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Widerstandsmeßgerät
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Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung von Widerständen.
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In der gesamten Elektrotechnik spielt der ohmsche Widerstand eine
überragende Rolle. Er kann Werte weit unter 1 Milli-Ohm (10-3#), aber auch Werte
weit über ein Tera-Ohm (1012#) annehmen. So weist beispielsweise die Wicklung einer
elektrischen Maschine einen Durchgangswiderstand der Kupferwicklung im Milli-Ohmbereich
auf, während der Isolationswiderstand der Wicklung gegenüber dem Blechpaket bis
in den Tera-Ohmbereich reichen kann.
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Weitere Beispiele aus der Technik, bei denen beide oder nur einer
dieser Extremwerte vorkommen, sind Relais, Schalter, Steckverbinder, Leiterkarten,
Kabel usw.
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Bisher wurden die Niederohmwiderstände mit einem Milli-Ohmmeter und
die Hoch- bzw. Höchstohmwiderstände mit einem Isolationsmeßgerät oder Tera-Ohmmeter
gemessen. Der Grund hierfür liegt in der unschiedlichen Meßtechnik für die beiden
Widerstandsbereiche.
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Beim Milli-Ohmmeter wird mit Strömen bis in den Amperebereich gearbeitet,
die durch den niederohmigen Prüflingswiderstand fließen. Bei einem bekannten Verfahren
wird mit einem umschaltbaren Konstantstrom Iconst. gearbeitet. Dabei ist der Spannungsabfall
am Niederohmprüfling RxL UxL = RxL Iconst. (1) und damit dem gesuchten Widerstand
RxL direkt proportional.
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Der Einfachheit halber wird in der Beschreibung die Abkürzung L für
"low", also niederer Widerstand oder niederer Spannungspegel, und H für "high" verwendet,
also hoher Widerstand bzw. hoher Spannungspegel.
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Beim Tera-Ohmmeter wird mit einer konstanten Spannung VM bis 1000
V gearbeitet, die an den hochohmigen Widerstandsprüfling gelegt wird. Ein bekanntes
Verfahren arbeitet mit einem hochohmigen, im Vergleich zum Widerstandsprüfling jedoch
niederohmigen Meßwiderstand RNH, an dem der durch den Widerstandsprüfling fließende
kleine (Isolations-) Strom einen Spannungsabfall hervorruft, der
elektrometrisch
verstärkt wird.
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Für diesen Spannungsabfall gilt: UxH = VM RNH/RxH (2) wobei der Spannungsabfall
UxH dem gesuchten Widerstand RxH umgekehrt proportional ist. Analoge Anzeigeinstrumente
weisen deshalb eine reziproke Skala auf, während bei digitalen Geräten eine elektronische
Reziprokwertbildung vorgenommen werden muß.
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Mit den bisherigen Meßgeräten konnte jedoch nur im Niederohmbereich
oder im Hochohmbereich gearbeitet werden.
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Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Widerstandsmeßgerät
zu schaffen, das eine Messung von Widerständen im Niederohmbereich (etwa 0,1 m#
bis 200 k # ) und im Hochohmbereich (etwa 50 k # bis 2 . 1014 # ) ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Das erfindungsgemäße Widerstandsmeßgerät ermöglicht durch die angegebene
Zusammenschaltung von Niederohm- und Hochohmbereich mit der Quotientenschaltung
eine Anzeige, die sowohl im
Niederohm- als auch im Hochohmbereich
direkt proportional zum gesuchten Wert des Widerstandsprüflings ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen
2 bis 5 beschrieben.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher
beschrieben. Die Fig. zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung.
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Dabei ist der Bereich für die Niederohmmessung im wesentlichen im
linken Teil, und der Bereich für die Hochohmmessung im wesentlichen im rechten Teil
der Fig. dargestellt. Zwischen diesen beiden-Bereichen ist ein Schalter Rx D (RxL/RxH)
angeordnet, der vier Schalterebenen S1 bis S4 aufweist. Dabei sind zwei Schalterebenen,
nämlich S1 und S2, mit den Klemmen low (L) bzw. high (H) eines ersten Eingangs Vref
einer Quotientenschaltung mit nachfolgender Analog-Digital (A/D)-Wandler-Stufe ADC
verbunden. Die beiden anderen Schalterebenen, 53 und S4, sind mit den beiden Klemmen
high (H) bzw. low (L) des zweiten Eingangs Vin der Quotientenschaltung verbunden.
