Ein umfassender Blick auf Fehlerquellen bei Gleichspannungsmessungen

In diesem Beitrag werfen wir einen Blick auf alle Faktoren, die bei einer DC-Spannungsmessung mit einem Digitalmultimeter zu Fehlern führen können. Das Augenmerk liegt darauf, wie diese eliminiert werden können, damit eine Messung die höchstmögliche Genauigkeit erzielt.

HF-Störungen - Die meisten Spannungsmessinstrumente können falsche Messwerte zeigen, wenn große, hochfrequente Signalquellen in der Nähe sind, wie Radio- und Fernsehsender, Computermonitore und Mobiltelefone. Dies geschieht besonders dann, wenn die Hochfrequenz-Energiequelle mit dem Multimeter in der Systemverkabelung gekoppelt ist. Dieser Effekt fällt unter Umständen schwerwiegend aus, wenn die Verkabelung 1/4, 1/2 oder einem ganzzahligen Vielfachen der HF-Wellenlänge entspricht. Wahrscheinlich haben Sie diese Art von Wirkung bereits einmal erlebt, wenn Sie jemals ein Mobiltelefon in der Nähe der Lautsprecherverkabelung platziert und Störgeräusche vom Lautsprecher zu hören bekommen haben, die mit Sicherheit nichts mit dem zu tun hatten, was Sie eigentlich hören wollten. Um Interferenzen zu vermeiden, sollten Sie die Systemverkabelung keinen HF-Quellen aussetzen oder abgeschirmte Kabel verwenden. Ist die Messung des Digitalmultimeters oder Ihres DUT äußerst empfindlich gegen EMI-Strahlung, verwenden Sie eine Gleichtaktdrossel in der Systemverkabelung wie in der Abbildung unten gezeigt, um die Emissionen zu dämpfen. Häufig können Sie dieselbe EMI-Reduzierungsmethode anwenden, die für das Datenkabel Ihres Computermonitors verwendet wird.

Thermische EMF-Fehler – Thermoelektrische Spannungen, die häufigste Fehlerquelle bei der Messung niedriger Spannungen, werden generiert, wenn Stromkreisverbindungen mit verschiedenartigen Metallen bei unterschiedlichen Temperaturen bestehen. Jede Verbindung Metall zu Metall bildet ein Thermoelement, das eine Spannung entsprechend der Temperatur des Verbindungspunkts erzeugt. Es empfiehlt sich, die erforderlichen Vorsichtsmaßnahmen zu treffen, um Thermoelementspannungen und Temperaturschwankungen bei Messungen niedriger Spannungen zu minimieren. Die besten Verbindungen bestehen aus Crimpverbindungen Kupfer zu Kupfer. Die folgende Abbildung zeigt typische thermoelektrische Spannungen für Verbindungen zwischen unterschiedlichen Metallen.

Die Eingangsanschlüsse der Tischgehäuse-DMMs von Keysight sind mit Kupferlegierungen ausgeführt

Durch Magnetfelder erzeugtes Rauschen – Wenn Sie Messungen in der Nähe von Magnetfeldern vornehmen, sollten Sie Vorsichtsmaßnahmen ergreifen, um Spannungen in den Messanschlüssen zu vermeiden. Spannung kann entweder durch Bewegungen der Eingangsanschlussleitung in einem festen Magnetfeld oder durch ein variierendes Magnetfeld induziert werden. Eine ungeschirmte, schlecht verkleidete Eingangsleitung im Bereich des Erdmagnetfelds kann mehrere Millivolt erzeugen. Das variierende Magnetfeld um die Netzleitung kann auch Spannungen bis zu mehreren Hundert Millivolt induzieren. Seien Sie besonders vorsichtig bei Arbeiten in der Nähe von Trägerleitern mit starken Strömen. Wo immer möglich, verlegen Sie die Verkabelung abseits von Magnetfeldern, die häufig um Elektromotoren, Generatoren, Fernsehgeräte und Computermonitore herum vorhanden sind. Wenn Sie in der Nähe von Magnetfeldern arbeiten, sollten Sie außerdem sicherstellen, dass die Eingangsverdrahtung über eine geeignete Zugentlastung verfügt und fest angeschlossen ist. Verwenden Sie Twisted-Pair-Verbindungen zum Multimeter, um den Rauschaufnahmen-Schleifenbereich zu verkleinern, oder schließen Sie die Kabel so eng wie möglich zusammen.

