Messwiderstand

Ein Messwiderstand ist ein ohmscher Widerstand, der besonderen Anforderungen für Aufgaben in der Messtechnik genügen muss.

Messwiderstands-Netzwerk aus einem Multimeter; zu erkennen sind die Laserabgleich-Spuren.

Messwiderstände werden als Messumformer für die Überführung einer elektrischen Spannung in einen elektrischen Strom oder umgekehrt eingesetzt, ferner in genauen Spannungsteilern. Somit dienen sie der Strom- oder Spannungsmessung.

Besonders eng tolerierte und stabile Typen werden auch Präzisionswiderstand genannt.

Anforderungen

Forderung: Genauigkeit.
- Typisch realisierte relative Fehlergrenzen: $g$ = 10⁻³ … 10⁻⁴ im Bereich 1 mΩ ≤ $R$ ≤ 100 kΩ.
- Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) schafft $g$ ≤ 10⁻⁶.
Forderung: Unabhängigkeit von Einflusseffekten durch
- Messstrom (Eigenerwärmung),
- Umgebungstemperatur (Fremderwärmung),
- Anschlusstechnik,
- Alterungseffekten,
- Betriebsfrequenz.
Forderung: Keine Thermospannung in Kontakt mit Kupfer.
- Mit Manganin und Isaohm entsteht eine Thermospannung $U$ bei einer Temperaturdifferenz $\Delta t$ mit etwa $\Delta U/\Delta t=$ 1 μV/K. Dagegen gilt bei Konstantan ein Wert von rund 50 μV/K.

Reine Metalle haben einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands in der Größenordnung

\alpha ={\frac {\Delta R/R}{\Delta t}}=+5\cdot 10^{-3}\ {\frac {1}{\mathrm {K} }}

und sind damit ungeeignet. Entsprechendes gilt für Kohleschichtwiderstände mit –(0,2 … 1)e^-3 1/K. Metallschichtwiderstände sind mit (15 … 50)e^-6 1/K erhältlich. Spezielle Cu-Mn-Ni- oder Cr-Ni-Legierungen schaffen

|\alpha |=(10\,\ldots \,1)\cdot 10^{-6}\ 1/\mathrm {K}

.

Die Eigenerwärmung soll für einen geringen Temperatureinfluss klein bleiben; sie hängt ab von der umgesetzten Leistung und der Größe der Oberfläche für die Wärmeabgabe. Dazu gibt der Hersteller die maximal zulässige Stromstärke an, um Fehlerquellen wie Eigenerwärmung oder Elektromigration in Grenzen zu halten. Die Belastbarkeit von Messwiderständen ist häufig kleiner als die anderer baugleicher Widerstände.

Aufbau

Höherohmiger Messwiderstand

Höherohmige Messwiderstände werden als Drahtwiderstand oder als Schichtwiderstand in Dickschichttechnik oder Dünnschichttechnik hergestellt.

Drahtwiderstände haben eine Induktivität, die bei Wechselströmen mit steigender Frequenz den Widerstand zunehmend verfälscht. Durch bifilare Wicklung wird die Induktivität stark vermindert, allerdings die Kapazität erhöht. Die Kapazität zwischen den Windungen führt zu einem mit steigender Frequenz sinkenden Scheinwiderstand. Drahtwiderstände haben die beste Stabilität und die höchste Belastbarkeit, können jedoch nicht in allen Bauformen hergestellt werden[1].

Bei einer bifilaren Wicklung auf zylindrischem Träger heben sich axiale Magnetfelder auf

Strommesswiderstand mit Anschlussblöcken und Schraubanschlüssen;
Ersatzschaltbild mit dem Messwiderstand zwischen den Anschlussblöcken und den Übergangswiderständen in den Strom-Anschlüssen

Shunt für 400 A (150 µΩ) mit Vierleiteranschluss

Schaltsymbol für Widerstand mit Vierleiteranschluss

Schichtwiderstände, insbesondere Dünnschichtwiderstände[1], benötigen hingegen einen besseren Schutz vor Umwelteinflüssen, sind geringer belastbar und waren in der Vergangenheit nicht mit der erforderlichen Stabilität herstellbar. Insbesondere der Temperaturkoeffizient und der Spannungskoeffizient des Widerstandes sind bei hochohmigen Schichtwiderständen auch heute noch eine Herausforderung.

Hochohmige Widerstände werden beispielsweise in Spannungsteilern eingesetzt oder es werden komplette Spannungsteiler auf einem Substrat gefertigt. Das hat den Vorteil, dass sich der durch den Temperaturkoeffizient entstehende Fehler möglicherweise aufgrund der räumlichen Nähe der Teilwiderstände teilweise aufhebt.

