Spannungsnormal

Betrachtungen zur Messgenauigkeit

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Spannungsmessungsfehler von DMMs
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Allgemeines
Viele digitale Messgeräte täuschen eine Genauigkeit vor, die sie nicht haben. Auch wenn ein fabrikneues Gerät noch sehr genau misst, so wachsen die Messfehler über die Jahre. Die Genauigkeit lässt sich nur durch eine Kalibrierung des Messgerätes wieder herstellen. In der Industrie und der Wissenschaft bedient man sich der Kalibrierorganisation, einem hierarchischen Netzwerk von ppm-verliebten Laboren, die die Messgeräte mit hochgenauen Referenznormalen vergleichen, und die Geräte anhand der gemessenen Werte wieder einjustieren. Dieser Weg ist für den Bastler viel zu teuer. Wie kann der Bastler eine hohe Genauigkeit erreichen?
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Spannungsmessungsfehler von DMMs
Ein 3-1/2-stelliges Digitalmultimeter zeigt bei einer Eingangs-Spannung von 15V im Display '15,00' an. Das suggeriert eine Messgenauigkeit von 10 mV, also von 0,07% bzw. 666ppm.
Ein 4-1/2-stelliges Digitalmultimeter zeigt bei einer Eingangs-Spannung von 15V im Display '15,000' an. Das suggeriert eine Messgenauigkeit von 1 mV, also von 0,007% bzw. 66ppm.

Das täuscht! Die meisten DMMs haben eine Messgenauigkeit von 0,3%+1Digit. Spitzengeräte schaffen 0,05%+3Digit. Die letzte Displaystelle ist also überflüssig, und ein 3-1/2-stelliges Display wäre stets ausreichend.

Der Messfehler eines DMMs wird mit der Zeit immer größer. Ich habe mir meine DMMs einmal genauer angeschaut, und bei 10 Jahre alten 4-1/2-stelligen DMMs Spannungsmessfehler von bis zu 0,5% festgestellt. Dabei war der Messfehler in allen Spannungs- und Strommessbereichen nahezu identisch. Das Problem liegt also nicht in den Spannungsteilern für die Messbereiche des DMMs, sondern im ADC (analog digital converter) der in allen Messbereichen letztendlich den analogen Messwert in einen digitalen Zahlenwert wandelt.

Jeder ADC benötigt eine Referenzspannungsquelle, mit deren Spannung er die Messspannung vergleicht. Diese Referenzspannungsquelle driftete offensichtlich im Laufe der Jahre. Um die optimale Messgenauigkeit des DMMs wieder herzustellen, ist es nötig, den ADC des DMMs zu kalibrieren. Dafür speist man in das DMM eine bekannte hochgenaue Spannung ein, und misst sie mit dem DMM. An einem Einstellpotentiometer innerhalb des DMMs wird dann solange justiert, bis der vom DMM angezeigt Messwert mit der eingespeisten Spannung übereinstimmt.

Richtige Kalibrierlabore messen den Fehler des DMMs in allen Messbereichen, und innerhalb jedes Messbereichs für mehrere Messwerte, aber ich hatte ja schon festgestellt, dass es meistens ausreicht den ADC zu kalibrieren, und dafür ist nur die Kalibrierung in einem Messbereich nötig. Da jeder ADC primär ein Spannungsmesser ist, sollte die Kalibrierung in einem Spannungsmessbereich stattfinden. Dabei sollte die zu messende Referenzspannung nicht am Anfang eines Messbereichs, sondern möglichst weit oben im Messbereich liegen.

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Für die Kalibrierung benötigt man eine Referenzsspannung, die genauer ist, als das DMM letztendlich messen soll.
Nach einigem Suchen stieß ich auf den Schaltkreis LT1021 von Linear Technology (erhältlich bei Reichelt). Das ist eine Referenzspannungsquelle, die es für mehrere Spannungen (5V, 7V, 10V) und in mehreren Genauigkeitsklassen (0,05%, 1%) gibt. Alle diese Spannungen lassen sich nur mit dem 20V-Messbereich eines DMM messen (zusätzliche Spannungsteiler scheiden aus, da ihre Fehler zu hoch sind). Im Interesse einer hohen Genauigkeit kommt nur die 10V-Ausführung mit 0,05% Spannungsfehler als Referenzquelle in Frage.

