Spannungsmessgerät

Ein Spannungsmessgerät (auch als 'Spannungsmesser' oder 'Voltmeter' bezeichnet, bei digitalen Voltmetern findet man auch häufig die Abkürzung DVM) dient zur Messung elektrischer Spannungen in (Volt). Dazu wird die Messgröße in eine Anzeige (Zeigerausschlag, Ziffernanzeige) umgewandelt. Das Voltmeter besteht aus dem eigentlichen Messwerk bzw. Messelektronik und gegebenenfalls einem Spannungsteiler zur Anpassung des Messbereiches.

Messwerk_V.PNG eines Voltmeters]]

Analoges Spannungsmessgerät

Bei den analogen Spannungsmessgeräten, meist an einem Zeiger mit Skala zu erkennen, wird nur bei einem statischen Voltmeter die Spannung direkt in einen Zeigerausschlag umgesetzt. Die mechanische Wirkung beruht in diesem Falle auf der Abstoßung gleichnamiger bzw. der Anziehung ungleichnamiger Ladungen. Das einfachste statische Voltmeter ist das Elektroskop und wird vorallem zur Messung von höheren Gleichspannungen eingesetzt.

In den meisten Fällen erfolgt die Spannungsmessung bei analogen Messgeräten in Wirklichkeit über eine Strommessung. Der Strom I durch ein Messwerk mit dem Eigenwiderstand (Innenwiderstand) R_i ist zu der anliegenden Spannung U gemäß dem Ohmschen Gesetz proportional. Das Instrument misst also eigentlich einen Strom, aber die Skala ist mit den entsprechenden Spannungen beschriftet. Das Messwerk war historisch meist als ein Drehspulmesswerk ausgeführt.

Digitales Spannungsmessgerät

Bei den heute üblichen digitalen Spannungsmessgeräten, meist in Form so genannter Digitalmultimeter, erfolgt die Anzeige der Spannung direkt in einer nummerischen Anzeige. Die zu messende analoge Spannung wird hochohmig abgegriffen, verstärkt und mittels Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umgesetzt, welches in der Anzeige als Zahl ausgegeben wird.

Der Vorteil der digitalen Spannungsmessgeräte liegt in deren mechanischen Unempfindlichkeit, leichte Ablesbarkeit der Anzeige, Betrieb in allen räumlichen Lagen, höhere Messgenauigkeit, wesentlich höhere Eingangswiderstände welche auch die Messung kleiner Spannungen mit geringen Fehler erlauben und geringere Herstellungskosten. Weiters bieten viele digitale Spannungsmessgeräte eine automatische Bereichswahl und können neben Gleichspannungen auch Wechselspannung mit einer echten Effektivwertmessung bieten.

Der Nachteil liegt darin, dass langsame zeitliche Verläufe nicht so gut verfolgt werden können. Deswegen bieten manche digitale Spannungsmessgeräte auch eine analoge Anzeige in Form von Balken oder Zeigern mit einem grafischen Anzeige. Auch darf die Darstellungsgenauigkeit der nummerischen Anzeige nicht mit der Auflösung des Messsystems verwechselt werden.

Benutzung

Das Voltmeter wird mit den beiden Punkten einer Schaltung verbunden, zwischen denen die Spannung gemessen werden soll. Dies kann mit Prüfspitzen geschehen, ohne dass dazu in die Schaltung eingegriffen werden muss. Daher ist die Spannungsmessung die häufigste Form der elektrischen Kontrolle. Sogar Strommessungen können häufig durch Spannungsmessungen ersetzt werden; wenn man den Wert R des Widerstandes kennt, durch den der Strom fließt, kann über das Ohmsche Gesetz aus der gemessenen Spannung U die Stromstärke I = U/R berechnet werden.

