24.11.2016
Die geringere Messunsicherheit neuer AC-DC-Strommesswiderstände wird nur erreicht, wenn auch ihr Widerstand bei Gleichstrom genau bestimmt wird. Da Widerstandsmessbrücken bei hohen Stromstärken dafür ungeeignet sind, wurde ein Verfahren entwickelt, das eine erweiterte Kalibrier-Unsicherheit von 3.10-6 erreicht. Nach weiterer Optimierung werden damit Werte < 1.10-6 möglich sein.
Eine Kalibrierung von Wechselströmen mit zunehmend geringerer Messunsicherheit, insbesondere für Stromstärken oberhalb von 1 A, erfordert für die genaue Strom- auch eine genaue Spannungsmessung. Am besten dafür geeignet ist die Methode des Wechsel-Gleich-Spannungstransfers, die jedoch nur bei diskreten Spannungswerten durchgeführt wird. Das bedingt wiederum Strommesswiderstände, die für optimale Empfindlichkeit auf die Spannungswerte abgestimmt sind. Die sich dabei ergebenden nichtdekadischen Nennwerte von z.B. 4 mΩ können mit konventionellen Widerstandsmessbrücken aber nicht hinreichend genau gemessen werden.
Darüber hinaus werden für die Frequenzabhängigkeit der Widerstände Koeffizienten benötigt, die auf den Gleichstromeigenschaften der Widerstände basieren und die dafür entsprechend präzise Kalibrierungen bei Gleichstrom voraussetzen. Die Qualität der Widerstandskalibrierung ist abhängig von der Qualität der Bestimmung der Spannungen bzw. von deren Verhältnis.
Bild 1: Prinzipschaltbild der Kalibrierung von Strommesswiderständen
Eine Möglichkeit, das Verhältnis genauer zu bestimmen, ist die simultane Messung beider Spannungen U1 und U2. Dadurch werden das Rauschen und die Kurzzeitinstabilität der Stromquelle weitgehend eliminiert. Allerdings hängt bei dieser Methode die Genauigkeit von der Kalibrierung und der Stabilität der Multimeter ab. Bei Messspannungen im 1-V-Bereich ist es schwierig, ohne aufwändige Zwischenkalibrierung eine Messunsicherheit von 1.10-6 zu erreichen.
Bild 2: Messaufbau zur Kalibrierung von Strommesswiderständen mit nicht-dekadischen Werten mit simultaner Spannungsmessung
Dies kann jedoch umgangen werden, wenn man die Spannungen mittels eines Messstellenumschalters abwechselnd mit den Multimetern misst und dabei eine geeignete Messsequenz wählt. Dadurch lassen sich Fehler der Geräte sowie parasitäre Störspannungen eliminieren. Eine Sequenz ist zum Beispiel
wobei + und – die Stromrichtung bezeichnen und Ui‘ die Messung der jeweiligen Spannung mit vertauschten Messgeräten.
Erste Ergebnisse haben gezeigt, dass sich eine Messunsicherheit von 3.10-6 erreichen lässt. Durch Optimierung der Sequenz wird eine weitere Verringerung möglich sein. Mit Hilfe dieses Aufbaus ergibt sich somit eine Verbesserung der erreichbaren Messunsicherheit für Strommesswiderstände um mindestens einen Faktor drei.