Dieser Typ heißt LT1021CCN8-10 und kostet bei Reichelt weniger als 7€.
 
Ausgangsspannung 9,995 .. 10,005 V
Temperaturdrift (0°C..100°C) < 1 mV
Ausgangsspannungsdrift bei Ausgangsströmen bis 10 mA < 1 mV
min. Eingangsspannung 11,5 V

Der LT1021CCN8-10 hat ohne spezielle Maßnahmen eine Ausgangsspannungsgenauigkeit von 500ppm bzw. 0,05%. Für die Kalibrierung 3-1/2-stelliger DMMs reicht das aus. Für 4 1/2stellige DMMs ist das etwas knapp, aber eine bessere Spannungsquelle konnte ich nicht finden (zumindest nicht im normalen Bastlerhandel für kleines Geld).
Der LT1021CCN8-10 verfügt zusätzlich noch über einen Trimm-Eingang, mit dem sich die max. 5 mV Ausgangsspannungsfehler wegjustieren lassen, wenn man denn zum Vergleich eine noch bessere Referenzspannung finden sollte. Wenn man keine bessere Referenzspannungsquelle zum Nachjustieren findet, sollte man Pin 5 des LT1021 frei lassen, damit wenigstens der Fehler nicht größer als 0,05% verregelt wird.
 
Ich habe den LT1021CCN8-10 zusammen mit einem 7812 als Eingangsspannungsstabilisator und einer Schutzdiode (gegen Falschpolung) in ein kleines Gehäuse eingebaut. Die Schaltung kann mit Gleichspannung zwischen 15V und 30V gespeist werden, und liefert eine 10V-Spannung, die genauer ist als all meine DMMs. In größeren Abständen überprüfe ich meine DMMs, indem ich die 10V-Spannung messen lasse, und bei Abweichungen von mehr als 1 Digit die DMMs nachreguliere.

Da der LT1021 mit bis zu 40V gespeist werden kann, und Eingangsspannungsschwankungen sehr gut ausregelt, wäre der 7812 nicht zwingend nötig, aber er vermindert die Verlustleistung im LT1021, (insbesondere wenn dessen Ausgang mit mit einigen mA belastet wird). Damit tritt im LT1021 kaum eine Eigenerwärmung auf, was der Spannungsstabilität zu gute kommt.

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Das nebenstehende Bild zeigt das Ergebnis meiner Bemühungen. Von 5 DMMs weichen 4 untereinander nur noch um 0,1% ab. Da die Referenzspannung einen Fehler von höchstens 0,05% hat, ist der Messfehler nun auf 1..2 Digit begrenzt. Ein DMM konnte ich nicht kalibrieren, da ich nicht herausfand, welcher der internen Einstellregler für den ADC zuständig  ist. Um nichts zu ver-schlimm-bessern, habe ich an diesem Gerät nichts verstellt, und lieber einen Aufkleber mit der prozentualen Abweichung aufgeklebt.

Der Messfehler der DMMs mag in anderen Messbereichen größer sein, aber die Hauptursache für alle Messabweichungen wurde erfolgreich beseitigt.

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Fazit
In der täglichen Bastelpraxis reicht sicherlich eine Messgenauigkeit von 1% aus. Die lässt sich auch ohne 'Kalibrierung' erreichen. Wichtig ist es aber, dass alle DMMs im Bastellabor den gleichen Messfehler aufweisen, ansonsten erhält man spätestens bei Messungen, an denen mehrere Messgeräte beteiligt sind automatisch größere Fehler (z.B. Messung des Wirkungsgrades eines Transverters mit insgesamt 4 DMMs, 2 mal Spannung und 2 mal Strom).
Wenn man seine DMMs also ohnehin abgleichen muss, dann kann man das gleich richtig machen, und dafür ist meine Referenzspannungsquelle geeignet.

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Autor: sprut
erstellt: 02.02.2004
letzte Änderung: 22.02.2004