©2002-2017 Ulm University, Othmar Marti,
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Skripte]
4.4 Messungen kleiner Pegel
In diesem Abschnitt werden Fehlerquellen bei der Messung
kleiner Signale diskutiert. Viele der hier behandelten Effekte
sind sehr schön in einer Broschüre von Keithley[Kei04]
dargestellt.
4.4.1 Testfelder
Wenn eine elektrische Messung mit kleinen Pegeln, hohen
Impedanzen oder kleinen Strömen durchgeführt wird und
gleichzeitig eine bestimmte G, so müssen sogenannte
Testfelder bestimmt werden.
Im allgemeinen hängen der Kurzschlussstrom IK einer
Spannungsquelle und ihre Leerlaufausgangsspannung UL über
einen äquivalenten Quellenwiderstand RS
| (4.1) |
In Abb. 4.180 ist nun ein Testfeld gezeigt. Auf der
horizontalen Achse ist dabei die Leerlaufausgangsspannung
UL angegeben. Die vertikale Achse ist der Kurzschlussstrom
IK. Die schrägen Linien zeigen den dazugehörigen
Ausgangswiderstand. Um herauszufinden, wie eine Messung
durchgeführt werden muss, werden die folgenden Schritte
abgearbeitet:
- Man bestimmt den Kurzschlussstrom IK und die
Leerlaufspannung UL. Dies ergibt Punkt A in Abb.
4.181.
- Es wird die gewünschte Genauigkeit festgelegt.
- Vom Punkt A aus zeichnet man eine Linie, deren
Länge der gewünschten Genauigkeit entspricht, nach
unten und kommt so zum Punkt B. Dabei entspricht
eine Genauigkeit von 1 % zwei Dekaden. Ein
kleinerer Fehler entspricht mehr Dekaden.
- Ebenso wird eine horizontale Linie mit der gleichen
Länge vom Punkt A zum Punkt C gezeichnet.
- Der Viertelkreis zwischen den Punkten B und C
umschliesst zusammen mit den beiden Geraden das
Testfeld.
Dieses Testfeld bedeutet nun, dass Parallelwiderstände
zur Quelle, die grösser als der Widerstand am Punkt B
sind, die gewünschte Genauigkeit nicht beeinträchtigen.
Dieser minimale Parallelwiderstand zeigt, wie gross der
Innenwiderstand eines Spannungsmessers sein muss, damit die
Spannungsmessung die geforderte Genauigkeit ermöglicht.
Ebenso zeigt der Punkt C, wie klein ein Serienwiderstand sein
muss (links von diesem Punkt), damit eine Strommessung
nicht durch das Messgerät verfälscht wird.
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|
Art
der
Messung | Messbereich | Anzeichen
für
Fehler | WahrscheinlicheUrsachen | Massnahmen zur
Vermeidung |
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Kleine
Spannungen | <
1μV | Offsetspannung | Thermospannungen | Alle Anschlüsse auf der
gleichen Temperatur
halten Gekrimpte
Cu-Cu-Verbindungen |
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| | Störspannungen | MagnetischeInterferenzen | Verdrillte Leitungen Leitungen von
Magnetfeldern
entfernen oder
abschirmen |
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KleineStröme | < 1μA | Offsetstrom | Leckströme
in
Isolatoren | Gute Isolatoren
verwenden, gut reinigen |
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| | | Messstrom
im
Messwerk
(Bias) | Picoampèremeter oder
Elektrometer
verwenden |
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| | | Dunkelstrom
im
Detektor | Dunkelstrom
unterdrücken oder
kompensieren |
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| | Störströme | Elektrostatische
Kopplung | Hohe Spannungen und
Relativbewegungen der
Kabel dazu vermeiden Abschirmung |
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| | |
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| | | Vibration
/
Deformation | Vibrationen fernhalten Rauscharme Kabel
verwenden |
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NiedrigeWiderstände | <
100mΩ | Widerstandsoffsets | Kabelwiderstand | 4-Draht Methode
(Kelvin-Methode)
verwenden |
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| | Drift | Thermospannungen | Pulsförmige Testsignale
mit
Offsetkompensation |
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| | SchwankendeMesswerte | MagnetischeInterferenz | Von Magnetfeldern
fernhalten oder
abschirmen Verdrillte Leitungen
verwenden |
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HoheWiderstände | >
