Der Klassiker der Messtechnik ist das Handmultimeter. Diese einfachen Messgeräte erfassen Strom und Spannung mit wenigen Handgriffen. Zwar liefern Multimeter im Gegensatz zu Oszilloskopen nur Momentwerte, sind dafür aber sehr leicht zu bedienen. Multimeter gibt es als Handgeräte für den mobilen Einsatz sowie als Tischgeräte für das Labor. Die besten Messgeräte und alles Wissenswerte stellen wir hier im Test vor.
Worauf sollte man beim Multimeter-Kauf achten: Wichtige Testkriterien
Relevante Kaufkriterien für Multimeter sind zum einen natürlich die Art und Größe des Geräts. Soll es für den Einsatz unterwegs geeignet sein oder doch eher als Tischgerät für zu Hause. Welche Funktionen soll das Multimeter abdecken? Üblich sind Strom, Spannung und Widerstand, oft können auch Dioden getestet werden. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist der Messbereich. Will man nur Kleinspannungen messen oder auch im hohen Voltbereich arbeiten. Für Kleinspannungen kann man durchaus zum günstigen Gerät greifen, wenn die Genauigkeit nicht von höchster Bedeutung ist. Für Spannungen über 250 Volt sollte man ein Markengerät wählen, allein aus Sicherheitsgründen. Im Folgenden informieren wir über die wichtigsten Kriterien für den Multimeter Test.
Messkategorie (CAT)
- CAT I: Messung an batteriebetriebenen Geräten
- CAT II: Messung an Stromkreisen mit Niederspannung / Haushaltsgeräte
- CAT III: Messung innerhalb der Gebäudeinstallation
- CAT IV: Messung an Niederspannungfreileitung / Hausanschluss
Multimeter sind in Messkategorien aufgeteilt, von denen es vier Stück gibt. Kategorie 1 bzw. bei keiner Kennzeichnung ist das Gerät nur für Messungen an batteriebetriebenen Geräten mit niedriger Spannung geeignet. Mit solch einem Multimeter kann man Spielzeugautos reparieren, jedoch keine Lampen oder Steckdosen installieren. Dafür benötigt man mindestens die Kategorie II, die für Messungen in der Wohnung spezifiziert ist. Kategorie III erlaubt Messungen innerhalb der Gebäudeinstallation wie z. B. Verteilerkästen. Die höchste Kategorie IV eignet sich für Niederspannungsinstallationen wie Stromzähler und Hauptanschluss.
Neben den Kategorien gibt es zudem noch drei Spannungsklassen: 300 Volt, 600 Volt oder 1000 Volt. So kann ein Kategorie III-Multimeter also nicht automatisch 1000V messen, sondern nur dem vom Hersteller spezifizierten Wert. In der Multimeter Test-Tabelle oben auf der Seite finden man Hinweise für den maximalen Messbereich.
Funktionsumfang und Anleitung
Funktionsumfang eines handelsüblichen Multimeters.
Ebenfalls wichtig ist der Funktionsumfang des Multimeters. Standardfeatures sind Spannungsmessung, Strommessung sowie Widerstandsbestimmung. Weitere Funktionen sind Durchgangsprüfung, Diodentest, Kapazität, Temperatur, Transistortest, Frequenzmessung und Induktivitätsmessung.
Spannung messen
Jedes Multimeter verfügt über einen Spannungsmessfunktion und für eine einfache Spannungsmessung ist das Multimeter die richtige Wahl. Beim Kauf sollte man lediglich bedenken, welche maximale Spannung man erfassen möchte und wie genau man diese messen möchte. Häufig findet man eine Abstufung in Faktor 10x-Schritten. Demnach hat man Messbereiche in Schritten von z.B. 200 Volt, 20 Volt, 2 Volt und 200 Millivolt. Wie im Abschnitt Erklärung und Funktionsweise erläutert werden die Messbereiche intern durch eine Widerstandskette erreicht. Mit dem Drehschalter des Multimeters koppelt man den passenden Vorwiderstand aus und stellt den Messbereich via Spannungsteiler ein. Nach außen hin ist dieses Vorgehen völlig transparent, da das Multimeter die entsprechenden Umrechnungen vornimmt und den Messwert anzeigt.
Einstellung Multimeter zum Spannung messen.
Wie misst man nun eine Spannung? Man stellt das Multimeter auf die maximal zu erwartende Spannung. In dem Beispiel hier wird die Spannung und der Strom einer LED-Taschenlampe gemessen. Da die LED-Leuchte mit 3 AAA-Batterien betrieben wird (Reihenschaltung), erwartet man maximal 4,5 Volt Spannung. Der kleinste passende Messbereich des Multimeters ist 20V, demnach stellt man in diesem Beispiel das Multimeter auf 20V ein. Die Messleitungen werden auf COM (schwarz) und V (rot) gesteckt.
