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Thermospannungen können das Messergebnis verfälschen

Wenn die Kontaktstelle verschiedener Materialien etwas erwärmt oder abgekühlt wird, entsteht dort eine Thermospannung (U_th). Dieser Effekt ist vor allem bei niederohmigen Widerständen zu beachten, da hier im Allgemeinen sehr kleine Spannungen gemessen werden müssen und deshalb Thermospannungen im µV-Bereich das Ergebnis stark verfälschen können.

Sehr oft wird auch heute noch für drahtgewickelte und gestanzte Shunts das aus Vorlesungen und Lehrbüchern bekannte Widerstandsmaterial Konstantan eingesetzt. Dessen Temperaturkoeffizient ist zwar recht gut, aber die Thermospannung gegen Kupfer ist mit ca. 40 µV/K extrem hoch. Schon bei einer Temperaturdifferenz von 10 °C entsteht eine Fehlerspannung von 400 µV, die bei einem 1-mΩ-Widerstand ein Messergebnis von 4 A um 10% verfälscht.

Noch extremer wird die Situation, wenn man berücksichtigt, dass je nach Bauform der meist vernachlässigte Peltiereffekt durch wechselseitige Erwärmung oder Abkühlung der Kontaktstellen eine Temperaturdifferenz von mehr als 20 °C erst aufbauen kann (in Extremfällen wurde sogar ein einseitiges Auslöten solcher Widerstände beobachtet). In diesen Fällen wird auch bei konstantem Stromfluss eine scheinbare Stromänderung – bedingt durch den Aufbau der Temperaturdifferenz bzw. der Thermospannung – beobachtet. Nach Abschalten des Stromes wird dann ein scheinbarer, zeitlich mit der Temperaturdifferenz verschwindender Stromfluss gemessen.

Der Fehler kann je nach Bauform oder Widerstandswert mehrere Prozent oder einige A betragen. Die bereits erwähnten Präzisionswiderstandslegierungen sind thermoelektrisch der Kupfer-Welt exakt angepasst, so dass diese Effekte völlig vernachlässigbar sind und z. B. ein 0,3-µΩ-Widerstand unmittelbar nach Abschalten eines Stromes von 100 A eine Spannung von weniger als 1 µV (entsprechend 3 mA) anzeigt.

Langzeitstabilität ist eine wichtige Sensoreigenschaft

Für einen Sensor ist die Stabilität über der Zeit extrem wichtig, denn der Anwender will sich auch nach Jahren im Einsatz noch auf eine einmal erfolgte Kalibrierung verlassen können. Für die Widerstandsmaterialien bedeutet dies, dass sie korrosionsstabil sein müssen und im Laufe ihrer Lebensdauer keinerlei metallurgische bedingte Umwandlungen durchlaufen dürfen. Die Legierungen Manganin, Zeranin und Isaohm erfüllen diese Forderungen als homogene Mischkristall-Legierungen, die zusätzlich sorgfältig geglüht und stabilisiert sind und deshalb im thermodynamischen Grundzustand vorliegen. Mit solchen Legierungen sind tatsächlich Stabilitätswerte im ppm-Bereich pro Jahr möglich, was die Isabellenhütte seit über 100 Jahren eindrucksvoll bei den als internationale Referenz benutzten Normalwiderständen beweist.

Bild 2 zeigt die Verhältnisse bei einem realen SMD-Widerstand, der über 1000 h bei 140 °C ausgelagert wird. Die geringe Drift von ca. –0,2% wird durch Ausheilen von letzten, durch geringe Umformungen während der Produktion erzeugten Gitterfehlern verursacht und zeigt, dass die Bauteile weiter stabilisieren d. h. immer besser werden. Da die Driftgeschwindigkeit sehr stark von der Temperatur abhängt, ist dieser Effekt bereits unterhalb von 100 °C fast nicht mehr nachweisbar.

Der Einfluss der Zuleitungen ist nicht zu vernachlässigen

Bei niederohmigen Widerständen ist der Einfluss der Zuleitungen oft nicht mehr vernachlässigbar, weshalb die Spannungsmessung über zwei zusätzliche Anschlüsse direkt am Widerstandsmaterial erfolgen sollte.

Die Beispiele in Bild 3 zeigen, dass bei unsachgemäßer Konstruktion des Widerstandes bzw. bei einem Layoutfehler sehr große Fehler entstehen können. Die Kupfer-Anschlussdrähte eines bedrahteten Zweileiterwiderstandes stellen beim 10-mΩ-Widerstand bereits 24% des Gesamtwiderstandes dar und eine kurzes 4 mm Stück Leiterbahn im Messkreis würde den Widerstand bereits um 100% verfälschen.

Der Zusatzwiderstand der Zuleitungen kann zwar durch einen Abgleich eliminiert werden, unglücklicherweise kann er aber den Temperaturkoeffizient des Gesamtwiderstandes sehr stark verfälschen wie Bild 4 zeigt. Auch wenn in diesem Beispiel der Kupferanteil mit nur 2% extrem klein ist (im Gegensatz zu 24% im obigen Beipiel), steigt der Temperaturkoeffizient von nahezu Null auf ca. +80 ppm/K.

Das bedeutet, dass die oft geübte Praxis in Datenblättern den Temperaturkoeffizienten des verwendeten Widerstandsmaterials anzugeben, absolut unzulässig und für den Kunden irreführend ist.

Bei Widerständen aus elektronenstrahlgeschweißtem Verbundmaterial Cu-Manganin-Cu ist der Zuleitungswiderstand tatsächlich so niedrig, dass mit einem geeigneten Layout wieder ein Zweileiterwiderstand eingesetzt werden kann, da der Vierleiteranschluss nun durch das Zusammenwirken von Layout, Verlötung und Widerstand realisiert wird. Allerdings ist beim Layoutdesign sorgfältig darauf zu achten, dass der Stromfluss im Widerstand nicht die Spannungsanschlüsse (Senseleitungen) tangiert. Nach Möglichkeit sollten die Sense-Leitungen als Streifenleiter von innen an die Kontakte geführt werden.

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