Analogmultimeter

Ein Analogmultimeter, besser Analog-Vielfach-Messgerät, ist ein Analogmessgerät zum Messen verschiedener elektrischer Größen, wie Spannung, Strom oder Widerstand. Pro Messgröße gibt es üblicherweise mehrere Messbereiche.

Ein einfaches Analogmultimeter

Funktionsweise

Zur Anzeige des Messwertes dient ein Drehspulmesswerk oder (eher historisch) ein Dreheisenmesswerk. Von ihrer Physik her sind diese Geräte Strommessgeräte, da sie mit ihren magnetischen Messwerken nur (fließenden) Strom anzeigen können. Der folgende Text behandelt Multimeter mit Drehspulmesswerk. Dieses erfasst den Gleichanteil eines Stromes. Damit braucht vom Spulenwiderstand auch nur der Gleichstrom- oder ohmsche Anteil beachtet zu werden (anders als beim Dreheisenmesswerk). Für Ströme, die größer sind als die Spule vertragen kann, verwendet man unterschiedliche Strommessbereiche mit aus Messwiderständen gebildeten Stromteilern.

Schaltung im Analogmultimeter für Gleichstrom und –spannung, vereinfacht auf wenige Messbereiche

Skalen eines Multimeters für
- Wechselgrößen (rot markiert),
- Gleichgrößen (linear geteilt),
- Widerstand (von ∞ fallend bis 0)

Zum Einsatz als Spannungsmessgerät wird Strom gemessen, der durch den Innenwiderstand des Gerätes fließt. Für die unterschiedlichen Spannungsmessbereiche werden entsprechend Spannungsteiler gebildet. Das Schaltbild zeigt die innere Schaltung eines Analogmultimeters, das ohne Messelektronik auskommt, vereinfacht auf wenige Messbereiche.

Zwei Skalen gemeinsam für Gleich- und Wechsel-Spannung und -Strom,
darunter für Widerstand und Pegel

Die Messung von Wechselstrom und Wechselspannung mittels eines Drehspulmesswerks ist möglich bei Verwendung eines Messgleichrichters. Bei älteren Messgeräten sind die Skalen für Gleich- und Wechselstrom wegen der nicht linearen Kennlinie des Gleichrichters unterschiedlich. Moderne Analogmultimeter sind häufig mit einem elektronischen Spannungs-Strom-Umformer und Batterien versehen; der Gleichrichter liegt im Stromkreis eines Operationsverstärkers ausgangsseitig so, dass die Nichtlinearität auf die Umformung keinen Einfluss hat. Gemeinsame Skalen für Gleich- und Wechselgrößen sind möglich. Selbst Spannungen, die kleiner sind als die Dioden-Durchlassspannung, sind mit linear geteilter Skale messbar.

Schaltung zur Messung von Wechselgrößen mit linearer Skalenteilung trotz nicht linearer Dioden-Kennlinie

Zur Arbeitsweise des Umformers: Bei nicht übersteuertem Operationsverstärker gilt mit guter Näherung

$u_d =0 \quad ;\quad i_e =0$ ,

so dass der Verstärker einen Ausgangsstrom i_a einstellt, der im Messwiderstand R_m eine Spannung erzeugt, die genauso groß ist wie die zu messende Spannung u_m ,

$i_a =i_m= \frac{u_m}{R_m}\ .$

Diese Gleichung gilt unabhängig von der Durchlassspannung der Dioden. Während der positiven Halbschwingung von i_a fließt der Strom durch das Messwerk; während der negativen Halbschwingung fließt i_a ebenfalls, aber am Messwerk vorbei. Bei sinusförmiger Eingangsspannung mit der Amplitude $\hat u_m$ entsteht durch das den arithmetischen Mittelwert bildende Messwerk eine Anzeige $(1/\pi) \cdot \hat \imath_a$ . Durch die Dimensionierung von R_m wird der Strom so eingestellt, dass auf der Skale der Effektivwert der Eingangsgröße abzulesen ist (aber nur bei Sinusform! Zur sonst möglichen erheblichen Messabweichung siehe unter Gleichrichtwert).

Auch zur Verwendung als Widerstandsmessgerät wird ein Strom gebildet, wozu eine eingebaute Batterie erforderlich ist. Der Anzeigebereich des Drehspulmesswerkes  null … maximal  deckt den Widerstandsbereich  ∞ … 0  ab. Damit ist nur ein einziger Messbereich erforderlich. Da an den Rändern der Skale die Ablesung nur sehr unsicher möglich ist, wird häufig dennoch eine Messbereichsumschaltung eingebaut; dadurch werden unterschiedliche Anzeigebereiche in den mittleren Bereich der Skale geholt.

Bei dieser Messung ist zu bedenken, dass ein Strom durch das Messobjekt fließt. Dieses muss das Verhalten eines ohmschen Widerstands aufweisen. Auch darf es keine Spannungs- oder Stromquellen enthalten.

Wegen der Speisung aus einer nicht stabilisierten Spannungsquelle (Batterie mit alterungsbedingt absinkender Spannung) ist vor der Messung das Gerät zu justieren. Dasselbe gilt nach Messbereichs-Umschaltung. Dazu wird ein Kurzschluss zwischen den Messklemmen hergestellt, und ein von außen zugängliches Potentiometer wird so eingestellt, dass R = 0 angezeigt wird.