1GΩ | Ablesung
zu
klein | Belastungswiderstand
(Shunt) | Anschlüsse
und Kabel mit höherem
Isolationswiderstand
verwenden Guard-Techniken
verwenden |
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| | |
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|
| | | Niedriger
Rein des
Voltmeters | Spannungsquelle und
Strommessung
verwenden |
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| | |
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|
| | | Offsetströme | Offsetströme bei
abgeschalteter
Testspannung
kompensieren |
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| |
|
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|
| | SchwankendeWerte | Elektrostatische
Kopplung | Hohe Spannungen in
der
Nähe sowie Bewegung
des Kabels vermeiden |
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|
|
Spannung
aus
einer | >
1MΩ | Ablesung
zu
klein | Belastungswiderstand
(Shunt) | Anschlüsse
und Kabel mit höherem
Isolationswiderstand
verwenden Guard-Techniken
verwenden |
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| | |
|
|
Quelle
mit
hoher | | | Offsetströme | Offsetströme bei
abgeschalteter
Testspannung
kompensieren |
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|
Impedanz | | SchwankendeWerte | Elektrostatische
Kopplung | Hohe Spannungen in
der
Nähe sowie Bewegung
des Kabels vermeiden |
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|
Tabelle 4.9.: | Übliche Fehlerquellen und Massnahmen, um
ihren Einfluss zu vermindern (nach Keithley[Kei04] |
Tabelle 4.9 zeigt eine Aufstellung verschiedener Messarten,
häufige Fehlerquellen und Möglichkeiten ihrer Beseitigung.
Abbildung 4.182 stellt die durch verschiedene Störmechanismen
unzugänglichen Messbereiche bei einer Spannungsmessung
dar. Blau ist der Bereich, in dem Thermospannungen
das Messresultat verfälschen. Die in der Abbildung
gezeigten Bereiche hängen von der Temperatur und den
Materialkombinationen ab. Sie sind im Einzelfall neu zu
berechnen. Die rotbraune Farbe zeigt den Bereich von
Ausgangswiderständen (oder, äquivalent, von Kombinationen
von Spannungen und Strömen) an, bei denen ein Messgerät
mit hier 10MΩ Eingangswiderstand 10% Fehler erzeugt.
Grün ist der Bereich, der wegen Eingangsströmen im
Messgerät nicht zugänglich ist. Schwarz schliesslich ist der
Bereich des weissen Rauschens oder des thermischen
Rauschens.
Abbildung 4.183 stellt die durch verschiedene Störmechanismen
unzugänglichen Messbereiche bei einer Strommessung dar.
Blau ist der Bereich, der durch den Spannungsabfall am
Messwiderstand einen Fehler erzeugt. Die rotbraune Farbe
zeigt den Einfluss von Parallelwiderständen zur zu messenden
Quelle dar. Grün ist der Bereich, der wegen induzierten oder
generierten Strömen nicht zugänglich ist. Schwarz schliesslich
ist der Bereich des weissen Rauschens oder des thermischen
Rauschens.
Abbildung 4.184 stellt schliesslich die durch verschiedene
Störmechanismen unzugänglichen Messbereiche bei einer
Widerstandsmessung dar. Gelb ist der Bereich, der wegen den
Widerständen des Messkabels nicht zugänglich ist. Blau ist
der Bereich der Thermospannungen. Die rotbraune Farbe
zeigt den Einfluss von Isolationswiderständen parallel zur zu
messenden Quelle dar. Grün ist der Bereich, der wegen
induzierten oder generierten Strömen nicht zugänglich ist.
Schwarz schliesslich ist der Bereich des weissen Rauschens
oder des thermischen Rauschens.
Allgemeine Fehlerquellen bei elektrischen Messungen
sind
-
Rauschen
- Das thermische Rauschen, wie es im Abschnitt
2.8 dargestellt wurde, hat eine Leistung von P =
4kTΔf in der Bandbreite Δf.
-
Drift
- Messgeräte sind im allgemeinen nicht stabil. Ihre
Anzeigen ändern sich langsam mit der Zeit. Diesen
Fehler nennt man Drift.
-
Geschwindigkeit
- Jede Messung braucht eine bestimmte
Zeit. Wird von einem Messsystem wie zum
Beispiel einem Lock-In-Verstärker (sie auch den
Unterabschnitt 4.1.9 eine im Vergleich zu seiner
Bandbreite zu hohe Datenrate verlangt, so sind
die Messungen wegen der Bandbreitenbegrenzung
fehlerbehaftet.
