DMM: Digital-Multimeter - Funktionen und Eigenschaften

Was ist eigentlich genau ein Digitalmultimeter (DMM), und was kann man damit anfangen? Wie ist bei Messungen vorzugehen? Welche Anforderungen müssen Sie an das Instrument stellen? Auf welche sicherste und leichteste Weise können Sie lhr Instrument optimal nutzen? Welches Instrument eignet sich am besten für die Umgebung, in der Sie arbeiten? Auf diese Fragen versuchen wir im folgenden eine Antwort zu geben.

Nachdem mittlerweile Elektronikschaltungen fast überall verwendet werden, von Kaffeemaschinen bis zum Raumfahrzeug, sind die Anforderungen an den Elektrotechniker enorm gestiegen. Service, Reparatur und Installation komplexer Einrichtungen erfordern Diagnosewerkzeuge, die genaue Informationen liefern.

Beim DMM handelt es sich um ein elektronisches Messgerät zur Durchführung von elektrischen Messungen. Es kann mit jeder Menge von Sonderfunktionen ausgestattet sein, aber grundsätzlich werden mit einem DMM Spannung (Volt), Widerstand (Ohm) und Strom (Ampere) gemessen.

Der Umgang mit dem Multimeter

Auf der Seite der Uni-Bayreuth hat Heiko Hauenstein unter anderem zwei sehr gut gemachte Online-Experimente in Flash erstellt bei dem man den Umgang mit einem digitalen Multimeter zunächst lernt und dann üben kann.

Das erste Online-Experiment dient der Multimeterbedienung und stellt einfache Übungsaufgaben. Im zweiten Experiment kann man die Strom- und Spannungsmessung mit dem Multimeter in Schaltungen üben, indem man die Stecker der Messkabel in die richtigen Buchsen steckt, den Messbereich wählt, das Messgerät ein- und ausschaltet und die Messspitzen an die zu untersuchenden Drähte führt. Dazu sind einige Aufgaben gestellt, um zu üben, wie man Strom und Spannung misst.

Obwohl sich die DMM im Detail unterscheiden, finden sich die grundlegenden Bedienungselemente auf allen Digitalen Multimetern, sodass eine allgemeine Bedienungsanleitung für Multimeter hilfreich ist.

Wahl eines Digitalmultimeters

Beim Kauf eines DMMs ist nicht nur auf grundlegende Daten zu achten, sondern auch die Merkmale, Funktionen und der Gesamteindruck des Instrumentes ist entscheidend, z.B. doppelte Isolierung und Eingangsschutz. Je nach dem, was Sie messen wollen, empfiehlt es sich, die Überspannungskategorie in die Überlegung einzubeziehen, siehe auch Überspannungskategorien und Multimeter-Sichereit. Ein DMM bietet nützliche Merkmal-Kombinationen, wie z.B. Data-Hold (der Messwert wird auf der Anzeige gespeichert), Analoganzeige-Balken (Bargraph) und hohe Auflösung.

DMM: Digital-Multimeter - einige Grundlagen

Auflösung und Stellenzahl (Digits)

Die Auflösung sagt aus, wie klein die Anzeige 'benachbarter' Messwerte erfolgen kann. Wenn die Auflösung eines DMM bekannt ist, können Sie feststellen, ob das Instrument als kleinste Einheit z.B. ein Volt oder 1mV (1/1000 Volt) darstellen kann. (Wenn Sie auf Zehntel Millimeter genau messen wollten, würden Sie keinen Maßstab mit Millimetereinteilung kaufen, sondern eine Schieblehre.)

Die Anzahl der Digits (Stellenzahl) wird zur Umschreibung der Auflösung eines Messinstrumentes verwendet. Diese Anzahl der Digits ist für DMMs also eines der wichtigsten Merkmale und dient daher häufig auch zur Einteilung in Vergleichstabellen. Des öfteren findet man die Angabe '3 ½-stellig'. Ein derartiges DMM kann drei volle Stellen von 0 his 9 darstellen, sowie eine weitere Stelle, die meistens eine 1 ist. Ein 3 ½-stelliges Instrument kann Zahlen bis zu 1999 auflösen, während die Auflösung einer 4 ½-stelligen Anzeige bis zu 19999 beträgt.

