Elektrostatik-Filter zur Luftreinigung

Ein elektrostatischer Filter funktioniert ähnlich einem Magneten, der Eisenteilchen anzieht. Die Staubteilchen werden elektrisch positiv aufgeladen (ionisiert) und von negativ geladenen Metallplatten angezogen und festgehalten.

Die mikrobentötende Wirkung, die der elektrostatische Filter hat, wird durch den Umstand begünstigt, dass die Mikroorganismen sich stark an den Staubteilchen mit einem Durchmesser von 5 bis 0,5µm anhaften. Sie werden also zusammen mit dem Staub zurückgehalten. Einige Studien haben zur Schlussfolgerung geführt, dass die mikrobentötende Wirkung auch auf die Elektrisierung zurückzuführen ist, die bei der Ionisation entsteht und die Zellmembran der Mikroben sprengt.

Elektrostatikfilter in Luftreinigern

Elektrostatische Luftfilter bestehen aus einem System aus spannungsführenden Drähten, die den angesaugten Schmutz elektrisch aufladen und mehreren parallel angeordneten, mit Spannung geladenen Metallplatten, die den ionisierten Schmutz anziehen und festgehalten. Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 95% und wird bei regelmäßiger Wartung permanent gewährleistet. Dieser Filter zeichnet sich durch eine gute Filtereigenschaft ohne Kosten für Ersatzfilter aus. Die Filterplatten können durch die regelmäßige Reinigung mit dem Staubsauger gesäubert werden.

Plasma-Filter im Luftreiniger

Eine Variante ist der sogenannte Plasma-Filter, der die Ionisierung über ein Wabengeflecht erzeugt und noch wirksamer ist. Die Luft wird mit entsprechender Spannung in den 'vierten Aggregatzustand' versetzt, dem Plasma. Dadurch verlieren auch die Schmutzpartikel in der Luft ein Elektron, ändern dadurch ihre Ladung in eine positive und können so leicht aufgefangen werden.

Aktivkohle-Filter zur Luftreinigung

Aktivkohle oder auch kurz A-Kohle (Carbo medicinalis, medizinische Kohle) ist eine feinkörnige Kohle mit großer innerer Oberfläche, die als Absorptionsmittel unter anderem in Chemie, Medizin, Wasser- und Abwasserbehandlung sowie Lüftungs- und Klimatechnik eingesetzt wird.

Aktivkohle besteht überwiegend aus Kohlenstoff (meist >90%) mit hochporöser Struktur. Die Poren sind wie bei einem Schwamm untereinander verbunden. Die innere Oberfläche beträgt zwischen 300 und 2000 mµ/g Kohle. Die innere Oberfläche von 4 Gramm Aktivkohle entspricht ungefähr der Fläche eines Fußballfeldes. Die Dichte von Aktivkohle liegt im Bereich von 200 bis 600 kg/m³. Die Porengrößenverteilung der Mikroporen (<1nm), Mesoporen (1-25nm) und Makroporen (>25nm) bestimmt die Absorptionseigenschaften.

Aktivkohle wird aus pflanzlichen, tierischen, mineralischen oder petrochemischen Stoffen hergestellt. Als Ausgangsmaterialien dienen dabei z.B. Holz, Torf, Nussschalen, Braun- oder Steinkohle bzw. Kunststoffe. Entsprechend wird sie auch als Pflanzenkohle bezeichnet.

Die Herstellung geschieht im Allgemeinen durch Dehydrierung mit geeigneten Stoffen (Zinkchlorid, Phosphorsäure) bei 500-900 °C oder durch trockene Destillation. Die so erhaltene Rohaktivkohle wird anschließend oxidativ aktiviert bei 700-1000 °C mit Wasserdampf, Kohlendioxid oder mit Luft.

Aktivkohlefilter in Luftreinigern

Der Aktivkohlefilter in einem Luftreiniger besteht meist aus einer dicken, dunklen Matte und kann mit dem Fotokatalysatorfilter kombiniert sein. Über die poröse Oberfläche werden Moleküle organischer oder chemischer Herkunft (Ausdünstungen von Textilien und Möbeln) absorbiert. Dies dient zur Eliminierung von Gerüchen, Ausgasungen und gasförmigen Schadstoffen.

Luftreiniger gegen Schadstoffe, schlechte Raumluft und Pollen

Gesunde Atemluft ist eine wichtige Basis für unsere Gesundheit. Luft in Innenräumen ist aber, das haben zahlreiche Untersuchungen belegt, meist wesentlich schlechter als unter freiem Himmel.

In Räumen gibt es viele Quellen für Schadstoffe. Wenn sich jemand krank fühlt, führt er das vielleicht auf trockene Atemluft zurück. Doch oft ist vielmehr der Staub in der Luft die Ursache. Er enthält Krankheitskeime, von Hausstauballergikern gefürchteten Milbenkot, Schwermetalle, Ruß, Mineralfasern, Tierhaare und sogar Schimmelsporen. Diese Stoffe werden durch Heizungen aufgewirbelt und sind daher meist nur im Winter ein Problem. Blütenpollen, auf die ebenfalls viele Menschen allergisch reagieren, holt man sich dagegen aber im Frühjahr und Sommer in die Wohnung. Auch Tabakrauch und Atemluft, die staubig und mit krankmachenden Viren und Bakterien verkeimt ist, setzt empfindlichen Menschen zu.

Wenn im Winter von außen keine Frischluft hereinkommt oder im Frühjahr und Sommer die Außenluft mit Blütenpollen geschwängert ist, dann muss eben die Luft im Inneren gereinigt werden. Ein geeigneter Luftreiniger bietet bestmöglichen Schutz vor gefährlichen Partikeln und filtert Feinstaub wirksam aus der Raumluft. Viele Arztpraxen, Kliniken, gewerbliche Büros und Hotels haben die Vorteile der Staubreduzierung bereits umgesetzt und das Thema Luftreinigung wird zunehmend auch in den privaten Bereich übernommen.

Unterschiedliche Systeme der Luftreinigung

Ein Luftreiniger zieht die Raumluft über ein Gebläse ein und filtert die angesaugte Luft dann über geeignete Filter. Wesentliche Eigenschaften für die Leistungsfähigkeit sind die Luftumwälzung und die Wirksamkeit der Filter. Zur effektiven Luftreinigung muss die Leistungsfähigkeit auf die jeweilige Raumgröße abgestimmt sein. Es gibt verschiedene Filtersysteme:

• HEPA-Filter
• Aktivkohle-Filter
• Fotokatalysator-Filter
• Elektrostatik-Filter
• Ionisator
• Ozongenerator
• UV-Filter (UV-Lampe)

Bei einem wirkungsvollen Luftreiniger sollten mindestens HEPA-Filter, Aktivkohlefilter, Fotokatalysatorfilter und UV-Filter vorhanden sein.

Wie die Geräte zur Luftreinigung eingesetzt werden können, hängt von den Gegebenheiten der Wohnräume und der Raumgröße ab. Luftreiniger unterscheiden sich hauptsächlich in der Leistungsfähigkeit, der Ausstattung und der Geräuschentwicklung. Welches Gerät zur Luftreinigung für den persönlichen Zweck geeignet ist, kann durch Herstellerangaben zur Raumgröße sowie zum Filterspektrum (Filtersysteme gegen welche Partikel) herausgefunden werden.

Löten im Elektronikbereich

Löten ist die Verbindung zweier Metalle mittels Lötzinn. Im Gegensatz zum Schweißen werden die beiden zu verbindenen Metalle nicht angeschmolzen. Grundsätzlich kann zwischen Weichlöten und Hartlöten unterschieden werden. Während Verbindungen, die einer mechanischen Belastung ausgesetzt sind, vorzugsweise Hartgelötet werden, und daher auch das Lot härter ist und höhere Temperaturen (>450°C) verlangt, wird beim Weichlöten Lötzinn eingesetzt, dass bei Temperaturen unter 450°C verarbeitet werden kann. In der Elektronik ist das Löten die wichtigste Verbindung zweier Metalle.

Das Lot (Lötzinn)

Lot, oder, im Elektronikbereich auch umgangssprachlich Lötzinn, ist meistens eine Legierung, d.h. eine Mischung aus mehreren Metallen. Üblicherweise werden zur Identifizierung die chemische Kurzbezeichnung und der Gewichtsanteil der Bestandteile aneinandergereiht. So bedeutet z.B. L-Sn95,5Ag3,8Cu0,7, das dieses Lot (L) aus 95,5% Zinn (Sn95,5), 3,8% Silber (Ag3,8) und 0,7% Kupfer (Cu0,7) besteht.