-
Umgebungsbedingungen
- Temperatur und Luftfeuchte
können Messfehler verursachen. Einerseits
verursachen Temperaturänderungen Änderungen der
Leitfähigkeit der Widerstände der eingesetzten
Messgeräte. Andererseits bedeutet eine hohe
Luftfeuchtigkeit dass die Isolationswiderstände in
den Messgeräten niedriger werden und so Messfehler
verursachen.
-
Ionisierende Strahlung
- Ionisierende Strahlen
können durch ihre Energie Elektronen aus einem
Leiter oder Isolator herauslösen. Dadurch fliessen
zusätzliche Ströme. Während ionisierende Strahlung
als Folge der menschlichen Aktivitäten Teilchen mit
relativ niedrigen Energien emittiert, bestehen die
kosmischen Strahlen im allgemeinen aus Teilchen
mit sehr hohen Energien. Deshalb können letztere
nicht und erstere nur unter grösserem Aufwand
abgeschirmt werden.
-
Netzstörungen
-
Netzstörungen, das heisst das Übersprechen der
Spannungsversorgung des Messgerätes, des Prüflings
oder von anderen Geräten sind im allgemeinen
die häufigsten Störungen und mit von den
am schlechtesten zu eliminierenden. Die einzige
Massnahme ist meistens, die Erdverbindungen neu
zu konfigurieren.
-
Mechanische Störungen
-
Unter den mechanischen Störungen versteht man die
Einflüsse von Vibrationen und auch die Wirkungen
von Verbiegungen von Kabeln.
-
Schutzerde und Schutzleiter
- Diese für einen sicheren
Betrieb von Geräten notwendigen Einrichtungen
erzeugen vor allem in Verbindung mit Oszilloskopen
Brummschleifen. Diese können nur aufgebrochen
werden, indem man die Oszilloskope für differentielle
Messungen
einrichtet, also nur die Hälfte der Kanäle verwendet.
Alternativ kann man eigene Differenzverstärker den
Oszilloskopen vorschalten. Die letzte Möglichkeit ist,
zugelassene Trenntransformatoren
zu verwenden.Achtung! Nie Schutzleiter auftrennen!
Immer Trenntransformatoren oder
Differenzverstärker verwenden!
4.4.2 Spannungen
Bei Spannungsmessungen treten insbesondere die folgenden
Fehlerquellen auf
-
Anschlüsse mit hohen Impedanzen
- Leck-
Streuströme verfälschen eine Spannungsmessung.
Wenn gilt, dass V s < 1μA·Rs ist, so muss
bei der Spannungsmessung besonders vorsichtig
vorgegangen werden. Dabei ist V s die geforderte
Spannungsempfindlichkeit, 1 μA der Strom, der
durch den Innenwiderstand des Voltmeters fliesst.
Wenn die geforderte Empfindlichkeit 1 mV ist, dann
hat müssen Quellen mit Rs > 1kΩ mit besonderen
Vorsichtsmassnahmen gemessen werden.
-
Isolationswiderstand
- Durch schlechte
Isolationsmaterialien
werden Spannungsmessungen verfälscht. Die Wahl
des Isolationsmaterials entscheidet über die Qualität
von Spannungsmessungen. Im Abschnitt I.1 ist eine
Tabelle von Isoltionsmaterialien angegeben.
-
Eingangswiderstand
- Jedes reale Voltmeter kann als ein
ideales Voltmeter mit dem Eingangswiderstand Rein
des realen Voltmeters in parallel ersetzt werden. Die
gemessene Spannung ist V mess = V s
-
Offsetspannung
- Jede Spannung in Serie
mit der zu messenden Spannung und der Spannung
am Voltmeter verfälscht die Ablesung. Zu den
Offsetspannungen gehören die Thermospannungen
und die durch wechselnde Magnetfelder induzierten
Spannungen.
-
Offsetstrom
- Der Offsetstrom bei einem idealen Voltmeter
und einer Spannungsquelle mit dem Innenwiderstand
Rs verfälscht die Quellenspannung V s zu V m = V s±
Ioffset·Rs. Offsetströme entstehen durch die Eingangstransistoren
der Messgeräte. Jeder bipolare Transistor benötigt
einen minimalen Eingangsstrom um zu funktionieren.
Bei digitalen Voltmetern und bei Nanovoltmetern
beträgt der Offsetstrom etwa 10pA bis 10nA. Der
Offsetstrom von Elektrometerverstärkern kann von
10fA bis hinunter zu 50aA
betragen.