Manche Multimeter werden mit durch verbesserte Auflösung mit einem Anzeigeumfang bis zu 3200, 4000 oder 6000 angeboten. Dann ist es präziser, dieses Instrument nach seiner Auflösung zu beschreiben, und nicht ob es 3 ½-stellig oder 4 ½-stellig ist. Für bestimmte Messungen bieten Instrumente mit 3200 oder mehr Digits eine bessere Auflösung. Ein Instrument, welches z.B. Über eine Zahlendarstellung bis 1999 verfügt, kann bei Messung der Netzspannung von 230 Volt oder mehr keine Auflösung von 1/10 Volt bieten, weil die Zahlendarstellung den maximalen Wert auf 199,9V begrenzt. Aber ein Instrument mit einer Zahlendarstellung bis 4000 zeigt bis zu dieser Spannung mit 1/10 Volt Auflösung an. Das ist somit, zumindest bis 400V, die gleiche Auflösung wie bei einem teureren Instrument mit einem Anzeigeumfang bis 20000.

Genauigkeit - Ungenauigkeit - Messunsicherheit - Digits

Unter Ungenauigkeit versteht man den höchsten zulässigen Fehler, der unter bestimmten Betriebsbedingungen auftreten kann. Anders ausgedrückt ist es ein Hinweis darauf, wie nahe der durch das DMM angezeigte Messwert dem tatsächlichen Wert des gemessenen Signales kommt. Umgangssprachlich wird oft der Begriff Genauigkeit verwendet; der normentechnisch treffendste Begriff ist Messunsicherheit. Die Ungenauigkeit eines DMM wird normalerweise als Prozentsatz des angezeigten Wertes ausgedrückt. Eine Messunsicherheit von ±1% des angezeigten Wertes besagt, dass bei einer Anzeige von z.B. 100,0 V der tatsächliche Wert irgendwo zwischen 99,0 V und 101,0 V liegt. Neben der Ungenauigkeit in Prozent vom Messwert kommt noch ein Anteil hinzu, der vom Messbereich abhängt und meistens als Digits bezeichnet wird. Es ist die Anzahl der letzten Anzeigegestelle gemeint und man spricht von der Stelle niedrigster Auflösung oder LSD (Least significant digit). Wenn die Spezifikation eines DMM z.B. ±(1% +2) oder ±1%, ±2 angibt bedeutet das ±1% vom Messwert und zusätzlich ±2 Digits. Praktisch gesehen werden diese Digits mit der Auflösung multipliziert und zum Prozentwert der Messunsicherheit addiert. Wenn das DMM eine Auflösung von 0,1 V hat, ist bei einem Messwert von 100V die gesamte Ungenauigkeit ±1,2 V (1%->1 V + 2 Digits x 0,1V->0,2). Somit kann bei einer Anzeige von 100,0 V der tatsächliche Wert zwischen 98,8 V und 101,2 V liegen.

Ohmsches Gesetz

Spannung, Strom und Widerstand in einem beliebigen elektrischen Schaltkreis können unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes berechnet werden, das wie folgt lautet: Spannung = Widerstand × Strom (U=R×I). Somit kann aus zwei bekannten Werten der dritte Wert berechnet werden. Ein DMM nutzt das Prinzip des Ohmschen Gesetzes zur direkten Messung und Anzeige entweder des Widerstandes (in Ohm), der Stromstärke (in Ampere) oder der Spannung (in Volt).

Anzeige

Für die hohe Genauigkeit und gute Auflösung ist die digitale Anzeige unübertroffen. Sie zeigt 3 oder mehr Digits bei jeder Messung an. Wenn vorhanden, zeigt der Analoganzeige-Balken (Bargraph) Signaländerungen wie in einem analogen Zeigerinstrument, ist aber unverwüstlich und meist schneller.

