Multimeters : meetafwijkingen

Een multimeter heeft een zekere meetonzekerheid die in de gebruikershandleiding gespecificeerd is. Hoe om te gaan met de opgegeven toleranties en wat deze betekenen staat beschreven in het artikel meetnauwkeurigheid.

Daarnaast kunnen meetafwijkingen ontstaan door de wijze waarop een multimeter de aangeboden spanning of stroom verwerkt om tot de aanduiding op het display of de draaispoelmeter te komen. Deze afwijkingen staan bijna nooit in de gebruikershandleiding vermeld en zijn zeer afhankelijk van het merk en model.

Multimeter test

Om inzicht te krijgen welke afwijking kunnen ontstaan zijn een vijftal multimeters onderzocht aan de hand van vijf type spanningen: een gelijkpanning, een sinusvormige wisselspanning, een enkelfasig enkelzijdig gelijkgerichte wisselspanning, een symmetrische blokgolf en een asymmetrische blokgolf.

Tabel 1: Meetafwijkingen multimeters

Testspanning	gelijk		sinus		sinus rect.		blok sym.		blok asym.
ref. gemiddeld	10,00400000		0,00200000		10,52100000		0,05000000		5,00500000
ref. RMS	10,00400000		13,95700000		16,66200000		10,00400000		7,04800000
ref. st. deviatie	0,03200000		13,95700000		12,92000000		10,00400000		4,96200000
- bereik -	DC	AC	DC	AC	DC	AC	DC	AC	DC	AC
Agilent 34410A	10,0009	0,0002	0,0005	13,972	10,531	12,907	0,0231	10,0240	5,0198	4,9602
Fluke 177	10,0000	0,0000	0,0000	14,010	10,530	12,940	0,0230	10,0500	5,0170	4,9420
Dynatek 112	9,9800	0,0600	0,0100	13,890	10,530	13,110	0,0200	11,0800	5,0100	5,4800
Elro M970	10,0100	0/21,4000	0,0000	13,600	10,550	0/23,100	0,0300	10,7000	5,0200	0/10,7000
(USSR) Ц4324	10,2000	10,2000	0,0000	13,900	10,600	12,700	0,0300	10,3000	5,1200	6,00000

De waarden in de gele rijen zijn de referenties: gemiddeld, RMS en de standaard deviatie, die gemeten zijn met een oscilloscoop die de waarden berekent volgens de correcte wiskundige definities. De oscilloscoop is vooraf gekalibreerd met een gelijkspanning aan de Agilent 34410A multimeter. Voor de AC en gelijkgerichte AC spanningen diende een getransformeerde netspanning als bron. Deze spanning is niet geheel sinusvormig en heeft afgevlakte toppen. De tests zijn uitgevoerd met spanningen, maar de resultaten zijn vergelijkbaar voor het stroombereik. De grootste fouten zijn in rood gemarkeerd.

Gemiddelde waarde

Wanneer een multimeter in de DC-stand is ingesteld meet deze de gemiddelde waarde van de aangeboden spanning. De resultaten laten zien dat geen van de meters ongeacht de golfvorm problemen heeft met het meten van deze parameter.

Sinusvormige wisselspanning

Bij niet RMS multimeters is het wisselspanningsbereik zo opgezet dat bij het meten van een sinusvormige spanning, ondanks het gebrek aan een RMS-converter, deze toch de correcte RMS-waarde laat zien. Niet verwonderlijk dus dat geen van de geteste meters problemen heeft met sinusvormige spanningen.

Symmetrische blokspanning

De Agilent en Fluke multimeters geven de correcte RMS-waarde van een blokspanning met een gemiddelde waarde van nul volt. De afgelezen waardes van de andere drie meters hebben hier een aanzienlijk afwijking.

Pulserende gelijkspanning

Het valt op dat bij de test met de gelijkgerichte sinus en de asymmetrische blokspanning geen enkele multimeter de correcte RMS-waarde weet te meten. Wel is te zien dat de twee True-RMS meters: de Agilent 34410A en de Fluke 177 een waarde presenteren die overeenkomt met de standaard deviatie. Verderop in het hoofdstuk "True RMS" meer hier over.

Gelijkspanning blokkeren in het AC-bereik

De test met de gelijkspanning met de meters in het AC-bereik laat zien dat de Ц4324 & Elro M970 geen AC gekoppelde ingang hebben: ze blokkeren de DC-spanning niet. Hierdoor is het niet mogelijk om het wisselspanningsaandeel te meten van een spanning waar ook een gelijkspanningaandeel aanwezig is.