-
Belastungswiderstand
- Widerstände
parallel zum Voltmeter verfälschen die Messung. So
wird bei einem Quellwiderstand Rs und bei einem
Querwiderstand RQ die gemessene Spannung Um =
Us. Vielfach ist der Isolationswiderstand
des Kabels der unerwünschte Querwiderstand.
Der Einfluss des Kabelisolationswiderstandes kann
durch Guard-Techniken vermindert werden. Wenn
die Verstärkung des Guard-Verstärkers Aguard
ist, dann ist die gemessene Spannung Um =
Us
-
Kapazität zur Schirmleitung
- Die Kapazität
zur Abschirmung des Messkabels Ck bewirkt
zusammen mit dem Ausgangswiderstand Rs eine
Zeitkonstante τ = RsCk. Damit ist der Zeitverlauf
der Messspannung Um = Us =
Us. Dabei wird die Ladung Q =
UsCk auf die Kabelkapazität Ck übertragen. Wenn
die Abschirmung mit einem Verstärker (Verstärkung
Aguard auf dem Potential der Eingangsspannung
gehalten wird, ist die Zeitkonstante τguard = .
Die auf der Kabelkapazität gespeicherte Ladung ist
dann Q = Us.
-
Thermospannungen
- Thermospannungen werden zur zu
messenden Spannung hinzu- oder abgezählt. Die
Grösse der Thermospannungen hängt von der
Materialkombination und von den Temperaturen
entlang des Messkreises ab. Tabelle I.2 gibt die
wichtigsten thermoelektrischen Koeffizienten an.
-
Thermospannungen in Steckern
-
Die Thermospannungen in Steckern werden meistens
vergessen. Anders als im Rest des Messkreises sind
die Materialien und
die Temperaturen sehr viel schlechter kontrollierbar.
Durch Übergangswiderstände zwischen Stecker und
Kupplung kann sich die Kontaktstelle unbemerkt
und unkontrolliert erwärmen.
Zu den Steckern gehören auch geräteinterne Stecker.
Bei externen Verbindungen kann der Einfluss der
Thermospannungen untersucht werden, indem man
die Steckerverbindungen (sofern möglich!) umkehrt.
-
Gleichtaktstrom und daraus resultierende Fehler
-
Gleichtaktströme können insbesondere Messungen
von sehr kleinen Spannungen beeinflussen. Zu
den Gleichtaktstromquellen gehört unter anderem
die Ströme die zwischen der Netzerde und dem
Erd-Eingangspol (Buchse "0") des Messgerätes
fliesst. Vielfach rührt dieser Strom von der
kapazitiven Kopplung zwischen der Primär- und
Sekundärspule des Netztransformators her[Kei04].
Noch schlimmer sind die Fehler, wenn die Buchse
"0" mit dem empfindlichen Teil des Messobjektes
verbunden ist. Dies ist unter allen Umständen zu
vermeiden.
-
Magnetfelder
- Magnetfelder induzieren Spannungen in
alle von den Messleitungen eingeschlossenen
Flächen. Die Maxwell’schen Gleichungen ergeben,
dass die induzierte Spannung UB = = =
+. Verdrillte Kabel und eine gut überlegte
Führung
der Kabel minimieren die induzierten Spannungen
von variierenden Magnetfeldern. Bewegte Kabel
(zum Beispiel zu einer beweglichen Messstelle)
können auch bei statischen Magnetfeldern induzierte
Spannungen bewirken.
-
Erdschleifen
-
Einer der häufigsten Fehler sind Erdschleifen.
Sie rühren daher, dass netzbetriebene Messgeräte
einerseits über ihre ”0”-Buchsen und andererseits
über den Schutzleiter verbunden sind. Dieser
fehler kann vermindert werden, indem differentielle
Eingänge verwendet werden. Bei Oszilloskopen
müssen gesonderte Differenzverstärker vorgeschaltet
werden. Bei Datenerfassungskarten für Computer
sollte immer der Variante mit differentiellen
Eingängen der Vorzug vor der Variante mit den
einfachen Eingängen gegeben werden.Achtung! Nie
Schutzleiter auftrennen! Immer
Trenntransformatoren oder Differenzverstärker
verwenden!
