Normung ersetzt worden und sollte nicht mehr verwendet werden, da mit Volt die Einheit bezeichnet wird und nicht die physikalische Größe, die tatsächlich gemessen wird.

Bei der Messung wird die Messgröße in eine Anzeige ihres Vielfachen der Einheit Volt umgeformt. Der Spannungsmesser besteht aus dem eigentlichen Messwerk bzw. Messelektronik und gegebenenfalls einem Vorwiderstand oder Spannungsteiler zur Anpassung des Messbereiches. Für Laboranwendungen gibt es umschaltbare Vielfachmessgeräte mit mehreren Messbereichen, die als Multimeter bezeichnet werden.

Für industrielle Anwendungen gibt es anzeigelose Messeinrichtungen.

Schaltzeichen eines Spannungsmessers

Ausführungsformen

Analoge Messgeräte

Historische Spannungs- und Strommesser (um 1920)

Elektrostatische Messwerke

Bei einem elektrostatischen Spannungsmesser führt die Spannung ohne Stromfluss zu einem Zeigerausschlag. Die mechanische Kraft entsteht durch die Abstoßung gleichnamiger bzw. Anziehung ungleichnamiger Ladungen. Der einfachste elektrostatische Spannungsmesser war das Elektroskop und wurde vor allem zur Messung von höheren Gleichspannungen eingesetzt. Genauere Messgeräte besaßen drei Elektroden, von denen eine ein beweglich gelagertes Blech zwischen den beiden anderen Elektroden war. Die Spannung wurde je an beide feststehenden Elektroden sowie mit einem Pol an die bewegliche angeschlossen^[1]. Die Geräte besaßen oft einen Lichtzeiger (Anzeigeprinzip des Spiegelgalvanometers). Sie waren auch für Wechselspannung geeignet. Diese Geräte werden seit Jahrzehnten nicht mehr hergestellt.

Dreheisen- und Drehspulmesswerke

Hierbei erfolgt die Spannungsmessung über den Umweg der Messung eines Stromes, der durch den Widerstand der Antriebsspule, eventuell ergänzt um einen Vorwiderstand, proportional zur Spannung ist. Das Gerät misst also mit seinem Zeigerausschlag eigentlich einen Strom, aber die Skale ist mit den entsprechenden Spannungswerten beschriftet. Beim Drehspulmesswerk erzeugt die Lorentzkraft den Zeigerausschlag. Beim Dreheisenmesswerk ist es die magnetische Abstoßung von Eisenteilen, die sich im Inneren einer feststehenden Spule befinden. Drehspulmessgeräte besitzen immer einen Vorwiderstand, Dreheisenmesswerke oft nicht – bei diesen kann die Spule ausreichend hochohmig ausgeführt werden. Drehspulmessgeräte messen den polaritätsrichtigen Mittelwert; um Wechselspannung zu messen, müssen sie einen Messgleichrichter besitzen. Dreheisenmesswerke messen den Effektivwert; sie benötigen keinen Gleichrichter. Messgeräte mit diesen Messwerken werden in der Regel auf der Skale mit einer Genauigkeitsklasse gekennzeichnet.

Digitale Messgeräte

Digitales Vielfachmessgerät

Bei den heute üblichen digitalen Spannungsmessgeräten wird die Spannung direkt in Ziffernform angezeigt. Die zu messende analoge Spannung wird hochohmig abgegriffen und mittels Analog-Digital-Umsetzer in ein digitales Signal umgesetzt, welches die numerische Anzeige steuert.

Der Vorteil der digitalen Spannungsmessgeräte liegt in deren mechanischen Unempfindlichkeit, leichten Ablesbarkeit der Anzeige, Betriebmöglichkeit in allen räumlichen Lagen, höheren Messgenauigkeit, wesentlich höheren Eingangswiderständen, insbesondere bei kleinen Spannungs-Messbereichen, und geringeren Herstellungskosten. Weiter bieten viele digitale Multimeter eine automatische Bereichswahl, und sie können neben Gleichspannung auch Wechselspannung – teilweise mit einer echten Effektivwertmessung – erfassen.

Der Nachteil numerisch anzeigender Messgeräte liegt darin, dass zeitliche Verläufe nicht so gut verfolgt werden können. Daher bieten manche digitale Spannungsmessgeräte auch eine Skalenanzeige in Form eines Bargraphs oder eines grafisch dargestellten Zeigers im Anzeigefeld (schwach zu erkennen im Bild des Vielfachmessgeräts unter dem Ziffernfeld). Die Auflösung der numerischen Anzeige ist auf 1 Digit beschränkt; siehe hierzu Digitale Messtechnik und Digitalmultimeter.

