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Messgerätefehler
Aus Fotonexus.
Eine Abweichung der Anzeige (allgemein des Ausgangssignals, Paralaxe) eines Messgerätes vom wahren Wert, die allein durch das Messgerät verursacht wird, heißt Messgerätefehler.
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Abgrenzung
Gemäß der Sprachregelung durch DIN 1319 gibt es Messgeräte
- mit Anzeige,
- ohne Anzeige, das sind Messumformer und Messumsetzer, die
- ein pneumatisches Signal (eingeprägter Druck) oder
- ein elektrisches analoges Signal (z. B. eingeprägter Strom) oder
- ein elektrisches digitales Signal (z. B. zur Ankopplung an Profibus)
- ausgeben. Solche Messgeräte ohne Anzeige werden hier nicht behandelt.
Durch das Zusammenwirken eines Messgerätes mit einem Messobjekt kann ein Messfehler bzw. eine Messabweichung entstehen. Z. B. verbraucht ein Spannungsmesser in der Regel einen kleinen Strom, den er durch seine Eingangsklemmen aufnimmt. Je nach Innenwiderstand der Spannungsquelle und je nach Leitungswiderständen erzeugt die Stromaufnahme einen nicht unbedeutenden Spannungsverlust. Man misst weniger als die (mit einem idealen Spannungsmesser messbare) Leerlaufspannung der Spannungsquelle. Es entsteht eine Rückwirkungsabweichung (Schaltungseinflussfehler), ein systematischer Fehler, der immer negativ ist. Seine Größe wird nicht nur gekennzeichnet durch ein Messgeräte-Kennzeichen, z. B. durch den Messgeräte-Innenwiderstand, sondern auch durch Kennzeichen des Messobjektes. Wegen dieser Verkopplung werden Fehler durch Eigenverbrauch hier nicht behandelt.
Beobachtereinflüsse werden hier ebenfalls nicht behandelt.
Sondern es werden behandelt: Fehler eines Messgerätes mit Anzeige, die ausschließlich Eigenschaften des Gerätes selber sind.
Bei diesen Geräten sind zu unterscheiden
- analog arbeitende Messgeräte mit Skalenanzeige ,
- digital arbeitende Messgeräte mit Ziffernanzeige.
Es gibt aber auch
- analog arbeitende Messgeräte mit Ziffernanzeige,
- z. B. Elektrizitätszähler (sogenannte Kilowattstunden-Zähler) mit Ziffernrollen; diese haben auf der niederwertigsten Stelle eine kontinuierliche durchlaufende Ziffernrolle, versehen mit einer kleinen Strichskale; sie sind in Blick auf ihre Fehler zu behandeln wie Geräte mit Skalenanzeige,
- digital arbeitende Messgeräte mit Skalenanzeige,
- z. B. Bahnhofsuhren, die überwiegend keinen Sekundenzeiger enthalten; diese sind in Blick auf ihre Fehler zu behandeln wie Geräte mit Ziffernanzeige (wegen Ankopplung dieser Uhren an die Zeitreferenz reduziert auf den Quantisierungsfehler).
Gerätefehler anzeigender Messgeräte
Gemeinsames
Trägt man das Ausgangssignal (abgelesener Wert) als Funktion des Eingangssignals (Messgröße) in einem rechtwinkligen, linear geteilten Koordinatensystem auf, so erhält man die Kennlinie, die als linear angestrebt wird (bei Digital-Geräten linear, wenn man nur die linken (oder rechten) Ecken der gestuften Kennlinie verbindet). Bei der Kennlinie sind drei Fehler möglich:
- Verschiebung der Näherungsgeraden: Anfangspunktfehler (häufig Nullpunktfehler),
- Verdrehung der Näherungsgeraden: Steigungsfehler oder Empfindlichkeitsfehler,
- Abweichung von der Näherungsgeraden: Linearitätsfehler.
Die Messabweichungen werden im Rahmen der Herstellung durch Justierung möglichst klein gemacht; durch Unvollkommenheit der Konstruktion, der Fertigung und der Justierung werden sie aber nicht null.