-
Abschirmung
- Wenn man bei einem Elektrometerverstärker
an den empfindlichen Eingang 2 cm Draht anschliesst,
den 2V-Bereich einstellt, ein Stück Kunststoff an
Wolle reibt und dieses Stück etwa einen Meter vom
Eingang entfernt hin und her bewegt, dann schlägt das
Elektrometer merklich aus. Ähnliche Experimente kann
man auch mit Wechselfeldern durchführen. In beiden
Fällen hilft nur eine Abschirmung. Diese Abschirmung
sollte
- die zu testende Schaltung, das Elektrometer
und die die Messung durchführende Person
einschliessen, oder
- die zu testende Schaltung und das
Elektrometer, oder
- nur
die zu messende Schaltung sowie abgeschirmte
Kabel
umfassen. Es ist vorteilhaft für solche Messungen triaxiale
Kabel zu verwenden, wobei die innere Schirmung mit
einer Guardschaltung auf dem Messpotential gehalten
werden sollte.
4.4.3 Ströme
Präzise Strommessungen werden ebenso wie Spannungsmessungen
durch Fehlerquellen verfälscht. Diese Fehler sind
-
Spannungsbelastung
- Ein realer Strommesser kann als
ein idealer Strommesser in Serie
mit einem Messwiderstand Rm angesehen werden.
Der Kurzschlussstrom einer Spannungsquelle Us mit
dem Innenwiderstand Rs wäre Is = . Durch den
endlichen Innenwiderstand des Strommessers ist der
gemessene Strom aber Im = = Is.
Bei digitalen Messgeräten entspricht der Messstrom
einer Spannung Ub. Dann ist der gemessene Strom
Im = = Is −.
-
Leitungswiderstände
- Trotzdem die Leitungswiderstände
RL meistens kleiner als der Ausgangswiderstand Rs
oder der Messwiderstand Rm ist, können Sie die
Strommessung verfälschen. Der gemessene Strom ist
Im = .
-
Rauschen und Interferenzen
-
-
Quellenwiderstand
- Durch
die Abschirmung kann der Einfluss einer externen
Störspannung auf die Strommessung minimiert
werden. Jedoch bewirkt die Schirmung zusammen
mit der bei einer Stromquelle notwendigerweise
hohen Ausgangsimpedanz eine Zeitkonstante. Bei
empfindlichen Strommessungen müssen deshalb
neben der Abschirmung auch Guard-Techniken
verwendet werden.
-
Eingangskapazität
- Bei Strom/Spannungswandlern ist
die Verstärkung für Rauschen grösser als für das
Nutzsignal. Wenn wir eine Quelle mit der Spannung
Us und dem Ausgangswiderstand Rs betrachten,
die an einen Strom/Spannungswandler mit dem
Rückkopplungswiderstand Rf angeschlossen ist, dann ist
die Ausgangsspannung Ua = −Us. Dabei gilt bei
Stromquellen meistens, dass Rs > Rf ist, ist Ua kleiner
als Us. Formal koppelt eine Rauschspannung an den
nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers des
Strom/Spannungswandlers. Damit ist die Verstärkung
der Rauschspannung Ur durch Ua,r = Ur.
Deshalb wird bei Strom/Spannungswandlern bei kleinen
Quellwiderständen Rf das Rauschen überproportional
verstärkt. Deshalb empfiehlt Keithley [Kei04] als
minimale Quellwiderstände
|
|
Strombereich | Minimale Quellwiderstände |
|
|
pA | 1GΩ…100GΩ |
nA | 1MΩ…100MΩ |
μA | 1kΩ… 100kΩ |
mA | 1Ω…100Ω |
|
|
|
Besonders bei der Rastertunnelmikroskopie
bei kleinen Strömen und kleinen
Spannungen
kann diese Empfehlung nicht eingehalten werden.
Weiter sind zu den vorhandenen Widerstände immer
Parallelkapazitäten vorhanden. In diesem Falle
muss mit den Beträgen der Impedanzen gerechnet
werden.
-
Offsetströme
- Offsetströme entstehen wie bei den
Spannungsmessungen durch die notwendigen
Eingangsströme der Eingangsverstärker. Das für
Spannungsmessungen gesagte gilt analog auch für die
Strommessungen. Wenn die Offsetströme zeitlich
konstant sind, können sie auch kompensiert werden.
Besonders einfach ist dies mit einer externen
Stromquelle.
-
Triboelektrische Effekte
- Triboelektrische Ströme entstehen,
wenn unterschiedliche Materialien sich gegeneinander
bewegen und Reibungskräfte vorhanden sind.
Triboelektrizität entsteht vor allem in Kabeln,
deren Biegung wechselt oder die unterschiedlichen
mechanischen Spannungen ausgesetzt sind. Die Auswahl
der Materialien, aus denen die Kabel zusammengesetzt
sind, beeinflusst die Höhe der generierten triboelektrischen
Ströme.
