Messwiderstand

Ein Messwiderstand ist ein ohmscher Widerstand, der besonderen Anforderungen für Aufgaben in der Messtechnik genügen muss. Er wird als Messumformer für die Überführung einer elektrischen Spannung in einen elektrischen Strom oder umgekehrt eingesetzt, ferner in genauen Spannungsteilern. Somit dient er der Strom- oder Spannungsmessung.

Anforderungen

1. 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.
2. Forderung: Unabhängigkeit von Einflusseffekten durch
   • Messstrom (Eigenerwärmung),
   • Umgebungstemperatur (Fremderwärmung),
   • Anschlusstechnik,
   • Alterungseffekten,
   • Betriebsfrequenz.
3. Forderung: Keine Thermospannung in Kontakt mit Kupfer.
   • Mit Manganin und Isaohm 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 damit ungeeignet. Entsprechendes gilt für Kohleschichtwiderstände mit −(0,2 … 1) · 10⁻³ 1/K. Metallschichtwiderstände sind mit (15 … 50) · 10⁻⁶ 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. Die Belastbarkeit von Messwiderständen ist häufig kleiner als die anderer baugleicher Widerstände.

Der Hersteller gibt den maximal zulässigen Strom und die Maximalspannung an, um Fehlerquellen wie Eigenerwärmung oder Migration in Grenzen zu halten.

Aufbau

Bifilare Wicklung auf zylindrischem Träger

Höherohmiger Messwiderstand

Höherohmige Messwiderstände werden häufig aus Draht hergestellt, der zu Spulen aufgewickelt ist. 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 zum Tragen kommt. Zur Verminderung dieser Störeinflüsse sind besondere Wickeltechniken bekannt. Beispielsweise wird durch Bifilarwicklung die Induktivität stark vermindert, allerdings die Kapazität erhöht.

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

Eng tolerierte Widerstände zu Messzwecken werden heute in Messgeräten meistens als Metallschichtwiderstände ausgeführt.

Niederohmiger Messwiderstand

Shunt für 400 A (150 µΩ) mit Vierleiteranschluss

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

Beispiel 1: Für einen Messwiderstand von 1 Ω bedeuten zwei Stecker mit dem genannten Richtwert 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 Steckern: Relative Abweichung = 500 %.

Zur Vermeidung dieser Abweichung werden diese Messwiderstände in Vierleitertechnik angeschlossen:

Schaltsymbol für Widerstand mit Vierleiteranschluss

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.

• Der zu messende Strom fließt durch die großen, außen liegenden Stromanschlüsse.

Der Spannungsabfall hieran hat auf die gemessene Spannung keinen Einfluss.

• Das Spannungsmessgerät liegt an den kleinen, innen liegenden Spannungsanschlüssen.

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

Einstellbarer Widerstand

Widerstandsdekade 10 x 1 Ω, bifilar gewickelte Bänder, Stufenschalter

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 verwendet man stufenweise schaltbare Widerstandsdekaden (Dekadenwiderstände), die wie im Bild für eine Zehnerpotenz (z. B. 10 × 1 kΩ) oder für mehrere Zehnerpotenzen (z. B. 10 × 10 Ω + 10 × 100 Ω + 10 × 1 kΩ) in einem Gerät vorliegen.

Weitere Begriffsverwendungen

Der Begriff Messwiderstand wird auch für Sensoren zur Temperaturmessung in Widerstandsthermometern 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