KoCoS Blog

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In unserem neuesten Blog geben wir spannende Einblicke in die Anwendung unseres Mikroohmmeters PROMET R600 bei der renommierten Firma TRUMPF Laser-und Systemtechnik GmbH. Lesen Sie, wie unser Mikroohmmeter dazu beiträgt, elektrische Verluste zu minimieren und somit auch für größere Reichweiten von Elektrofahrzeugen sorgt.

Die Anforderung: Reduzierung von Übergangswiderständen
In der E-Mobilität müssen Systeme und Komponenten vor allem eines sein: extrem effizient. Jeder Kilometer zählt und Fahrzeuge mit hoher Reichweite haben die Nase vorn. Oftmals haben selbst kleinste Bauteile großen Einfluss darauf –so wie Kupferkontakte. Diese sogenannten Busbars kommen häufig in Invertern zum Einsatz und leiten den Strom beispielsweise von der Batterie zum Antrieb. Meist werden sie miteinander verschraubt. Das reduziert allerdings die Leitfähigkeit: Über die Kontakte wird sehr viel Energie übertragen. Die kraftschlüssige Verbindung mittels einer Schraube führt zu einem hohen Kontaktwiderstand und damit zu Leistungsverlusten. Erschwerend kommt hinzu, dass Kupfer zwar sehr leitfähig ist, aber schnell oxidiert. Die Oxidschicht auf der Oberfläche sorgt an den Verbindungstellen zusätzlich für Energieverluste. Bei E-Fahrzeugen geht das auf die Reichweite, mindert die Leistung und verkürzt die Lebensdauer der Komponenten. Eine Reduzierung des Kontaktwiderstands bei Milliarden von Verbindungen in E-Fahrzeugen weltweit bietet hier ein enormes Einsparpotenzial.

Die Lösung: Strukturieren der Verbindungstelle mit Laser
Mit einem speziell entwickelten Laserverfahren trägt TRUMPF dem Rechnung. Mit seinen TruMicro7070 Lasern strukturiert das Ditzinger Unternehmen die Kupferbusbars vor dem Verschrauben an der Verbindungstelle. Der Laser entfernt zum einen eventuelle Verunreinigungen sowie die alte Oxidschicht und stellt zum anderen eine gezielte Oberflächentopografie ein. Die dabei entstehende, neue reine Oxidschicht schützt und konserviert den Zustand der Oberfläche langfristig. Beim Verschrauben führt die erzielte Struktur zu Mikroverformungen mit dem Resultat einer signifikanten Reduktion der elektrischen Verluste –auch über mehrere Verschraubungs-und Lösungszyklen hinweg.    
Der Laser befreit die Kupferoberfläche von der alten Oxidschicht und sorgt durch die Strukturierung für eine bessere Leitfähigkeit an den verschraubten Stellen.

Der Beweis: Messung mit dem Mikroohmmeter PROMET R600
Die elektrische Leitfähigkeit kann durch Messung des Kontaktwiderstands ermittelt werden. Ein geringerer Widerstand im Kontakt führt zu geringeren elektrischen Verlusten im System und damit auch zu einer höheren Lebensdauer des Kontakts.
Für diese Messung nutzt TRUMPF unser hochgenaues Mikroohmmeter PROMET R600.

Das PROMET R600 ist ein Präzisionsmessgeräte zur Bestimmung von Widerständen im μΩ- bis mΩ-Bereich. Durch die Messung in Vierleitertechnik und der Ausgabe hoher Prüfströme bis 600 ADC erfüllt das Widerstandsmessgerät höchste Genauigkeitsanforderungen. Der Einsatz modernster Leistungselektronik und das robuste Design garantieren maximale Zuverlässigkeit für den stationären und mobilen Einsatz in Industrieumgebungen wie bei der Firma TRUMPF.

Die Bewertung der Kontakte erfolgt sowohl auf Basis der absoluten Messung des Kontaktwiderstands als auch durch die Messung des sogenannten Gütefaktors. Dabei wird der Widerstand im Kontakt mit dem Widerstand im homogenen Leiter verglichen.