Ziel der (Lot-) Legierung ist es, den Schmelzpunkt herabzusetzen, so dass er unter dem der einzelnen Metalle liegt. Es entsteht ein Material, das einen Schmelzbereich hat, innerhalb dessen ein Brei aus festen und flüssigen Bestandteilen existiert. Er beginnt mit der Solidustemperatur, unterhalb der die Legierung vollständig erstarrt ist und endet mit der Liquidustemperatur, oberhalb der alle Bestandteile flüssig sind. Idealerweise wird eine Mischung angestrebt, bei dem Solidus- und Liquidustemperatur zusammenfallen. Eine solche Legierung wird als Eutektikum oder eutektische Legierung bezeichnet und verhält sich bezüglich des Schmelzpunktes wie ein reines Material. Eine solche Legierung wäre z.B. Sn62Pb38. Allerdings ist dieses Lötzinn bleihaltig und darf i.d.R. nicht mehr verwendet werden.

Lot zur Anwendung in der Elektronik für Lötkolben enthält oft bereits Flussmittel. Der Lötdraht ist als Rohr gefertigt, das mit Flussmittel gefüllt ist und auch als Lot mit Flussmittelseele bezeichnet wird.

Eine Alternative zu Lötzinn stellt Lötpaste dar, eine Mischung aus Lotmetallpulver und Flussmittel, die zwar vorwiegend zum Löten oberflächenmontierbarer Bauteile (SMD) in der Elektronikfertigung mittels Reflow-Löten dient, aber auch anders eingesetzt werden kann.

Flussmittel

Flussmittel haben die Aufgabe, Metalloxid-Schichten auf den Lötflächen aufzulösen und Oberflächenfilme zu beseitigen, die verhindern, dass sich während der Erwärmung neue Oxidschichten bilden. Ausserdem verbessern sie die Fließeigenschaften des Lots, damit das geschmolzene Lötzinn die zu verbindenden Teile richtig benetzt.

Diese Aufgaben können durch die unterschiedlichsten Zusammensetzungen des Flussmittels erreicht werden. Für Lötarbeiten im Elektronikbereich ist jedoch Flussmittel auf Basis von Kolophonium, das aus Baumharz gewonnen wird, eventuell mit Zusätzen, die erste Wahl. Es kann auf der Lötstelle verbleiben, weil die darin enthaltenen Säuren erst bei hohen Temperaturen aktiviert werden. Der im Zusammenhang mit Flussmittel verwendete Begriff säurefrei bezieht sich auf die erkaltete Lötstelle. Die Auflösung von Oxidschichten (durch Reduktion) ohne Säure ist nur schwer möglich.

Für die Herstellung elektronischer Bauruppen ist bei die Verwendung von Lötfett oder Lötwasser Vorsicht geboten, da hier Substanzen enthalten sein können, die auch nach dem Erkalten der Lötstelle korrosiv wirken.

Der Lötkolben oder die Lötstation

Der Lötkolben ist das klassische Werkzeug, das zum Löten von gedruckten Schaltungen verwendet wird. Es handelt sich dabei um einen Griff mit einem Kabel auf der einen und einer metallischen Lötspitze auf der anderen Seite. Das Kabel steckt entweder in der Steckdose oder in einer regelbaren Lötstation. Die Spitzen sollten auswechselbar sein.

Ein ungeregelter Lötkolben sollte eine maximale Leistung von 40W haben.

Die optimale Lösung ist eine Lötstation, bei der die Temperatur der Lötspitze geregelt werden kann. Sie sollte idealerweise einen Transformator besitzen und den Lötkolben mit 12 oder 24V versorgen. Die Leistung sollte mindestens ca. 50W betragen, damit genug Reserve da ist, um die Temperatur an der Lötspitze konstant zu halten, auch wenn große Bauteile gelötet werden, die aufgeheizt werden müssen.

Das Löten von elektrostatisch empfindlichen Bauteilen ist nur mit einer Lötstation möglich.

Das Löten - Der Lötvorgang

Einige Tipps zum Löten

• Eine geeignete Ablage für das Lötgerät (Lötkolben) ist vorhanden (z.B. Metallständer)
• Das Lötgerät (Lökolben) hat die richtige Lötleistung (Temperatur/Watt) bzw. den richtigen Temperaturbereich, passend zum Lot, bzw. umgekehrt, das Lot muss zur Temperatur des Lötkolbens passen.
• Die Größe der Lötspitze ist für die Größe der Lötstelle geeignet. Die Spitze sollte so dick wie möglich gewählt werden, damit eine gute Wärmeübertragung zum Bauteil erfolgen kann.
• Die Lötspitze muss verzinnt und frei von Verunreinigungen sein.
• Die Lötstelle ist metallisch rein, d.h. frei von Verunreinigungen und Oxidschichten.
• Elektrische Drähte die offen sind, sollten verdrillt werden.
• Die Festigkeit der Lötstelle ist höher als die des Lotes.
• Das Bauteil muss an der Lötstelle heißer als die Schmelztemperatur des Lötzinns werden. Probleme bereiten sehr große Metallflächen mit guter Wärmeleitung, weil der Lötkoben sie nicht ausreichend erhitzen kann.
• Nicht der Lötkolben bringt das Zinn zm Schmelzen, sondern die erhitzten Bauteile.
• Die Lötkolbenspitze sollte nur so lange an die Lötstelle gehalten werden, bis alle zu verlötenden Stellen vom Lötzinn umschlossen sind. Elektronische Bauteile dürfen nicht zu lange erwärmt werden, weil sie sonst beschädigt werden.
• Die Lötstelle sollte einen Mindestabstand von 6 mm vom Bauteilhaben, da dieses sonst durch die Hitze zerstört wird.
• Das Lötzinn muss zwischen den Metallteilen gut verteilt werden, damit eine haltbare Verbindung entsteht.
• Nur soviel Lot verwenden, wie unbeding nötig. Damit wird die Gefahr von unbeabsichtigten Lötbrücken geringer.
• Bei Leiterplatinen sollte man generell nicht zu lange auf einer Lötstelle bleiben, da sich sonst das Kupfer vom Basismaterial löst.
• Kalte Lötstellen kann man am besten verhindern, indem man die Kontaktzeit der Lötkolbenspitze mit dem Lot möglichst kurz hält. Also einfach schnell arbeiten.
• Während des Lötvorgangs muss die Lötstelle vor Luftsauerstoff geschützt sein. Dazu dient das Flussmittel (Kolophonium), das einen schützenden Überzug bildet. Das Flussmittel ist oft als dünne Seele im Lötzinn enthalten. Es legt sich beim Schmelzen des Lötzinns auf das flüssige Metall
• Den Lötkolben vorsichtig von der Lötstelle abziehen, damit eine saubere Lötstelle zurück bleibt.
• Um die Beschädigung von elektrostatisch empfindliche Bauteile (ESD) zu vermeiden, sollte unbedingt eine Lötstation mit galvanischer Trennung und zusätzlichem Erdungsanschluss Verwendung finden. Außerdem sollte der Lötende eine "Erdungsarmband" tragen.
• Beim Löten wird die Lötspitze am besten so an das Bauteil angelegt, dass eine möglichst große Berührungsfläche entsteht. Außerdem ist es vorteilhaft, sehr schnell etwas Lötzinn als Wärmeleiter zwischen Lötspitze und Bauteil zu bringen.
• Wenn die Lötstelle immer gleichzeitig mit dem Lötkolben und dem Lötzinn berührt wird, ist das Flussmittel noch nicht vollständig verdampft, wenn die Lötstelle bereits perfekt umschmolzen ist.
• Der Lötkolben sollte nicht zu schnell weggezogen werden um dann noch einmal oder mehrmals angelegt zu werden, weil sonst die zu verbindenden Metallteile nicht ausreichend aufgeheizt werden, der Vorgang zu lange dauert und dadurch das Flussmittel vorzeitig verdampft. Das Ergebnis ist eine ungleichmäßig geformte Lötstelle mit schlecht anliegenden Übergängen.
• Am Besten ist es, die Lötstelle schnell und kräftig aufzuheizen und den Vorgang abrupt und endgültig zu beenden.
• Wird der Draht oder die Platine beim Erkalten des Lötzinns bewegt, entstehen "kalte" Lötstellen. Das Lötzinn hat die beiden Metalle nicht richtig miteinander verbunden
• Bis vor einiger Zeit, wurde die Qualität einer Lötstelle u.a. danach beurteilt, ob sie silbrig glänzend war. Das gilt auch nach wie vor, wenn bleihaltiges Lot verwendet wird. Mit bleifreiem Lot wird die Lötstelle nicht glänzend, sondern matt sein.
• Die Lebenserwartung von Lötspitzen steigt deutlich an, wenn sie immer mit Zinn benetzt sind. Man sollte den Lötkolben also immer mit den Zinnresten in die Ablage legen und erst vor der nächsten Lötstelle am feuchten Schwamm abwischen.
• Benötigt man für eine Lötstelle viel Flussmittel, kann man die Lötkolbenspitze damit benetzen.