Messbereiche, Kennzeichen des Eigenverbrauchs

Richtwerte für realisierte Messbereiche (Messbereichsendwerte) sind

• Strommessgeräte: 100 μA … 10 A,
• Spannungsmessgeräte: 100 mV … 1000 V.

Labormessgeräte mit FET-Eingangsverstärkern können bis in den μV-Bereich und bis in den pA-Bereich messen.
Der Frequenzbereich bei der Messung von Wechselgrößen umfasst etwa

• 10 Hz … 10 kHz ( … 10 MHz).

Bei einem verstärkerlosen Multimeter ist davon auszugehen, dass es in jedem Messbereich einen anderen Innenwiderstand R_i besitzt. Die Angaben erfordern eine längere Tabelle. Eine pauschale Angabe, die näherungsweise für alle Strombereiche gilt, ist der Spannungsabfall bei Messbereichsendwert U_I(MB) .

• Richtwert 100 … 1000 mV (bei kleinen Messbereichen eher weniger)
• je nach Konstruktion für Gleichstrom auch 10 mV möglich.

Für die Spannungsmessbereiche ist die entsprechende Kenngröße die Stromaufnahme bei Messbereichsendwert I_U(MB) . Eher angegeben wird aber ihr Kehrwert als spannungsbezogener Widerstand $\varrho$.

$\varrho =\frac1{I_{U\text{(MB)}}}=\frac{\text{Innenwiderstand}\ R_i} {\text{Spannungsmessbereich}}$ .

• Richtwert 1 … 20 kΩ/V (für alle Messbereiche gleich, aber begrenzt auf R_i = 10 MΩ)
• bei Geräten mit Messverstärker 100 kΩ/V oder

R_i = 1 … 10 MΩ in allen Bereichen.

Der Eigenverbrauch ist häufig die Ursache für eine Rückwirkungsabweichung, durch die systematisch zu wenig gemessen wird.

Bedienung

Analogmultimeter weisen oft sehr unterschiedliche Bedienkonzepte auf

Bei nicht bekannter Art der Messgröße schaltet man auf „Wechsel-Spannung“. Bei nicht näherungsweise bekanntem Wert der Messgröße schaltet man auf den größten Messbereich. Als nächstes schließt man die Messleitungen an die Messgeräte-Buchsen an, die mit der gewünschten Messgröße bezeichnet sind, zuletzt an das Messobjekt. Davon ausgehend schaltet man den Messbereich herunter bis zur Stufe vor Messbereichsüberschreitung. Auf die Vermeidung folgender Bedienfehler sollte man besonders achten:

1. Keinesfalls darf eine Wechselgröße im Gleichgrößenbereich angeschlossen werden; die Anzeige ist immer null. Eine möglicherweise auftretende Überlastung kann man nicht sehen, sondern nur riechen.
2. Für den Fall, dass eine Spannung an einen Strommessbereich angeschlossen wird, sind manche Multimeter durch eine Sicherung geschützt. Man soll nicht darauf vertrauen, dass sie in jedem Messgerät vorhanden ist.
3. Wenn sich zwei Messbereiche im Verhältnis 3:1 unterscheiden, darf nicht weiter heruntergeschaltet werden, wenn mehr als 1/3 vom Messbereichsendwert angezeigt wird. Die Überlastbarkeit ist nicht groß.

Die Messgröße kann auf der Skale abgelesen werden. Um den Parallaxefehler durch schrägen Blick auf den Zeiger zu vermeiden, enthält das Gerät oft eine Spiegelskale, wie sie auf einem der gezeigten Skalenfotos zu sehen ist. Man soll aus der Richtung auf die Skale blicken, aus der der Zeiger mit seinem Spiegelbild zur Deckung kommt. Entsprechend beim Messerzeiger soll man so auf die Skale blicken, dass der Zeiger möglichst schmal erscheint.

Anwendung

Analogmultimeter waren lange Zeit die einzige einfache Möglichkeit, elektrische Größen mit akzeptablen Fehlergrenzen zu bestimmen. Diese werden durch ein Klassenzeichen beschreiben. Seit der Einführung von Digitalmultimetern sind die Analog-Messgeräte jedoch in Randbereiche verdrängt worden. Digitalmultimeter haben im Allgemeinen kleinere Fehlergrenzen und werden ohne Messabweichung infolge Schätzunsicherheit abgelesen. Wie weit diese Vorteile allerdings ausgenutzt werden können, ist zumindest fraglich, weil allzu leicht vergessen wird, die auch hier vorhandenen Fehlergrenzen, den Eigenverbrauch der Eingangsschaltung und die durch äußere Umstände vorhandenen Fehlerquellen zu beachten.

Der Vorteil der Analogmultimeter liegt in

• der schnellen visuellen Erfassung des Messwertes,
• der leichten Erkennbarkeit von Tendenzen (Wandern des Zeigers) (bei Zeitkonstanten oberhalb 10 s),
• der gemittelten Anzeige bei raschen Schwankungen der Messgröße (bei Frequenzen oberhalb 10 Hz).

Zum Vergleich der analogen Messmethode mit der digitalen siehe auch Digitale Messtechnik.

Messabweichungen

Siehe hierzu Genauigkeitsklasse, Messgeräteabweichung, Rückwirkungsabweichung