Billige Multimeter messen den arithmetischen Mittelwert einer Spannung. Dieser wird mittels einer Gleichrichter-, oder Diodenschaltung ermittelt und mit dem Formfaktor von 1.11 multipliziert. Er entspricht genau dem Effektivwert einer sinusförmigen Spannung. Weicht jedoch die Kurvenform vom reinen Sinus ab, ist der Formfaktor anders und damit zeigt das Multimeter einen falschen (zu kleinen) Wert an. Je stärker die Abweichung, umso grösser ist der Anzeigefehler.
Selbst Messung von Gleichspannung wirft bei genauerer Betrachtung bereits einige Probleme auf. Man denke z.B. an Gleichtaktunterdrückung, Rauschen usw.
Um vieles komplizierter ist die messtechnische Erfassung einer zeitabhängig variablen Spannung, zu deren Beschreibung wesentlich mehr Parameter angegeben werden müssen:
-
Handelt es sich um eine periodische Schwingung?
- Wenn ja, welche Frequenz hat sie?
- Welche Frequenzkomponenten enthält das Signal und mit welcher Amplitude treten diese auf?
- Enthält das Signal eine Gleichspannungskomponente und wie gross ist diese?
- Welcher Spitzenwert besitzt das Signal?
- Wie hoch ist der Effektivwert des Signals?
Effektivwertrichtig messende Geräte (TRMS) berücksichtigen auch verzerrte Kurvenformen und zeigen diese bis zu einem gewissen Verzerrungsgrad korrekt an. Der Grad der Verzerrung wird mit dem Crest-Faktor angegeben. Dieser liegt bei einem sinusförmigen Signal bei 1.414, bei einem Sägezahnsignal bei 1.732 und bei einem Phasenanschnitt kann der Crest-Faktor sogar bei 4.2 zu liegen kommen.Definition
Der Effektivwert eines Wechselstroms oder einer Wechselspannung entspricht dem Gleichstrom oder Gleichspannungswert, der in einem ohmschen Widerstand die gleiche Leistung (Wärme) erzeugt.
Für eine beliebige, zeitvariable Spannung lässt sich der Effektivwert mathematisch durch eine komplexe Gleichung ausdrücken - doch wer will schon so kompliziert rechnen?
TRMS Messung bei Multimetern
Heue haben die meisten Multimeter einen TRMS-Wandler der die Berechnungen elektronisch durchführt. Aber Achtung! Hier gibt es entscheidende Kriterien: True RMS ist deshalb nicht gleich True RMS!
- Bandbreite: höhere Frequenzanteile werden nicht erfasst
- Crestfaktor: Spitzenwert zu Effektivwert, Spitzen können das Gerät überlasten
- Frequenzeinfluss: Genauigkeit in Abhängigkeit der Frequenz und nicht nur bei Referenzbedingungen von 50Hz
Bandbreite
Der Franzose Fourier entdeckte, das jedes periodische Signal in viele einzelne sinus- und kosinusförmige Schwingungen zerlegt werden kann. Ein Rechteckssignal zum Beispiel besteht aus vielen einzelnen Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz und Amplitude, die bis zu 20kHz reichen können.
Um solche Signale noch korrekt messen zu können, muss ein Multimeter über eine entsprechende Frequenzbandbreite verfügen. Leider sind solche Angaben oft nur versteckt in Datenblättern beschrieben, oder die Angaben beziehen sich nur auf die Eingangsstufe eines Messgerätes, nicht aber auf die Komponenten innerhalb des Signalpfades im Multimeter.
Einfache sinusförmige Signale (z.B. Netzspannung 50Hz) sind heutzutage absolut die Ausnahme. Oft begegnet man stark verzerrten Kurven, Impulsen und Rauschen, welche von Phasenanschnittsteuerungen, überlagerte Störungen durch Motoren oder Schaltnetzteilen herrühren. Gerade Schaltnetzteile mit Taktfrequenzen von mehreren kHz, wie sie beispielsweise für PC-Netzteile oder Handy-Ladekabel verwendet werden, sind heute Stand der Technik.
Beispiel
Einfachstes Beispiel ist die Erzeugung der 12V für Halogenlampen mittels eines elektronischen Trafos.
METRAHit Multimeter messen Spannungen und Ströme, sowohl als reine AC Grössen, wie auch als Mischgrössen (AC mit DC-Anteilen) bis zum Crest-Faktor 5 effektivwertrichtig. Die Präzisionsinstrumente gehen damit weit über die Minimalanforderungen für den Einsatz im Energiebereich mit einer Bandbreite von 1kHz und ein Crest-Faktor von 3 hinaus.