Löten

Voraussetzungen für eine einwandfreie Lötstelle sind saubere, blanke und fettfreie Metallteile. Nicht umsonst werden Platinen dshalb nach dem Ätzen gereinigt und mit einem Schutzlack überzogen, meist Lötlack oder in Spiritus gelöstem Kolophonium.

Beim Löten werden die beiden zu verbindenden Metalle an der Lötstelle gleichzeitig mit einem Lötkolben erhitzt und möglichst zügig das Lötzinn auf beide Metalle (nicht auf die Lötkolbenspitze) gebracht. Ist die Lötstelle heiß, verläuft das Lötzinn. Die Lötspitze wird dann möglichst schnell wieder von der Lötstelle entfernt. Während das Lötzinn erkaltet (1-2 Sekunden), darf die Lötstelle nicht bewegt werden, da sonst eine "kalte Lötstelle" entsteht.

Da die Lötstelle selbst warm werden muss, damit das Lot an der zu verlötenden Stelle sauber fließt, ist ein guter Wärmeübergang zwischen Lötspitze und Lötstelle nötig und wird durch das zugeführte Lot hergestellt. Ist die Lötspitze nicht verzinnt, oxidiert sie und das Lot perlt von der Lötspitze ab, wodurch der Wärmeübergang zur Lötstelle nicht ausreichend gegeben ist.

Das zur Reinigung der Lötstelle erforderliche Flussmittel befindet sich oft als Füllung in der Mitte des Elektronik-Lötzinns.

Andere Reinigungsmittel wie z.B. Salmiakstein, Lötfett, Lötpaste o.ä. sollten mit großer Vorsicht verwendet werden und Rückstände müssen hinterher gründlich entfernt werden, da sie mit der Zeit die Lötstelle zerfressen und die Schaltung zerstören. Die in diesen Flussmitteln enthaltenen Säuren greifen auch die Lötkolbenspitze an, die dann schneller verschleißt.

Ist die Lötung nicht gelungen, ist es erforderlich, das Zinn der Lötstelle erneut zu schmelzen und zu entfernen, z.B. mittels Entlötpumpe, Entlötlitze oder Entlötkolben und Eentlötstation. Die Lötstelle kann dann mit neuem, frischem Zinn erneut gelötet werden.

Beseitigung unbeabsichter Lötbrücken

Das wird am besten dadurch bewerkstelligt, durch Einsatz einer Entlötpumpe, mit der das Lötzinn abgesaugt wird, oder mit Entlötlitze, die das Lot aufsaugt. Eine andere Möglichkeit ist, mit dem Lötkolben, bestückt mit einer Bleistiftspitze, durch das geschmolzene Zinn zwischen den beiden Lötstellen hindurchzufahren, als wolle man einen Strich ziehen.

Reinigung

Elektrische oder chemische Notwendigkeiten für das Abwaschen der Flussmittelrückstände auf Kolophoniumbasis gibt es nicht. Sie verhalten sich neutral und greifen die Materialien nicht an. In der Serienfertigung werden Elektronikbaugruppen in der Regel nicht gereinigt.

Wenn die Flussmittelrückstände stören, kann man sie meistens mit Alkohol (Brennspiritus), Benzin, Isopropanol oder einem professionelleren Lösungsmittel auflösen. Ist z.B. Kolophonium beim Löten deutlich dunkel geworden, so sollte man es sofort entfernen, solange es noch warm ist. Eine Reinigung der Platine sollte zeitnah erfolgen, weil die Rückstände aushärten. Vor dem Waschen ist sicherzustellen, dass alle Bauelemente dicht sind und sich nichts auflösen kann. Die Platine sollte erst mit Lösemittel und dann mit Wasser mit etwas Spülmittel gereinigt werden.

Löten von Kabeln und Leitungen

Wie auch beim Platinenlöten werden zunächst die Kupferadern aufgeheizt, und anschließend das Zinn zwischen Lötspitze und Kupferader zugeführt, wobei auf gleichmäßigen Verlauf zu achten ist. Es ist wichtig, dass die Kabelisolierung nicht schmilzt und sich in die Lötstelle einmischt. Die Lötstelle wäre dann nicht dauerhaft.

Entlöten

Entlötlitze

Entlötlitze ist ein Drahtgeflecht aus Kupfer und führt in Verbindung mit der erhitzten Lötstelle zu einem abfließen des Zinns in die Litze. Dazu muss sich die Entlötlitze zwischen Lötstelle und Lötspitze des Lötgerätes befinden.

Entlötpumpe

Die Entlötpumpe besteht aus einem Rohr, das unten mit einer Spitze mit Bohrung abschließt und im inneren einen Kolben mit einer Feder hat. Sie wird gespannt auf die erhitzte und flüssige Lötstelle aufgesetzt und ausgelöst. Der Kolben im Rohr schnellt zurück und es entsteht ein Unterdruck, durch den das heisse und flüssige Lötzinn nach oben weggezogen wird. Die Lötstelle ist dann bis auf einen leichten Zinn-Rückstand frei gelegt. Die Metalle lassen sich im Regelfall voneinander lösen.

Es gibt auch Entlötpumpen mit beheizbarer Spitze. Dadurch wird das Entlöten einfacher, weil der Lötkolben nicht zum Schmelzen des Lots benötigt wird.

Entlötstation

Eine Entlötstation besteht aus einer Vakuumpume, an die mittels Schlauch der Entlötkolben mit einem Auslöser für die Pumpe angeschlossen ist. Die Spitze des Kolbens hat eine Bohrung, ist beheizt und die Temperatur kann geregelt werden. Die Handhabung ist ähnlich einer beheizten Entlötpumpe, mit dem Vorteil, dass vor dem Absaugen keine Feder gespannt werden muss.

Messfleckgröße (Durchmesser) von Infrarotthermometern in Abhängigkeit von Abstand zu Messobjekt und Messkegelverhältnis

 Die folgende Tabelle kann mit mm oder cm als Maßeinheit verwendet werden. Z.B. Abstand 10mm: Messfleck 1mm bei 10:1, oder 10cm: Messfleck 1cm bei 10:1.

Berührunglos arbeitende Temperaturmessgeräte, auch Strahlungsthermometer oder Pyrometer genannt, eignen sich sehr gut, um sehr schnell die Temperatur von Oberflächen zu bestimmen. Darüber hinaus werden sie dort eingesetzt, wo andere Messmethoden (z.B.Kontakt­thermo­meter) nicht oder nur eingeschränkt angewendet werden können. Spannungsführende Teile, rotierende Maschinenteile, heiße Objekte, verpackte Lebensmittel, die beim Einstechen eines Messfühlers beschädigt werden, oder rauhe Oberflächen, zu denen nur schwer ein Kontakt hergestellt werden kann, sind nur einige Beispiele.

Funktionsweise

Jeder Körper sendet, neben anderen elektromagnetische Wellen, Wärmestrahlung, deren Intensität von seiner Temperatur abhängt. Diese Strahlung wird mit dem IR-Thermometer erfasst und ausgewertet. Ähnlich einem Fotoapparat bündelt die Linse die von einem Körper abgestrahlten elektromagnetischen Wellen und leitet diese auf eine lichtempfindliche Schicht. Dort erfolgt die Umwandlung in ein Signal, das durch eine entsprechende Elektronik als Temperatur angezeigt wird.