-
Piezoelektrische Effekte, gespeicherte Ladung
- Wenn an
gewisse Materialien mit nicht zentrosymmetrischem
Kristallbau mechanische Spannungen angelegt werden,
entstehen durch den Piezoeffekt Ladungen. Bei
periodischer mechanischer Beanspruchung der
Isolationsmaterialien bewirkt dies auch einen
Wechselstrom im Takt der mechanischen Anregung. Um
piezoelektrische Effekte zu vermeiden sollten Isolatoren
nicht mechanisch belastet werden.
-
Elektrochemische Effekte
- Wenn die Oberflächen von Isolatoren
verschmutzt sind kann Strom über elektrochemische
Prozesse geleitet werden. Flussmittelrückstände oder
Rückstände von Lösungsmitteln wie auch Schmutz
und Fett von Fingern sind vielfach auf Isolatoren
zu finden. Bei ungeeigneter Kombination dieser
Rückstände mit dem Basismaterial können so auch
Lokalelemente, also Batterien entstehen. Diese
Effekte können mit Guard-Techniken minimiert
werden.
4.4.4 Techniken zur Verhinderung von Fehlmessungen
Die im folgenden beschriebenen Techniken zur Kompensation
oder Verhinderung von Fehlern stammen einerseits aus dem
Handbuch von Keithley[Kei04] und andererseits aus der
eigenen Erfahrung.
4.4.4.1. Einfluss von Schirmungen
Abbildung 4.185 zeigt die Messung von Spannungen mit
einem Quellwiderstand, bei dem der Isolationswiderstand des
Kabels nicht mehr vernachlässigt werden kann. Die gemessene
Spannung ist
| (4.2) |
Wenn man das die Schirmung des Kabels mit einem
Operationsverstärker auf dem Potential der zu messenden
Spannung hält, dann wird
| (4.3) |
wobei AG die Verstärkung des Operationsverstärkers bei
der betrachteten Frequenz ist.
4.4.4.2. Thermospannungen
Wenn eine ungewollte Thermospannung UEMF oder eine
andere das Vorzeichen behaltenden Störspannung bei der
Messung der Differenzspannung von zwei Thermoelementen
UA und UB stört, kann man mit zwei Messungen mit jeweils
vertauschten Kabeln diesen Einfluss kompensieren.
Die letzte Zeile von Gleichung (4.4) gibt das Schlussresultat.
4.4.4.3. Störungen in Netzteilen
Abbildung 4.188 zeigt wie durch die Ankopplung an
die Netzspannung ein Gleichtaktstrom hervorgerufen
wird. Die Kapazität CKopplung koppelt die Netzspannung
von der Primärseite auf die Sekundärseite. Der durch
diese Kapazität in der Sekundärseite induzierte Strom
ist
| (4.5) |
Die magnetiche Kopplung zwischen der Primär- und der
Sekundärseite wird optimal, wenn die beiden Wicklungen
abwechselnd übereinandergelegt werden. Dies führt aber zu
einer grossen Koppelkapazität, die das Störspannungsniveau
auf der Sekundärseite erhöht. Zusätzlich sind die notwendigen
Kriechwege für Ströme bei einer solchen, magnetisch effiziente
Schaltung ungenügend lang.
4.4.4.4. Fehler durch falschen Anschluss der Messkabel
Wenn, wie in Abb. 4.189 rechts das Messkabel an die Erde
des Messobjektes und das Nullkabel an die empfindliche Stelle
angeschlossen wird, fliesst vom Punkt ’Lo’ ein Strom zur
Erde. Der korrekte Anschluss in der Abbildung links
vermeidet diesen Fehlerstrom.
4.4.4.5. Verringerung des Einflusses von zeitabhängigen
Magnetfeldern
Der durch eine (veränderliche) Fläche A fliessende
(veränderliche) Fluss induziert die Spannung
| (4.6) |
Der Einfluss von Magnetfeldern kann minimiert werden,
wenn
- Man minimiert die Fläche
- Bei der Kabelführung sollen Bereiche mit hohen
Magnetfeldern gemieden werden.
- Der Betrag und die Orientierung der Fläche
müssen konstant gehalten werden. Insbesondere
müssen mechanische Vibrationen und die Bewegung
der Kabel vermieden werden.
- Der Betrag und die Richtung des Magnetfeldes
muss konstant gehalten werden.