Gleichspannung und Wechselspannung

Eine der Grundaufgaben eines DMMs ist die Messung von Spannung. Eine typische Gleichspannungsquelle ist eine Batterie, wie sie z.B. im Auto Verwendung findet. Wechselspannung wird üblicherweise mit einem Generator erzeugt. Die Netzsteckdosen in Wohnungen sind übliche Quellen für Wechselspannung. Manche Verbraucher, die an eine Steckdose angeschlossen werden, aber zum Betrieb Gleichstrom benötigen, verwenden Gleichrichter zur Umwandlung der Wechselspannung in Gleichspannung, z.B. elektronische Geräte, wie Fernsehapparate, Stereoanlagen, Videorecorder und Computer. Die Kurvenformen der Wechselspannungen sind entweder sinusförmig oder nicht-sinusförmig (Sägezahn, Rechteck, Spannungsformen mit Phasenanschnitt, usw.). Das DMM sollte den Effektivwert dieser Spannungs-Wellenformen richtig anzeigen. Der Effektivwert ist der effektive oder äquivalente Gleichspannungswert der Wechselspannung. Die meisten Multimeter besitzen einen Mittelwert-Konverter und können den Effektivwert richtig anzeigen, falls es sich beim Wechselspannungs-Signal um eine reine Sinusform handelt. Nichtsinusförmige Signale können nur von sogenannten Echteffektiv-Multimetern (True RMS) richtig gemessen werden. (Siehe auch Echteffektivmessung)

Die Fähigkeit eines DMMs zur richtigen Messung von Wechselspannung kann durch die zu geringe Bandbreite des Messgerätes begrenzt sein. Mit den meisten Digitalmultimetern können Wechselspannungen mit Frequenzen von 50 bis 500 Hz korrekt gemessen werden, aber bei nichtlinearen Signalen können einige Frequenzanteile Hunderte von Kilohertz betragen. Ein Multimeter mit einer höhreren Messbandbreite kann diese Anteile erfassen und wird somit einen höheren, aber auch richtigen, Wert anzeigen. Bei den Spezifikationen eines DMMs für Wechselspannung und Wechselstrom muss der Frequenzbereich eines Signals angegeben sein, innerhalb dessen mit dem DMM genau gemessen werden kann.

Für die Reparatur von Fernsehern und Kathodenstrahlröhren, bei denen die Spannungen bis zu 40 kV betragen können, sind Hochspannungstastköpfe notwendig. Vorsicht: Diese Tastköpfe sind nicht für Anwendungen in der elektrischen Stromversorgung konzipiert, bei denen hohe Spannungen und hohe Energieniveaus gleichzeitig auftreten. Sie sind nur für Niedrigenergie-Anwendungen, also kleine Ströme gedacht!

Wiederstandmessung, Durchgangs- und Diodenprüfung

Widerstandmessung

Der Widerstand wird in Ohm gemessen (Ω). Widerstandswerte konnen sehr unterschiedlich sein, von einigen Milliohm () bei Kontakt-Ubergangswiderstanden bis in die Milliarden Ohm bei Isolatoren. Die meisten DMMs messen bis hinunter zu 0,1 Ω, und bei einigen reicht die obere Messgrenze bis zu 300 (300.000.000 Ohm). Widerstandsmessungen mussen bei stromloser Schaltung (das zu messende Gerat abgeschaltet) durchgefuhrt werden, da sonst das Instrument wie auch die Schaltung beschadigt werden können. Bei einigen DMMs ist ein Schutz gegen irrtumlichen Kontakt mit Spannungen in der Betriebsart Widerstandsmessung vorgesehen. Der Schutzgrad kann bei verschiedenen DMM-Typen sehr unterschiedlich sein. Zur genauen Messung niederohmiger Widerstande muss der Widerstand der Messleitungen vom gesamten gemessenen Widerstand abgezogen werden.

