Elektrische Größen kalibrieren: Spannung, Strom, Widerstand

Kurz erklärt

Elektrische Messgeräte wie Multimeter, Zangenamperemeter oder Installationstester werden kalibriert, indem ein Kalibrator einen genau bekannten Wert erzeugt, etwa 10,000 V, und die Anzeige des Prüflings damit verglichen wird. Umgekehrt werden Quellen wie Netzteile oder Kalibratoren mit einem Referenzmultimeter gemessen. Die elektrische Kalibrierung ist die am stärksten automatisierte Disziplin, weil Kalibrator und Multimeter per Schnittstelle gesteuert werden können.

Warum ist das wichtig?

Elektrische Messgeräte sind die häufigsten Prüfmittel in Instandhaltung, Elektrotechnik und Prüflabor. Ein Multimeter hat Dutzende Messbereiche für Gleich- und Wechselspannung, Strom, Widerstand, Frequenz und Kapazität. Jeder Bereich hat eigene Spezifikationen und eigene Fehlerquellen. Ein Schein, der nur „bestanden“ sagt, verrät nicht, ob der 10-A-Bereich geprüft wurde, der im Alltag am meisten belastet wird.

Im Detail

Normale und Aufbau

Multifunktionskalibrator. Erzeugt Gleich- und Wechselspannung, Gleich- und Wechselstrom, Widerstand, Kapazität, oft auch Temperatur-Simulation für Thermoelemente und Widerstandsthermometer. Das Standardgerät für die Kalibrierung von Handmultimetern.
Referenzmultimeter. Misst mit sehr kleiner Unsicherheit und wird zur Kalibrierung von Quellen und Kalibratoren eingesetzt.
Transfernormale. Spannungsreferenzen, Widerstandsnormale, Shunts für hohe Ströme. Sie bilden die Verbindung zum Bezugsnormal des Labors.
Zubehör. Stromspulen für Zangenamperemeter, Hochspannungsteiler, Adapter. Jedes Zubehör hat eine eigene Unsicherheit, die ins Budget eingeht.

Typische Prüfpunkte

Für jeden Messbereich wird an mehreren Punkten gemessen, üblich bei 10 %, 50 % und 90 % des Bereichsendwerts, bei Wechselgrößen zusätzlich bei mehreren Frequenzen. Ein Multimeter mit zehn Bereichen kommt so auf 30 Messpunkte, mit mehreren Frequenzen je Wechselbereich schnell auf 60 bis 100. Ohne Automatisierung dauert das Stunden, mit Automatisierung Minuten.

Typische Fehlerquellen

Erwärmung. Hohe Ströme erwärmen Shunts und Leitungen und verändern den Widerstand. Wartezeiten und Reihenfolge der Prüfpunkte sind Teil des Verfahrens.
Thermospannungen. An Übergängen zwischen verschiedenen Metallen entstehen Spannungen im Mikrovoltbereich. Bei kleinen Gleichspannungen reicht das, um die Messung zu verfälschen.
Leitungswiderstand. Bei Widerstandsmessungen unter 100 Ω ist der Widerstand der Messleitungen nicht mehr vernachlässigbar. Vierleitermessung oder Nullabgleich sind nötig.
Belastung. Ein Kalibrator kann nur begrenzt Strom liefern. Ein Prüfling mit niedrigem Eingangswiderstand zieht den Wert herunter.
Frequenzgang. Wechselgrößen werden bei verschiedenen Frequenzen anders angezeigt. Ein 50-Hz-Punkt sagt nichts über 1 kHz.

Spezifikationen lesen

Hersteller geben die Genauigkeit meist als „± (x % vom Messwert + y Digits)“ oder „± (x % vom Messwert + y % vom Bereich)“ an. Beide Anteile müssen für jeden Prüfpunkt berechnet werden. Ein Multimeter mit „± (0,05 % + 2 Digits)“ hat bei 1,000 V im 4-V-Bereich (Auflösung 0,001 V) eine Toleranz von 0,0005 V + 0,002 V = 0,0025 V. Beim Punkt 3,000 V sind es 0,0035 V. Die Toleranz wächst mit dem Messwert, die Unsicherheit des Kalibrators meist auch.