Bei der Infrarot-Messtechnik werden also Wärmestrahlen, die von der Oberfläche des Messobjektes ausgehen, erfasst und gemessen. Daher sind einige Besonderheiten zu beachten, um Messfehler zu vermeiden: Das sind in erster Linie

• Optische Auflösung
• Emissionsfaktor (siehe auch Tabelle Emissionsfaktoren einiger Materialien)

Optische Auflösung

Die optische Auflösung beschreibt den Durchmesser des Messflecks, der in Abhängigkeit des Abstands des Thermometers zum Objekt entsteht. Es wird auch als 'Verhältnis von Abstand zu Messfleckdurchmesser', 'Sichtfeld' oder 'Messkegelverhältnis' bezeichnet und wird mit x:1 angegeben, wobei x den Abstand darstellt und 1 den Messfleck.

Die Auflösung eines IR-Thermometers mit einem Verhältnis von 4:1 ist meist zu grob um die Temperatur eines 1m entfernten Objekts zu messen, denn der Messfleckdurchmesser ist dann schon 25cm (100cm/4), während der Durchmesser bei einem 10:1 Gerät nur noch 10cm (100cm/10) beträgt und, wie auch in der Grafik oben gezeigt, bei 50cm Abstand nur 5cm. Siehe auch Tabelle Messfleckdurchmesser in Abhängigkeit von Abstand und Messkegelverhältnis

Überlegen Sie daher vor dem Kauf, wofür Sie das Infrarot-Thermometer einsetzen möchten, und erwerben Sie dann ein Gerät, das die entsprechende optische Auflösung für die Anwendung bietet. Viele fehlerhafte Messwerte entstehen, weil unwissentlich eine größere Fläche als das gemessene Objekt erfasst wird.

Emissionsfaktor

Der Emissionsfaktor beschreibt die Fähigkeit eines Gegenstandes, Energie im Infrarot-Bereich abzustrahlen. Der Emissionsfaktor wird vom Material, aus dem der Gegenstand besteht, und seiner Oberflächen­beschaffenheit bestimmt. Die Werte können von kleiner 0,1 bei einem hoch reflektierenden Körper wie poliertem Metall bis zu 1,0 bei einem idealen schwarzen Körper reichen. Anders ausgedrückt, kann der Emissionsfaktor mit dem Reflexionsvermögen oder dem Glanz einer Oberfläche verglichen werden. Materialien wie weichgezogene Kupferdrähte erscheinen selbst unter dem Mikroskop glatt und glänzend, obwohl sie mit bloßem Auge matt aussehen, während andere Objekte wie Lackfarbe porös aussehen, obwohl sie mit bloßem Auge glänzend wirken. Poröse Gegenstände haben einen relativ hohen Emissionsfaktor (i.d.R. von 0,7 bis 0,98), während glänzende einen niedrigen Emissionsfaktor (i.d.R. unter 0,2) haben. Letztere reflektieren Infrarot-Energie von den umgebenden Gegenständen, wodurch die vom gemessenen Objekt abgestrahlte Infrarot-Energie abgeschwächt wird. Ein poröser Körper absorbiert in der Regel die umgebende Infrarot-Energie und strahlt dadurch seine eigene Infrarot-Energie ungeschwächt ab (wie ein schwarzer Körper).

Infrarot-Messgeräte bei denen die Emissivität nicht einstellbar ist, haben i.d.R. einem Emissionsfaktor von 0,95. Um einen effektiven tatsächlichen Temperaturmesswert zu erhalten, muss die gemessene Oberfläche einen Emissionsfaktor um 0,95 haben. Mit anderen Worten: nur die Messung einer Oberfläche, die nicht hoch reflektierend ist, führt zu einem genauen Messwert. Verwenden Sie daher für glänzende Oberflächen eine Schicht schwarzer Farbe, Isolierband oder Permanentmarker, um die Reflexion zu verringern. Wenn ein Infrarot-Messgerät mit einem festen Emissionsfaktor von 0,95 für die Messung eines Objektes verwendet wird, dessen Emissionsfaktor erheblich von 0,95 abweicht, ist das Ergebnis folgendermaßen fehlerhaft:

• Wenn das gemessene Objekt wärmer als die Umgebungstemperatur ist, liegt der Messwert fälschlicherweise unter der tatsächlichen Temperatur.
• Wenn das gemessene Objekt kälter als die Umgebungs­temperatur ist, liegt der Messwert fälschlicher­weise über der tatsächlichen Temperatur.

Zur Tabelle mit Emissionsfaktoren einiger Materialien

Vorteile der IR - Messung

• Schnelle Reaktionszeit: Temperaturen werden in Bruchteilen einer Sekunde gemessen.
• Messung bewegter Teile: selbst schnelle dynamische Prozesse lassen sich damit spielend messen. Die kurze Ansprechzeit unterstützt diese Fähigkeit.
• Die zu messenden Objekte werden nicht berührt oder kontaminiert: Für Lebensmittel oder stromführende Teile ein unschlagbarer Vorteil. Auch schwer zugängliche Teile lassen sich damit messen.

Die Vergrößerung, die eine Lupe bewirkt, hängt unmittelbar mit dem Abstand zum Objekt zusammen: Je größer die Vergrößerung, desto geringer ist der Abstand der Linse zum Objekt. Wird der Abstand zu klein oder zu groß gewählt, sieht man das Abbild durch das Vergrößerungsglas nicht scharf.

Dioptrie

Die Dioptrie (dpt) beschreibt als Einheit den Brechwert D (Brechkraft, Vergenz) einer Linse. Dabei haben Sammellinsen (z.B. Vergrößerungsgläser) positive Dioptriezahlen, während Zerstreuungslinsen negative Dioptrien aufweisen. Je höher eine positive Dioptrienzahl ist, desto mehr vergrößert die Linse. Bei negativen Dioptriezahlen ist es umgekehrt. Die Dioptrie ist keine SI-Einheit, obwohl sie in vielen Ländern benutzt wird und genormt ist, z.B. in Deutschland in DIN 58 208 (Begriffe und Zeichen für Brillenglaser).

Brennweite

Mit einer Sammellinse (Lupe) kann man z.B. Papier entzünden, wenn der Abstand so gewählt wird, dass sich sich die einfallenden Sonnenstrahlen genau auf der Papieroberfläche treffen. Daher nennt man diesen Punkt sehr treffend Brennpunkt der Linse, und der Abstand dieses Punktes von der Linse wird daher Brennweite genannt.

Zusammenhang zwischen Dioptrien, Brennweite und Vergrößerung

Dioptrie und Brennweite einer Sammellinse (Vergrößerungsglas) hängen miteinander zusammen: Je größer eine positive Dioptienzahl ist, um so mehr vergrößert die Linse, desto kleiner ist aber die Brennweite, d.h. die Linse muss näher zum Objekt hinbewegt werden, um ein scharfes, vergrößertes Abbild zu sehen.

Vergrößerung und Vergrößerungsfaktor

Mit Vergrößerung ist die Zahl gemeint, um die ein Objekt größer dargestellt wird: Angenommen der Gegenstand ist 10 mm groß, dann wird er bei 1-facher Vergrößerung noch einmal so groß, also um 10 mm größer (=20mm) dargestellt, d.h. um 100% größer, oder mit Vergrößerungsfaktor 2.

Mit zunehmender Vergrößerung steigt auch die Verzerrung. Außerdem ergibt sich aus obenstehender Tabelle, dass mit zunehmender Dioptrienzahl einer Linse der Abstand zum Objekt (Brennweite) immer geringer und das Sichtfeld entsprechend kleiner wird. Für normale Anwendungen sind 5 Dioptrien meist die Obergrenze, während zum normalen Lesen mit unterstützender Lupe 3 Dioptrien in der Regel völlig ausreichen.

Bei der Wahl z.B. einer Lupenleuchte sind weniger Dioptrien oft mehr: Wenn Sie unter der Lupe arbeiten wollen, entspricht die Brennweite dem Arbeitsabstand und es empfehlen sich 3 Dioptrien mit ca. 33cm oder 5 Dioptrien mit ca. 20cm Brennweite zu wählen.

Formeln für Vergrößerung, Brennweite und Brechwert (Dioptrien)

V = Vergrößerung, D = Brechwert in dpt (Dioptrien), f = Brennweite

Es genügt nicht, darauf zu achten, ein Multimeter zu verwenden, das eine genügend hohe Spannungs­spezifikation besitzt. Es ist ebenso wichtig, ein Multimeter mit entsprechender Überspannungs­kategorie und Verschmutzungsgrad zu verwenden, je nach dem, wo und in welcher Umgebung gemessen wird. Im Umkehrschluss bedeutet das auch, ein Multimeter nicht zu verwenden, wenn es aufgrund der Überspannungskategorie bzw. Verschmutzungsgrad nicht für die Messaufgabe geeignet ist.

