Messgerät Sensibler Test sichert Qualität und Betriebssicherheit von Kabeln

Autor / Redakteur: Christopher Stacey* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

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.

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

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.

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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.

Das Erstellen von Prüfadaptern für die 4-Draht-Messung

Im Gegensatz zu einem Digitalmultimeter, welches mit vier Anschlüssen (2 für Stromspeisung und 2 zur Spannungsmessung) nur eine Leitung messen kann, bieten moderne Kabeltest-Systeme tausende Testpunkte. Grundgeräte mit 128 Testpunkten lassen sich entsprechend erweitern. Selbstverständlich hat die 4-Draht-Messung seinen Preis. Weil die doppelte Menge an Testpunkten benötigt wird, können nur die halbe Anzahl an tatsächlichen Leitungen geprüft werden. Die Erstellung der erforderlichen Adapter gestaltet sich aufwändiger und damit auch kostenintensiver. Jeder Adapter ist ein Einzelstück und wird von Hand gefertigt.

Bild 4 zeigt ein Adapterkabel, um ein Kabel mit 12 Leitern zu testen. Wir gehen davon aus, dass das Testkabel beidseitig mit demselben Anschluss ausgestattet ist, also muss dieser Adapter zweimal hergestellt werden.

Bild 4: Beispiel eines 4-Draht-Adapters
Bild 4: Beispiel eines 4-Draht-Adapters
(Bild: Alldaq)

Im Bild 5 ist das Testkabel zu sehen und wie es mit Hilfe der Adapterkabel an einen Cable Eye Hochspannungstester angeschlossen ist. Hier werden 48 Testpunkte verwendet, um ein Kabel mit 12 Leitungen zu testen.

Bild 5: Testkabel angeschlossen
Bild 5: Testkabel angeschlossen
(Bild: Alldaq)

Bei der Konzipierung des Adapterkabels ist darauf zu achten, dass die jeweils paarweise verwendeten Source- und Sense-Pins aus dem Tester übereinander liegen, wie etwa Pin 1 und 2. So ergibt es sich, dass die Source-Pins ungerade und die Sense-Pins gerade nummeriert sind. Es kann allerdings auch umgekehrt spezifiziert sein, was auch kein Problem ist. Ein Standard sollte jedoch eingehalten und durchgezogen werden.

Weitere Aspekte, die zu beachten sind:

  • 1. Weil ein Source-Pin 1A und mehr treiben kann, sollte der Leitungsdurchmesser bei min. 0,65 mm liegen. Da der Sense-Pin jedoch keinen Strom treibt, kann der Querschnitt hier sehr gering bemessen werden, was von Vorteil ist, um dieses dünne Kabel mit einem dickeren Source-Kabel in einen kleinen Crimp-Kontakt einzufügen.
  • 2. Die Länge der Zuleitungen in dem Prüfaufbau ist bei einer 4-Draht-Messung unwichtig, da diese nicht Teil der Widerstandsmessung sind. Ein Testkabel kann sich beispielsweise abgesetzt vom eigentlichen Tester in einer Klimakammer befinden. Bei Widerständen der Source-Leitungen ab etwa 5 Ω ist eine längere Prüfdauer zu empfehlen, um in der entsprechenden Zeit genug Strom zum Fließen zu bringen.
  • 3. Sicher zu stellen ist, dass genügend Testpunkte zur Verfügung stehen. Dazu werden die Anzahl der End-Pins des Kabels oder Kabelbaums gezählt und mit 2 multipliziert.
  • 4. Einige Kabeltester besitzen einen 2-reihigen, 64-poligen Stiftstecker (Bild 6). Für diesen Typ empfehlen wir Buchsen vom Typ Ampmodu (Bild 7,8,9), in die sich vergoldete Crimp-Kontakte einstecken lassen. Sie bieten zudem einen besonders geringen Übergangswiderstand, große Stabilität und können mit über 1500 V beaufschlagt werden.

Bild 6: 64-poliger Stiftstecker
Bild 6: 64-poliger Stiftstecker
(Bild: Alldaq)

Um möglichst keine Testpunkte zu „verschenken“ können sämtliche Pins eines Steckers mit entsprechender Adaption verbunden werden. Dabei ist nur darauf zu achten, dass zu jedem ungeraden Testpunkt „n“ der nächste gerade Testpunkt „n+1“ gehört. Neben der 64-poligen Variante können auch genau passende Pin-Zahlen verwendet werden. Die Außenränder der Ampmodu-Buchsen sind schmal genug um auch nebeneinander in den 64-poligen Stecker eingesteckt werden zu können.

Bild 7: Ampmodu-Buchse
Bild 7: Ampmodu-Buchse
(Bild: Alldaq)

Bild 8: Mehrere Gegenstecker an einer Ampmodu-Buchse.
Bild 8: Mehrere Gegenstecker an einer Ampmodu-Buchse.
(Bild: Alldaq)

Bild 9: Ein Gegenstecker auf mehrere Ampmodu-Buchsen
Bild 9: Ein Gegenstecker auf mehrere Ampmodu-Buchsen
(Bild: Alldaq)

Welchen Unterschied macht ein einzelnes Äderchen?

Um die Empfindlichkeit der 4-Draht-Messung zu testen, wurde ein etwa 90 mm langes Stück Litze bestehend aus sieben Einzeladern zwischen zwei Testpunkte einer Interfaceplatine vom Typ CableEye CB29 eingespannt und diese als Source definiert. Über die roten Drähte wurden diese dann mit den Sense-Pins verbunden. Nun werden die Adern einzeln durchtrennt und jeweils eine Widerstandsmessung durchgeführt, um die Änderung zu untersuchen. (Bild 10)

Bild 10: Alle Adern intakt (links), 3 Adern durchtrennt (rechts)
Bild 10: Alle Adern intakt (links), 3 Adern durchtrennt (rechts)
(Bild: Alldaq)

Diese Prüfungen wurden mit drei unterschiedlichen Haltezeiten gemacht, um festzustellen, ob sich die Widerstände je nach Temperaturentwicklung verändern. Obwohl bei Berührung kein Temperaturunterschied festgestellt werden konnte, weichen die Werte bei einer Haltezeit von 1 s bereits leicht ab. (Bild 11, Tabelle)

(Bild: Alldaq)

Zusammenfassung: Der Einsatz einer 4-Draht-Messung beim Kabeltest, kann die Qualität und die Zuverlässigkeit von Kabeln und Kabelbäumen erheblich verbessern. Gepaart mit der bei leistungsfähigen Prüfsystemen ebenfalls vorhandenen Hochspannungsmessung bis 1500 VDC, einer Software, die idealerweise auch Dokumentations- und Speicherfunktionen bietet und einer umfassenden Modularität, die einen großen Investitionsschutz garantiert, ist ein System wie das der Marke CableEye perfekt für die Qualitätssicherung in der modernen Kabelproduktion.

* Christopher Stacey, Key Account Manager und Cable Eye Spezialist bei Alldaq (Business Unit der Allnet GmbH Computersysteme)

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