4.4.4.6. Erdschleifen und ihre Verhinderung
Wenn wie in Abb. 4.191 in der Erdleitung eine Spannung
von UG induziert wird (zum Beispiel durch hohe Ströme oder
durch magnetische Induktion) dann liegt dadurch am
Leitungswiderstand R des unteren Messkabels die Spannung
UG. Die gemessene Spannung ist dann
| (4.7) |
Dabei haben die Grössen typischerweise die Werte
R ≈ 100mΩ, I ≈ 1A. Dabei kann UG = IR sehr viel grösser
als US sein.
Abb. 4.192 zeigt eine Erdung an einem einzelnen Punkt.
Wieder gilt
| (4.8) |
wobei aber jetzt der Strom I durch den Isolationsimpedanz
ZCM fliesst. Deshalb ist er nicht in der Grössenordnung von
Ampères, sondern um Nanoampères. Somit werden Erdfehler
vermieden.
4.4.4.7. Kapazitive Fehler in geschirmten Kabeln
Die durch eine elektrostatische Störquelle U (Abb. 4.193
induzierte Spannung ist
| (4.9) |
Durch die elektrostatische Schirmung wie in Abb. 4.193,
rechts, wird die Kopplung verhindert.
4.4.4.8. Kapazitiv belastete Stromquelle
Bei Stromquellen wie zum Beispiel bei Rastertunnelmikroskopen
oder bei Photodioden beeinflusst der Ausgangswiderstand
RS und die Ausgangskapazität CS der Quelle sowie der
Rückkopplungswiderstand RF und die Störkapazitäten CF
des Strom/Spannungswandlers die Messresultate (Sie Abb.
4.194). Die Rauschspannung des Operationsverstärkers
vergrössert sich so um
| (4.10) |
Das heisst, das Ausgangsrauschen vergrössert sich bei einer
Verkleinerung des Quellwiderstandes RS. Zum Beispiel
heisst das, dass in einem Rastertunnelmikroskop bei
kleineren Distanzen das Rauschen zunimmt. Auch durch die
Kapazitäten nimmt die Rauschspannung zu.
| (4.11) |
Hier ist ZF die Impedanz der Parallelschaltung aus RF und
CF .
| (4.12) |
Analog gilt für ZS
| (4.13) |
oder zusammen:
| (4.14) |
4.4.4.9. Triboelektrische Effekte in abgeschirmten
Kabeln
Handelsübliche Messkabel sind aus mehreren Schichten
aufgebaut. Wenn Kabel verbogen werden (Abb. 4.195) gleiten
diese Schichten aneinander vorbei. Wie wenn man Kunststoffe
mit Fellen reibt, entstehen auch bei Kabeln Ladungen. Da die
Ladungen durch die Oberflächenwiderstände abgebaut werden
und durch Bewegung wieder erzeugt werden. Periodische
Bewegungen erzeugen also auch periodische Spannungen oder
Ströme, die wiederum empfindliche Messungen stören oder
gar verunmöglichen können.
Um triboelektrische Effekte zu vermeiden sollten für
Experimente
- nur rauscharme Kabel verwendet werden
- mechanische Vibrationen an der Quelle bedämpft
werden
- die Messkabel fixiert sein
Mit diesen Vorsichtsmassnahmen hat man optimale
Messbedingungen.
4.4.4.10. Leckströme an Oberflächen, Verwendung von
’Guard’-Ringen
In Abb. 4.197 zeigt die Messung des Leckstromes einer
Diode. Wenn das Ampèremeter in der obigen Abbildung
(Mitte) einen Isolationswiderstand von 1GΩ hat, dann fliesst
ein Leckstrom von 15nA. Der Guard-Ring in der Abbidung
rechts verringert die am Isolationswiderstand von 1GΩ
liegende Spannung auf 200μV . Dadurch wird der Leckstrom
etwa 0.2pA. Der ursprüngliche Leckstrom von 15nA wird
durch die 15V -Spannungsquelle geliefert.
4.4.4.11. Spektrum der Störsignale
Abbildung 4.198 zeigt ein typisches Spektrum von
Störstrahlungen. Das Störstrahlungsspektrum enthält die
folgenden Bestandteile
-
1/f-Rauschen
- Bei sehr tiefen Frequenzen dominiert das
1/f-Rauschen. Diese Art Rauschen, im Abschnitt
2.8.2.3
besprochen, rührt von statistischen Schwankungen
beim Stromtransport her. Typischerweise hat das
1/f-Rauschen über 1 kHz keine Bedeutung mehr.