Im praktischen Einsatz unterliegt ein Messgerät verschiedenen Umwelteinflüssen, was weitere Messabweichungen hervorruft, z. B. wenn es bei einer anderen Temperatur betrieben wird als bei der Justierung.
Messgeräte mit Skalenanzeige
Für diese Geräte ist in der Regel ein Einsteller für den Nullpunkt frei zugänglich, so dass der Nullpunktsfehler vermeidbar ist. Für die Messabweichung aus den übrigen Gründen wird eine zusammenfassende Aussage gemacht durch die Angabe eines Klassenzeichens. Dieses beschreibt
- den Betrag der maximalen Eigenabweichung, also der Messabweichung bei Betrieb unter denselben Bedingungen wie bei der Justierung, den sogenannten Referenzbedingungen,
- den Betrag der maximalen Einflusseffekte, also der zusätzlich auftretenden Messabweichungen, wenn das Gerät nicht unter Referenzbedingungen betrieben wird, aber wenigstens noch in einer zulässigen Nähe zur jeweiligen Referenzbedingung, im Nenngebrauchsbereich.
Auf Beispiele unter dem Stichwort Genauigkeitsklasse wird verwiesen.
Messgeräte mit Ziffernanzeige
Der Nullpunkt ist innerhalb der Breite einer Stufe der Kennlinie nicht justierbar (Nullpunktfehler). Bei der Ablesung eines Messwertes kommt eine weitere Messabweichung, der Quantisierungsfehler - ebenfalls bis zur Breite einer Stufe -, hinzu; beide ergeben zusammen die Fehlergrenze von ± 1 Ziffernschritt (auf der niederwertigsten Stelle) oder ± 1 Digit. Bei manchen Messaufgaben, z. B. bei Wechselstrommessungen, kann diese Fehlergrenze größer sein. Sie gilt im ganzen Messbereich und wird vielfach umgerechnet in Prozent vom Endwert (v.E.) angegeben.
Der nächste Fehler kommt von der Steigung der angenäherten Kennlinie her. Der Grenzwert dieses Empfindlichkeitsfehlers wird in Prozent vom Messwert (v.M.) bzw. von der Anzeige (v.A.) angegeben. Der dritte oben genannte Fehler, durch die Nichtlinearität des Analog-Digital-Umsetzers (ADU), liegt häufig so weit unter 1 Ziffernschritt, dass er keiner Beachtung bedarf. Die Gesamt-Fehlergrenze setzt sich also aus zwei Teilen zusammen, die korrekterweise beide als Summe anzugeben sind.
Klassenzeichen gibt es hier nicht. Angaben zur Fehlergrenze gelten nur bei Bedingungen, die den Referenzbedingungen entsprechen. Diese legt allerdings jeder Hersteller nach eigenem Ermessen fest. Mit deren Angabe sowie der Angabe zur erweiterten Fehlergrenze, die Einflusseffekte einschließt, sind manche Hersteller sehr zurückhaltend.
Beispiel zur Handhabung der Fehlergrenzangaben:
- Messbereich (MB) 200 V , aufgelöst in 20 000 Schritte (Digit), so dass 1 Digit Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \hat =
0,01 V.
- Für den Gleichspannungs-MB wird das Gerät spezifiziert zu Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): G_g
= 0,02 % v.M. + 0,005 % v.E.
- Für den Wechselspannungs-MB wird das Gerät spezifiziert zu Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): G_w
= 0,2 % v.M. + 0,015 % v.E.
- Im konkreten Fall einer angelegten Spannung von 100 V ergeben sich
- Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): G_g
= 0,02 %⋅100 V + 0,005 %⋅200 V = 0,02 V + 0,01 V = 0,03 V Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \hat = 3 Digit
- Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): G_w
= 0,2 %⋅100 V + 0,015 %⋅200 V = 0,2 V + 0,03 V = 0,23 V Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \hat = 23 Digit
- Anmerkung: Dieses zweite Ergebnis ist vielleicht überraschend, aber selbst für einen hochwertigen, recht hoch auflösenden Spannungsmesser durchaus realistisch: Bereits die vorletzte Stelle kann hier um eine Zwei falsch sein.
Siehe auch
Fehler, Fehlergrenze, Genauigkeitsklasse, Digitalmultimeter
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