Bei Batterietests darf das Messgerät die zu messende Größe nicht wesentlich verändern. Ein Voltmeter erfordert daher einen sehr hohen Innenwiderstand, damit es bei Parallelschaltung einen vernachlässigbaren Strom zieht. Ein Amperemeter erfordert einen sehr niedrigen Innenwiderstand, damit es bei Reihenschaltung einen minimalen Spannungsabfall verursacht und der tatsächliche Stromausgang der Batterie gemessen werden kann.
Das ideale Voltmeter verhält sich wie ein offener Stromkreis, während sich das ideale Amperemeter wie ein Kurzschluss verhält. Ihre praktischen Widerstandswerte werden so gewählt, dass Messfehler durch Belastung und Bürdenspannung minimiert werden.
Warum Voltmeter einen hohen Innenwiderstand benötigen
Ein Voltmeter wird parallel geschaltet
Ein Voltmeter misst die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten und wird daher direkt an die Batteriepole oder ein anderes Schaltungselement angeschlossen.
Da parallele Zweige die gleiche Spannung aufweisen, erzeugt das Voltmeter einen zusätzlichen Strompfad. Sein Strom beträgt ungefähr:
[ I_V = \frac{V}{R_V} ]
wobei (V) die gemessene Spannung und (R_V) der Innenwiderstand des Voltmeters ist.
Hoher Widerstand verhindert Messbelastung
Wäre der Widerstand des Voltmeters niedrig, würde es einen signifikanten Strom aus der Batterie ziehen. Dieser zusätzliche Strom würde den Betriebszustand der Batterie verändern und könnte zu einem ungenauen Spannungsmesswert führen.
Ein Voltmeter mit hohem Widerstand zieht nur einen sehr geringen Strom und misst daher die Batteriespannung bei minimaler Störung.
Hoher Widerstand ist besonders bei Batteriezellen wichtig
Eine Batterie kann als ideale elektromotorische Kraft (E) in Reihe mit einem Innenwiderstand (r) modelliert werden. Wenn das Voltmeter Strom zieht, wird die gemessene Klemmenspannung ungefähr:
[ V_{\text{gemessen}} = E - I_V r ]
Ein größerer (R_V) erzeugt einen kleineren (I_V), was den künstlichen Spannungsabfall (I_Vr) reduziert.
Dies ist besonders wichtig für Zellen mit relativ hohem Innenwiderstand, bei denen selbst ein kleiner Messstrom einen spürbaren Spannungsfehler erzeugen kann.
Warum Amperemeter einen niedrigen Innenwiderstand benötigen
Ein Amperemeter wird in Reihe geschaltet
Ein Amperemeter misst den Strom in einem Stromkreis und muss daher in Reihe mit der Last oder dem Batterietestkreis geschaltet werden.
Der gesamte Strom des Stromkreises fließt durch das Messgerät. Jeder Widerstand innerhalb des Amperemeters wird daher Teil des Stromkreises.
Niedriger Widerstand minimiert die Bürdenspannung
Der durch das Amperemeter verursachte Spannungsabfall beträgt:
[ V_A = I R_A ]
wobei (I) der gemessene Strom und (R_A) der Innenwiderstand des Amperemeters ist.
Dieser Abfall wird als Bürdenspannung bezeichnet. Wenn (R_A) zu groß ist, reduziert das Amperemeter die für die Last verfügbare Spannung und verändert den Strom, den die Batterie andernfalls liefern würde.
Niedriger Widerstand bewahrt den tatsächlichen Betriebsstrom
Der Strom einer Batterie unter Last hängt vom Gesamtwiderstand des Stromkreises ab, einschließlich des Innenwiderstands der Batterie und aller externen Widerstände:
[ I = \frac{E}{R_{\text{Last}} + r + R_A} ]
Wenn man (R_A) sehr klein hält, liegt der gemessene Strom näher an dem Strom, der ohne das Messgerät fließen würde.
Dies ist bei der Bewertung der Entladeleistung, der Leistungsfähigkeit, des Wirkungsgrades und des Innenwiderstands der Batterie unerlässlich.
Wie der Widerstand des Messgeräts die Batterietestergebnisse beeinflusst
Das Voltmeter kann die Leerlaufmessung verändern
Eine Leerlaufspannungsmessung soll die elektromotorische Kraft der Batterie bei praktisch keiner externen Last bestimmen.
Ein Voltmeter mit endlichem Widerstand erzeugt eine kleine Last, sodass das Ergebnis technisch gesehen eine Klemmenspannungsmessung unter der Last des Messgeräts ist und keine perfekt unbelastete E.M.K.-Messung.
Das Amperemeter kann die Lastkennlinienmessung verändern
Während eines Entlade- oder Impulsstromtests fügt das Amperemeter einen kleinen Serienwiderstand hinzu.