Die Messspitzen werden mit dem Prüfling kontaktiert. Die rote Spitze wird mit dem Pluspol verbunden, die schwarze Spitze mit dem Minuspol. Die Spannung wird auf dem Multimeter abgelesen.
Mit den Messspitzen kontaktiert man nun das Batterie-Element der Taschenlampe. Das Multimeter zeigt eine Spannung von 4,3 Volt.
Strom messen
Einstellung Multimeter zum Strom messen.
Nach dem gleichen Prinzip arbeitet auch die Strommessung. Mit dem Drehschalter stellt man den gewünschten Messbereich ein. Häufig muss man jedoch den Pluspol des Multimeters umstecken, um den Strom messen zu können. Die entsprechende Buchse ist meistens mit 'mA' beschriftet. Bei Messgeräten mit größeren Messbereichen gibt es oft eine zweite Buchse für Ströme im Ampere-Bereich. Je nach Messbereich muss man die passende Buchse wählen. Der Hintergrund ist, dass jede Buchse mit einer entsprechenden Sicherung abgesichert ist. Aus diesem Grund muss man manuell umstecken.
Kontaktierung der Messspitzen zum Messen eines Stromes.
In dem Beispiel hier soll der Stromfluss einer Taschenlampe bestimmt werden. Dazu setzt man das Batterieelement (siehe oben) wieder in die Taschenlampe ein. Ein Stromfluss wird hergestellt, indem der Minuspol des Batterieelements mit dem Gehäuse der Taschenlampe verbunden wird. Um den Strom zu messen, muss diese Verbindung via Multimeter und Messspitzen erfolgen. Daher kontaktiert man mit der schwarzen Spitze den Minuspol des Batterieelements. Mit der roten Spitze berührt man dann das Gehäuse der LED-Taschenlampe. Nun fließt ein Strom und die Lampe muss leuchten (man erkennt das Leuchten innerhalb des Taschenlampen-Gehäuses).
Strom-Bestimmung mit Multimeter.
Der gemessene Strom liegt hier bei 76 mA. Zusammen mit der Spannung von 4,3 Volt ergibt dies eine Leistung von 76 mA * 4,3 Volt = 327 Milliwatt. Somit kann auch der Stromverbrauch durch zwei Messungen mit einem Multimeter erfasst werden.
Widerstand messen
Ebenfalls auf nahezu jedem Multimeter vorhanden ist eine Funktion zum Bestimmen des Widerstands. Man wählt den passenden Messbereich und hält die beiden Messspitzen an den zu bestimmenden Widerstand. Das Multimeter verfügt intern über eine Batterie und Stromquelle. Es wird ein geringer Strom (oft im Datenblatt angegeben) eingeprägt und die abfallende Spannung im Multimeter gemessen.
Durchgangsprüfung / Diodentest
Billige Multimeter haben keine extra Durchgangsprüfung. Mit solchen Geräten stellt man den Messmodus auf 'Widerstand' und wählt den kleinsten Messbereich. Bei der Durchgangsprüfung sollte das Gerät dann einen sehr geringen Widerstand im Bereich weniger Ohm anzeigen.
Bessere Geräte haben einen extra Durchgangsprüfer mit einem Piepton. Häufig ist dieses Feld im Bereich der Widerstandsmessung untergebracht. Intern arbeitet es wie die Widerstandsmessung. Erfasst das Multimeter einen sehr geringen Widerstand (die Schwelle ist häufig im Handbuch angegeben), erzeugt es einen Piepton und man hat Gewissheit, dass ein Kontakt besteht. Der Multimeter-Test für Dioden basiert in der Regel auch auf der Durchgangsprüfung. Mehr Infos gibt es hier in einem kurzen Video.
Temperatur messen
Einige Multimeter bieten die Option, mittels eines Temperaturfühlers auch die Temperatur zu erfassen. Temperaturfühler basieren häufig auf dem Prinzip des Widerstandsthermometer . Dabei handelt es sich um Widerstände, die ihren Wert über der Temperatur ändern. Zusammen mit einer Kalibrierung bzw. bekanntem Temperaturverhalten lassen sich so Temperaturen erfassen. Man unterscheidet hier noch zwischen Heißleitern und Kaltleitern. Heißleiter verringern ihren Widerstand bei Temperaturerhöhung. Kaltleiter erhöhen ihren Widerstand proportional zur Temperatur. Häufig verwendet werden Platin-basierte Kaltleiter. Die Widerstandsänderung ist in erster Näherung proportional zur Temperatur plus dem Quadrat der Temperatur. Über die bekannten Materialeigenschaften kann über die Widerstandsmessung auf die Temperatur zurückgeschlossen werden. Im T-Messmodus des Multimeters erfolgt dies transparent für den Anwender.