Schichtwiderstände können induktionsfrei sein und werden für bis mindestens 400 kV gefertigt.[2]

Bei hohen Spannungen und hohen Widerstandswerten ist der Spannungskoeffizient des Widerstandes von Bedeutung. Er liegt in der Größenordnung ${\tfrac {\Delta R/R}{\Delta U}}=-10^{-5}{\tfrac {1}{\mathrm {V} }}$ ,[3], wird jedoch auch mit bis über zwei Zehnerpotenzen weniger beherrscht.[4]

Niederohmiger Messwiderstand

Niederohmige Messwiderstände, auch als Strommesswiderstand, Nebenwiderstand oder Shunt bezeichnet, werden aus Blech oder Stangen der genannten Legierungen hergestellt. Bei diesen Widerständen ist der Übergangswiderstand der Kontakte ein Problem. Beträgt dieser z. B. 1 mΩ (je nach Werkstoff und Korrosion kann er deutlich höher sein und kann zudem schwanken), ergäben sich folgende Fehler:

Beispiel 1: Für einen Messwiderstand von 1 Ω bedeuten zwei 1-mΩ-Kontakte eine relative Messabweichung von 0,2 %. Das ist mehr als die typische Fehlergrenze des Widerstandes. Diese Abweichung kann nicht als vernachlässigbar klein angesehen werden, wenn die Qualität des Widerstandes ausgeschöpft werden soll, sie kann auch nicht herausgerechnet werden, weil Übergangswiderstände nur grob abschätzbar sind.

Beispiel 2: Messwiderstand zur Umformung von 150 A in 60 mV, also mit R = 60 mV/150 A = 0,4 mΩ mit denselben Übergangswiderständen: Relative Abweichung = 500 %.

Zur Vermeidung dieser Abweichung werden Strom-Messwiderstände in Vierleitertechnik angeschlossen:

Der zu messende Strom fließt durch die großen, außen liegenden Stromanschlüsse. Der Spannungsabfall an diesen hat auf die gemessene Spannung keinen Einfluss, da das Spannungsmessgerät an den kleinen, innen liegenden Klemmen angeschlossen wird. Da diese nur von dem geringen Strom durchflossen werden, den das Messgerät benötigt, verursachen die auch hier vorliegenden Übergangswiderstände nur einen vernachlässigbar kleinen Spannungsabfall.

Bei den recht hohen Stromstärken kommt es zur Erwärmung. Im Beispiel 2 werden im Messwiderstand bei Nennstrom 9 W Wärmestrom frei, an den zugrunde gelegten Kontakten zusätzlich 45 W. Thermospannungen können daher die Messung verfälschen, wenn die Messklemmen ungleiche Temperatur annehmen.

Einstellbarer Widerstand

Einstellbare Widerstände bzw. Potentiometer mit Schleifer sind zu Messzwecken ungeeignet, wenn der Stellbereich nur über eine Umdrehung (270 … 350°) geht. Spezielle Wendelpotentiometer mit einem Stellbereich von 10 Umdrehungen schaffen Fehlergrenzen in der Linearität < 0,3 % und in der Ablesung der Einstellung < 0,1 %.

Für Präzisionsmessungen werden umschaltbare Widerstandsdekaden (Dekadenwiderstände) verwendet. Zur Widerstandswahl dient ein Stufenschalter wie im Bild. Sie werden in einem Gerät für eine Zehnerpotenz (z. B. 10 × 1 kΩ) hergestellt oder für mehrere Zehnerpotenzen (z. B. mit 3 Schaltern und 10 × 10 Ω + 10 × 100 Ω + 10 × 1 kΩ) zusammengefasst.

Weitere Begriffsverwendungen

Der Begriff Messwiderstand wird auch für Sensoren zur Temperaturmessung in Platin-Messwiderständen oder zur Dehnungsmessung in Dehnungsmessstreifen verwendet. Diese sind ohmsche Widerstände, deren Widerstandswert abweichend von den oben genannten Anforderungen von äußeren Einflüssen wie der Temperatur oder einer mechanischen Verformung abhängt, so dass diese Abhängigkeit als Messeffekt ausgenutzt werden kann.

Siehe auch

Möbius-Widerstand

Einzelnachweise

Entwicklungsbericht in Englisch
http://www.high-voltage-resistors.net/index.aspx?pageid=610653&category=2727214&Page=2 Website der Firma Nicrom Electronic, abgerufen am 25. Mai 2019
Wolfgang Gruhle: Elektronisches Messen: Analoge und digitale Signalbehandlung. Springer, 1987, S. 95
Datenblatt für Hochspannungs-Präzisionswiderstände

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[RCD_Components-1] Entwicklungsbericht in Englisch

[2] ttp://www.high-voltage-resistors.net/index.aspx?pageid=610653&category=2727214&Page=2 Website der Firma Nicrom Electronic, abgerufen am 25. Mai 2019

[3] Wolfgang Gruhle: Elektronisches Messen: Analoge und digitale Signalbehandlung. Springer, 1987, S. 95

[4] Datenblatt für Hochspannungs-Präzisionswiderstände