Die Vierleitermessung – nach ihrem Erfinder auch Kelvin-Messung genannt – trennt den Strompfad vom Spannungspfad. Sie ist das Standardverfahren überall dort, wo der zu messende Widerstand so klein ist, dass Zuleitungen und Kontaktstellen das Ergebnis dominieren würden.
Warum die Zweileitermessung an ihre Grenze kommt
Bei einer Zweileitermessung fließt der Prüfstrom über dieselben Leitungen, an denen auch die Spannung abgegriffen wird. Das Messgerät sieht deshalb nicht nur den Prüfling, sondern zusätzlich beide Zuleitungen und beide Kontaktstellen.
In der Praxis liegen Zuleitungen und Kontaktübergänge zusammen leicht bei 50 bis 100 mΩ. Wer damit eine Schweißverbindung von 5 mΩ prüfen will, misst am Ende überwiegend seinen eigenen Prüfaufbau. Und weil sich Kontaktwiderstände mit jedem Steckvorgang leicht ändern, streut das Ergebnis zusätzlich von Messung zu Messung.
So funktioniert die Vierleitermessung
Die Lösung besteht darin, zwei Aufgaben auf zwei getrennte Leitungspaare zu verteilen. Über das äußere Paar – den Strompfad – speist die Quelle einen definierten Prüfstrom ein. Über das innere Paar – den Spannungspfad – misst das Voltmeter den Spannungsabfall unmittelbar am Prüfling.
Entscheidend ist der hohe Eingangswiderstand des Voltmeters: Weil im Spannungspfad praktisch kein Strom fließt, entsteht über dessen Leitungen und Kontaktstellen auch kein nennenswerter Spannungsabfall. Deren Widerstand fällt damit aus dem Ergebnis heraus. Der gesuchte Widerstand ergibt sich schlicht aus gemessener Spannung geteilt durch eingeprägten Strom.
Der Übergangswiderstand des Prüfkontakts geht also nicht in das Messergebnis ein – was die Vierleitermessung so robust macht. Ganz gleichgültig ist er trotzdem nicht: Im Strompfad begrenzt ein zu hoher Übergang den einprägbaren Prüfstrom, und im Spannungspfad verschlechtert er das Signal-Rausch-Verhältnis.
Praxisregeln für den Prüfaufbau
- Spannung innen, Strom außen – der Spannungsabgriff muss zwischen den Einspeisepunkten liegen, sonst wird ein Teil der Zuleitung mitgemessen
- So nah wie möglich an den Prüfling – jeder Zentimeter zwischen Abgriff und Messobjekt geht als Fehler in das Ergebnis ein
- Thermospannungen beachten – an Materialübergängen entstehen Spannungen im Mikrovoltbereich; sie lassen sich durch Messung mit umgekehrter Stromrichtung und Mittelwertbildung herausrechnen
- Prüfstrom bewusst wählen – ein höherer Strom verbessert das Signal, erwärmt aber den Prüfling und verfälscht das Ergebnis über den Temperaturkoeffizienten
- Vier Leitungen bis zum Kontakt führen – eine Aufteilung erst kurz vor dem Prüfling macht den Aufwand zunichte
Ab wann lohnt sich der Aufwand?
Als Faustregel gilt: Unterhalb von etwa einem Ohm führt an der Vierleitermessung kein Weg vorbei. Zwischen einem und hundert Ohm ist sie empfehlenswert, sobald es auf Reproduzierbarkeit ankommt. Darüber genügt in der Regel die Zweileitermessung, weil die Zuleitungen dann im Verhältnis nicht mehr ins Gewicht fallen.
Vier Leitungen an einem Pin – das Platzproblem
Theoretisch ist die Sache einfach, praktisch beginnt sie am Prüfling. Ein Flachstecker im 2,4-mm-Raster bietet keinen Platz für zwei nebeneinandergesetzte Prüfstifte, und zwei nacheinander angesetzte Kontakte messen nicht dieselbe Stelle.
Genau dafür gibt es Kontaktzangen. Zwei gegenüberliegende, vorgespannte Kontaktfahnen greifen den Pin von beiden Seiten und sind durch einen Isolierkörper getrennt: eine Fahne für den Strom, die andere für die Spannung. Ein Bauteil, eine Steckbewegung, zwei saubere Pfade – bei Rastermaßen ab 2,40 mm und Strömen bis 40 A.
Welche Bauform zu Ihrem Prüfling passt, zeigt die Übersicht unserer Kontaktzangen und Kelvin-Kontakte.
Häufige Fragen
Ist Kelvin-Messung dasselbe wie Vierleitermessung?
Ja. Der Begriff Kelvin-Messung geht auf William Thomson, den späteren Lord Kelvin, zurück, der das Prinzip für seine Widerstandsmessbrücke nutzte. In der Prüftechnik werden beide Bezeichnungen synonym verwendet, ebenso wie Vierpunktmessung oder 4-Leiter-Messung.
Braucht jedes Messgerät vier Anschlüsse?
Für eine echte Vierleitermessung ja – das Gerät muss Strompfad und Spannungspfad getrennt herausführen. Viele Tischmultimeter und praktisch alle Mikroohmmeter bieten diese Betriebsart an, häufig als „4W“ oder „Kelvin“ bezeichnet.
Geht der Kontaktwiderstand der Zange in das Ergebnis ein?
Nein. Da im Spannungspfad kein nennenswerter Strom fließt, fällt über dem Kontakt auch keine nennenswerte Spannung ab. Ein niedriger Übergangswiderstand bleibt dennoch wünschenswert, weil er im Strompfad den möglichen Prüfstrom bestimmt.