Spannungsspitzen - Transienten

Verteilungssysteme und Lasten werden immer komplexer und in der Folge nimmt auch die Wahrscheinlichkeit von transienten Überspannungen zu. Motoren, Kondensatoren und Leistungswandler wie Antriebe mit regelbarer Drehzahl können Spannungsspitzen erzeugen. Blitzeinschläge in Freileitungen sind selten, führen aber zu sehr gefährlichen hochenergetischen Überspannungen.

Diese Transienten stellen bei Messungen an elektrischen Systemen "unsichtbare" und weitgehend unvermeidbare Risiken dar. Sie treten regelmäßig bei Niederspannungs-Stromkreisen auf und können Spitzenwerte bis zu mehreren tausend Volt erreichen. Die Sicherheit des Benutzers hängt in diesen Fällen von der Sicherheitsmarge ab, mit der das Multimeter gebaut wurde.

Überspannungskategorien

IEC 1010 gilt für Niederspannungs-Messgeräte (<1000 V) und ist in Europa unter EC 61010 bekannt

Verschmutzungsgrad

Je nach Umgebungsbedingungen, in der das Multimeter eingesetzt wird, muss die Schaltung des Messgerätes eine bestimmte Verschmutzung aushalten können, ohne beeinträchtigt zu werden.

Kleine Luftstrecken können durch feste Teile, Staub oder Wasser vollkommen überbrückt werden. Soweit Verschmutzung in der Mikro-Umgebung vorhanden sein kann, werden daher Mindest-luftstrecken festgelegt.

Was ist eigentlich genau ein Digitalmultimeter (DMM), und was kann man damit anfangen? Wie ist bei Messungen vorzugehen? Welche Anforderungen müssen Sie an das Instrument stellen? Auf welche sicherste und leichteste Weise können Sie lhr Instrument optimal nutzen? Welches Instrument eignet sich am besten für die Umgebung, in der Sie arbeiten? Auf diese Fragen versuchen wir im folgenden eine Antwort zu geben.

Nachdem mittlerweile Elektronikschaltungen fast überall verwendet werden, von Kaffeemaschinen bis zum Raumfahrzeug, sind die Anforderungen an den Elektrotechniker enorm gestiegen. Service, Reparatur und Installation komplexer Einrichtungen erfordern Diagnosewerkzeuge, die genaue Informationen liefern.

Beim DMM handelt es sich um ein elektronisches Messgerät zur Durchführung von elektrischen Messungen. Es kann mit jeder Menge von Sonderfunktionen ausgestattet sein, aber grundsätzlich werden mit einem DMM Spannung (Volt), Widerstand (Ohm) und Strom (Ampere) gemessen.

Der Umgang mit dem Multimeter

Auf der Seite der Uni-Bayreuth hat Heiko Hauenstein unter anderem zwei sehr gut gemachte Online-Experimente in Flash erstellt bei dem man den Umgang mit einem digitalen Multimeter zunächst lernt und dann üben kann.

Das erste Online-Experiment dient der Multimeter-Bedienung und stellt einfache Übungsaufgaben. Im zweiten Experiment kann man die Messungen üben, indem man die Stecker der Messkabel in die richtigen Buchsen steckt, den Messbereich wählt, das Messgerät ein- und ausschaltet und die Messspitzen an die zu untersuchenden Drähte führt. Dazu sind einige Aufgaben gestellt, um zu üben, wie man Strom und Spannung misst.

Obwohl sich die DMM im Detail unterscheiden, finden sich die grundlegenden Bedienungselemente auf allen Digitalen Multimetern, sodass eine allgemeine Bedienungsanleitung für Multimeter hilfreich ist.

Wahl eines Digitalmultimeters

Beim Kauf eines DMMs ist nicht nur auf grundlegende Daten zu achten, sondern auch die Merkmale, Funktionen und der Gesamteindruck des Instrumentes ist entscheidend, z.B. doppelte Isolierung und Eingangsschutz. Je nach dem, was Sie messen wollen, empfiehlt es sich, die Überspannungskategorie in die Überlegung einzubeziehen, siehe auch Überspannungskategorien und Multimeter-Sicherheit. Ein DMM bietet nützliche Merkmal-Kombinationen, wie z.B. Data-Hold(der Messwert wird auf der Anzeige gespeichert), Analoganzeige-Balken (Bargraph) und hohe Auflösung.

DMM: Digital-Multimeter - einige Grundlagen

Auflösung und Stellenzahl (Digits)

Die Auflösung sagt aus, wie klein die Anzeige 'benachbarter' Messwerte erfolgen kann. Wenn die Auflösung eines DMM bekannt ist, können Sie feststellen, ob das Instrument als kleinste Einheit z.B. ein Volt oder 1mV (1/1000 Volt) darstellen kann. (Wenn Sie auf Zehntel Millimeter genau messen wollten, würden Sie keinen Maßstab mit Millimetereinteilung kaufen, sondern eine Schieblehre.)

Die Anzahl der Digits (Stellenzahl) wird zur Umschreibung der Auflösung eines Messinstrumentes verwendet. Diese Anzahl der Digits ist für DMMs also eines der wichtigsten Merkmale und dient daher häufig auch zur Einteilung in Vergleichstabellen. Des öfteren findet man die Angabe '3 ½-stellig'. Ein derartiges DMM kann drei volle Stellen von 0 his 9 darstellen, sowie eine weitere Stelle, die meistens eine 1 ist. Ein 3 ½-stelliges Instrument kann Zahlen bis zu 1999 auflösen, während die Auflösung einer 4 ½-stelligen Anzeige bis zu 19999 beträgt.

Manche Multimeter werden mit durch verbesserte Auflösung mit einem Anzeigeumfang bis zu 3200, 4000 oder 6000 angeboten. Dann ist es präziser, dieses Instrument nach seiner Auflösung zu beschreiben, und nicht ob es 3 ½-stellig oder 4 ½-stellig ist. Für bestimmte Messungen bieten Instrumente mit 3200 oder mehr Digits eine bessere Auflösung. Ein Instrument, welches z.B. Über eine Zahlendarstellung bis 1999 verfügt, kann bei Messung der Netzspannung von 230 Volt oder mehr keine Auflösung von 1/10 Volt bieten, weil die Zahlendarstellung den maximalen Wert auf 199,9V begrenzt. Aber ein Instrument mit einer Zahlendarstellung bis 4000 zeigt bis zu dieser Spannung mit 1/10 Volt Auflösung an. Das ist somit, zumindest bis 400V, die gleiche Auflösung wie bei einem teureren Instrument mit einem Anzeigeumfang bis 20000.

Genauigkeit - Ungenauigkeit - Messunsicherheit - Digits

Unter Ungenauigkeit versteht man den höchsten zulässigen Fehler, der unter bestimmten Betriebs­bedingungen auftreten kann. Anders ausgedrückt ist es ein Hinweis darauf, wie nahe der durch dasDMM angezeigte Messwert dem tatsächlichen Wert des gemessenen Signales kommt. Umgangssprachlich wird oft der Begriff Genauigkeit verwendet; der normentechnisch treffendste Begriff ist Messunsicherheit. Die Ungenauigkeit eines DMM wird normalerweise als Prozentsatz des angezeigten Wertes ausgedrückt. Eine Messunsicherheit von ±1% des angezeigten Wertes besagt, dass bei einer Anzeige von z.B. 100,0 V der tatsächliche Wert irgendwo zwischen 99,0 Vund 101,0 V liegt. Neben der Ungenauigkeit in Prozent vom Messwert kommt noch ein Anteil hinzu, der vom Messbereich abhängt und meistens als Digits bezeichnet wird. Es ist die Anzahl der letzten Anzeigegestelle gemeint und man spricht von der Stelle niedrigster Auflösung oder LSD(Least significant digit). Wenn die Spezifikation eines DMM z.B. ±(1% +2) oder ±1%, ±2 angibt bedeutet das ±1% vom Messwert und zusätzlich ±2 Digits. Praktisch gesehen werden diese Digits mit der Auflösung multipliziert und zum Prozentwert der Messunsicherheit addiert. Wenn das DMMeine Auflösung von 0,1 V hat, ist bei einem Messwert von 100V die gesamte Ungenauigkeit ±1,2 V(1%->1 V + 2 Digits x 0,1V->0,2). Somit kann bei einer Anzeige von 100,0 V der tatsächliche Wert zwischen 98,8 V und 101,2 V liegen.