Dieser Widerstand kann einen kleinen zusätzlichen Spannungsabfall verursachen und den gemessenen Strom reduzieren, insbesondere bei hohen Stromstärken. Präzisions-Batterietester spezifizieren daher die Bürdenspannung und Messgenauigkeit des Amperemeters.
Die Fehler werden bei bestimmten Tests signifikanter
Geräteeinflüsse sind wichtiger, wenn:
- Die Batterie einen hohen Innenwiderstand aufweist.
- Der Teststrom groß ist.
- Die gemessene Spannung klein ist.
- Die erforderliche Genauigkeit hoch ist.
- Der Test empfindliche Impuls-, Impedanz- oder Schwachstrommessungen verwendet.
Das Messsystem sollte in Bezug auf die Batterie und die Testbedingungen ausgewählt werden, nicht nur nach seinem nominalen Spannungs- oder Strombereich.
Die Kompromisse verstehen
Der Widerstand kann nicht als einzige Spezifikation behandelt werden
Ein Voltmeter mit hohem Eingangswiderstand ist wünschenswert, aber die Genauigkeit hängt auch von Eingangsleckströmen, Auflösung, Rauschen, Bandbreite und Eingangsschutz ab.
Ebenso ist ein Amperemeter mit niedrigem Widerstand wünschenswert, aber auch seine Shunt-Genauigkeit, sein thermisches Verhalten, seine Strombelastbarkeit und seine Bürdenspannung sind wichtig.
Sehr hoher Widerstand kann die Empfindlichkeit gegenüber Rauschen erhöhen
Hochohmige Spannungsmessungen können anfälliger für elektrisches Rauschen, Leckströme, Kabelverschmutzungen und elektromagnetische Störungen sein.
Gute Batterietestsysteme kombinieren daher einen hohen Eingangswiderstand mit geeigneter Abschirmung, Filterung, Schutzbeschaltung und stabiler Verkabelung.
Sehr niedriger Amperemeterwiderstand schafft praktische Einschränkungen
Die Reduzierung des Amperemeterwiderstands senkt die Bürdenspannung, aber das Messelement muss dennoch dem Messstrom standhalten und die damit verbundene Wärme ableiten:
[ P_A = I^2 R_A ]
Bei hohen Strömen kann selbst ein kleiner Widerstand zu erheblicher Erwärmung und Messfehlern führen.
Verwechseln Sie nicht den Innenwiderstand der Batterie mit dem Widerstand des Messgeräts
Der Innenwiderstand der Batterie ist eine Eigenschaft der Zelle und ihrer Konstruktion. Der Widerstand des Messgeräts ist ein zusätzlicher Parameter des Messsystems.
Präzise Tests erfordern, dass der Beitrag des Messgeräts vernachlässigbar oder genau charakterisiert ist, damit er nicht mit einer Batterieeigenschaft verwechselt wird.
Anwendung auf Ihren Batterietest
Das korrekte Verhalten des Messgeräts hängt davon ab, ob der Test Spannung, Strom oder beides misst.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Spannung oder E.M.K. liegt: Verwenden Sie ein Voltmeter mit einem Eingangswiderstand, der wesentlich höher ist als die Widerstände der Batterie und des Messkreises, damit dessen Stromaufnahme die Zelle nicht belastet.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Stromabgabe liegt: Verwenden Sie ein Amperemeter oder eine Strommessmethode mit sehr niedriger Bürdenspannung, damit der Sensor den Batteriestrom nicht wesentlich reduziert.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Innenwiderstand liegt: Berücksichtigen Sie alle Widerstände von Messgeräten, Kabeln, Vorrichtungen und Kontakten, da jeder einzelne die beobachtete Spannungsantwort beeinflussen kann.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Hochstromleistung liegt: Überprüfen Sie die Bürdenspannung, die thermischen Grenzwerte und die Kalibrierung des Amperemeters beim tatsächlichen Teststrom.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Schwachstrom- oder Leerlaufverhalten liegt: Verwenden Sie ein Spannungsmesssystem mit hohem Eingangswiderstand und kontrollieren Sie Leckströme, Rauschen und Einschwingzeiten.
Die korrekte Wahl des Widerstands des Messgeräts stellt sicher, dass das Testsystem das Verhalten der Batterie beobachtet, anstatt es zu beeinflussen.
Zusammenfassungstabelle:
| Messgerät | Anschluss | Idealer Widerstand | Warum es wichtig ist | Auswirkung bei falschem Widerstand |
|---|---|---|---|---|
| Voltmeter | Parallel | Sehr hoch (offener Stromkreis) | Zieht vernachlässigbaren Strom, vermeidet Belastung der Batterie | Niedriger Widerstand verursacht Spannungsabfall und ungenaue Messwerte |
| Amperemeter | Reihe | Sehr niedrig (Kurzschluss) | Minimale Bürdenspannung, bewahrt den wahren Strom | Hoher Widerstand reduziert den Strom und verändert Testergebnisse |
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