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Der Ausgang des A/D-Wandlers ist in bekannter Weise mit einer Digitalanzeige
verbunden. Ein derartiger Baustein mit zwei Eingängen für eine Spannung Vin und
eine Spannung Vref sowie einem Ausgang'für Digitalanzeige wird beispielsweise von
der Firma Intersil unter der Bezeichnung ICL 7106 für eine LCD-Anzelge und ICL 7107
für eine LED-Anzeige vertrieben.
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Für die Niederohmmessung liegt eine kleine Meßspannung V0 an der Reihenschaltung
aus einem niederohmigen Widerstandsprüfling RxL und einem stufenweise änderbaren
Niederohmmeßwiderstand RNL. Der Spannungsabfall am Niederohmmeßwiderstand RNL wird
über die Schalterebenen S1 und S2 den beiden Klemmen H und L des zweiten Eingangs
Vref der Quotientenschaltung mit nachfolgender Analog-Digital-Wandler-Stufe, im
nachfolgenden kurz ADC genannt, zugeführt. In gleicher Weise wird der Spannungsabfall
am niederohmigen Widerstandsprüfling Rx1 über die Schalterebenen S3 und S4 dem ersten
Eingang Vin der ADC-Stufe zugeführt.
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Bei dem gewählten ADC-Baustein gilt: x Digit = 100 Digit Vin/Vref
(3) d.h. bei Vin gleich Vref ist der angezeigte Digitalwert gleich 1000.
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Entsprechend den den beiden Eingängen der A/D-Stufe bei der Niederohmmessung
zugeführten Spannungsabfällen an den Widerständen RXL bzw. RNL gilt: x Digit = 1000
Digit RXL/RNL (4) d.h. der angezeigte Digitalwert ist dem gesuchten Widerstand RxL
direkt proportional Aus Gleichung (4) ist ersichtlich, daß die Spannung VO der Niederohmmeßspannungsquelle
nicht
in das Meßergebnis eingeht. Sie muß daher nicht stabilisiert werden. Von dieser
Eigenschaft kann bei sehr kleinen Widerständen Gebrauch gemacht werden, Indem die
Meßspannungsquelle VO In die Strombegrenzung eingeht, und die Spannung VO damit
absinkt. Die von der Meßspannungsquelle VO abzugebende Leistung kann damit klein
gehalten werden.
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Der Niederohmmeßwiderstand RNL ist in bekannter Weise in Vierpoltechnik
geschaltet, um den Widerstand der Zuleitungen nicht in das Meßergebnis eingehen
zu lassen. In gleicher Weise sollte der niederohmige Widerstandsprüfling RxL bei
kleinen Werten ebenfalls vierpolmäßig angeschlossen werden. Dabei weist der Vierpol
in bekannter Weise Source-oder Quellen-Anschlüsse und Sense- oder Spannungsfühleranschlüsse
auf.
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Zwischen diesen Anschlüssen sind Koppelwiderstände R1 geschaltet,
die bei vierpolmäßigem Anschluß des niederohmigen Widerstandsprüflings RxL kurzgeschlossen
sind. Damit wird die von den Sense-Anschlüssen abgenommene Spannung dem ersten Eingang
der ADC-Stufe zugeführt.
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Bei niederohmigen Widerstandsprüflingen RxL, bei denen die Zuleitungswiderstände
vernachlässigbar sind, ist auch eine zweipolmäßige Schaltung ohne Sense-Anschlüsse
möglich. In diesem Fall wird der. zwischen den Sense-Anschlüssen auftretende Spannungsabfall
über die Koppelwiderstände R1 mit beispielsweise 100 k# erfaßt. Diese Koppelwiderstände
sind klein gegenüber dem Eingangswiderstand der AOC-Stufe, so daß sie nicht in die
Messung eingehen.
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Für die Hochohmmessung liegt eine Hochohmmeßspannungsquelle VM an
der Reihenschaltung aus einem hochohmigen Widerstandsprüfling RxH und einem Hochohmmeßwiderstand
RNH sowie an der parallel dazu geschalteten Reihenschaltung aus einen Spannungsteiler
bildenden Widerständen Rref1und Rref2 Dabei ist der Hochohmmeßwiderstand RNH sehr
viel kleiner als der hochohmige Widerstandsprüfling RxH Der Spannungsabfall am Hochohmmeßwiderstand
RNH wird über einen Verstärker V und die Schalterebenen S1 und S2 des Schalters
RxL/ RxH dem zweiten Eingang Vref der ADC-Stufe zugeführt. In entsprechender Weise
wird der Spannungsabfall an einem der beiden Spannungsteilerwiderstände, nämlich
an Rref2 über die Schalterebenen S3 und S4 dem ersten Eingang Vin der ADC-STufe
zugeführt.
