Vielfachmessgerät

Ein Multimeter ist ein Messgerät vornehmlich für elektrische Größen, das verschiedene Messarten und -bereiche in einem Gerät vereinigt.

Zur Grundausstattung eines Multimeters gehört seine Verwendbarkeit als Spannungsmessgerät und Strommessgerät. In der Regel ist ein Multimeter zwischen Gleich- und Wechselgrößenmessungen umschaltbar. Zum Standard gehört auch die Ausstattung als Widerstandsmessgerät.

Analoge Multimeter

Multimeter aus der UdSSR von 1985

Bei Analogmultimetern wird der Messwert auf einem Zeigermessgerät mit mehreren Skalen für unterschiedliche Messbereiche angezeigt. Die Ablesewerte sind durch diskrete Teilstriche dargestellt, Zwischenwerte können interpoliert werden. Mögliche Fehlerquellen beim Ablesen sind das Ablesen von der falschen Skale, ggf. eine falsche Umrechnung auf den Messwert oder der Parallaxenfehler, bei dem aus einem falschen Blickwinkel den Zeiger auf einem falschen Skalenwert zur Deckung kommt. Zur Vermeidung der Parallaxe besitzen hochwertige Messgeräte eine Spiegelskala, die erlaubt, die Zeigerstellung parallaxefrei abzulesen. Die Fehlergrenzen von analogen Messgeräten können bei hochwertigen Geräten durchaus weniger als ein Prozent vom Messbereichsendwert betragen.

Als entscheidendes Bauteil, das den Ausschlag bildet, kommt in der Regel das Drehspulmesswerk zum Einsatz, früher auch das Dreheisenmesswerk, noch früher auch das Hitzdrahtinstrument.

Die Messbereiche von Drehspulgeräten erstrecken sich so etwa bei Gleichspannungen von 100 mV bis 1000 V, für Gleichströme von 100 µA bis 10 A, hochwertige Geräte weisen teilweise noch kleinere Bereiche auf. Außer bei Multimetern mit Verstärker setzen die Wechselspannungs- und Wechselstrombereiche bei deutlich höheren Werten ein, da dem Messwerk ein Gleichrichter vorgeschaltet werden muss.

Analogmultimeter haben den Vorteil, dass sie stets einsatzbereit sind, da eine Batterie zur Versorgung des Messgerätes, außer bei Widerstandsmessung, nicht erforderlich ist. Langsame Messwertschwankungen (mit Zeitkonstante größer als 10 s) oder die Drift eines Signals lassen sich sehr gut verfolgen. Zu den Nachteilen gehören die meist fehlende Absicherung gegen elektrische Überlastung bei Fehlbedienung sowie eine recht hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Beanspruchungen wie Erschütterungen, Vibrationen oder gar Stöße und Stürze.

Gegenüber schnellen Spannungsschwankungen (Frequenzen oberhalb 10 Hz) sind analoge Messgeräte so träge, dass Drehspulmesswerke den arithmetischen Mittelwert bilden, Dreheisenmesswerke den Effektivwert (geometrischen Mittelwert). Da die Skalen bei Drehspulgeräten in den Wechselbereichen für den Effektivwert zu rein sinusförmigem Verlauf beschriftet sind, obwohl die Geräte den Gleichrichtwert erfassen, können bei vom Sinus abweichender Kurvenform erhebliche Messabweichungen auftreten.

Ein weiterer Nachteil ist bei analogen Multimetern der Innenwiderstand. Die Messobjekte werden belastet und die Messung durch diesen Schaltungseinfluss verfälscht. Der Innenwiderstand wird in Bezug auf den Spannungsmessbereich mit der Angabe in kΩ/V angegeben und kann sich zwischen Gleich- und Wechselspannungsbereichen unterscheiden. Einfache, robuste Drehspulgeräte haben beispielsweise einen spannungsbezogenen Innenwiderstand von 1 kΩ/V, hochwertige Geräte erreichen bis über 50 kΩ/V, sind jedoch meist mechanisch sehr empfindlich. Ein hoher Innenwiderstand ist bei Spannungsmessung im Allgemeinen erwünscht; ein eher geringer Innenwiderstand kann jedoch in einigen Fällen auch von Vorteil sein, wenn z. B. an Hausinstallationen gemessen wird. So lassen sich mangelhafte Verbindungen (hohe Übergangswiderstände) oder Kriechstrecken (mangelhafte Isolationswiderstände), sowie Phasenfehler und kapazitive und induktive Einstreuungen erkennen. Umgekehrt soll bei der Strommessung der Innenwiderstand möglichst klein sein. Dennoch kann der Spannungsabfall bei Messbereichsendwert in etwa 10 mV bis 300 mV betragen, in Wechselstrom-Messbereichen bis 1 V.