Durch die Ausstattung der Systeme mit drei Spannungsmesseingängen können die Widersstände parallel an zwei Messstellen zur gleichen Zeit ermittelt und verglichen werden. Der Gütefaktor K ergibt sich dabei als das Verhältnis des Widerstands RCON der Verbindung über der Überlappungslänge lCON zum Widerstand RREF der Stromschiene gleicher Länge lREF.
Das Ergebnis lässt einen direkten Vergleich unterschiedlicher Qualitäten von elektrischen Übergängen zu.   

Fazit
Mit Lasertechnik lassen sich Kupferkontakte schnell und effizient strukturieren. Das Ergebnis ist ein deutlich reduzierter Übergangswiderstand, der beim Verschrauben der beiden Metallbauteile aktiviert wird. Die KoCoS-Präzisionswiderstandsmessgeräte PROMET R300/R600 sind aufgrund ihrer Messung in Vierleitertechnik und der Fähigkeit, sowohl Strom als auch Spannung genau zu messen, ein ideales Werkzeug zur Charakterisierung solcher Verbindungen für einen hohen Strom und einen niederohmigen Widerstand.

Informationen zum Laser-Verfahren der Firma Trumpf finden Sie im Whitepaper „Laserstrukturieren von Kupferbusbars“ unter www.trumpf.com/de_DE/loesungen/branchen/automobil/e-mobility/laserschweissen-von-leistungselektronik/

Haben Sie Fragen oder Ergänzungen zur Widerstandsmessung oder zu unseren Messgeräten? Dann kontaktieren Sie uns über die Kommentarfunktion hier im Blog oder per Mail an info(at)kocos.com.

Von
Brian Burke, Applikationsingenieur, KoCoS America LLC
Guy Wasfy, Geschäftsführer, KoCoS America LLC
Jürgen Dreier, Produktmanager, KoCoS Messtechnik AG

Erdungs- und Potentialverbindung sind ein wesentlicher Bestandteil für das sichere Funktionieren energie- und nachrichtentechnischer Systeme und zur Sicherstellung der Personen- und Gerätesicherheit.
Spannungspotentialdifferenzen sind durch Erdungsverbindungen und Erdungsverfahren zu vermeiden. Diese Potentialdifferenzen können zwischen metallischen Bauteilen und der Erde auftreten, die die Sicherheit von Menschen und/oder technischen Einrichtungen gefährden können. Metallische Bauteile müssen daher mit dem Erdpotential verbunden sein, um gefährliche Spannungen zu vermeiden. Spannungsabfälle werden durch die Erdung aller nicht spannungsführenden Teile und durch einen umfangreichen Erdpotentialausgleich (Erdungssystem) reduziert. Es ist daher wichtig, dass Erdungsverbindungen einen niedrigen Widerstand aufweisen. Widerstandsmessungen müssen sowohl an den Potential- als auch an den Erdungsverbindungen vorgenommen werden, um sicherzustellen, dass eine ausreichend gute niederohmige Verbindung erreicht und aufrechterhalten wird.

Nachfolgend ist ein Anwendungsbeispiel aus der Energieverteilung aufgeführt, bei denen die Erdung und der Potentialausgleich und deren gute Verbindung wichtig sind. Es gibt jedoch noch viele andere Anwendungen (Schienenfahrzeuge, Luftfahrtindustrie und Flugzeugwartung, usw.), bei denen Erdung und Potentialausgleich berücksichtigt werden müssen. Typische Anwendungen für den Potentialausgleich und die Erdung finden sich in Energieverteilungsanlagen in Nieder- und Mittelspannungsnetzen und insbesondere in Hochspannungsanlagen. Die Erdung aller nicht spannungsführenden Teile und ein umfangreicher Erdpotentialausgleich reduzieren Spannungsabfälle, die in Energieverteilungsanlagen durch kapazitive oder auch induktive Spannungskopplung entstehen können.