Messbereich: Ein analoges Spannungsmessgerät hat konstruktionsbedingt einen maximalen Ausschlag bei einer bestimmten maximal möglichen Stromstärke I_max. Zugleich besitzt es seinen Eigenwiderstand (Innenwiderstand R_i). Das bedeutet, wenn die maximale Stromstärke fließt, liegt eine gewisse maximal mögliche Spannung an, die sich nach dem Ohmschen Gesetz zu

U_max = R_i · I_max

berechnet. Bei Überschreiten der maximalen Spannung bzw. der maximalen Stromstärke kann das Messwerk überlastet werden. Auf der zugehörigen Skala entspricht die maximale Spannung dem Vollausschlag.

Bei digitalen Spannungsmessgeräten besteht dieses Problem der Überlastung nicht in dieser Form. Bei Überschreiten der in einem Messbereich maximal möglichen Spannung wird entweder automatisch in den nächst höheren Spannungsbereich umgeschalten oder eine Fehlermeldung in der Anzeige ausgegeben. Eine Überlastung und mögliche Zerstörung des digitalen Spannungsmessgerätes tritt erst dann ein, wenn die maximal zulässige Spannung überschritten wird. Diese maximal zulässige Spannung liegt meist im Bereich 700 V bis 1000 V und ist direkt auf dem Messgerät aufgedruckt.

Messbereichsanpassung

Um analoge Spannungsmessgeräte an den gewünschten Messbereich anzupassen, wird es mit einem geeigneten Vorwiderstand R_v in Reihe geschaltet. Von der zu messenden Spannung U entfällt dann höchstens ein Teil U_max auf das Messwerk, der Rest U_v = U - U_max auf den Vorwiderstand.

Messbereich_U.PNG

Beispiel: Das Messwerk habe einen Innenwiderstand R_i = 200 Ω und schlage beim Maximalstrom I_max = 0,002 A (2 mA) voll aus. Es soll in einem Voltmeter für den Messbereich U = 10 V verwendet werden. Über dem Messwerk liegt bei Vollausschlag die Spannung U_max = R_i · I_max = 200 Ω · 0,002 A = 0,4 V. Es müssen also U_v = 10 V - 0,4 V = 9,6 V am Vorwiderstand liegen. Da auch durch ihn der Strom von 0,002 A fließt, berechnet sich hieraus R_v = U_v/I_max = 9,6 V/0,002 A = 4800 Ω (4,8 kΩ).

Der Umstand, dass durch das analoge 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 Voltmeters (R_v+R_i) sollte möglichst hoch sein. Um dies einzuschätzen, wird bei Voltmetern der Widerstand angegeben, und zwar in Ω/V (Ohm pro Volt Messbereich). Diese Angabe ist mit dem Vollausschlag des jeweiligen Messbereiches zu multiplizieren, um den tatsächlichen Widerstand zu erhalten.

Beispiel: Das oben berechnete Messgerät hat einen Widerstand von 200 Ω bei einem Messbereich von 0,4 V. Daraus folgt 200 Ω/0,4 V = 500 Ω/V. Wenn man es für einen Messbereich von 10 V einsetzt, hat es demnach den Widerstand 10 V · 500 Ω/V = 5000 Ω (5 kΩ), der sich aus dem eigentlichen Widerstand des Messwerks R_i = 200 Ω und dem Vorwiderstand R_v = 4.800 Ω zusammensetzt. Sollte das Messobjekt in diesem Falle seinerseits einen Widerstand von z. B. 500 Ω haben, so wird durch die Messung ein Strom von 10 % des ursprünglichen zusätzlich entnommen und das Ergebnis in dieser Größenordnung verfälscht.

Bei digitalen Spannungsmessgeräten ist diese Form der Bereichserweiterung mit nur einem Vorwiderstand nicht möglich, da der Innenwiderstand bei diesen Messgeräten viel zu hoch und undefiniert ist. Daher tritt auch das Problem des Messwertverfälschung nicht in diesem Umfang auf. So ist bei heute üblichen digitalen Spannungsmessgeräten mit Messbereichen bis über 700 V in vielen praktischen Anwendungen kaum eine externe Messbereichserweiterung nötig. Sollte noch höhere Spannungen gemessen werden, sind externe Spannungsteiler nötig, welche aus entsprechend hochspannungsfesten Widerständen aufgebaut sein müssen.

Siehe auch: Amperemeter, Fehlerklasse, Messgerät

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