Der Einfluss des Innenwiderstands bei Strom- und Spannungsmessung kann durch Verstärker verringert werden, wodurch solche Analogmultimeter bei Spannungsmessung einen hohen Innenwiderstand, der demjenigen von Digitalmultimetern entsprechen kann, erreichen. Auch der Innenwiderstand bei Strommessung kann dadurch wesentlich verringert werden. Die Empfindlichkeit und vor allem der Frequenzgang erreichen auf diese Weise Werte, die durchaus die von gewöhnlichen Digitalmultimetern überragen können. Beispiele dafür waren z. B. das „UNI 11e“, früher auch die so genannten Röhrenvoltmeter, welche teilweise bis über 100 MHz brauchbar waren. Heute gibt es Laborgeräte mit FET-Eingangsverstärkern, mit denen sich auch noch Spannungen von einigen µV und Ströme bis in den pA-Bereich messen lassen. Der zulässige Frequenzbereich erstreckt sich bei diesen oft bis über mehrere 10 MHz, während er bei Standardgeräten bis ca. 10 kHz reicht.

Zur Widerstandsmessung wird der Strom gemessen, den eine eingebaute Batterie durch den Widerstand fließen lässt. Der Zusammenhang ist stark nichtlinear; die Messung eignet sich nur für grobe Aussagen.

Digitalmultimeter

digitales Vielfachmessgerät

Durch Fortschritte in der Digitalelektronik kamen Digitalmultimeter auf. Bei diesen Messgeräten wird das Signal elektronisch mit einem Analog-Digital-Umsetzer aufgenommen, in digitale Daten (Bitfolgen) umgeformt, von einem Prozessor verrechnet und der gemessene Wert in Ziffernform angezeigt. Die Messbereiche von Universalmultimetern erstrecken sich in der Regel von 200 mV bis 1000 V und von 20 µA bis 20 A. Die elektronische Messwerterfassung arbeitet mit einem recht hohen Innenwiderstand von 1 bis 20 MΩ. Dieser hohe Eingangswiderstand kann zu Fehlanzeigen führen, verursacht durch Einstreuungen und Rauschen. Abhilfe gegen Einstreuungen können geschirmte Messleitungen erbringen. Durch die Digitalisierung erlauben manche Geräte eine Speicherung der Messwerte oder eine Übertragung zum PC, wo sie weiter ausgewertet werden können.

Die Messung von Strom wird durch Messung der Spannung an einem Messwiderstand im kleinsten Messbereich (meist 200 mV) durchgeführt. In Blick auf die Messabweichung durch Schaltungseinfluss sind diese Geräte zumindest bei Gleichstrom vielen Analogmultimetern unterlegen. Auch die Messung von Widerständen wird auf die Messung von Spannung zurückgeführt; die erforderliche Konstantstromquelle enthält das Messgerät. Für diese Messaufgabe sind diese Geräte den Analogmultimetern weit überlegen.

Vorteile von Digitalmultimetern sind der relativ einfache mechanische Aufbau und in Massenfertigung produzierbare elektronische Bauteile, wodurch sie schon relativ preiswert erhältlich sind, meist billiger als ein gutes Analoggerät. Die Bedienung ist durch die Einblendung der Maßeinheiten im Display, sowie durch den bei vielen Geräten vorhandene automatische Bereichswahl sehr einfach. Ferner besitzen manche Digitalgeräte Schutzschaltungen gegen Überlast und Verpolung. Auch Stöße und Stürze können ihnen wenig anhaben, da keine empfindliche Mechanik beschädigt werden kann.

Bedingt durch die interne Elektronik zur Signalverarbeitung und Anzeige auf dem Display sind Digitalmultimeter immer auf eine Fremdspeisung aus einer Batterie, Netzgerät oder Solarzelle angewiesen. Zur Anzeige von langsamen Spannungsschwankungen sind sie weniger gut geeignet, da ständig springende Ziffern kaum abgelesen werden können. Multimeter arbeiten in der Regel mit integrierenden Messverfahren und haben in Gleichgrößen-Messbereichen eine gute Störunterdrückung; in Wechselbereichen arbeiten sie bis oberhalb 10 kHz. Einfache digitale Multimeter erfassen von Wechselgrößen den Gleichrichtwert und haben damit dasselbe Problem wie analoge Multimeter bei nicht sinusförmigen Größen.

Bedingt durch die Digitalisierung werden nur diskrete Zahlen angezeigt, eine Interpolation ist nicht möglich. Die Anzeigeauflösung ist durch die Diskretisierung vorgegeben. Die relative Fehlergrenze ist je nach Messbereich meist kleiner als 1 %, in den Gleichspannungsbereichen liegt sie bei hochwertigeren Geräten in der Regel unter 0,2 %.

Einige Geräte weisen auch Messmöglichkeiten für Frequenzen, Kapazitäten, Induktivitäten sowie Transistor- und Diodeneigenschaften auf. Mittels eingebauter oder externer Sensoren sind mit manchen Geräten auch Luftfeuchtigkeits-, Schall- oder Temperaturmessungen möglich. Auch ein akustischer Durchgangsprüfer ist bei fast allen Digitalgeräten eingebaut.

Zumeist kann jede Größe in mehreren Messbereichen gemessen werden, wobei komfortable Geräte den Spannungsmessbereich automatisch wählen.

Siehe auch

• Digitale Messtechnik
• Digitalmultimeter
• Analogmultimeter
• SMU und SMMU sind Digitalmultimeter in Kombination mit elektronisch gesteuertem Labornetzteil und ggf. Multiplexer