Ladefehler aufgrund des Eingangswiderstands – Ladefehler bei Messungen treten auf, wenn der Widerstand des DUT einem nennenswerten Prozentsatz des eigenen Eingangswiderstands des DMM entspricht. Die folgende Abbildung zeigt diese Fehlerquelle. Um die Auswirkungen von Ladefehlern zu verringern und die Rauschaufnahme zu minimieren, sehen Sie nach, ob Ihr DMM es Ihnen möglich macht, den Eingangswiderstand auf einen höheren Wert einzustellen. Zum Beispiel kann bei Verwendung eines beliebigen Truevolt DMMs von Keysight wie dem 34460/61/65/70A der Eingangswiderstand zwischen 10 M und >10 G für die Bereiche 100 mVdc, 1 Vdc und 10 Vdc eingestellt werden.

Ri sollte wesentlich größer als Rs sein oder der Ladefehler wird zum Faktor bei der Messung.

Netzleitungsrauschen – Diese Art von Rauschen wird durch das Spannungssignal einer Netzleitung (50 Hz oder 60 Hz) verursacht, die entweder vom DUT oder vom DMM oder von beiden aus mit dem Messaufbau gekoppelt ist. Dieses Rauschen wird als AC-Welligkeit über den gemessenen DC-Pegel hinaus angezeigt. Zur Beseitigung dieser typischen Störquelle greifen DMM-Designer auf integrierende oder mittelnde Einstellungen der Messzeit zurück, die einem ganzzahligen Vielfachen der Phase des Netzleitungsrauschens entsprechen. Denken Sie daran: Wenn Sie über eine Sinuswelle integrieren, erhalten Sie Null. Das wird gemeinhin als Gleichtaktunterdrückung oder NMR bezeichnet. Wenn Sie die Integrationszeit auf einen ganzzahligen Wert gemäß der Netzzyklen (SPS) oder des Fehleingangs festlegen, werden diese Fehler (und ihre Oberwellen) im Durchschnitt auf ungefähr Null reduziert. Das Keysight Truevolt DMM bietet beispielsweise drei Integrationszeiten, um Netzleitungs-Frequenzrauschen (und Oberwellen des Netzleitungs-Frequenzrauschens) zu unterdrücken. Wenn Sie das DMM mit Strom versorgen, misst es die Netzfrequenz (50 Hz oder 60 Hz) und bestimmt daraufhin die korrekte Integrationszeit. Die folgende Tabelle zeigt die Störunterdrückung bei verschiedenen Konfigurationen. Wählen Sie eine längere Integrationszeit für eine bessere Auflösung und erhöhte Störunterdrückung.

Durch Einspeisestrom verursachtes Rauschen – Restkapazitäten im Netztransformator des DMM verursachen geringe Ströme von der LO-Klemme zur Erde. Die Frequenz des Einspeisestroms ist die Netzfrequenz oder möglicherweise eine Oberwelle der Netzfrequenz. Der Einspeisestrom hängt von der Netzleitungskonfiguration und Netzfrequenz ab. Mit Anschluss A (siehe Abbildung unten) fließt der Einspeisestrom von der Erdverbindung des Stromkreises zur LO-Klemme des DMM, wodurch kein zusätzliches Rauschen für die Messung entsteht. Mit Anschluss B dagegen fließt der Einspeisestrom durch den Widerstand R und es entsteht zusätzliches Rauschen für die Messung. Mit Anschluss B verschlimmern höhere Werte von R das Problem.

Das durch Einspeisestrom verursachte Messrauschen kann erheblich reduziert werden, indem die Integrationszeit des DMM auf 1 Netzzyklus (SPS) oder höher eingestellt wird.

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