Ohmmeter

In den letzten Wochen habe ich ein Widerstandsmessgerät als Drei- bzw. als Vierleitermessung für kleine Widerstände entwickelt, dass mit Standardkomponenten auskommt, dabei aber genauer als ein normales Multimeter sein sollte.

Rein rechnerisch ergibt sich eine Genauigkeit von c.a. 0,21% auf den Messbereichsendwert bezogen. Dies setzt sich aus der Referenzspannung, des verwendeten Messstroms und aus dem Fehler des ADC des verwendeten Atmega 8 zusammen. in den 0,21% sind aber noch keine Fehler der übrigen Bauteile eingerechnet. Dazu aber später.

 

Einleitung:

Das Prinzip einer Vierleitermessung ist im dazugehörigen Wikipedia Artikel sehr gut beschrieben. Daher möchte ich an diese Stelle nicht näher darauf eingehen.
Es sei nur gesagt, dass wir nicht direkt die Spannungsdifferenz (benötigt einen Instrumentenverstärker) die durch einen konstanten Strom an dem Messwiderstand messen, sondern einmal vor und einmal nach dem Messwiderstand. Daraus kann dann die Differenz ermittelt werden.

 

Fakten:

Genauigkeit: 0.21%

Auflösung: 1 mOhm

Messbereiche:
1: mit 100mA bis 30 Ohm
2: mit 50mA bis 60Ohm

Controller Atmega 8:
Takt: interne 8MHz
Versorgungsspannung: 5V
Referenzspannung: 3,3V

Ausgabe:Display und UART (mit FTDI auch RS232)

Umschaltbar zwischen Dreileiter- und Vierleitermessung.

 

Stromquelle:

Ich habe im Zuge der Entwicklung verschiedene Schaltungen getestet um eine Konstantstromquelle zu realisieren. Leider waren die meisten Konstantstromquellen trotzdem leicht von der verwendeten Last abhängig. Daher hat sich die Variante mit einem einfachen Operationsverstärker und einem Kondensator am Ausgang als die beste erwiesen.

Bei dieser Schaltung bleibt der Strom mit der last Konstant. Leider ist diese Schaltung durch den verwendeten PNP (BD 136) Transistor nicht thermisch stabil. Diesem Problem gehe ich einfach aus dem weg, in dem die Stromquelle alle 0.5 Sekunden für nur eine sehr kurze Zeit eingeschaltet wird, sodass sich die Komponenten nicht nennenswert erwärmen können.

 

Spannungsversorgung:

Das gesamte Messgerät wird mit 10-12V gespeist. Die 5V für den Controller werden mit einem Linearregler (7805) erzeugt. Für die Referenzspannung nutze ich ebenfalls ein Linerarregler (AMS1117-3,3). Beide Bauteile sind sehr günstig zu bekommen.

Durch die einfache Kombination aus einem Poti und verschiedenen Widerständen als Referenz der Stromquelle ist es nötig, dass die Konstantstromquelle immer mit der gleichen Spannung gespeist wird. Dazu nutze ich wiederum ein Linearregler (LM317) der eine Spannung von 7,5V erzeugt. Dies ist notwendig, da bei einem Strom von 100mA an dem Referenzwiderstand der Konstantstromquelle bereits 2,4V abfallen sowie die Spannung über dem Kondensator. Anschließend müssen wir aber immer noch mindestens 3V zur Verfügung haben, da wir sonst den Messbereichsendwert nicht erreichen. Man kann als Referenzswiderstand zwar auch einen kleineren als 24 Ohm wählen, benötigt dann aber einen anderen Operationsverstärker, da bei kleinerem Widerständen dessen Ausgangsspannung immer näher an die Betriebsspannung gelangen muss.

Die Spannung sollte aber auch nicht zu groß sein, da diese ohne Messwiderstand direkt an den ADC Pins des Controllers anliegt. Wenn der Controller mit 5V versorgt wird, dürfen maximal 5,5V anliegen. Da sind leider auch schon die 7,5V zu viel. Daher habe ich als Schutz vor jedem Eingang eine Zehnerdiode (5,1V) vorgesehen. Kleinere Zehnerdioden sollten nicht verwendet werden, da Zehnerdioden keine lineare Kennlinie besitzen und auch schon bei geringeren Spannungen als die Durchlasspannung leicht anfangen zu leiten. Dies würde dann zu einem nicht akzeptablen Fehler führen. Alternativ dazu kann man auch Schottkeydioden in Sperrichtung zur Versorgungsspannung verwenden. Da muss man aber darauf achten, dass diese sehr kleine Durchlassspannungen (< 0,3V) haben und man sollte eine Zehnerdiode parallel zur Versorgungsspannung nutzen, damit die Versorgungsspannung nicht viel größer als 5V werden kann. Wer dazu noch genauere Informationen haben möchte, darf gerne ein Kommentar hinterlassen. 🙂

 

Kalibrierung:

Zur Kalibrierung sind zwei schritte nötig. Als erstes muss Überprüft werden, ob der Spannungsregler auch wirklich 3,3V liefert oder z.B. nur 3,29V. Die sollte mit halbwegs tauglichen Multimetern möglich sein.

Der zweite Schritt ist den Referenzstrom genau ein zu stellen. Dies funktioniert aber nur für einen Messbereich. Für den anderen Messbereich ergibt sich dann automatisch ein anderer Strom, der ungefähr die Hälfte bzw. das doppelte des anderen Messbereichs beträgt. Das einstellen funktioniert denkbar einfach. Man nehme einfach einen Widerstand von 10 Ohm mit einer Genauigkeit von 0,1%. Diese gibt es auch schon relativ günstig. Da die Toleranz des Widerstands geringer als die Genauigkeit des Messgeräts ist, können wir den Widerstand einfach anschließen und so lange an dem Poti drehen, bis der angezeigte Widerstand dem tatsächlichen entspricht.
Anschließend nehme man einen anderen genauen Widerstand der in den zweiten Messbereich (> 30 Ohm und < 60 Ohm) passt und liest die angezeigt Spannung ab. Danach muss nur noch mittels Ohmschen Gesetz der Strom ausgerechnet und dieser dem Controller mitgeteilt werden. Damit hat man beide Messbereiche kalibriert.

 

Schaltplan:

 

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