Typische Messleitungs-Widerstande liegen zwischen 0,2 Ω und 0,5 Ω. Falls der Widerstand der Messleitungen groser als 1 Ω ist, so sollten diese ersetzt werden. Falls das DMM eine niedrigere Prüfgleichspannung als 0,6 V zur Widerstandsmessung abgibt, können Widerstande auf der Leiterplatte gemessen werden, wenn diese durch Dioden oder andere Halbleiterubergange isoliert sind, weil solche Bauteile normalerweise erst durch eine Spannung von >0,6 V schalten.

Durchgangsprüfung

Die Durchgangsprüfung ist ein schneller Ja/Nein-Widerstandsprüfungs- Funktionstest, der zwischen einem offenen und einem geschlossenen Stromkreis unterscheidet. Ein DMM mit einem Durchgangspiepser ermoglicht Ihnen die leichte und schnelle Ausfuhrung von vielen Durchgangsprüfungen. Das Instrument gibt bei Erkennung eines geschlossen Stromkreises an akustisches Signal ab, sodass Sie bei der Prüfung nicht auf das Instrument schauen mussen. Der erforderliche Widerstandswert, bei dem das akustische Signal ausgelöst wird, ist bei den verschiedenen Typen von DMMs unterschiedlich.

Diodenprüfung

Eine Diode wirkt wie ein elektronischer Schalter: Sie kann eingeschaltet werden, wenn die Spannung uber einem gewissen Pegel liegt, normalerweise etwa 0,6 V bei Siliziumdioden, und ermoglicht den Stromfluss in einer Richtung. Manche Instrumente verfugen uber eine spezielle Betriebsart mit der Bezeichnung Diodenprüfung. In dieser Betriebsart muss die Ablesung 0,6 bis 0,7 V in der einen Richtung betragen, und in der anderen Richtung eine Unterbrechung anzeigen, wenn die Diode in Ordnung ist. Falls in beiden Richtungen Unterbrechung angezeigt wird, hat die Diode Unterbrechung, und falls in beiden Richtungen Durchgang angezeigt wird, so weist die Diode Kurzschluss auf.

Gleich- und Wechselstrom

Strommessungen unterscheiden sich von anderen Messungen mit Digitalmultimetern. Wenn Strommessungen allein mit einem Digitalmultimeter vorgenommen werden, muss das Instrument dazu direkt in den zu messenden Stromkreis geschaltet werden. Das bedeutet, dass der Stromkreis geoffnet werden muss, und die DMM-Messleitungen verwendet werden mussen, um den Kreis wieder zu schliesen. Auf diese Weise fliest der gesamte Strom durch die Schaltkreise des Digitalmultimeters. Eine indirekte Strommessung mit einem Digitalmultimeter kann mit Hilfe einer Stromzange vorgenommen werden, oder mit einem Zangen-Multimeter. Die Stromzange umschließt bei der Messung den Leiter und es ist nicht notig, den Stromkreis zu offnen und das Multimeter in den Messkreis zu schalten.

Stromzangen für hohe Stromstärken

Manchmal muss eine Strommessung vorgenommen werden, die den Messbereich Ihres DMMs übersteigt. Bei diesen Hochstrom-Anwendungen (typischerweise über 10 A), wobei keine extrem hohe Genauigkeit erforderlich ist, bietet eine Stromzange eine sehr praktische Lösung. Eine solche Stromzange wird um den stromführenden Leiter geschlossen, und wandelt den gemessenen Wert auf einen Pegel, den das Instrument messen kann.

Es gibt zwei Grundausführungen von Stromzangen: transformatorische Stromwandler, mit denen nur Wechselströme gemessen werden können, und Halleffekt-Wandler, mit denen man sowohl Wechsel- als auch Gleichströme messen kann. Der Ausgang eines transformatorischen Stromwandlers beträgt 1 Milliampere pro Ampere. Ein Stromwert von 100 A wird somit auf 100 mA reduziert und kann von den meisten DMMs gut und sicher gemessen werden. Die Messleitungen werden mit den Anschlüssen mA und >COM (Common) verbunden, und der Funktionsschalter des Instrumentes wird auf mA AC eingestellt. Der Ausgang eines Halleffekt-Wandlers beträgt 1 Millivolt pro Ampere Wechselstrom oder Gleichstrom. Ein Stromwert von 100 A Wechselstrom wird somit z.B. auf 100 mV Wechselspannung gewandelt. Die Messleitungen werden mit den Anschlüssen V und >COM (Common) verbunden. Stellen Sie den Funktionsschalter des Instrumentes auf ACV für Wechselstrom oder auf DCV für Gleichstrom ein.