Ein Beispiel für diese nicht spannungsführenden Teile sind mechanische Trennschalter, mit denen eine Schaltanlage außer Betrieb genommen wird. Da diese Schalter von Menschen gewartet werden müssen, ist es wichtig, dass ihre Erdungsverbindung nicht beeinträchtigt ist. Bei den Erdungsbändern handelt es sich um Metallgeflechte, die mit Schrauben am Schalter und am Erdungsanschlusspunkt befestigt sind. Diese Bänder können aufgrund von Korrosion oder äußere Schäden zu schlechten Leitern werden. Ein beschädigtes Band kann zu einer unsachgemäßen Erdung des Schalters führen, was ein gefährliches Berührungspotential bei der Benutzung des Schalters verursacht. Um sicherzustellen, dass die Bänder ordnungsgemäß ausgeführt sind, kann die Verbindung mit einer Mikroohmmessung geprüft werden. Ein defektes Erdungsband weist einen hohen Widerstand auf, während ein gut leitendes Band einen niedrigen Widerstand aufweist. Ein hoher Widerstand der Verbindung oder im schlimmsten Fall ein defektes Band kann es erforderlich machen, die Schraubverbindungen zu reinigen und neu zu verbinden oder das Band komplett zu ersetzen.

Neben verschraubten Erdungsbändern können die Erdungsverbindungen auch durch Verschweißungen verbunden werden. Diese Verschweißungen führen zu einer guten mechanischen und elektrischen Verbindung. Dies gilt insbesondere für die Verbindung verschiedener Metalle, wie z. B. die Verbindung eines Kupfererdungsstabs mit einer verzinkten Metallstruktur in einem Umspannwerk. Wenn diese Verschweißungen ordnungsgemäß ausgeführt werden, entsteht eine haltbare und zuverlässige Verbindung (Bild 2). Durch unsachgemäße Erwärmung oder Feuchtigkeit können die Schweißverbindungen Löcher oder Lücken aufweisen (Bild 3) und sowohl mechanisch als auch elektrisch als minderwertig angesehen werden. Die Durchführung einer Mikroohm-Widerstandsmessung an diesen Verbindungen kann Aufschluss über die Schweißqualität geben. Je fachgerechter die Schweißverbindung ausgeführt ist, desto niedriger ist der Widerstandswert. Eine minderwertige Verbindung kann zu einer unzuverlässigen Erdung führen.

Die Widerstandsmessgeräte der KoCoS Messtechnik AG sind ideal für die Messung von Potential- und Erdverbindungen. Das Präzisions-Widerstandsmessgerät PROMET SE dient zur Bestimmung von niederohmigen Widerständen im μΩ- und mΩ-Bereich. Mit einstellbaren Prüfströmen von bis zu 200 A in Verbindung mit einem Vierleitermessverfahren liefern die Systeme Messergebnisse für höchste Genauigkeitsanforderungen. Der Einsatz modernster Leistungselektronik und die robuste Bauweise garantieren höchste Zuverlässigkeit für den mobilen Einsatz.

Das PROMET SE ist ideal für die Vor-Ort-Prüfung, da es batteriebetrieben ist und keinen Netzanschluss benötigt. Viele der beschriebenen Verbindungen können sich an eher unzugänglichen Orten befinden, wie z.B. an Strommasten, sodass der Prüfer auf einer Leiter oder Ähnlichem steht. Ohne den Batteriebetrieb würde das Messgerät auch einen tragbaren Generator benötigen. Außerdem ist das PROMET SE sehr leicht und einfach zu transportieren. Das Messgerät wiegt weniger als 2 kg und kann bequem Vor-Ort eingesetzt werden.

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Beim Verteilen der elektrischen Energie ist zu bedenken, dass durch schlechte Stromverbindungen Verluste entstehen, für deren Ausgleich zusätzliche Leistung vom Energieerzeuger bereitgestellt werden muss. 

Die Verlustleistung an der Kontaktstelle ist vom Strom und dem Widerstand abhängig: P = I²·R

Bei der Übertragung hoher Ströme müssen somit möglichst geringe Übergangswiderstände an den Verbindungsstellen angestrebt werden. Der Übergangswiderstand wird von mehreren Größen beeinflusst und nimmt im Laufe der Betriebszeit durch Alterung zu. Durch die Prüfung am Einbauort kann eine fehlerhafte Verbindung festgestellt und beseitigt werden.

Die Größe zur Beurteilung einer elektrischen Verbindung ist der Widerstand. Der Widerstand einer elektrischen Verbindung liegt im Mikroohm-Bereich. Diese kleinen Widerstandswerte erfordern spezielle Messtechnik wie die Widerstandsmessung in Vierleiter-Technik (Kelvin-Verfahren).

