Bei einem einzelnen Dehnungsmessstreifen in einer Viertelbrückenschaltung beeinflussen die Anschlussleitungen das Messergebnis. Jede Leitung besitzt einen elektrischen Widerstand, der von Länge, Querschnitt, Material und Temperatur abhängt. Je länger und dünner die Leitung ist, desto größer ist ihr Widerstand.
Besonders kritisch ist nicht nur der feste Leitungswiderstand, sondern auch dessen Änderung bei Temperaturschwankungen. Dadurch können Nullpunktfehler, eine verringerte Empfindlichkeit und scheinbare Dehnungen entstehen. Welche Anschlussart geeignet ist, hängt von Leitungslänge, Temperaturbedingungen, Genauigkeitsanforderung und dem verwendeten Messverstärker ab.
Die Leitertechnik kompensiert ausschließlich Einflüsse, die durch die Anschlussleitungen entstehen. Sie kompensiert nicht automatisch die thermische Ausdehnung des Bauteils, das Temperaturverhalten des Messgitters oder eine ungeeignete Abstimmung des DMS auf den Bauteilwerkstoff. Diese Effekte werden im Artikel Temperaturkompensation bei Dehnungsmessstreifen behandelt.
2-Leitertechnik
Bei der 2-Leitertechnik wird der DMS über zwei Leitungen mit dem Messverstärker verbunden. Die Widerstände von Hin- und Rückleitung liegen in Reihe mit dem DMS und werden dadurch Bestandteil des aktiven Brückenarms. Das hat zwei Auswirkungen: Zum einen verändert der zusätzliche Leitungswiderstand den Brückenabgleich. Zum anderen sinkt die effektive Empfindlichkeit der Messschaltung, weil die Widerstandsänderung des DMS im Verhältnis zum gesamten Widerstand aus DMS und Leitungen kleiner erscheint.
Ändert sich die Temperatur der Leitungen, verändert sich auch deren Widerstand. Diese Änderung wird von der Brücke als scheinbare Dehnung erfasst. Die 2-Leitertechnik ist deshalb besonders empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen.
Die 2-Leitertechnik eignet sich vor allem für sehr kurze Leitungen, thermisch stabile Bedingungen und Messungen mit begrenzten Genauigkeitsanforderungen. Der feste Einfluss des Kabelwiderstands kann rechnerisch oder durch eine geeignete Parametrierung des Messverstärkers berücksichtigt werden. Temperaturbedingte Änderungen des Kabelwiderstands lassen sich damit jedoch nicht vollständig beseitigen.
3-Leitertechnik
Die 3-Leitertechnik ist die gebräuchlichste Anschlussart für DMS-Viertelbrücken. Eine zusätzliche Leitung ermöglicht es, die Leitungseinflüsse auf zwei benachbarte Brückenarme zu verteilen oder vom Messverstärker aktiv zu kompensieren.
Bei der klassischen passiven 3-Leiterschaltung liegen annähernd gleiche Leitungswiderstände in benachbarten Brückenarmen. Ändern sie sich durch dieselbe Temperaturänderung um denselben Betrag, wirken sich diese Änderungen weitgehend gleich auf beide Brückenhälften aus und heben sich im Ausgangssignal größtenteils auf.
Voraussetzung ist, dass die relevanten Leitungen:
- aus demselben Material bestehen,
- den gleichen Querschnitt besitzen,
- möglichst gleich lang sind,
- weitgehend denselben Temperaturbedingungen ausgesetzt sind.
Bei einer geregelten 3-Leiterschaltung kann der Messverstärker zusätzlich den Spannungsabfall über eine Leitung erfassen und die Speisung entsprechend korrigieren. In diesem Fall kann auch der Einfluss des festen Leitungswiderstands auf die Empfindlichkeit weitgehend kompensiert werden. Die genaue Funktion hängt vom verwendeten Messverstärker ab.
Der physikalische k-Faktor des DMS wird durch die Leitungen nicht verändert. Ob eine zusätzliche Empfindlichkeitskorrektur erforderlich ist, hängt von der Schaltungsart und der Parametrierung des Messgeräts ab. Die 3-Leitertechnik reduziert somit vor allem den festen und temperaturabhängigen Einfluss der Anschlussleitungen. Eine scheinbare Dehnung des DMS selbst oder die thermische Ausdehnung des Bauteils werden dadurch nicht kompensiert.