Das Genauigkeitsverhältnis

Für Handmultimeter mit 0,05 % ist ein Kalibrator mit 0,005 % ausreichend, Verhältnis 10:1. Für ein 6½-stelliges Tischmultimeter mit 0,0015 % reicht derselbe Kalibrator nicht mehr. Dann wird ein Referenzmultimeter oder ein Transfernormal gebraucht, oder das Gerät geht nach außen. Mehr dazu unter Messunsicherheit.

Praxisbeispiel

Ein Instandhaltungsteam hat 35 Handmultimeter desselben Typs. Bisher gingen sie jährlich zum Dienstleister, Durchlaufzeit drei Wochen, zwei Geräte fehlten immer. Das Team schafft einen Multifunktionskalibrator an und lässt ihn jährlich beim DAkkS-Labor kalibrieren. Mit einem automatisierten Prüfplan dauert ein Multimeter 20 Minuten. Die 35 Geräte sind an zwei Tagen durch, und kein Gerät fehlt mehr wochenlang am Arbeitsplatz. Beim Prüfpunkt 10 A fällt auf, dass drei Geräte deutlich driften, vermutlich weil der Shunt nach Überlast gealtert ist. Sie bekommen ein kürzeres Intervall.

So unterstützt calServer

Kategorie „Elektrische Messgrößen“. Multimeter und Messgeräte, Kalibratoren und Quellen, Oszilloskope und Zeitmessung sowie Prüf- und Isolationsmessgeräte haben eigene Kategorien mit passenden Feldern und Vorlagen.
Spezifikationen am Gerätetyp. Die Genauigkeitsangaben des Herstellers werden einmal je Gerätetyp als Spezifikationsblatt hinterlegt, mit Prozentanteil, Digits und Bereich. Der Prüfplan rechnet daraus die Toleranz je Messpunkt.
Prüfpläne mit Bereichen und Frequenzen. Ein Prüfplan deckt alle Bereiche und Prüfpunkte eines Gerätetyps ab und wird für jedes Gerät dieses Typs wiederverwendet. Messwerte, Unsicherheit und Bewertung je Punkt.
MET/CAL direkt anbinden. Wer MET/CAL im Einsatz hat, startet es aus der Kalibrierung. Mit der MET/TEAM-Anbindung (Edition Expert) werden Ergebnisse in beide Richtungen abgeglichen.
calScript und calServer Runner (Beta). Prüfpläne als Text, Kalibrator und Multimeter am Platz steuern, als Ergänzung zu MET/CAL und an Plätzen, an denen bisher von Hand kalibriert wird. Vorhandene MET/CAL-Prozeduren lassen sich bei Bedarf einlesen.
Drift je Prüfpunkt. Das Modul „Messhistorie und Trend“ zeigt, welche Bereiche über die Jahre wandern. Ein driftender 10-A-Bereich fällt auf, bevor er die Toleranz erreicht.

calServer Reiter Ergebnisse einer Kalibrierung mit Messwerten je Prüfpunkt

Prüfpläne, Spezifikationen und Kategorien gehören ab Basis zum Grundumfang, calScript und Runner als Beta. Die MET/TEAM-Anbindung gibt es in Expert, „Messhistorie und Trend“ ist ein eigenes Modul. Prüfpläne in calServer, calScript und Runner oder Demo anfragen.

Häufige Fragen

Muss jeder Messbereich kalibriert werden? Nicht zwingend. Üblich ist, die im Betrieb genutzten Bereiche vollständig zu prüfen und die übrigen stichprobenartig oder gar nicht, mit Vermerk auf dem Schein. Was nicht geprüft wurde, darf nicht als kalibriert gelten.

Wie lange hält ein Multifunktionskalibrator seine Spezifikation? Hersteller geben Spezifikationen meist für 90 Tage und 1 Jahr an, manchmal auch für 2 Jahre, mit steigender Unsicherheit. Das Kalibrierintervall des Kalibrators richtet sich nach der Spezifikation, die für die Prüflinge gebraucht wird.

Reicht ein Multimeter als Normal für andere Multimeter? Nur, wenn es deutlich genauer ist, etwa ein 6½-stelliges Tischmultimeter für 3½-stellige Handgeräte, und selbst rückgeführt kalibriert wurde. Für Strom und Widerstand braucht es dann zusätzlich eine stabile Quelle.

Was ist mit Oszilloskopen? Oszilloskope werden mit speziellen Kalibratoren geprüft: Amplitude, Zeitbasis, Bandbreite. Der Aufwand ist höher, viele Betriebe geben sie außer Haus.