2-, 3- of 4-draads aansluiting voor rekstrookjes: welke kiest u?

Wanneer één rekstrookje in een kwartbrugschakeling wordt gebruikt, hebben de aansluitdraden invloed op het meetresultaat. Elke aansluitdraad heeft een elektrische weerstand die afhankelijk is van de lengte, doorsnede, het materiaal en de temperatuur. Hoe langer en dunner de draad, hoe hoger de weerstand.

Niet alleen de vaste weerstand van de aansluitdraden is van belang, maar vooral ook de manier waarop deze weerstand verandert bij temperatuurschommelingen. Dit kan leiden tot nulpuntfouten, een lagere gevoeligheid en schijnbare rek. De juiste aansluitconfiguratie is afhankelijk van de lengte van de aansluitdraden, de temperatuuromstandigheden, de vereiste nauwkeurigheid en de gebruikte meetversterker.

De aansluitconfiguratie compenseert uitsluitend invloeden die door de aansluitdraden worden veroorzaakt. De thermische uitzetting van het component, het temperatuurgedrag van het meetrooster van het rekstrookje of een onjuiste afstemming tussen het rekstrookje en het materiaal van het component worden hiermee niet automatisch gecompenseerd. Deze effecten worden besproken in ons artikel over temperatuurcompensatie voor rekstrookjes.

In dit artikel vergelijken we 2-, 3- en 4-draads aansluitingen voor rekstrookjes, leggen we uit hoe de weerstand van de aansluitdraden de meting beïnvloedt en laten we zien wanneer welke configuratie het meest geschikt is.

2-draads aansluiting

Bij een 2-draads aansluiting wordt het rekstrookje via twee aansluitdraden met de meetversterker verbonden. De weerstanden van de heen- en retourdraad staan in serie met het rekstrookje en worden daardoor onderdeel van de actieve brugtak. Dit heeft twee gevolgen. Ten eerste verandert de extra draadweerstand de balans van de brug.

Ten tweede neemt de effectieve gevoeligheid van de meetschakeling af, omdat de weerstandsverandering van het rekstrookje kleiner wordt ten opzichte van de totale weerstand van het rekstrookje en de aansluitdraden.

Wanneer de temperatuur van de aansluitdraden verandert, verandert ook hun weerstand. De brug detecteert deze verandering als schijnbare rek. De 2-draads aansluiting is daarom bijzonder gevoelig voor temperatuurschommelingen.

De 2-draads aansluiting is vooral geschikt voor zeer korte aansluitdraden, thermisch stabiele omstandigheden en metingen waarbij minder hoge eisen aan de nauwkeurigheid worden gesteld. De vaste invloed van de kabelweerstand kan mathematisch worden gecorrigeerd of worden meegenomen in de configuratie van de meetversterker. Temperatuurafhankelijke veranderingen in de kabelweerstand kunnen op deze manier echter niet volledig worden geëlimineerd.

3-draads aansluiting

De 3-draads aansluiting is de meest gebruikte aansluitmethode voor kwartbrugmetingen met rekstrookjes. Dankzij een extra aansluitdraad kunnen de effecten van de draadweerstand over twee naast elkaar gelegen brugtakken worden verdeeld of actief in de meetversterker worden gecompenseerd.

Bij een conventionele passieve 3-draadsschakeling bevinden zich ongeveer gelijke draadweerstanden in naast elkaar gelegen brugtakken. Wanneer deze als gevolg van dezelfde temperatuurverandering in gelijke mate veranderen, beïnvloeden deze veranderingen beide helften van de brug ongeveer even sterk. Daardoor heffen de effecten elkaar in het uitgangssignaal grotendeels op.

De betreffende aansluitdraden moeten:

• van hetzelfde materiaal zijn;
• dezelfde doorsnede hebben;
• zoveel mogelijk dezelfde lengte hebben;
• zoveel mogelijk aan dezelfde temperatuuromstandigheden worden blootgesteld.

Bij een geregelde 3-draadsschakeling kan de meetversterker daarnaast de spanningsval over één aansluitdraad meten en de brugvoeding daarop aanpassen. Hierdoor kan ook de invloed van de vaste draadweerstand op de gevoeligheid grotendeels worden gecompenseerd. De exacte werking is afhankelijk van de gebruikte meetversterker.

De fysieke k-factor van het rekstrookje wordt niet door de aansluitdraden veranderd. Of een aanvullende gevoeligheidscorrectie nodig is, hangt af van de schakeling en de instellingen van het meetinstrument. De 3-draads aansluiting vermindert dus voornamelijk de vaste en temperatuurafhankelijke invloed van de aansluitdraden. Schijnbare rek van het rekstrookje zelf of thermische uitzetting van het component wordt hiermee niet gecompenseerd.