Messumformer

In der industriellen Messtechnik bzw. Automatisierungstechnik verwendet man keine anzeigenden Messgeräte, sondern Messumformer, die ein normiertes elektrisches Signal zur zentralen Verarbeitung liefern. Dieses kann analog-technisch ein Einheitssignal sein, z. B. 4 … 20 mA. Es kann auch ein digitales Ausgangssignal zur Übermittlung über eine Datensammelleitung sein, die Bus, in diesem Zusammenhang Feldbus genannt wird. Diese Messgeräte mit digitalem Messsignal am Ausgang heißen dann auch Messumsetzer.

Als Messumformer zur Messbereichsanpassung und zur Potentialtrennung bei hohen Wechselspannungen sind Spannungswandler (spezielle Messtransformatoren) im Einsatz. Der Nennwert der Ausgangsspannung liegt bevorzugt bei 100 V.

Kompensator

Zu Präzisionsmessungen und zur Messung ohne jegliche Strombelastung des Messobjektes (jedenfalls bei Abgleich) eignen sich Spannungs-Kompensatoren. Sie werden allerdings durch elektronische Geräte mit vergleichbarer Qualifikation verdrängt.

Benutzung

Der Spannungsmesser wird mit den zwei Punkten einer Schaltung verbunden, zwischen denen die Spannung gemessen werden soll. Wenn man die Spannung messen will, die über einem Bauteil oder Messobjekt abfällt, wird der Spannungsmesser dazu parallel geschaltet. Dieses kann für kurze Tests mit Prüfspitzen geschehen, ohne dass dazu in die Schaltung eingegriffen werden muss. Daher ist die Spannungsmessung die häufigste Form der elektrischen Kontrolle. Strommesswerte können oft indirekt aus einer Spannungsmessung gewonnen werden, wenn der Wert des Widerstandes R bekannt ist, über dem gemessen wird (ohmsches Gesetz: Stromstärke I = U/R mit U = gemessene Spannung).

Messbereich

Jedes Drehspul- oder Dreheisenmesswerk hat einen maximalen Ausschlag (Vollausschlag) bei einer maximalen Stromstärke I_max. Zugleich besitzt es einen Eigenwiderstand (Innenwiderstand R_i ), das heißt, bei Vollausschlag liegt am Messwerk eine Maximal-Spannung an (U_max = R_i ∙ I_max). Für weitere Messbereiche wird es über zuschaltbare Vorwiderstände betrieben, siehe unter Analogmultimeter. Bei Überschreiten der maximalen Spannung können das Messwerk oder die Vorwiderstände überlastet werden. Für Messgeräte mit einem Klassenzeichen ist eine zulässige Überlastbarkeit durch Normung festgelegt.

Bei digitalen Spannungsmessgeräten besteht dieses Problem der Überlastung nicht in dieser Form, da deren Innenwiderstand sehr hoch ist und daher nur wenig Leistung umsetzt. Bei Überschreitung des Messbereichsendwertes wird je nach Ausführung automatisch über einen mehrstufigen Spannungsteiler in den nächst höheren Messbereich umgeschaltet.

Eine aus Gründen der Sicherheit maximal zulässige Spannung liegt meist im Bereich 700 V bis 1000 V und ist teilweise auf dem Messgerät aufgedruckt, teilweise in der Gebrauchsanweisung angegeben.

Messbereichsanpassung, Fehler durch Eigenverbrauch

Bei Geräten mit Drehspulmesswerk

Messbereichserweiterung für Spannungen bei analogen Spannungsmessgeräten

Um ein Drehspul-Spannungsmessgerät an den gewünschten Messbereich anzupassen, wird es mit einem geeigneten Vorwiderstand R_v in Reihe geschaltet. Von der bei Vollausschlag messbaren Spannung U entfällt dann ein Teil U_max auf das Messwerk, der Rest U_v = U - U_max auf den Vorwiderstand.

Beispiel: Das Messwerk habe einen Innenwiderstand R_i = 750 Ω und schlage beim Maximalstrom I_max = 200 µA voll aus. Es soll in einem Spannungsmesser für den Messbereich U = 10 V verwendet werden. Über dem Messwerk liegt bei Vollausschlag die Spannung U_max = R_i ∙ I_max = 750 Ω ∙ 0,200 mA = 150 mV. Es muss also U_v = 10,00 V – 0,15 V = 9,85 V am Vorwiderstand liegen. Da auch durch ihn der Strom von 200 µA fließt, berechnet sich hieraus R_v = U_v/I_max = 9,85 V/0,2 mA = 49,25 kΩ. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung (Innenwiderstand des Messgerätes) beträgt dann R_U = R_v + R_i = 50,00 kΩ.