Zangenmultimeter

Eine andere Möglichkeit, hohe Ströme zu messen, ist die Verwendung eines DMM mit integrierter Stromzange. Meist bieten solche Geräte auch die Möglichkeit, zusätzlich Messkabel anzuschließen, um Spannungen, Widerstände etc. zu messen.

Eingangsschutz

Ein oft anzutreffender Fehler ist, dass man die Messleitungen in den Strom-Messbuchsen stecken lässt, und dann versucht, eine Spannungsmessung vorzunehmen. Das führt zu einem direkten Kurzschluss der Spannungsquelle über einen niederohmigen Widerstand innerhalb des DMM, der als Stromshunt bezeichnet wird. Es fließt somit ein hoher Strom durch das DMM, der bei ungenügendem Schutz des Instrumentes zu einer extremen Beschädigung des Instrumentes und der Schaltung, sowie möglicherweise zu einer Verletzung des Prüfenden führen kann. In industriellen Anwendungen mit hoher Spannung (400 Volt oder hoher) können extrem hohe Fehlerströme auftreten.

Eingangsstrom-Sicherung

Ein DMM muss mit einer Eingangsstrom-Sicherung geeigneter Bauart für den zu messenden Stromkreis ausgestattet sein. Instrumente ohne Sicherungsschutz in den Stromeingängen dürfen nicht in elektrischen Leistungskreisen (über 230 V Wechselspannung) verwendet werden. Die mit Sicherungen ausgestatteten DMMs müssen über eine Sicherung verfügen, die in der Lage ist einen Hochenergie-Kurzschluss zu löschen, damit im Gerät kein Lichtbogen auftreten kann. Die Nennspannung der Sicherung im Instrument muss höher liegen als die maximale zu messende Spannung. So darf z.B. eine Sicherung 20 A/250 V nicht zur Abschaltung eines Kurzschlusses innerhalb eines Messinstrumentes eingesetzt werden, wenn der zu messende Stromkreis mit 400 V gespeist wird. In diesem Falle wäre eine 20 A/600 V-Sicherung erforderlich.

Fehlbedienungssperre

Um eine falsche Kombination von Wahlschalter und Anschluss der Messleitungen auszuschließen, können Multimeter eingesetzt werden, die mit einer Fehlbedienungssperre ausgestattet sind, die verhindert, dass der Wahlschalter des DMM auf Spannungsmessung gedreht werden kann, wenn die Messleitungen in den Buchsen stecken, die für die Strommessung vorgesehen sind. Falls die Messleitungen nicht in den Buchsen stecken verhindert eine eine solche Einrichtung umgekehrt, dass die Messleitungen in die falschen Buchsen gesteckt werden können.

Sicherheit

Sicherheit bei der Benutzung des Multimeters

Sicheres Messen fängt bei der Auswahl des richtigen Messgeräts für die Anwendung sowie die Umgebung, in der das Messgerät benutzt werden soll, an. Nachdem das richtige Messgerät ausgewählt wurde, sollten Sie bei der Nutzung die richtigen Messverfahren einhalten. Lesen Sie das Bedienungshandbuch des Geräts vor der Benutzung sorgfältig durch und beachten Sie dabei besonders die mit Warnung und Vorsicht gekennzeichneten Stellen. Siehe auch Sicherheitshinweise in der Allgemeinen Bedienungsanleitung für Multimeter

