Widerstandsdekade

Ein Messwiderstand ist ein hochwertiger ohmscher Widerstand für Aufgaben der Messtechnik. Er wird als Messumformer für die Überführung Spannung ↔ Strom oder in Präzisions-Spannungsteilern eingesetzt.

Anforderungen

1. Forderung: Genaue Justierung.

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.

2. Forderung: Unabhängigkeit von Einflusseffekten durch

- Messstrom (Eigenerwärmung),

- Umgebungstemperatur (Fremderwärmung),

- Anschlusstechnik,

- Alterungseffekten,

- Betriebsfrequenz.

3. Forderung: Keine Thermospannung in Kontakt mit Kupfer.

Mit Manganin entsteht eine Thermospannung U bei einer Temperaturdifferenz Δt mit etwa U/Δt = 1 μV/K. Dagegen muss man bei Konstantan mit einem Wert von rund 50 μV/K rechnen.

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 ungeeignet. Entsprechendes gilt für Kohleschichtwiderstände mit –(0,2 … 1)•10^-3 1/K. Metallschichtwiderstände sind mit (15 … 50)•10^-6 1/K zu haben. Spezielle Cu-Mn-Ni- oder Cr-Ni-Legierungen schaffen

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

Die Eigenerwärmung soll für einen geringen Temperatureinfluss klein bleiben; sie hängt ab von der umgesetzten Leistung und der Größe der Oberfläche für die Wärmeabgabe. Die Belastbarkeit von Messwiderständen ist häufig ≤ 1 W. Der vom Hersteller angegebene maximal zulässige Strom ist zu beachten.

Aufbau

Bifilare Wicklung auf zylindrischem Träger

Höherohmiger Messwiderstand

Höherohmige Messwiderstände werden aus Draht hergestellt, der zu Spulen aufgewickelt wird. Diese haben eine Induktivität, die bei Wechselströmen mit steigender Frequenz den Widerstand zunehmend verfälscht. Durch eine kapazitive Verkopplung zwischen den Windungen ergibt sich ein weiterer Frequenzeinfluss, der aber erst bei noch höheren Frequenzen merklich ist.

Zur Verminderung dieser Störeinflüsse sind besondere Wickeltechniken bekannt. Z. B. durch Bifilarwicklung wird die Induktivität stark vermindert, allerdings die Kapazität erhöht.

Niederohmiger Messwiderstand

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 Vierpunktkontaktierung

Niederohmige Messwiderstände, auch als Strommesswiderstand, Nebenwiderstand oder Shunt bezeichnet, werden aus Blech oder Stangen der genannten Legierungen hergestellt. Bei diesen Widerständen ist der Kontakt-Übergangswiderstand ein Problem.

Richtwert für den Übergangswiderstand in vielfach benutzten, hochwertigen Steckkontakten: 1 mΩ; je nach Werkstoff und Korrosion deutlich mehr; zudem häufig inkonstant, teilweise kurzzeitig schwankend.

- Beispiel: Für einen Messwiderstand von 1 Ω bedeuten zwei Stecker mit dem genannten Richtwert: Relative Messabweichung = 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; die Abweichung kann auch nicht herausgerechnet werden, weil Übergangswiderstände nur grob schätzbar sind.

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

Zur Vermeidung dieser Abweichung werden diese Messwiderstände in Vierleitertechnik angeschlossen mit

• großen, außen liegenden Stromanschlüssen:
  

Der Spannungsabfall hieran hat auf die gemessene Spannung keinen Einfluss,

• kleinen, innen liegenden Spannungsanschlüssen:
  

Da diese nur von dem geringen Strom durchflossen werden, den das Spannungsmessgerät benötigt, verursachen die auch hier vorliegenden Übergangswiderstände nur einen vernachlässigbar kleinen Spannungsabfall.

Innerer Aufbau einer Widerstandsdekade: 10 gleiche Widerstände und ein Schalter mit 11 Positionen 0, 1, 2, … 10. Die Pos. 10 samt Widerstand kann je nach Ausführung fehlen.

Veränderlicher Widerstand

Veränderliche 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 verwendet man schrittweise einstellbare Widerstandsdekaden (Dekadenwiderstände), siehe auch Digitale Messtechnik.

Siehe auch

Der Begriff Messwiderstand wird auch anders verwendet, z. B.

• für die Temperaturmessung im Widerstandsthermometer
• für die Dehnungsmessung im Dehnungsmessstreifen