4-Leitertechnik
Bei einer 4-Leitertechnik stehen zwei zusätzliche Anschlüsse zur Verfügung, um den Spannungsabfall oder die tatsächlichen elektrischen Verhältnisse an der Messstelle genauer zu erfassen. Dadurch können Leitungseinflüsse stärker reduziert werden als bei einer einfachen 2-Leiterschaltung.
Der Begriff ist bei DMS jedoch nicht vollständig einheitlich. Je nach Messverstärker kann es sich beispielsweise um eine Kelvin-ähnliche Messung, eine geregelte Viertelbrückenschaltung oder eine spezielle herstellerspezifische Kompensationsschaltung handeln. Deshalb müssen Anschlussbelegung und Funktionsweise immer anhand des Schaltplans des Messverstärkers geprüft werden.
Bei einer korrekt unterstützten 4-Leiterschaltung können sowohl der feste Leitungswiderstand als auch temperaturbedingte Änderungen sehr wirksam kompensiert werden. Eine pauschale Aussage, dass der Leitungseinfluss grundsätzlich vollständig entfällt, ist jedoch nicht sinnvoll. Unsymmetrische Leitungen, Kontaktwiderstände, Temperaturgradienten und eine falsche Verdrahtung können weiterhin Messfehler verursachen.
Die 4-Leitertechnik eignet sich besonders für:
- lange Anschlussleitungen,
- hohe Genauigkeitsanforderungen,
- wechselnde Temperaturbedingungen,
- präzise Shuntkalibrierungen,
- Messaufgaben mit sehr kleinen Dehnungen.
Die Tabelle ist bewusst allgemein gehalten. Entscheidend ist immer, welche Anschlussart der konkrete DMS-Messverstärker unterstützt. Messgeräte unterscheiden sich unter anderem bei Brückenergänzung, Regelverfahren, Sense-Funktion und rechnerischer Kabelkorrektur. NI und ME-Systeme weisen beispielsweise für Viertelbrücken ausdrücklich gerätespezifische Ergänzungswiderstände und Anschlusskonfigurationen aus.
Praktische Hinweise zur Verdrahtung
Alle Adern einer kompensierten Schaltung sollten möglichst gemeinsam im selben Kabel geführt werden. Dadurch erfahren sie ähnliche Temperaturänderungen. Unterschiedliche Leitungslängen, Querschnitte oder Materialien verschlechtern die Kompensation.
Zusätzlich sollte darauf geachtet werden, dass:
- Kontakt- und Lötstellen niederohmig und stabil sind,
- Kabel gegen Zug entlastet werden,
- geschirmte beziehungsweise verdrillte Leitungen bei störanfälligen Umgebungen verwendet werden,
- Leitungen nicht unmittelbar neben Motor- oder Leistungskabeln verlaufen,
- der eingestellte Brückentyp zur tatsächlichen Verdrahtung passt,
- vor der Messung Nullabgleich und Plausibilitätsprüfung durchgeführt werden.
Bei langen Leitungen sollte außerdem geprüft werden, ob der Messverstärker eine geregelte Speisung, Kabelkompensation oder eine Sense-Funktion unterstützt.
Fazit
Die 2-Leitertechnik ist einfach, reagiert aber empfindlich auf den festen Widerstand der Anschlussleitungen und dessen temperaturbedingte Änderung. Für DMS-Viertelbrücken ist deshalb meist die 3-Leitertechnik die sinnvollste Standardlösung. Sie reduziert Leitungseinflüsse weitgehend, wenn die beteiligten Adern vergleichbare elektrische und thermische Eigenschaften besitzen.
Die 4-Leitertechnik kann bei geeigneter Geräteunterstützung eine noch genauere Kompensation ermöglichen. Ihre Funktionsweise ist jedoch nicht bei allen Messverstärkern identisch, weshalb Verdrahtung und Parametrierung anhand der Herstellerdokumentation geprüft werden müssen.
Wichtig ist die Abgrenzung: Die Leitertechnik kompensiert nur Einflüsse der Anschlussleitungen. Temperatureffekte des Bauteils, des DMS und der Messstelle erfordern zusätzliche Maßnahmen, die im Artikel Temperaturkompensation bei Dehnungsmessstreifen erläutert werden.