Werden Testgeräte für die Prüfung von Produkten oder Systemkalibrierungen eingesetzt, muss häufig die Widerstandsänderung durch einen niederohmigen Sensor in vielen Metern Entfernung bestimmt werden. Einfach eine bekannte Spannung über die dünndrähtigen Sensorleitungen anzulegen, den Strom zu messen und mithilfe des ohmschen Gesetzes (Widerstand = Spannung/Strom (R = U/I)) den Sensorwiderstand zu berechnen, funktioniert in diesem Fall aber nicht. Nennwiderstand und Temperaturbeiwert der Sensoranschlüsse können das Ergebnis beträchtlich verfälschen und lassen sich zudem nicht herauskalibrieren. Das Problem aber lässt sich umgehen.

Vierleiter- oder Kelvin-Messung als Lösung

Die Verfälschung der Widerstandsmessung durch die Sensorzuleitungen kann mit einer Vierleiter-/Kelvin-Anordnung verhindert werden.

© Texas Components Corporation

Die Vierleiter- beziehungsweise Vierdraht- oder Kelvin-Messung ist ein weit verbreitetes Verfahren für die Beseitigung von leitungsbedingten Fehlern bei der Messung des Sensorwiderstands. Hierfür wird der Sensor über die vorhandenen Leitungsanschlüsse an eine Stromquelle mit bekanntem Strom angeschlossen. Dann werden zwei weitere Leiter an den Sensor angeschlossen, um die Spannung über den Sensor mit einem hochohmigen Voltmeter oder Trennverstärker zu bestimmen. Der bekannte Strom und die gemessene Spannung werden in das ohmsche Gesetz eingesetzt – und fertig. Mit dieser Vierleiteranordnung und zwei zusätzlichen einfachen Spannungsmessdrähten kann vermieden werden, dass der Widerstand der Sensoranschlussleitungen in die Gleichung eingeht.

Eigenerwärmung des Sensors verhindern

Um die Eigenerwärmung des Sensors und mögliche damit zusammenhängende Fehler auf ein Minimum zu reduzieren, sollte der Strom möglichst gering gewählt werden, aber eine ausreichend hohe Spannung am Sensor anliegen. Meisten beträgt die höchste zulässige Spannung am Sensor zwischen 1 und 10 V. 

Für die Messung vom Strom durch einen Verbraucher kommt eine Variante der Kelvin-Schaltung zum Einsatz, wobei ein Messwiderstand zwischen Last und Masse (Low-Side) oder Quelle und Last (High-Side) geschaltet wird.

© Digi-Key Electronics

Oft wird eine Variante dieser Technik für die Messung des Stroms einer Last verwendet, zum Beispiel ein Motor, bei der ein ‚geringwertiger‘ Messwiderstand in Reihe mit der Last geschaltet wird. Für die Messung von Lastströmen wird ein bekannter Widerstand eingesetzt, meist in der Größenordnung von 1 Ω oder weniger, häufig im mΩ-Bereich. Hier wird die Spannung mithilfe eines Differential-Trennverstärkers gemessen – der eventuell vom Rest der Schaltung galvanisch getrennt sein muss –, und wieder findet das ohmsche Gesetz Anwendung – diesmal in der Version I = U/R. 

Bauelemente unterstützen

Bei Produktprüfungen oder Systemkalibrierungen muss häufig der Widerstandswert eines Sensors bestimmt werden, weshalb der Prüfer sich darüber bewusst sein muss, wie die Anschlussleitungen des Sensors die Messungen verfälschen können. Mit der Vierleiter-/Kelvin-Methode lässt sich dieses Problem vermeiden.

Chip-Widerstand WSK1206R0100FEA mit 0,01 Ω und 0,25 W im Format 3216 für den Anschluss von vier Leitern in Strommessanwendungen

© Vishay

Manchmal besteht die Herausforderung einfach darin, alle vier Leiter überhaupt anschließen zu können. Dieses Problem lässt sich mit speziellen Bauelementen lösen, zum Beispiel dem Dale-Chipwiderstand WSK1206R0100FEA Vishay. Die Komponente in 3216-Baugröße mit 0,01 Ω und 0,25 W ist für den Anschluss von vier Leitern in Strommessanwendungen ausgelegt.

Der Autor

Bill Schweber, Digi-Key

© Digi-Key

Bill Schweber hat als Elektroingenieur drei Lehrbücher über elektronische Kommunikationssysteme geschrieben sowie Hunderte von technischen Artikeln, Kommentaren und Produktbeschreibungen verfasst.

Weiterführende Informationen

Digi-Key: Fundamentals of Current Measurement: Part 3 – Funnel Amplifiers

Digi-Key: Reap the Benefits of RTD Temperature Sensors Without the Interface Complexity.

Digi-Key: Makers and Engineers: Get to Know Your Instrumentation Amplifier for Accurate IoT Data Capture