4-draads aansluiting

Bij een 4-draads aansluiting zijn twee extra aansluitingen beschikbaar om de spanningsval of de werkelijke elektrische omstandigheden op het meetpunt nauwkeuriger te bepalen. Hierdoor kunnen de effecten van de aansluitdraden effectiever worden verminderd dan bij een eenvoudige 2-draadsschakeling.

De term 4-draads aansluiting wordt binnen de rekstrookmeettechniek echter niet overal op exact dezelfde manier gebruikt. Afhankelijk van de meetversterker kan het bijvoorbeeld gaan om een Kelvin-meting, een geregelde kwartbrugschakeling of een speciale fabrikantspecifieke compensatieschakeling. De aansluitbezetting en het werkingsprincipe moeten daarom altijd worden gecontroleerd aan de hand van het aansluitschema van de meetversterker.

Bij een correct ondersteunde 4-draadsschakeling kunnen zowel de vaste draadweerstand als temperatuurafhankelijke veranderingen zeer effectief worden gecompenseerd. Het zou echter onjuist zijn om in algemene zin te stellen dat de invloed van de aansluitdraden altijd volledig wordt geëlimineerd. Asymmetrische aansluitdraden, contactweerstanden, temperatuurgradiënten en onjuiste bedrading kunnen nog steeds meetfouten veroorzaken.

De 4-draads aansluiting is met name geschikt voor:

• lange aansluitdraden;
• hoge nauwkeurigheidseisen;
• wisselende temperatuuromstandigheden;
• nauwkeurige shuntkalibraties;
• meettoepassingen met zeer kleine rek.

The table is deliberately kept general. The decisive factor is always which connection method is supported by the specific strain gauge measurement amplifier. Measuring instruments differ, among other things, in their bridge completion, regulation methods, sense function and mathematical cable correction. For quarter bridges, for example, NI and ME-Systeme explicitly specify device-specific completion resistors and connection configurations.

Welke aansluiting voor rekstrookjes moet u kiezen?

Voor de meeste kwartbrugmetingen met rekstrookjes is een 3-draads aansluiting de aanbevolen standaardoplossing, omdat deze de invloed van draadweerstand en temperatuurafhankelijke weerstandsveranderingen aanzienlijk vermindert.

Een 2-draads aansluiting kan voldoende zijn wanneer de aansluitdraden zeer kort zijn, de temperatuuromstandigheden stabiel zijn en geen hoge meetnauwkeurigheid vereist is. Bij lange aansluitdraden, zeer kleine rekwaarden of metingen met hoge nauwkeurigheidseisen kan een ondersteunde 4-draads aansluiting een betere compensatie bieden.

Controleer altijd welke aansluitmethode door de meetversterker wordt ondersteund. Vooral de implementatie van een 4-draads aansluiting kan per fabrikant verschillen.

Praktische richtlijnen voor de bedrading

Alle geleiders van een gecompenseerde schakeling moeten waar mogelijk gezamenlijk in dezelfde kabel worden geleid. Hierdoor worden ze aan vergelijkbare temperatuurveranderingen blootgesteld. Verschillen in lengte, doorsnede of materiaal van de aansluitdraden verminderen de effectiviteit van de compensatie.

Let daarnaast op het volgende:

• zorg ervoor dat contact- en soldeerverbindingen een lage weerstand hebben en stabiel blijven;
• voorzie kabels van voldoende trekontlasting;
• gebruik afgeschermde en/of twisted-pair kabels in omgevingen die gevoelig zijn voor elektrische storingen;
• leg aansluitdraden niet direct naast motor- of voedingskabels;
• zorg ervoor dat het ingestelde brugtype overeenkomt met de daadwerkelijke bedrading;
• voer vóór de meting een nulstelling en plausibiliteitscontrole uit.

Bij lange aansluitdraden moet bovendien worden gecontroleerd of de meetversterker geregelde brugvoeding, kabelcompensatie of een sense-functie ondersteunt.

Conclusie

De 2-draads aansluiting is eenvoudig, maar gevoelig voor zowel de vaste weerstand van de aansluitdraden als temperatuurafhankelijke veranderingen van deze weerstand. Voor kwartbrugmetingen met rekstrookjes is de 3-draads aansluiting daarom meestal de meest geschikte standaardoplossing. Deze vermindert de invloed van de aansluitdraden aanzienlijk, mits de betreffende geleiders vergelijkbare elektrische en thermische eigenschappen hebben.

Met ondersteuning van een geschikt meetinstrument kan een 4-draads aansluiting een nog nauwkeurigere compensatie bieden. Het werkingsprincipe is echter niet bij alle meetversterkers hetzelfde. De bedrading en configuratie moeten daarom altijd worden gecontroleerd aan de hand van de documentatie van de fabrikant.

Een belangrijk onderscheid blijft: de aansluitconfiguratie compenseert uitsluitend effecten die door de aansluitdraden worden veroorzaakt. Temperatuureffecten die verband houden met het component, het rekstrookje en het meetpunt vereisen aanvullende maatregelen.