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Entsprechend Gleichung (3) ergibt sich für die Hochohmmessung:
mit
ergibt sich:
d.h. der angezeigte Digitalwert ist dem gesuchten Widerstand RxH
ebenfalls direkt proportional.
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Wie bei der Niederohmmessung ist damit der angezeigte Digitalwert
-im Gegensatz zum Stand der Technik - auch bei der Hochohmmessung dem gesuchten
Widerstand direkt proportional. Es ist damit nicht mehr erforderlich, bei der Hochohmmessung
mit einer Reziprokanzeige zu arbeiten. Dies wird dadurch erreicht. daß die Funktion
der Eingänge Vin und Vref der ADC-Stufe jeweils vertauscht wird. Auc bei der Hochohmmessung
wird damit die Meßspannung VM, wie bei der Niederohmmessung die Spannung VO eliminiert.
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Wird lediglich eine Analoganzeige der Widerstandsprüflinge gewünscht,
so kann die ADC-STufe durch eine Quotientenschaltung ersetzt werden, die die Spannungseingänge
Vin und Vref aufweist und an deren Ausgang ein Signal für ein Zeigerinstrument erscheint,
das dem gesuchten Widerstand direkt proportional ist.
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Für die in der Fig. dargestellte Digitalanzeige weist der Schalter
RxL/RxH eine zusätzliche Schalterebene S5 auf. Außerdem ist eine mit Logic bezeichnete
Logik-Stufe vorgesehen, die aus der Stellung der Schalterebene 55 die Information
erhält, ob es sich um eine Niederohm- oder Hochohmmessung handelt.Weltere Informationen
erhält die
Logik-Stufe von einem nicht dargestellten Meßbereichsschalter,
der die Informationen über die jeweilige Stellung der Widerstände RNL, RNH und Rrefl
bzw. bei Hochohmmessung über die Höhe der Meßspannung VM der Logik-Stufe zuführt,
wie es in der Fig. gestrichelt angedeutet ist.
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So wird beispielsweise bei der Niederohmmessung die Stellung des Meßbereichsschalters
der Logik-Stufe mitgeteilt. Diese ermittelt, welcher Exponent aus der Niederohmgruppe,
nämlich -3, 0 und 3 und welcher Dezimalpunkt DP bei der Digitalanzeige anzusteuern
ist.
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In gleicher Weise steuert die Logik-Stufe entsprechend der ihr zugeführten
Information über die einzelnen Bereiche des Hochohmmeßwiderstands RNH die Exponenten
3, 6, 9 und 12 an.
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Dabei wird jeweils von der Logik-Stufe der Exponent und der Dezimalpunkt
so angesteuert, daß der gesuchte Widerstand an der Digitalanzeige direkt abgelesen
werden kann.
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Zusätzlich zu den einzelnen Bereichen der Meßwiderstände RNH und RNL
kann bei der Hochohmmessung die Höhe der Meßspannung VM ebenfalls berücksichtigt
werden, indem beispielsweise bei VM gleich 100 V eine zehnfache und VM gleich 500V
eine 100-fache Meßbereichserweiterung gegenüber VM gleich 10 V vorgenommen wird.
Die Meßspannung VM wird
mit einem Schalter + VM auf den Widerstandsprüfling
RxH gegeben, der wegen der Hochohmigkeit des Eingangskreises in der Regel abgeschirmt
angeschlossen werden muß. In der anderen Stellung des Schalters + VM wird der Widerstandsprüfling
aus Sicherheitsgründen über den Widerstand R2 mit beispielsweise 10 k # entladen.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß durch die erfindungsgemäße
Verbindung des Niederohm- bwz. Hochohmbereichs über den Schalter mit den Eingängen
Vin und Vref einer Quotientenschaltung eine Anzeige möglich ist, die sowohl bei
der Niederohmmessung als auch bei der Hochohmmessung dem gesuchten Widerstandswert
des Widerstandsprüflings direkt proportional ist. Für den Fall der Digitalanzeige
ist der Ausgang der Quotientenschaltung noch mit einem Analog-Digital-Wandler zu
verbinden, wobei mittlerweile die Kombination von Quotientenschaltung und Analog-Digital-Wandler
als ein integrierter Schaltkreis erhältlich ist, wie es bereits oben ausgeführt
wurde.
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L e e r s e i t e