Kapazität messen
Es gibt Multimeter, die Kapazitäten von Kondensatoren testen können. Das Multimeter misst dazu die Lade- und Entladezeit des angeschlossenen Kondensators durch die interne Stromquelle des Multimeters. Technisch gesehen gibt es dazu verschiedene Möglichkeiten, sei es durch die Aufladezeit oder durch frequenzbasierte Verfahren (Blindwiderstandsmessung). Typische Messbereiche liegen zwischen 200µF und 20nF.
Induktivität messen
Analog zur Kapazität gib es Multimeter, mit denen man auch Spulen ausmessen kann. Diese Funktion ist eher selten anzutreffen. Auch hier nutzt das Multimeter die Eigenschaften des Bauteils unter dynamischer Last. Typische Messbereiche liegen zwischen 20H und 2mH.
Frequenzmessung / Transistortest
Die Messung von Frequenzen ist ebenfalls in einigen Multimetern möglich. Die Funktion beschränkt sich auf grundlegende Signalformen (meistens Sinus). Für genauere Analysen empfiehlt sich hier eher ein Oszilloskop. Manche Multimtert verfügen über einen Test für Transistoren, der meistens auf Bipolartransistoren beschränkt ist und deren Dioden ausmessen kann.
Genauigkeit
Ein wichtiger Parameter bei der Auswahl eines Multimeters ist die Genauigkeit. Sie ist in der Regel im Handbuch spezifiziert und auch in dem obigen Multimeter Test angegeben. Die Genauigkeit ist sowohl von der anliegenden Messgröße als auch vom gewählten Messbereich abhängig. Die Abhängigkeit vom Messwert wird in Prozent angegeben, die Abhängigkeit vom Messbereich in Counts.
Beispiel:
Es liegt eine Spannung von 140 mV an dem Multimeter an. Das Multimeter ist auf den Messbereich 200mV eingestellt und hat eine Auflösung von 2000 Counts. Laut Datenblatt (hier des Holdpeak-Multimeters) gilt für diesen Messbereich eine Genauigkeit von ±(0,5% + 8 Counts). Die 0,5% beziehen sich auf die anliegende Spannung. 0,5% von 140 Millivolt sind 0,7mV.
Dazu addiert sich eine Ungenauigkeit von 8 Counts bezogen auf den Messbereich von 200mV. Das Messgerät hat laut obigen Multimeter Test eine Auflösung von 2000 Counts. 200mV / 2000 Counts macht eine Auflösung von 0,1mV in diesem Messbereich. Es ergibt sich damit eine Ungenauigkeit von insgesamt ±(0,7mV + 8*0,1mV) = ±1,5mV. Bei der Messung mit dem Multimeter kann man also eine angezeigte Spannung im Bereich von 138,5mV bis 141,5mV erwarten.
Stellt man nun den Messbereich auf 2V, gilt laut Datenblatt eine Genauigkeit von ±(0,5% + 8 Counts). Allerdings beziehen sich die 8 Counts jetzt auf 2V Messbereich. 2V/2000 = 1mV, damit gilt eine Genauigkeit von ±(0,7mV + 8*1mV)= ±8,7mV. Wählt man also den falschen Messbereich, ist die Schwankung des Messwerts deutlich größer. Aus diesem Grund sollte man immer den nächst höheren Messbereich wählen.
Kleinere Genauigkeitswerte (sowohl in Prozent als auch die Counts) sind generell zu bevorzugen.
Erklärung und Funktionsweise des Multimeters
Im folgenden Abschnitt wird genauer erläutert, wie ein Multimeter arbeitet. Das Funktionsprinzip wird anschaulich an einem Analogmultimeter bzw. Drehspulinstrument erläutert, um dann auf Digitalmultimeter einzugehen.
Funktionsprinzip
Strom-Messung mit einem analogen Multimeter. Eine Spule im Drehspulmesswerk ist drehbar innerhalb eines Permanentmagneten gelagert. Durch eine Feder wird der Zeiger auf die Nullposition gestellt. Ein Strom führt nun zu einer Gegenkraft, die den Zeiger dreht.
Klassischerweise wurden früher sogenannte Drehspulinstrumente eingesetzt, heute auch als analoge Multimeter bekannt. Bei dieser Bauart wird prinzipiell nur Strom gemessen. Das Drehspulinstrument bzw. das analoge Multimeter wird in den Stromkreis an der Stelle integriert, an der der Strom gemessen werden soll. In dem Drehspulinstrument ist eine Spule auf einer drehbaren Achse gelagert, die durch eine Feder auf der Nullposition gehalten wird. Zudem ist die Spule innerhalb eines Permanentmagneten gehalten. Wird das Drehspulmesswerk nun bestromt, fließt ein Strom durch die Spule und erzeugt innerhalb des Magneten eine Lorentzkraft (wie bei einem DC-Elektromotor). Die Kraft wirkt der Rückstellfeder entgegen. Je größer der Strom, desto größer ist die Kraft auf den Zeiger. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem Zeiger und der Feder ein. Auf der Skala des Messgeräts kann man dann ablesen, welchem Strom dieses Gleichgewicht entspricht.