Polariteits gevoeligheid

Eén meter; de Elro M970, blijkt in het AC-bereik polariteit gevoelig te zijn. Dit komt naar voren bij het testen met de gelijkspanning en de twee pulserende gelijkspanningen. De meter gaf hier een veel te hoge waarde aan en bij het omdraaien van de meetsnoeren gaf de meter nul volt aan. Dit wordt veroorzaakt door een te eenvoudige gelijkricht schakeling die in deze meter is toegepast.

True RMS multimeters

In de hierboven behandelde vergelijkende test is duidelijk geworden dat zelfs multimeters als de Agilent 34410A en de Fluke 177 die claimen "True RMS" meters te zijn, niet in staat zijn om de RMS waarde van een pulserende gelijkspanning te meten. Het meetresultaat blijkt overeen te komen met de standaard deviatie. Bij de metingen waar de spanning symmetrisch rond de nullijn lijn ligt, zoals bij de sinus en symmetrische blokspanning, komt de referentie RMS waarde overeen met de referentie standaard deviatie. Hieruit valt te concluderen dat True RMS multimeters eigenlijk de standaard deviatie meten in plaats van de RMS waarde.

Waarom geen RMS?

De bovenstaande meetresultaten zijn verklaarbaar: De "RMS" waarde wordt alleen gemeten als de meter in het AC-bereik staat ingesteld. (In het DC-bereik wordt de gemiddelde waarde gemeten.) Nu is het AC-bereik AC-gekoppeld, en de eventueel aanwezige gelijkspanning wordt geblokkeerd en niet meegenomen in de meting. In de onderstaande berekening is aan de hand van een impulsspanning te zien hoe de AC-koppeling effect heeft op het meetresultaat.

Het is dus duidelijk dat een AC-koppeling het onmogelijk maakt om de echte RMS waarde te berekenen. Het is echter mogelijk om met een tweetal metingen toch de RMS waarde te berekenen. Hiervoor moet zowel de DC-spanning als de AC-spanning worden gemeten en de RMS-waarde kan dan als volgt worden berekend:
[equ. 1]
Hetzelfde geldt natuurlijk voor stroommetingen.

Frequentie afhankelijkheid

Bij het gebruik van een multimeter moet er op gelet worden dat de frequenties die in het te meten signaal voorkomen binnen het frequentiebereik van het gebruikte instrument vallen. Komen te hoge of te lage frequenties in de te meten spanning of stroom voor dan zal dit leiden tot meetfouten. Hierbij gaat het niet alleen om de grondfrequentie, de hogere harmonischen zullen al eerder, zij het in mindere mate, aanleiding geven tot fouten.

DC-bereik

In het DC-bereik wordt de aangeboden spanning of stroom uitgemiddeld. Dit kan een mechanische traagheid zijn zoals bij instrumenten met een draaispoelmeter, een RC-laagdoorlaatfilter zoals bij digitale multimeters of een ander middel. Deze gemiddelde waarde wordt weergegeven op de uitlezing. Als een laagfrequent pulserende gelijkspanning of een wisselspanning wordt gemeten is het mogelijk dat de tijdsconstante van deze middeling niet afdoende is en dat er "resten" van de impulsen doordringen. Bij een draaispoelmeter zal dit zich uiten in het trillen van de meternaald, en bij digitale meters in een onstabiele waarde.

De vijf multimeters zijn getest met een 0...5 V blokgolf met een duty-cycle van 50 %, en hierbij is bepaald vanaf welke frequentie de uitlezing stabiel en de relatieve fout kleiner dan 1 % was. De resultaten van deze test staan in de kolom "DC-min" van tabel 2.

Interferentie

Ook bij lagere frequenties dan de tabel vermeld kunnen multimeters schijnbaar stabiele waarden aangeven. Dit is dan te wijten aan interferentie. De impulsfrequentie van het te meten signaal is dan een veelvoud van de samplefrequentie van de multimeter. De getoonde waarde is in dat geval volstrekt onbetrouwbaar.

Bovenste grensfrequentie

Het DC-bereik kent geen bovenste grensfrequentie. De te meten spanning of stroom wordt immers gefilterd waardoor hoge frequenties niet kunnen doordringen en geen invloed hebben.