Um die Qualität einer Verbindung beurteilen zu können, ist das Widerstandsmessgerät PROMET SE und PROMET R300/R600 in der Lage, die Güte einer Verbindung zu bestimmen. Aufgrund zweier Spannungsmesseingänge ist eine einfache und schnelle Bestimmung der Qualität, z.B. von Schraubverbindungen an Stromschienen, möglich. Die Bestimmung erfolgt über den Gütefaktor. Dieser wird durch das Verhältnis des Widerstandes der Verbindung über der Überlappungslänge zum Widerstand der Stromschiene gleicher Länge definiert.

Der Gütefaktor K ergibt sich dabei als das Verhältnis des Widerstands RCON der Verbindung über der Überlappungslänge lCON zum Widerstand RREF der Stromschiene gleicher Länge lREF.

     K = RCON/RREF

     RCON: Widerstand der Verbindung
     RREF: Widerstand der Stromschiene

Beim Herstellen einer elektrischen Verbindung ist daher darauf zu achten, dass eine Alterung eingeschränkt wird und eine wartungsarme und zuverlässige Verbindung entsteht.

Durch eine Bestimmung des Widerstandes beziehungsweise der Güte einer Verbindung kann im Rahmen der Montage und Wartung die korrekte Verbindung nachgewiesen und eine Verringerung der elektrischen Verluste, eine Verlängerung der Lebensdauer und eine Erhöhung der Anlagensicherheit erzielt werden.

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Immer häufiger wird in der Fabrik oder im Labor eine Automatisierung im Bereich der Niederohmmessung gefordert. Sei es im Bereich Automobilindustrie/Elektromobilität, bei der Untersuchung von Löt- oder Schweißverbindungen von Hochstromverbindungen oder bei vielfältigen anderen Anwendungen.

Für besondere Anforderungen, wie z.B. beim Einsatz in Prüfständen, gibt es zur Steuerung und Messung mit den Widerstandsmessgeräten PROMET R300/R600 die einfach zu verwendende Programmierschnittstelle PROMET PI. Diese kann sowohl in COM/ActiveX-unterstützenden als auch in .NET-Umgebungen eingesetzt werden.
Durch einmaliges Programmieren des Messablaufes ist es über die Programmierschnittstelle möglich, die Widerstandsmessgeräte PROMET R300 oder R600 in das Prüfequipment einzubinden und Messungen automatisiert durchzuführen.

Mit der Programmierschnittstelle wird ein Treiber installiert, über den die angeschlossenen Geräte angesprochen werden. Die Kommunikation zwischen der Software/PC und dem externen PROMET R300/R600 wird durch die installierte ActiveX-Komponente ermöglicht. Diese erlaubt die Kommunikation über USB- oder Ethernet-Schnittstellen.
Als Beispiel wird zur Steuerung von PROMET R300/R600 und zur Auswertung der Messergebnisse in dieser Beschreibung ein Excel-Tabellenblatt verwendet, über das die programmierten VBA-Makros (Visual Basic for Applications) ausgeführt werden. Programme können entsprechend der Bedürfnisse geändert und angepasst werden.

Die Präzisionswiderstandsmessegeräte PROMET R300/R600 sind aufgrund ihrer Messung in Vierleitertechnik und der Fähigkeit, sowohl Strom als auch Spannung genau zu messen, ein ideales Werkzeug zur Charakterisierung von Komponenten für einen hohen Strom und einen niederohmigen Widerstand. 
Wie im Artikel aufgezeigt, kann ein über externe Software gesteuertes Widerstandsmesssystem auf einfache Weise in eine automatisierte Anwendung eingebunden werden. Die Verwendung der Widerstandsmessgeräte PROMET R300/R600 zur Durchführung solcher Messungen vereinfacht den Prüfaufbau, verkürzt die Programmierzeit und ermöglicht effiziente Prüfabläufe.

Weitere Informationen zur Verwendung der Programmierschnittstelle PROMET PI finden Sie im Applikationsbericht PROMET R300/R600 - Die intelligente Art der Widerstandsmesstechnik!