Ohmsches Gesetz

Spannung, Strom und Widerstand in einem beliebigen elektrischen Schaltkreis können unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes berechnet werden, das wie folgt lautet: Spannung = Widerstand × Strom (U=R×I). Somit kann aus zwei bekannten Werten der dritte Wert berechnet werden. Ein DMM nutzt das Prinzip des Ohmschen Gesetzes zur direkten Messung und Anzeige entweder des Widerstandes (in Ohm), der Stromstärke (in Ampere) oder der Spannung (in Volt).

Anzeige

Für die hohe Genauigkeit und gute Auflösung ist die digitale Anzeige unübertroffen. Sie zeigt 3 oder mehr Digits bei jeder Messung an. Wenn vorhanden, zeigt der Analoganzeige-Balken (Bargraph) Signaländerungen wie in einem analogen Zeigerinstrument, ist aber unverwüstlich und meist schneller.

Gleichspannung und Wechselspannung

Eine der Grundaufgaben eines DMMs ist die Messung von Spannung. Eine typische Gleichspannungsquelle ist eine Batterie, wie sie z.B. im Auto Verwendung findet. Wechselspannung wird üblicherweise mit einem Generator erzeugt. Die Netzsteckdosen in Wohnungen sind übliche Quellen für Wechselspannung. Manche Verbraucher, die an eine Steckdose angeschlossen werden, aber zum Betrieb Gleichstrom benötigen, verwenden Gleichrichter zur Umwandlung der Wechselspannung in Gleichspannung, z.B. elektronische Geräte, wie Fernsehapparate, Stereoanlagen, Videorecorder und Computer. Die Kurvenformen der Wechselspannungen sind entweder sinusförmig oder nicht-sinusförmig (Sägezahn, Rechteck, Spannungsformen mit Phasenanschnitt, usw.). Das DMM sollte den Effektivwert dieser Spannungs-Wellenformen richtig anzeigen. Der Effektivwert ist der effektive oder äquivalente Gleichspannungswert der Wechselspannung. Die meisten Multimeter besitzen einen Mittelwert-Konverter und können den Effektivwert richtig anzeigen, falls es sich beim Wechselspannungs-Signal um eine reine Sinusform handelt. Nichtsinusförmige Signale können nur von sogenannten Echteffektiv-Multimetern (True RMS) richtig gemessen werden. (Siehe auch Echteffektivmessung)

Die Fähigkeit eines DMMs zur richtigen Messung von Wechselspannung kann durch die zu geringe Bandbreite des Messgerätes begrenzt sein. Mit den meisten Digitalmultimetern können Wechselspannungen mit Frequenzen von 50 bis 500 Hz korrekt gemessen werden, aber bei nichtlinearen Signalen können einige Frequenzanteile Hunderte von Kilohertz betragen. Ein Multimeter mit einer höhreren Messbandbreite kann diese Anteile erfassen und wird somit einen höheren, aber auch richtigen, Wert anzeigen. Bei den Spezifikationen eines DMMs für Wechselspannung und Wechselstrom muss der Frequenzbereich eines Signals angegeben sein, innerhalb dessen mit dem DMM genau gemessen werden kann.

Für die Reparatur von Fernsehern und Kathodenstrahl­röhren, bei denen die Spannungen bis zu 40 kV betragen können, sind Hochspannungs­tastköpfe notwendig. Vorsicht: Diese Tastköpfe sind nicht für Anwendungen in der elektrischen Stromversorgung konzipiert, bei denen hohe Spannungen und hohe Energieniveaus gleichzeitig auftreten. Sie sind nur für Niedrigenergie-Anwendungen, also kleine Ströme gedacht!

Wiederstandmessung, Durchgangs- und Diodenprüfung

Widerstandmessung

Der Widerstand wird in Ohm gemessen (Ω). Widerstandswerte konnen sehr unterschiedlich sein, von einigen Milliohm (mΩ) bei Kontakt-Ubergangs­widerstanden bis in die Milliarden Ohm bei Isolatoren. Die meisten DMMs messen bis hinunter zu 0,1 Ω, und bei einigen reicht die obere Messgrenze bis zu 300MΩ (300.000.000 Ohm). Widerstandsmessungen mussen bei stromloser Schaltung (das zu messende Gerat abgeschaltet) durchgefuhrt werden, da sonst das Instrument wie auch die Schaltung beschadigt werden können. Bei einigen DMMs ist ein Schutz gegen irrtumlichen Kontakt mit Spannungen in der Betriebsart Widerstandsmessung vorgesehen. Der Schutzgrad kann bei verschiedenen DMM-Typen sehr unterschiedlich sein. Zur genauen Messung niederohmiger Widerstande muss der Widerstand der Messleitungen vom gesamten gemessenen Widerstand abgezogen werden.

Typische Messleitungs-Widerstande liegen zwischen 0,2 Ω und 0,5 Ω. Falls der Widerstand der Messleitungen groser als 1 Ω ist, so sollten diese ersetzt werden. Falls das DMM eine niedrigere Prüfgleichspannung als 0,6 V zur Widerstandsmessung abgibt, können Widerstande auf der Leiterplatte gemessen werden, wenn diese durch Dioden oder andere Halbleiterubergange isoliert sind, weil solche Bauteile normalerweise erst durch eine Spannung von >0,6 V schalten.

Durchgangsprüfung

Die Durchgangsprüfung ist ein schneller Ja/Nein-Widerstandsprüfungs- Funktionstest, der zwischen einem offenen und einem geschlossenen Stromkreis unterscheidet. Ein DMM mit einem Durchgangspiepser ermoglicht Ihnen die leichte und schnelle Ausfuhrung von vielen Durchgangsprüfungen. Das Instrument gibt bei Erkennung eines geschlossen Stromkreises an akustisches Signal ab, sodass Sie bei der Prüfung nicht auf das Instrument schauen mussen. Der erforderliche Widerstandswert, bei dem das akustische Signal ausgelöst wird, ist bei den verschiedenen Typen von DMMs unterschiedlich.

Diodenprüfung

Eine Diode wirkt wie ein elektronischer Schalter: Sie kann eingeschaltet werden, wenn die Spannung uber einem gewissen Pegel liegt, normalerweise etwa 0,6 V bei Siliziumdioden, und ermoglicht den Stromfluss in einer Richtung. Manche Instrumente verfugen uber eine spezielle Betriebsart mit der Bezeichnung Diodenprüfung. In dieser Betriebsart muss die Ablesung 0,6 bis 0,7 V in der einen Richtung betragen, und in der anderen Richtung eine Unterbrechung anzeigen, wenn die Diode in Ordnung ist. Falls in beiden Richtungen Unterbrechung angezeigt wird, hat die Diode Unterbrechung, und falls in beiden Richtungen Durchgang angezeigt wird, so weist die Diode Kurzschluss auf.

Gleich- und Wechselstrom

Strommessungen unterscheiden sich von anderen Messungen mit Digitalmultimetern. Wenn Strommessungen allein mit einem Digitalmultimeter vorgenommen werden, muss das Instrument dazu direkt in den zu messenden Stromkreis geschaltet werden. Das bedeutet, dass der Stromkreis geoffnet werden muss, und die DMM-Messleitungen verwendet werden mussen, um den Kreis wieder zu schliesen. Auf diese Weise fliest der gesamte Strom durch die Schaltkreise des Digitalmultimeters. Eine indirekte Strommessung mit einem Digitalmultimeter kann mit Hilfe einer Stromzange vorgenommen werden, oder mit einem Zangen-Multimeter. Die Stromzange umschließt bei der Messung den Leiter und es ist nicht notig, den Stromkreis zu offnen und das Multimeter in den Messkreis zu schalten.

Stromzangen für hohe Stromstärken

Manchmal muss eine Strommessung vorgenommen werden, die den Messbereich Ihres DMMs übersteigt. Bei diesen Hochstrom-Anwendungen (typischerweise über 10 A), wobei keine extrem hohe Genauigkeit erforderlich ist, bietet eine Stromzange eine sehr praktische Lösung. Eine solche Stromzange wird um den stromführenden Leiter geschlossen, und wandelt den gemessenen Wert auf einen Pegel, den das Instrument messen kann.