Bei Multimetern auf Drehspul-Basis ist I_max meistens eine für alle Messbereiche gültige Konstante, oder andersherum ist der Innenwiderstand in jedem Bereich ein anderer, - umso größer, je größer der Messbereich. Zur leichten Berechnung des Innenwiderstandes wird bei Spannungsmessern ein spannungsbezogener Widerstand ρ = 1/I_max angegeben und zwar in Ω/V (Ohm pro Volt), ebenfalls als Konstante für alle Messbereiche. Diese Angabe ist mit dem jeweiligen Messbereichsendwert zu multiplizieren, um den tatsächlichen Innenwiderstand zu erhalten.

Beispiel: Das oben berechnete Messgerät hat einen Widerstand von 750 Ω bei einem Messbereich von 150 mV. Daraus folgt ρ = 750 Ω/150 mV = 5,00 kΩ/V. Wenn man es für einen Messbereich von 10 V einsetzt, hat es demnach den Widerstand R_U = 10 V ∙ 5 kΩ/V = 50 kΩ, wie oben auf anderem Wege berechnet.

Spannungsmessung in einer Schaltung
Ersatz-Spannungsquelle dazu

Der Umstand, dass durch das Spannungsmessgerät der für die Messung bestimmende Strom fließt, führt dazu, dass jede Messung die ursprünglichen Verhältnisse am Messobjekt verfälscht, da zur Messung ein (zusätzlicher) Strom entnommen wird. Daher sollte dieser möglichst klein gehalten werden, d. h. der Widerstand des Spannungsmessers R_U sollte möglichst hoch sein.

Soll im gezeigten Bild in der oberen Schaltung die an R₁ abfallende Spannung U₁ gemessen werden, so ist zu beachten, dass die Quelle dieser Spannung einen Quellenwiderstand R_q = R₁||R₂ aufweist. (Hinweis: Die Quelle von U₀ hat als ideale Spannungsquelle den Quellenwiderstand null.) Die im Bild untere Schaltung ist elektrisch gleichwertig zur oberen. Wird daran das Messgerät angeschlossen, so erhält man statt U₁ einen kleineren Messwert U_m , weil R_q und R_U einen Spannungsteiler bilden. Die dadurch entstehende relative Messabweichung f beträgt

$f=\frac{U_m-U_1}{U_1} =\frac{R_U}{R_q+R_U} -1= \frac{-R_q}{R_q+R_U}$

Beispiel mit R_q = 5 kΩ und R_U = 50 kΩ: Durch die Stromaufnahme des Spannungsmessers fällt im Inneren der Spannungsquelle an R_q eine Teilspannung ab im Verhältnis der Widerstände 5 kΩ/(5 kΩ + 50 kΩ) = 9 %; der Messwert wird mit einer relativen Messabweichung von – 9 % bestimmt.

Bei digital-elektronischen Geräten

Bei digitalen Spannungsmessgeräten ist diese Form der Bereichserweiterung mit einem Vorwiderstand nicht üblich; der Innenwiderstand bei diesen Messgeräten liegt typisch bei 1 bis 10 MΩ in allen Bereichen. Vielmehr verwendet man hier Spannungsteiler; bei Multimetern ist dieser intern eingebaut. Durch den hohen Innenwiderstand tritt auch das Problem der Rückwirkungsabweichung (Schaltungseinflussfehler) nicht in demselben Umfang auf wie bei Drehspul-Spannungsmessern.

Der Nachteil eines solch hohen Innenwiderstandes ist, dass die Spannungsanzeige bei Messungen an nicht angeschlossenen Schaltungsteilen nicht eindeutig ist; sie wird dann von Feldern der Umgebung beeinflusst, die den Schaltungsteil (zum Beispiel eine abgeschaltete oder unterbrochene Leitung oder auch nur die nicht angeschlossene Messleitung) durch Influenz oder Induktion umladen.

Beispiel: Wenn das Messgerät einen Innenwiderstand von 10 MΩ hat und die Quelle 5 kΩ, geht von der zu messenden Spannung der Anteil 5 kΩ/(5 kΩ + 10 MΩ) = 0,5 ‰ am Quellenwiderstand verloren. Diese systematische Messabweichung von – 0,5 ‰ liegt im Bereich der oder unterhalb der Messgeräte-Fehlergrenzen und kann meist vernachlässigt werden.

Siehe auch

• Strommesser
• Messtechnik
• Digitale Messtechnik
• Messgerät
• Messgerätefehler

Weblinks / Einzelnachweise

1. ↑ Varduhn, A.; Nell, W.: Handbuch der Elektrotechnik Band II; Fachbuchverlag Leipzig, 1951; Seite 159