Messgerät

Sensibler Test sichert Qualität und Betriebssicherheit von Kabeln

| Autor / Redakteur: Christopher Stacey* / Ines Stotz

Kabeltests: ein Muss. In vielen kritischen Bereichen geht es um Menschenleben die gefährdet sind, wenn Leitungswiderstände zu hoch sind.
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Kabeltests: ein Muss. In vielen kritischen Bereichen geht es um Menschenleben die gefährdet sind, wenn Leitungswiderstände zu hoch sind. (Bild: © typomaniac/Fotolia.com)

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Um einen fehlerfreien Betrieb zu gewährleisten, spielt die Qualitätssicherung in der modernen Kabelproduktion eine wichtige Rolle. Der Einsatz einer 4-Draht-Messung beim Kabeltest, kann die Qualität und die Zuverlässigkeit von Kabeln und Kabelbäumen erheblich verbessern.

Hochgenaue Messungen kleiner Widerstände sind sehr wichtig, wenn es darum geht Leitungen zu prüfen, die etwa hohen Strom führen sollen oder wenn besonders hohe Zuverlässigkeit garantiert werden muss wie in der Medizintechnik sowie Luft- und Raumfahrt. Denn in vielen kritischen Bereichen geht es um Menschenleben, wenn Leitungswiderstände zu hoch sind. Dies zeigt die Dringlichkeit solche Bauteile während der Produktion und auch im Feldeinsatz in regelmäßigen Abständen zu testen.

Ungewollt hohe Widerstände an Anschlüssen, die hohe Ströme leiten sollen, können schnell zu Überhitzungen und damit zu Bränden oder gar Explosionen führen. Obwohl Kabel in der Medizintechnik eher geringe Ströme führen, sind sie oft sehr fein und werden an hochgenaue Sensoren angeschlossen, die zum Teil lebenswichtige Aufgaben erfüllen was bei Fehlern ungeahnte Folgen haben kann.

Kleine Fehler – Große Wirkung

Milliohm-genaue Messungen helfen viele Fehler aufzudecken, die durch keine andere Messung so genau erfassbar sind. Dazu gehören kalte Lötstellen, Fehler beim Crimpen, zurückversetzte Anschluss-Pins, Verschmutzung einzelner Kontakte, unzureichender Leitungsquerschnitt oder überdehnte Leitungen.

4-Draht-Messungen erlauben es dem Anwender Widerstände unterhalb 0,1 Ω zu messen, während die Widerstände der Adaption ignoriert werden. Ein qualitativ hochwertiges Messkabel eines Digital-Multimeters (DMM) von 60 cm Länge mit 4 mm Bananensteckern an beiden Enden besitzt einen Widerstand von etwa 0,1 Ω. Zum Anschluss eines Prüflings werden zwei Leitungen verwendet, wodurch wir schon einen Widerstand von min. 0,2 Ω erwarten können. Befinden sich an den Steckern etwa Oxidation, Schmutz oder andere Verunreinigungen, steigt dieser Wert weiter, ganz zu schweigen von Fehlern aufgrund geknickten Leitungen und Steckern.

Was genau ist 4-Draht Messung?

Das Ohm’sche Gesetz definiert den Widerstand R als das Verhältnis der Spannung U und des Stromes I welcher durch eine Komponente fließt: R=U/I. Um den Widerstand zu messen wird ein Prüfstrom an eine Leitung angelegt und der Spannungsabfall gemessen. Hieraus kann der Widerstand einfach berechnet werden, wie im Bild 1 dargestellt.

Bild1: 2-Draht-Messung
Bild1: 2-Draht-Messung (Bild: Alldaq)

Der zu messende Widerstand RW befindet sich zwischen den beiden Anschlüssen. Der Gesamtwiderstand beinhaltet allerdings auch den der Zuleitungen RL1 und RL2. In vielen Fällen wird der Widerstand der Zuleitungen geringer sein, als der, der zu messenden Leitung oder Komponente und kann daher vernachlässigt werden.

In manchen Situationen wird dagegen der zu messende Widerstand RW so stark von den Zuleitungen beeinflusst, dass keine verlässliche Messung mehr möglich ist. Dies kann korrigiert werden, indem die Messung des Spannungsabfalls wie in Abb. 2 dargestellt, direkt an den Anschlüssen gemessen wird.

Bild 2: 4-Draht-Messung
Bild 2: 4-Draht-Messung (Bild: Alldaq)

Das Ohmmeter wird also mit vier Leitungen an die zu prüfende Leitung angeschlossen. In Abb. 3 sehen Sie in Nahaufnahme einen solchen 4-Draht Anschluss eines hochwertigen DMMs (Digitalmultimeter). Deshalb wird diese Messung auch „4-Draht“- oder „4-Draht-Kelvin“-Messung nach dem Physiker Lord Kelvin benannt, der diese Art der Messung bereits im 19. Jahrhundert erfand.

Bild 3: 4-Draht-Anschluss eines DMM
Bild 3: 4-Draht-Anschluss eines DMM (Bild: Alldaq)

Der Strom welcher zur Spannungsmessung in einem 4-Draht-Messsystem geprägt wird, ist in der Regel mit einem Bruchteil eines Mikro-Amperes äußerst gering, sodass der Spannungsabfall über die Zuleitungen kaum eine Rolle spielt. Einfach gesagt gibt es keinen Spannungsabfall über eine Leitung wenn kein Strom fließt unabhängig von der Länge. Dies ist ein wichtiger Fakt wenn es darum geht, Leitungen länger als 3 m oder mehr zu prüfen. Solche Leitungslängen werden insbesondere bei Kabelbäumen sehr schnell erreicht.

Vorteile der 4-Draht-Messung

Der Hauptvorteil der 4-Draht-Messung liegt also darin, dass die Zuleitungen quasi ignoriert werden. Ein weiterer, erheblicher Vorteil besteht darin, dass durch die Stromquelle höhere Ströme geprägt werden können als bei 2-Draht-Messungen. Ein Strom von 1 A oder mehr über eine definierte Zeit auf eine Leitung gegeben, ermöglicht es dem Anwender, den Widerstand der sich durch eine eventuelle Erwärmung der Leitung verändert zeitlich zu betrachten, was bei der üblichen 2-Draht-Messung in der Regel nicht möglich ist.

Die eingesetzte Software muss es erlauben, den Prüfstrom und die Haltezeit des Prüfstroms einzelner Leitungen und Komponenten einzustellen oder einzelne Leitung komplett aus der Messung auszuschließen, falls es sich um Sicherungen oder Bauteile handelt, die keinen höheren Prüfstrom vertragen.

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