Es gibt zwei Grundausführungen von Stromzangen: transformatorische Stromwandler, mit denen nur Wechselströme gemessen werden können, und Halleffekt-Wandler, mit denen man sowohl Wechsel- als auch Gleichströme messen kann. Der Ausgang eines transformatorischen Stromwandlers beträgt 1 Milliampere pro Ampere. Ein Stromwert von 100 A wird somit auf 100 mA reduziert und kann von den meisten DMMs gut und sicher gemessen werden. Die Messleitungen werden mit den Anschlüssen mA und >COM (Common) verbunden, und der Funktionsschalter des Instrumentes wird auf mA AC eingestellt. Der Ausgang eines Halleffekt-Wandlers beträgt 1 Millivolt pro Ampere Wechselstrom oder Gleichstrom. Ein Stromwert von 100 A Wechselstrom wird somit z.B. auf 100 mV Wechselspannung gewandelt. Die Messleitungen werden mit den Anschlüssen V und >COM(Common) verbunden. Stellen Sie den Funktionsschalter des Instrumentes auf ACV für Wechselstrom oder auf DCV für Gleichstrom ein.

Zangenmultimeter

Eine andere Möglichkeit, hohe Ströme zu messen, ist die Verwendung eines DMM mit integrierter Stromzange. Meist bieten solche Geräte auch die Möglichkeit, zusätzlich Messkabel anzuschließen, um Spannungen, Widerstände etc. zu messen.

Eingangsschutz

Ein oft anzutreffender Fehler ist, dass man die Messleitungen in den Strom-Messbuchsen stecken lässt, und dann versucht, eine Spannungsmessung vorzunehmen. Das führt zu einem direkten Kurzschluss der Spannungsquelle über einen niederohmigen Widerstand innerhalb des DMM, der als Stromshunt bezeichnet wird. Es fließt somit ein hoher Strom durch das DMM, der bei ungenügendem Schutz des Instrumentes zu einer extremen Beschädigung des Instrumentes und der Schaltung, sowie möglicherweise zu einer Verletzung des Prüfenden führen kann. In industriellen Anwendungen mit hoher Spannung (400 Volt oder hoher) können extrem hohe Fehlerströme auftreten.

Eingangsstrom-Sicherung

Ein DMM muss mit einer Eingangsstrom-Sicherung geeigneter Bauart für den zu messenden Stromkreis ausgestattet sein. Instrumente ohne Sicherungsschutz in den Stromeingängen dürfen nicht in elektrischen Leistungskreisen (über 230 V Wechselspannung) verwendet werden. Die mit Sicherungen ausgestatteten DMMs müssen über eine Sicherung verfügen, die in der Lage ist einen Hochenergie-Kurzschluss zu löschen, damit im Gerät kein Lichtbogen auftreten kann. Die Nennspannung der Sicherung im Instrument muss höher liegen als die maximale zu messende Spannung. So darf z.B. eine Sicherung 20 A/250 V nicht zur Abschaltung eines Kurzschlusses innerhalb eines Messinstrumentes eingesetzt werden, wenn der zu messende Stromkreis mit 400 Vgespeist wird. In diesem Falle wäre eine 20 A/600 V-Sicherung erforderlich.

Fehlbedienungssperre

Um eine falsche Kombination von Wahlschalter und Anschluss der Messleitungen auszuschließen, können Multimeter eingesetzt werden, die mit einer Fehlbedienungssperre ausgestattet sind, die verhindert, dass der Wahlschalter des DMM auf Spannungsmessung gedreht werden kann, wenn die Messleitungen in den Buchsen stecken, die für die Strommessung vorgesehen sind. Falls die Messleitungen nicht in den Buchsen stecken verhindert eine eine solche Einrichtung umgekehrt, dass die Messleitungen in die falschen Buchsen gesteckt werden können.

Sicherheit

Sicherheit bei der Benutzung des Multimeters

Sicheres Messen fängt bei der Auswahl des richtigen Messgeräts für die Anwendung sowie die Umgebung, in der das Messgerät benutzt werden soll, an. Nachdem das richtige Messgerät ausgewählt wurde, sollten Sie bei der Nutzung die richtigen Messverfahren einhalten. Lesen Sie das Bedienungshandbuch des Geräts vor der Benutzung sorgfältig durch und beachten Sie dabei besonders die mit Warnung und Vorsicht gekennzeichneten Stellen. Siehe auch Sicherheitshinweise in der Allgemeinen Bedienungsanleitung für Multimeter

Die IEC (International Electrotechnical Commission) hat Sicherheitsnormen für die Arbeit an elektrischen Systemen entwickelt. Nutzen Sie nur Messgeräte, die die IEC-Grenzwerte für Spannung und Kategorie für die Umgebung, in der die Messung durchgeführt werden soll, erfüllen. Wenn z.B.eine Spannungsmessung an einer elektrischen Einspeisung mit 400 V durchgeführt werden soll, muss ein Messgerät der Kategorie III 600 V oder 1000 V verwendet werden. Das bedeutet, dass die Eingangsschaltkreise dieses Messgeräts so konzipiert wurden, dass sie die in dieser Umgebung üblicherweise auftretenden Spannungstransienten aushalten, ohne den Nutzer zu gefährden. siehe auch Überspannungskategorien und Multimeter-Sicherheit.

Neben den IEC-Normen finden in Europa vor allem die europaischen Normen der EN-Reihe Anwendung. So werden Zertifizierungen der Schutzklassen entweder nach der Norm EN 61010 oderIEC 1010 angegeben.

Übliche Situationen, die zu einem Ausfall des DMMs führen:

• Verbindung mit einer Wechselspannungs-Quelle, wahrend die Prüfkabel an den Strommessbuchsen angeschlossen sind
• Verbindung mit einer Wechselspannungs-Quelle, wahrend das Instrument in die Betriebsart Widerstandsmessung geschaltet ist
• Auftreten von Hochspannungsspitzen
• Uberschreiten der maximalen Eingangsgrenzwerte (Spannung und Strom)

Arten von DMM-Schutzschaltungen

• Schutz mit automatischer Wiedereinschaltung: moderne DMMs sind mit Schaltungen ausgerustet, die einen Uberlastzustand erkennen und das Instrument schutzen, bis dieser Zustand nicht mehr besteht. Nach Verschwinden der Überlast kehrt das Instrument automatisch in den normalen Betriebszustand zurück. Diese Schaltung dient normalerweise zum Schutz der Widerstandsmessung gegenuber einer Spannungsüberlastung.
• Schutz ohne automatische Wiedereinschaltung: DMMs erkennen einen Uberlastzustand und schutzen das Instrument, aber schalten nicht automatisch in den normalen Betriebszustand zuruck, bevor die Bedienungsperson einen Vorgang am Instrument durchfuhrt, wie z.B. das Ersetzen einer Sicherung.

Achten Sie auf die folgenden Sicherheitsmerkmale bei einem DMM:

• Abgesicherte Stromeingange
• Verwendung von Hochenergie-Sicherungen (600 V oder mehr)
• Hochspannungsschutz in der Betriebsart 4. Widerstandsmessung (500 V oder mehr)
• Schutz gegen Spannungsspitzen (6 kV oder mehr)
• Messleitungen in Sicherheits-Ausfuhrung, mit Fingerschutz und versenkten Anschlussen

Sicherheitshinweise

• Benutzen Sie nur ein Multimeter, das dem allgemeinen Sicherheits-Standard entspricht.
• Benutzen Sie nur ein Multimeter mit gesicherten Stromeingangen und uberprüfen Sie die Sicherungen vor einer Strommessung.
• Kontrollieren Sie die Messleitungen vor den Messungen auf mechanische Schaden.
• Technische Daten und die Sicherheit von Multimetern sind von Hersteller zu Hersteller sehr unterschiedlich. Machen Sie sich mit der Bedienung, mit den Moglichkeiten und den Sicherheitsvorschriften im Handbuch ihres Messgerats vertraut, bevor Sie mit Messungen beginnen.
• Benutzen Sie das Multimeter, um den Widerstand der Messleitungen zu uberprüfen.
• Nur Messleitungen mit geschutzten Steckern und Handgriffen benutzen.
• Wahlen Sie die richtige Funktion und Messbereich fur die Messungen.
• Stellen Sie sicher, dass das Multimeter in vorschriftsmasigem Zustand ist.
• Prüfen Sie regelmasig den Zustand des Wahlschalters, der Eingangsbuchsen und der Anzeige.
• Befolgen Sie alle Sicherheitsvorschriften.
• Immer die heiße (rote) Messleitung zuerst wegnehmen.
• Nie alleine arbeiten.
• Benutzen Sie nur ein Multimeter mit Uberlastschutz bei der Ω Funktion (Widerstandsmessung).
• Schalten Sie die Versorgungsspannung ab, wenn Sie Strom ohne Stromzange messen mochten und dazu die Stromleitung auftrennen mussen.
• Die Messleitungen vor Offnen des Batteriefaches entfernen.
• Seien Sie vorsichtig bei Hochstrom- oder Hochspannungs­messungen und benutzen Sie die richtige Ausrustung wie Stromzangen oder Hochspannungs-Tastkopfe.