AC-bereik

Het AC-bereik kent zowel een beneden als boven grensfrequentie waarbinnen signalen goed gemeten worden. De onderste frequentie grens wordt bepaald door een hoogdoorlaatfilter. De laagst te meten frequentie in het AC-bereik ligt over het algemeen lager dan in het DC-bereik. Ook in het AC-bereik kunnen interferentieverschijnselen bij lage signaalfrequenties optreden.

Hoogfrequent aandelen kunnen niet goed gevolgd worden door gelijkrichter of RMS-converter, of is beperkt door de interne samplefrequentie van de multimeter. Vaak wordt er ook een laagdoorlaat filter toegepast.

De lage en hoge grensfrequenties in het AC-bereik zijn van de vijf meters gemeten. Dit zijn respectievelijk de kolommen "AC-min" en "AC-max" in tabel 2. De frequentieband waarbinnen een multimeter kan meten staat altijd vermeld in de handleiding.

Niet RMS multimeters en blokgolven

In figuur 4 is het meetafwijking tegen de frequentie geplot in het AC-bereik van een eenvoudige niet-RMS multimeter. De test is uitgevoerd met een sinusspanning en een blokspanning van 50 % en 20 %. Het is duidelijk dat deze multimeters niet geschikt zijn om niet-sinusvormige spanningen te meten.

Oversturing

Multimeters kunnen heel gemakkelijk overstuurd worden wanneer er impulsspanningen gemeten worden. De vijf multimeters zijn in deze test verbonden met een spanningsbron die DC spanningsimpulsen afgeeft met een variabele duty-cycle en een variabele amplitude tot 60 volt. De herhalingsfrequentie is 100 Hz.

DC-bereik

Zoals verwacht meten alle multimeters de gemiddelde waarde van een impulsspanning correct. Dit komt door de passieve filtering van het signaal voordat deze door de A/D-converter verwerkt wordt. De gemiddelde waarde is echter veel lager dan de piekwaarde. Hierdoor bestaat het gevaar dat de piekspanning dusdanig hoog kan zijn dat de maximum ingangsspanning van de multimeter wordt overschreden en de meter beschadigd wordt.

Fluke

Met het autorange VDC bereik zijn geen problemen geconstateerd. De Fluke 177 heeft een extra DCmV bereik voor spanningen tot 600 mV. Dit bereik geeft meetfouten als hiermee impulsspanningen (100 Hz, 5 % duty-cycle) worden gemeten. Tot een spanning van 3 Vtop meet de meter correct, waarna bij oplopende amplitude de fout plotseling toeneemt. Bij 2,92 Vt is de fout 0,32 % en bij een iets hogere spanning 3,03Vt is deze reeds 2,0 %. Dit loopt op tot een fout van 70,3 % bij 7,35 Vt. De overload aanduiding verscheen pas bij spanningen boven 7,38 Vt.

Agilent

De Agilent 34410A selecteert automatisch het bereik waar de maximum spanning binnen valt, of geeft een overflow als de spanning te hoog wordt als handmatig een bereik is gekozen. Deze multimeter heeft echter problemen met het bepalen van de piekspanning als de impuls kleiner wordt dan 42 μs (-3 dB @ 13 μs). Dit is onafhankelijk van de impulsfrequentie. Als de impulsbreedte te klein wordt en een te lage piekspanning wordt gemeten kan een te gevoelig bereik geselecteerd worden waardoor meetfouten ontstaan. Zo werd bij een frequentie van 10 kHz en 3,3Vt bij een impuls van 7 μs het 10 V bereik geselecteerd en de correcte waarde van 482 mV gemeten. Bij een impulsbreedte van 6 μs werd geschakeld naar het 1 V bereik en 288 mV gemeten, een fout van 31 %. Na het handmatig selecteren van het 10 V bereik werd de correcte waarde van 416 mV gemeten.

AC-bereik true RMS

Niet RMS-meters in het AC-bereik kunnen niet anders dan sinusvormige spanningen meten. Daarom is deze test beperkt tot de twee true RMS multimeters. Met het controleren van de gemeten waarden is er rekening mee gehouden dat deze multimeters eigenlijk de standaard deviatie meten. Er is gemeten met een impulsfrequentie van 50 Hz en een duty-cycle van 10 %. Omdat de gespecificeerde bandbreedte van de Fluke 1000 Hz bedraagt is het impulssignaal gefilterd met een 450 Hz RC-laagdoorlaatfilter. Er zijn geen onregelmatigheden geconstateerd en beide multimeters meten de standaard deviatie correct. Als het signaal niet gefilterd wordt kunnen er door de hogere harmonischen meetfouten ontstaan die groter zijn dan de gespecificeerde.