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PS:
Auch der dreiphasige Signalgenerator EPOS 360 lässt sich über die Programmierschnittstelle EPOS PI in einer ähnlichen Form in eigene Prüfapplikationen einbinden!

Widerstandsmessung mit PROMET - Ohm sei Dank!

Nachdem Alessandro Volta 1801 mit der sogenannten Volta-Säule eine Quelle schuf, die elektrischen Strom lieferte, war es möglich, die Wirkungen des elektrischen Stromes zu erforschen. Viele Forscher machten zahlreiche Entdeckungen und Beobachtungen, jedoch die rätselhaften Auswirkungen des elektrischen Stromes konnten nicht enthüllt werden.

Erst durch die Entdeckungen und Forschungen von Georg Simon Ohm konnte der Sachverhalt ergründet werden. Ohne seine Erforschung und ohne die daraus resultierenden Grundlagen des Ohm‘schen Gesetzes wären die herausragenden Entwicklungen der Elektrotechnik nicht möglich gewesen.

Georg Simon Ohm, geboren am 16. März 1789 in Erlangen, gestorben am 6. Juli 1854 in München, war ein deutscher Physiker.

Das entscheidende Messinstrument zur Entdeckung der Ohm’schen Gesetze war die von Ohm konstruierte Drehwaage. Die Drehwaage besteht aus einem Thermoelement (A), bei dem die Enden auf unterschiedlichen, aber gleichmäßigen Temperaturen (B) gehalten werden. Einer Magnetnadel (C) an einer einstellbaren Aufhängung (D) und einer Vorrichtung mit der die verschiedenen Testleiter (E), d.h. der variable Widerstand, kontaktiert werden können.

Wird ein Testleiter angeschlossen, sodass ein Strom fließt, wird die Magnetnadel abgelenkt. Die Stellung wird auf einer Skala abgelesen. Die Ablenkung bzw. die abgelesenen Skalenwerte bilden ein proportionales Maß für die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes, somit die Stromstärke.

Ohm konnte aus diesen Messungen auf das Gesetz schließen:
I = Uq / (Ri + Rv)
Stromstärke = Quellenspannung / (Innenwiderstand + variabler Widerstand)

Ohm veröffentlicht seine Ergebnisse 1826 und fand zuerst wenig Anerkennung. Erst 1841 erhielt Ohm als Auszeichnung für seine Arbeiten die Copley-Medaille der Royal Society of London, die dem heutigen Nobelpreis entspricht. 1893 wird von dem Elektrischen Welt-Kongress in Chicago die Bezeichnung „Ohm“ (Zeichen Omega: Ω) für die Einheit des elektrischen Widerstandes vergeben. 

Mit der Ohm‘schen Drehwaage ist in diesem Beitrag nur der erste Schritt der Entwicklung von Widerstandsmessgeräten beschrieben. Die Geschichte der Widerstandsmessung zeigt die Veränderungen vom Zeitalter der frühen Experimentatoren bis zum heutigen Computerzeitalter, d.h. von Messbrücken über erste elektronische Geräte bis zu den heutigen digitalen Messsystemen. Die Entwickler nutzten immer die neuesten Ideen und Systeme, um die Produkte nützlicher und bedienfreundlicher zu machen. Durch den technischen Wandel wurde die Entwicklung der Messgeräte vorangetrieben und technologische Fortschritte realisiert.

 

KoCoS fühlt sich dieser Entwicklung verpflichtet und bietet mit der PROMET Serie eine vielfältige Produktpalette an Widerstandsmessgeräten. Mit den PROMET Präzisions-Widerstandsmessgeräten werden niederohmige Widerstände im μΩ- und mΩ-Bereich bestimmt. Mit einstellbaren Prüfströmen von bis zu 600 A in Verbindung mit einem Vierleiter-Messverfahren liefern die Systeme Messergebnisse für höchste Genauigkeitsanforderungen. Typische Anwendungen sind z.B. die Bestimmung des Kontaktwiderstandes von Schaltgeräten und die Widerstandsbestimmung an induktiven Lasten wie Transformatoren. Der Einsatz modernster Leistungselektronik und das robuste Design garantieren maximale Zuverlässigkeit für den mobilen Einsatz, aber auch für stationären Einsatz im Labor und der Fabrik.

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