Besondere Eigenschaften

Die folgenden Funktionen und Eigenschaften erleichtern die Bedienung eines DMMs und damit auch die Messung:

• Eindeutige und gut ablesbare Symbole zeigen auf der Anzeige welche Messgröße (V, A, Ω, etc.) und welche Einheit gemessen wird.
• Anzeige-Hintergrundbeleuchtung ermöglicht das Arbeiten in dunklen Bereichen
• Data Hold hält den Messwert auf der Anzeige fest. Sie können sich auf die Messstelle konzentrieren und dann den Wert ablesen.
• Ein einziger Drehschalter zur Wahl der Messfunktionen - übersichtlich und schnell bedienbar.
• Messbereichsautomatik stellt den geeignetesten Messbereich für das angelegte Signal ein. Mit manueller Messbereichswahl kann man selbst den gewünschten Bereich einstellen.
• Automatische Polaritätsanzeige zeigt einfach ein Minus-Zeichen vor dem Messwert an, wenn die Messleitungen falsch angeschlossen sind. Das Messgerät wird durch die Verpolung nicht beschädigt.
• Batteriespannungsanzeige warnt vor zu niedriger Versorgungsspannung.

Glossar

Ungenauigkeit

Abweichung des angezeigten Messwertes vom tatsächlichen Wert des gemessenen Signals. Ausgedrückt in Prozent vom Messwert und/oder Prozent des Messbereichs (Skalenendwert). Meist sind zusätzlich die Anzahl der Digits niedrigster Auflösung zu addieren.

Analog-Messinstrument

Ein Instrument, welches den Wert eines gemessenen Signals durch Zeigerausschlag darstellt. Der Anwender führt die Ablesung aufgrund der Zeigerstellung auf einer Skala durch.

Meldeanzeige

Ein Symbol, womit ein gewählter Bereich oder eine gewählte Funktion angezeigt wird.

Mittelwert-anzeigendes DMM

Ein DMM, mit dem sinusförmige Signale richtig gemessen werden können. Zur Messung von nicht-sinusförmigen Signalen sind diese DMMs allerdings nicht gut geeignet, da je nach Art des Signals hohe Messfehler auftreten können.

Stellenzahl (Anzahl der Digits)

Gibt an mit wieviel Stellen ein DMM ein Messignal maximal darstellen kann. Ist somit auch ein Maß für die Auflösung des DMMs. Häufig wird auch der Begriff Anzeigeumfang verwendet.

Shunt oder Stromshunt

Ein niederohmiger Widerstand in einem DMM zur Messung der Stromstärke. Das DMM misst den Spannungsabfall über den Stromshunt und berechnet den Wert des Stromes unter Anwendung des Ohmschen Gesetzes.

DMM, Digital-Multimeter

Ein Instrument, das mit Hilfe einer Digital-Anzeige den Wert eines gemessenen Signals anzeigt. DMMs weisen eine höhere Robustheit und Überlastsicherheit auf als Analogmultimeter. Bessere Ablesbarkeit, höhere Auflösung und geringere Ungenauigkeit sind weitere Vorteile dieser Bauart.

Nichtsinusförmige Signale

Eine verzerrte Wellenform, wie z.B. ein angeschnittenes Sinussignal, eine Impulskette, Rechteck-, Dreieck- und Sägezahnsignale sowie Nadelimpulse.

Auflösung

Die Bezeichnung Auflösung sagt aus, in welcher kleinsten Einheit die Anzeige 'benachbarter' Messwerte erfolgen kann.

Effektivwert

Der äquivalente Gleichstromwert eines Wechselstrom-Signals.

Sinussignal

Eine reine Sinuswelle ohne Verzerrungen.

DMM mit echter Effektivwert-Anzeige

Ein DMM, das sowohl sinusförmige als auch nichtsinusförmige Signalformen richtig messen kann, also den Echteffektivwert (True RMS) misst.

Echteffektivwertmessung (True RMS)

Sind Sie sicher, dass Ihre Messwerte stimmen?

Richtig messen mit Echteffektiv-Messgeräten

Es ist heutzutage gar nicht so einfach, elektrischen Strom in modernen Industriebetrieben, Büros oder Haushalten genau zu messen, wie es vielleicht den Anschein hat. Immer mehr Verbraucher, die keinen konstanten Strom ziehen haben Einzug gehalten, z.B. Motore mit regelbarer Drehzahl, Personal Computer, LED-Leuchten oder Geräte, die nur kurze Impulse ziehen und dadurch Blindleistung erzeugen. Dies kann dazu führen, dass Messgeräte, die nur mit Mittelwerten arbeiten, Werte anzeigen, die eher weniger genau sind.

Mittelwert-Messgeräte

 Ein Wechselstromwert meint normalerweise den Effektivwert des Stroms. Dieser Wert entspricht einem Gleichstrom, der die gleiche Heizleistung aufweist wie der gemessene Wechselstrom. Zur Messung dieses Effektivwertes mit einem Multimeter besteht die gängigste Methode darin, den Wechselstrom gleichzurichten, den Mittelwert daraus zu bestimmen und das Ergebnis mit dem Faktor 1,1 zu multiplizieren. Dieser Faktor beschreibt das konstante Verhältnis zwischen Mittelwert und Effektivwert einer reinen Sinuswelle. Wenn aber die Signalform nicht vollständig sinusförmig verläuft, gilt dieser Zusammenhang nicht mehr. Deshalb liefern Mittelwert basierte Messgeräte oft fehlerhafte Ergebnisse, wenn damit Ströme in modernen Energiesystemen gemessen werden.

Lineare und nicht-lineare Lasten

 Lineare Lasten - die nur aus Widerständen, Spulen und Kondensatoren bestehen - ziehen immer einen sinusförmigen Strom, so dass es hier keine Probleme bei der Messung gibt. Nicht-lineare Lasten aber, zum Beispiel Motorantriebe mit regelbarer Drehzahl und Stromversorgungen für Bürogeräte, ziehen Strom mit verzerrter Signalform. Messergebnisse, die mit einem Mittelwert-Multimeter gemessen werden, können bis zu 50% zu niedrig sein - und Sie wundern sich dann, warum Ihre 16-A-Sicherung ständig auslöst, wo doch der Strom laut Ihrem Messgerät nur 10 A beträgt.

Echteffektivwert - Multimeter

 Ein modernes Echteffektivwert-Multimeter arbeitet mit einem elektronischen Messverfahren, dass Ihnen den tatsächlichen, effektiven Wert eines Wechselstroms anzeigt, und zwar unabhängig davon, ob die Signalform des Stroms vollkommen sinusförmig oder verzerrt ist.

Bandbreite

 Eine wichtige Spezifikation ist die Bandbreite des Multimeters. Sie bezieht sich auf den Frequenzbereich des Stroms, in dem das Messgerät genaue Messungen durchführen kann. Zwar haben Energiesysteme i.d.R. 50Hz, aber oft setzt sich eine verzerrte Signalform aus der Grundschwingung von 50 Hz und mehreren anderen kleineren Sinuswellen zusammen, die ein Vielfaches der 50-Hz-Grundfrequenz sind. Ein PC-Strom enthält zum Beispiel 150-Hz-, 250-Hz und 350-Hz-Komponenten. Daher muss ein Echteffektivwert-Multimeter auch Signale mit höheren Frequenzen messen können. Hier reicht meist ein Multimeter mit einer Bandbreite von 1 kHz aus.