-
Weisses Rauschen
- Oberhalb
von 1 kHz ist weisses Rauschen dominierend.
Dieses rührt von den statistischen Schwankungen der
Ladungsträgerkonzentration her (siehe Abschnitt
2.8.1).
-
Netzinterferenzen
- Zwischen 50 Hz (USA und andere: 60
Hz) und etwa einem kHz macht sich die Netzfrequenz
und ihre Oberfrequenzen störend bemerkbar. Bei
Netzteilen ist weniger die Komponente bei 50 Hz als
vielmehr wegen der Gleichrichtung die Komponente
bei 100 Hz wichtig.
-
Mechanische Vibrationen
- Die mikroskopisch kleinen
Bewegungen der Erde, von Gebäuden und von
Geräten
können die Funktion von empfindlichen Messgeräten
stören. Immer da wo eine kapazitive oder induktive
Kopplung zwischen mehreren Schaltkreisen vorliegt,
induzieren mechanische Vibrationen Störungen. Bei
optischer Datenübertragung bewirkt eine
mechanische Bewegung, dass die auf den Detektor
fallende Lichtintensität schwankt.
-
Temperaturdrift
-
Die Temperaturdrift beeinflusst Messungen unter 10
Hz. Durch den Tagesgang der Temperatur, durch
die Änderung des Abstandes der ExperimentatorIn
können Temperaturschwankungen von
einigen Bruchteilen von Kelvin induziert werden.
Dies reicht, um bei sehr empfindlichen Messungen
Störungen hervorzurufen.
-
Radarpulsfolgen
- Zwischen 10 Hz und etwa 100 kH
können Störungen durch die Pulsfolgefrequenz von
Radargeräten auftreten. Diese dürften in der Nähe
von Flugplätzen und von Flugkontrolleinrichtungen
häufiger auftreten. Radargeräte sind als Störquellen
nicht zu vernachlässigen, da es Geräte gibt, die
mit einigen 10 kW mittlerer Leistung senden. Die
Spitzenleistungen sind dann im Megawatt-Bereich.
-
Schaltnetzteile
- Schaltnetzteile sind bei
modernen Geräten eine oft übersehene Qualle von
Störungen. Da die Schaltfrequenzen zwischen 1 kHz
und einigen 10 kHz liegen, sind sie oftmals schwer
von Nutzsignalen zu trennen.
-
Rundsteuerungen der Elektrizitätswerke
-
Elektrizitätswerke schalten mit Rundsteueranlagen
grosse Verbraucher in Nebenzeiten ein und zu
den Hauptlastzeiten wieder aus. Die Steuerung
erfolgt mit einem Signal von etwa 1000 Hz und
einer Amplitude von 20 V bis 30 V. Diese
Störspannungen koppeln hervorragend durch die
Kapazität zwischen der Primärwindung und der
Sekundärwindung auf die restliche Schaltung. Sie
sind nur schwer herauszufiltern. Die kommende
Datenübertragung über Spannungsnetze könnte
einen ähnlichen Einfluss auf empfindliche Geräte
haben.
-
Thyristorschalter
- Thyristorschalter haben eine sehr
grosse Flankensteilheit beim Schalten. Entsprechend
wird durch Thyristoren vor allem das Spektrum über
1 MHz gestört.
-
Radiowellen
- Radiosender strahlen zwischen 100 kHz bis
zu 100 MHz elektromagnetische wellen ab. Die Sendeleistung
reicht von wenigen Watt bis zu Megawatt. Die leistungsfähigen
Sender können in einem weiteren Umfeld massive
Gerätestörungen bewirken. So ist es zum Beispiel im
abstand von einigen 100 m von einem Mittelwellensender
(500 kHz, 500 kW) möglich, Fluoreszenzlampen mit
dem abgestrahlten elektrischen Feld zum leuchten zu
bringen .
-
TV
- Fernsehsender strahlen Störsignale im Bereich über
100 MHz ab.
-
Mobiltelefone
- Mobiltelefone arbeiten mit Frequenzen
von einigen GHz. Da die Daten in Paketen
abgesendet werden, können die Störungen durch
nichtlineare Effekte auch bei tieferen Frequenzen
auftreten.
Beim Bau und Betrieb von Messgeräten muss sichergestellt
werden, dass diese weder elektromagnetische Strahlung
über den zugelassenen Werten abstrahlen noch durch
elektromagnetische Strahlung gestört werden.
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