Die IEC (International Electrotechnical Commission) hat Sicherheitsnormen für die Arbeit an elektrischen Systemen entwickelt. Nutzen Sie nur Messgeräte, die die IEC-Grenzwerte für Spannung und Kategorie für die Umgebung, in der die Messung durchgeführt werden soll, erfüllen. Wenn z.B. eine Spannungsmessung an einer elektrischen Einspeisung mit 400 V durchgeführt werden soll, muss ein Messgerät der Kategorie III 600 V oder 1000 V verwendet werden. Das bedeutet, dass die Eingangsschaltkreise dieses Messgeräts so konzipiert wurden, dass sie die in dieser Umgebung üblicherweise auftretenden Spannungstransienten aushalten, ohne den Nutzer zu gefährden. siehe auch Überspannungskategorien und Multimeter-Sichereit.

Neben den IEC-Normen finden in Europa vor allem die europaischen Normen der EN-Reihe Anwendung. So werden Zertifizierungen der Schutzklassen entweder nach der Norm EN 61010 oder IEC 1010 angegeben.

Übliche Situationen, die zu einem Ausfall des DMMs führen:

Arten von DMM-Schutzschaltungen

Achten Sie auf die folgenden Sicherheitsmerkmale bei einem DMM:

Sicherheitshinweise

Besondere Eigenschaften

Die folgenden Funktionen und Eigenschaften erleichtern die Bedienung eines DMMs und damit auch die Messung:

Glossar

Ungenauigkeit
Abweichung des angezeigten Messwertes vom tatsächlichen Wert des gemessenen Signals. Ausgedrückt in Prozent vom Messwert und/oder Prozent des Messbereichs (Skalenendwert). Meist sind zusätzlich die Anzahl der Digits niedrigster Auflösung zu addieren.
Analog-Messinstrument
Ein Instrument, welches den Wert eines gemessenen Signals durch Zeigerausschlag darstellt. Der Anwender führt die Ablesung aufgrund der Zeigerstellung auf einer Skala durch.
Meldeanzeige
Ein Symbol, womit ein gewählter Bereich oder eine gewählte Funktion angezeigt wird.
Mittelwert-anzeigendes DMM
Ein DMM, mit dem sinusförmige Signale richtig gemessen werden können. Zur Messung von nichtsinusförmigen Signalen sind diese DMMs allerdings nicht gut geeignet, da je nach Art des Signals hohe Messfehler auftreten können.
Stellenzahl (Anzahl der Digits)
Gibt an mit wieviel Stellen ein DMM ein Messignal maximal darstellen kann. Ist somit auch ein Maß für die Auflösung des DMMs. Häufig wird auch der Begriff Anzeigeumfang verwendet.
Shunt oder Stromshunt
Ein niederohmiger Widerstand in einem DMM zur Messung der Stromstärke. Das DMM misst den Spannungsabfall über den Stromshunt und berechnet den Wert des Stromes unter Anwendung des Ohmschen Gesetzes.
DMM, Digital-Multimeter
Ein Instrument, das mit Hilfe einer Digital-Anzeige den Wert eines gemessenen Signals anzeigt. DMMs weisen eine höhere Robustheit und Überlastsicherheit auf als Analogmultimeter. Bessere Ablesbarkeit, höhere Auflösung und geringere Ungenauigkeit sind weitere Vorteile dieser Bauart.
Nichtsinusförmige Signale
Eine verzerrte Wellenform, wie z.B. ein angeschnittenes Sinussignal, eine Impulskette, Rechteck-, Dreieck- und Sägezahnsignale sowie Nadelimpulse.
Auflösung
Die Bezeichnung Auflösung sagt aus, in welcher kleinsten Einheit die Anzeige 'benachbarter' Messwerte erfolgen kann.
Effektivwert
Der äquivalente Gleichstromwert eines Wechselstrom-Signals.
Sinussignal
Eine reine Sinuswelle ohne Verzerrungen.
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Ein DMM, das sowohl sinusförmige als auch nichtsinusförmige Signalformen richtig messen kann, also den Echteffektivwert (True RMS) misst.
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