Überprüfung der Genauigkeit eines Voltmeters

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    • Überprüfung der Genauigkeit eines Voltmeters

      Thematik: Überprüfung der Genauigkeit verwendeter Messmittel; hier: Digitalvoltmeter (DVM).

      Die Herausforderung:

      Bei der Entwicklung und / oder Überprüfung von Schaltungen müssen oftmals diverse Spannungen möglichst genau gemessen werden, z.B. beim Abgleich eines Operationsverstärkers, Festlegen / Prüfen einer Unterspannungsgrenze für Batterien, beim Balancieren von Lithiumzellen, Prüfen von Betriebsspannungstoleranzen, etc.

      Dabei ergibt sich früher oder später das Problem, dass die beim Messen dieser Spannungen eingesetzten Messgeräte (DVM) Fehler aufweisen, welche sich immer negativ auf das Messergebnis (und dessen Interpretation) auswirken werden. Solange aber nichts über die Systematik des Messfehlers in einer definierten Messanordnung bekannt ist, kann dem Messergebnis i.d.R. wenig Glauben geschenkt werden.

      In meinem Fall geht es um das FLUKE 87 True-RMS-Multimeter, welches im DC-Spannungsbereich mit einer Genauigkeit von +/-0,05% ausgewiesen ist. Da ich z.Zt. an einem Prüfgerät für Lithiumzellen arbeite, benötige ich zur Kalibrierung meiner SW ein genaues DVM, da ich die einzelnen Zellenspannungen über ADC einlese und in mV visualisiere.

      Folgende Frage stellt sich daher: Wie kann ein DVM auf seine Genauigkeit hin überprüft werden, ohne ein (teures) Kalibrierlabor beauftragen zu müssen?

      Der Lösungsansatz:

      Anstatt ein Kalibrierlabor oder ein noch genaueres Messgerät zu Rate zu ziehen, war meine Überlegung, eine kleine Schaltung mit einem Referenzspannungs-IC aufzubauen, welche genauer als das zu überprüfende DVM ist.

      In meiner hier vorgestellten Schaltung setze ich einen hochgenauen Referenzspannungs-IC von Analog Devices ein, welcher über einen weiten Temperaturbereich eine exakte Ausgangsspannung von 3,000 V +/-1 mV liefert. Zusätzlich, zur Überprüfung eines höheren Messbereiches, setze ich noch einen Referenzspannungs-IC von Linear Technology ein, welcher eine Ausgangsspannung von 10,000 V +/-5 mV liefert.

      Das Ergebnis:

      Neben dem FLUKE 87 wurden zwei weitere DVM getestet. Die mit +/-0,05% angegebene Genauigkeit des FLUKE 87 wurde bestätigt, dass DVM kann von mir weiterhin verlässlich in der Schaltungsentwicklung und zur Kalibrierung der SW eingesetzt werden.

      Das VOLTCRAFT 96 dagegen ist mit angegebenen +/-1% etwa 20x ungenauer als das FLUKE 87, wenngleich die Messergebnisse eine bessere Genauigkeit attestieren.
      Mit ermittelten +/-2% ist das ISHI DM3350 nach heutigen Maßstäben relativ ungenau. Das ISHI ist Bj. 1982 und damit vermutlich älter, als viele User hier im Forum. Damals war es mein erstes DVM, vermutlich sogar eins der weltweit ersten DVM mit rel. schnellem Auto-Range.

      Die Nachbaumöglichkeit:

      Wer möchte, kann sich die Schaltung nachbauen - die Bauteile kosten < 16€.
      Auf den Fotos ist das Schaltbild wiedergegeben, die Referenz-IC‘s benötigen kaum externe Beschaltung. Ich habe lediglich am Eingang je eine BAT46 (Schottky-Diode gegen Falschpolung der Versorgungsspannung sowie gegenseitige Entkopplung) und einen 0µ1 keramischen Entstörungs-C vorgesehen. Der 1µF über die Eingangsbuchsen (U_input) kann weggelassen werden, dieser hat in Versuchen mit versch. Spannungsquellen das Gesamtergebnis nur marginal verbessert.
      Wer nur den wesentlich genaueren 3V-IC nutzen möchte, kann die Schaltung auch mit einer 9V-Batterie betreiben, da eine Versorgungsspannung >= 12V nur für das 10V-IC benötigt wird. Der 9V-Block ließe sich (via kleinem Schalter) dann auch elegant im Gehäuse unterbringen.

      Datenblatt des AD780BRZ (Ua= 3,000 V +/-1 mV):

      analog.com/media/en/technical-…ion/data-sheets/AD780.pdf

      Datenblatt des  LT1021CCN8-10 (Ua= 10,000 V +/-5 mV):

      cds.linear.com/docs/en/datasheet/1021fc.pdf

      Das Innere meiner leicht nachbaubaren Referenzspannungsquelle:

      Mein Schaltungsentwurf (etwas unsauber, da Veröffentlichung zunächst nicht vorgesehen. 5V-Strang nicht realisiert):

      Die ermittelten Messergebnisse im Einzelnen:




      Prüfaufbau mit Rohde&Schwarz-Netzteil:

      Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von Lars ()

    • Bei dir schauts aus wie im Kalibrierlabor in meinem Betrieb^^

      Wie empfindlich ist die Schaltung bei unsauberer Gleichrichtung?

      Hab ihier noch ein 0815 Chinanetzteil mit 12V liegen.

      100µC an den Ausgang sollte passen oder?

      Ansonsten schonmal danke für die genaue beschreibung, gleich mal auf die ToDo-Liste geschrieben :D
    • Hatte soeben nochmal oben per "edit" angefügt, warum ich den Aufwand betreibe: Ich möchte mit dem FLUKE 87 meine SW kalibrieren, die ich zum Messen von kleinen Spannungen einsetze. Das MUSS also in diesem Spannungsbereich möglichst genau sein...

      Die Referenzspannungs-IC's haben einen weiten Eingangs-Spannungsbereich, der 3V-Typ z.B. 5...36 V. Für ein möglichst stabiles Ergebnis sollte die Eingangsspannung möglichst wenig Restwelligkeit aufweisen, daher würde ich in Deinem Fall nach der Entkopplungdiode einen weiteren Sieb-Elko vorsehen. Die Stromaufnahme des IC ist relativ gering (1 mA), daher sollte es eigentlich keine Probleme mit der Versorgung geben, da bei den Billig-Stecker-NT die Restwelligkeit oftmals proportional zu der Stromhöhe ist - 100µF sollten also passen.

      Mehr kann ich zu der Schaltungsempfindlichkeit nicht sagen, vielleicht geben die Datenblätter da weiteres her. Hatte allerdings die Schaltung statt am NT testweise an einer 12V-Batterie betrieben, was jedoch keinen Einfluß auf die Ausgangsspannung des IC hatte - diese lag beharrlich bei 3,000 V.

      Viel Erfolg beim Nachbau...