Das ganze funktioniert natürlich nur, wenn die Skala des Messgeräts entsprechend geeicht wurde. Die Eichung der Skala hängt von dem Design der Spule, der Rückstellkraft der Feder, der Stärke des Permanentmagneten und weiteren Faktoren ab. Die Kalibrierung eines solchen Instruments erfolgt durch den Hersteller. Wichtig ist an dieser Stelle nur zu wissen, dass der Auslenkungswinkel des Zeigers proportional zum eingespeisten Strom ist. Folgendes Video verdeutlich nochmals das Funktionsprinzip.
Daneben gibt es noch zu beachten, dass das Instrument auch einen Innenwiderstand hat. Sowohl die Spule hat einen endlichen Widerstand und es gibt in der Regel einen Vorwiderstand innerhalb des Drehspulinstruments. Dieser Vorwiderstand reduziert die Temperaturabhängigkeit der Messung.
Spannungsmessung über den Strom des Vor- und Innenwiderstandes.
Mit einem Multimeter lässt sich natürlich auch die Spannung Messung. Handelt es sich um ein analoges Multimeter, so lässt sich das Messprinzip auf die Strommessung oben zurückführen. Die zu messende Spannung löst über den Vorwiderstand und den Innenwiderstand einen Strom aus, der gemessen werden kann. Ist der Vor- und Innenwiderstand bekannt, kann man daraus auf die zu messende Spannung schließen.
Analoges Multimeter
Spannungsmessung mit einem analogen Multimeter. Der Drehschalter des Multimeters koppelt den passenden Ausgang auf die Messspitze.
Wie arbeitet nun ein analoges Multimeter? Durch eine geschickte Verschaltung von Vorwiderständen lässt sich sowohl Spannung als auch Strom in verschiedenen Größenordnungen messen. Ein (analoges) Multimeter hat in der Mitte einen Drehschalter. Um den Drehschalter herum ist eine Reihenschaltung von Widerständen ausgeführt, die im Bereich weniger Ohm bis einige Megaohm liegen. Je nach Messbereich koppelt nun der Drehschalter des Messgeräts einen Widerstand auf die Messspitze aus. Der Strom fließt dann über die gewählte Spannungsteilerkette und das Drehspulinstrument. Mit diesem einfachen Trick lassen sich verschiedene Größenordnungen von Messbereichen adressieren. Man erkennt allerdings auch, dass der höchste Messbereich mit der längsten Widerstandskette das höchste Rauschen haben wird.
Das Messprinzip funktioniert auch für eine Strommessung. Über der Widerstandskette fällt ein Strom ab, der nach dem ohmschen Gesetz eine Spannung bedingt. Dieser fällt dann wiederum über dem Drehzeiger samt Vorwiderstand ab und führt dort zu einem Stromfluss und Messausschlag. Wechselströme und Wechselspannungen werden über einen Gleichrichter in Gleichstrom bzw. Gleichspannung gewandelt und erfasst. Solch ein Analogmultimeter kann durch eine interne Stromquelle auch Widerstände erfassen.
Digitales Multimeter
Digitales Multimeter.
Digitalmultimeter arbeiten nicht mit Drehspulinstrumenten sondern mit Analog-Digitalwandlern. Die Geräte arbeiten daher anders als die analogen Geräte, obgleich die Prinzipen des vorherigen Abschnitts auch hier angewendet werden können.
Analog Digitalwandler basieren in der Regel auf Operationsverstärkern, die als Integrator und Komparator zusammengeschaltet sind. Dabei wird die zu messende Spannung so lange integriert, bis eine vorgegebene Referenzspannung erreicht ist (Single-Slope-ADC). Die Zeitdauer bis zur Erreichung der Referenzspannung ist proportional zur zu messenden Spannung. Die Zeitdauer wird digital erfasst und mit entsprechender Elektronik umgerechnet. In der Praxis kommen aufwendigere Dual-Slope Verfahren zum Einsatz, die jedoch genauer sind.
Digitalmultimeter stellen die Ergebnisse in der Regel auf einem LCD-Display dar. Einfache Handgeräte erlauben eine schnelle Messung vor Ort, bessere Tischgeräte bieten erweiterte Möglichkeiten. So lassen sich dort häufig die Daten auf einen PC transportieren oder auch im internen Speicher des Geräts puffern. Die beliebtesten digitalen Hand- und Tischmultimeter für zahlreiche Anwendungszwecke sind hier im Vergleich aufgelistet.
Digitale Multimeter - Tests und Empfehlungen: