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Die Erfindung betrifft eine Messwiderstandsbaugruppe für einen Stromsensor, insbesondere einen Stromsensor für eine Fahrzeugbatterie die Erfindung betrifft des Weiteren einen Stromsensor mit einer solchen Messwiderstandsbaugruppe.
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In vielen Anwendungen, insbesondere im Fahrzeugbereich, ist es erforderlich, die auftretenden Ströme sehr exakt zu ermitteln bzw. zu messen. Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise Verfahren sowie Stromsensoren bekannt, bei welchen die Stromstärke über den Spannungsabfall über einen im Strompfad angeordneten Messwiderstand ermittelt wird. Der elektrische Widerstand des Messwiderstandes ist sehr genau bekannt oder kann sehr genau ermittelt werden. Aus dem erfassten Spannungsabfall sowie dem bekannten elektrischen Widerstand kann über das ohmsche Gesetz der über den Messwiderstand fließende Strom, also der Batteriestrom berechnet werden.
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Üblicherweise werden für den Messwiderstand spezielle Legierungen verwendet, beispielsweise eine Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung, die einen geringeren Widerstands-Temperaturkoeffizienten, also eine geringe Empfindlichkeit bei Temperaturänderungen, aufweisen, so dass der elektrische Widerstand sehr genau bestimmt werden kann.
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Der Messwiderstand ist zwischen zwei Anschlussabschnitten angeordnet, mit welchen der Messwiderstand mit einem Stromkreis kontaktiert werden kann. Der Messwiderstand wird hierbei über die Anschlussabschnitte so mit dem Stromkreis verbunden, dass der gesamte Strom über den Messwiderstand fließt. Dadurch kann der Laststrom der Fahrzeugbatterie mit dem Stromsensor erfasst werden.
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Üblicherweise sind auf dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement Messkontakte zur Erfassung eines Spannungspotenzials vorgesehen. Aus den gemessenen Spannungspotentialen kann der Spannungsabfall über dem Messwiderstand bzw. der durch die Messkontakte gebildeten Messstrecke bestimmen. Diese Messkontakte sind mit einer auf einer Leiterplatte angeordneten Messschaltung verbunden.
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Der Kontakt zwischen den Messkontakten und der Messschaltung kann entweder über auf den Anschlusselementen vorgesehene, in Richtung der Leiterplatte vorstehende Kontaktpins oder über eine Direktlötung zwischen den Anschlusselementen und der Leiterplatte erfolgen. Bei einem Direktlötverfahren wird die Leiterplatte so nah an der Messwiderstandsbaugruppe positioniert, dass eine direkte Kontaktierung über Lötstellen werden erfolgen kann.
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Um eine zuverlässige elektrische Kontaktierung zwischen der Messschaltung und den Messkontakten sicherzustellen, ist es erforderlich, dass der Stromsensor eine hohe mechanische Stabilität aufweist. Insbesondere muss die Leiterplatte zuverlässig an der Messwiderstandsbaugruppe positioniert sein, sodass es nicht durch eine Verschiebung der Leiterplatte zu einem Kontaktverlust zwischen der Messschaltung und den Messkontakten kommen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messwiderstandsbaugruppe für einen Stromsensor bereitzustellen, die eine stabile Kontaktierung bzw. Fixierung einer Leiterplatte von der Messwiderstandsbaugruppe ermöglicht. Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren einen Stromsensor mit einer solchen Messwiderstandsbaugruppe bereitzustellen.
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Zur Lösung der Aufgabe ist eine Messwiderstandsbaugruppe für einen Stromsensor, insbesondere einen Stromsensor für eine Fahrzeugbatterie in einem Fahrzeug, vorgesehen, mit einem ersten Anschlusselement zur Kontaktierung mit einem ersten Batteriepol, einem zweiten Anschlusselement zur Kontaktierung mit einem zweiten Batteriepol und einem zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement elektrisch in Reihe angeordneten Messwiderstand. Am ersten Anschlusselement ist zumindest ein erster Kontaktbereich zur Kontaktierung mit einer auf einer Leiterplatte vorgesehenen Messschaltung sowie zumindest ein erster Haltebereich zu mechanischen Abstützung der Leiterplatte vorgesehen. Des Weiteren ist am zweiten Anschlusselement zumindest ein zweiter Kontaktbereich zur Kontaktierung mit der auf der Leiterplatte vorgesehenen Messschaltung sowie zumindest ein zweiter Haltebereich zur mechanischen Abstützung der Leiterplatte vorgesehen.
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Die Grundidee der Erfindung ist es, die mechanische Abstützung der Leiterplatte an der Messwiderstandsbaugruppe konstruktiv von der elektrischen Kontaktierung der Leiterplatte mit der Messwiderstandsbaugruppe zu trennen. Dadurch ist es möglich, die jeweiligen Bereiche, also die Kontaktbereiche sowie die Haltebereiche auf die jeweilige Funktion zu optimieren. Insbesondere können die Kontaktbereiche in den für die Messung optimalen Bereichen der Messwiderstandsbaugruppe sowie die Haltebereiche an den für eine mechanische Stabilität optimalen Bereichen der Messwiderstandsbaugruppe positioniert werden.
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Insbesondere kann die Verbindung der Leiterplatte mit der Messwiderstandsbaugruppe über die Haltebereiche bzw. die Kontaktbereiche auf die jeweilige Funktion optimiert werden. Beispielsweise kann die Verbindung in Haltebereichen sehr steif ausgebildet sein, um eine möglichst hohe mechanische Stabilität bereitzustellen. Die Verbindung über die Kontaktbereiche kann beispielsweise flexibel ausgestaltet sein, um eine möglichst gute und zuverlässige Kontaktierung der Leiterplatte mit der Messwiderstandsbaugruppe bereitzustellen. Insbesondere können verschiedene Verbindungsarten und/oder Verbindungsmittel verwendet werden, die auf den jeweiligen Einsatzzweck optimiert sind.
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Beispielsweise kann der erste Haltebereich in einer in Stromrichtung verlaufenden Längsrichtung und/oder einer quer zur Stromrichtung verlaufenden Querrichtung versetzt zum ersten Kontaktbereich angeordnet sein und/oder der zweite Haltebereich kann in einer in Stromrichtung verlaufenden Längsrichtung und/oder einer quer zur Stromrichtung verlaufenden Querrichtung versetzt zum zweiten Kontaktbereich angeordnet sein.
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Vorzugsweise sind die Kontaktbereiche so angeordnet, dass der Abstand der Kontaktbereiche kleiner ist als der Abstand zwischen den Haltebereichen. Insbesondere sind die Kontaktbereiche möglichst nah am Messwiderstand positioniert, um eine Beeinflussung der Messergebnisse durch die Anschlusselemente bzw. deren elektrische Eigenschaften zu reduzieren. Insbesondere ist der Abstand des ersten Kontaktbereichs zum Messwiderstand geringer ist als der Abstand des ersten Haltebereichs zu Messwiderstand und/oder der Abstand des zweiten Kontaktbereichs zu Messwiderstand geringer als der Abstand des zweiten Haltebereichs zu Messwiderstand.
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Des Weiteren ist vorzugsweise der Abstand zwischen dem ersten Kontaktbereich und den zweiten Kontaktbereich kleiner als der Abstand des ersten Kontaktbereichs zu dem zumindest einen zweiten Haltebereich und/oder der Abstand des zweiten Kontaktbereichs zu dem zumindest einen ersten Haltebereich.
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Insbesondere können in Abhängigkeit von der gewünschten mechanischen Stabilität auch an jedem Anschlusselement mehrere Haltebereiche vorgesehen sein, insbesondere symmetrisch angeordnete Haltebereiche.
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Des Weiteren können an jedem Anschlusselement auch mehrere Kontaktbereiche vorgesehen sein, beispielsweise, um verschiedene Spannungspotentiale erfassen zu können. Insbesondere kann durch die Kombination und/oder durch den Vergleich der verschiedenen Spannungspotentiale die Messgenauigkeit verbessert werden.
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Der erste Kontaktbereich und/oder der zweiten Kontaktbereich können des Weiteren bezüglich einer in Längsrichtung verlaufenden Symmetrieachse spiegelsymmetrisch ausgebildet sein.
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Des Weiteren kann der erste Haltebereich und/oder der zweite Haltebereich bezüglich einer in Längsrichtung verlaufenden Symmetrieachse spiegelsymmetrisch ausgebildet sein.
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Beispielsweise ist der erste Haltebereich separat vom ersten Kontaktbereich und/oder der zweite Haltebereich separat vom zweiten Kontaktbereich ausgebildet, so dass diese keine Verbindung untereinander haben.
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Der erste Haltebereich kann aber auch unmittelbar an den ersten Kontaktbereich angrenzend und/oder in diesen übergehend und/oder der zweite Haltebereich unmittelbar an den zweiten Kontaktbereich angrenzend und/oder in diesen übergehend ausgebildet sein. In dieser Ausführungsform kann die Trennung zwischen den Haltebereichen und den Kontaktbereichen aufgrund der Position erfolgen, durch die die Bereiche jeweils unterschiedliche Funktionen aufweisen. Insbesondere kann sich die Funktion des jeweilen Bereiches durch die Kombination mit der Leiterplatte ergeben. Beispielsweise ist die Leiterplatte in den Bereichen, die mit den Haltebereichen verbunden werden, verstärkt, um eine stabilere mechanische Verbindung mit der Messwiderstandsbaugruppe herzustellen. Die Messchaltung sowie die Kontakte zur Kontaktierung mit der Messwiderstandsbaugruppe sind in den Bereichen vorgesehen, die sich bei korrekter Positionierung der Leiterplatte an der Messwiderstandsbaugruppe über den Kontaktbereichen befinden.
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Vorzugsweise sind erste Kontaktbereich und der erste Haltebereich unmittelbar auf dem ersten Anschlusselement sowie der zweite Kontaktbereich und der zweite Haltebereich unmittelbar auf dem zweiten Anschlusselemente ausgebildet, so dass eine Kontaktierung bzw. Verbindung mit der Leiterplatte durch ein Direktlötverfahren erfolgen kann. Bei diesem Verfahren wird ein Lötmittel oder ein anderes Verbindungsmaterial auf die Messwiderstandsbaugruppe aufgebracht, die Leiterplatte so positioniert, dass diese Kontakt mit dem Verbindungsmaterial hat und das Verbindungsmaterial anschließend über einen Schmelzpunkt erhitzt wird. Beim anschließenden Aushärten des Verbindungsmaterial verbindet sich dieses sowohl mit der Leiterplatte wie auch mit der Messwiderstandsbaugruppe. Zusätzliche Kontaktpins sind bei einem solchen Verfahren nicht erforderlich, wodurch der Herstellungsaufwand geringer ist.
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Zur Lösung der Aufgabe ist des Weiteren ein Stromsensor vorgesehen, insbesondere für eine Fahrzeugbatterie, mit einer vorstehend beschriebenen Messwiderstandsbaugruppe und mit einer Leiterplatte, auf der eine Messschaltung vorgesehen ist, wobei die Messschaltung elektrisch mit dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich verbunden ist und die Leiterplatte mechanisch mit dem ersten Haltebereich und dem zweiten Haltebereich verbunden ist.
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Zusätzlich können auch der erste Haltebereich und/oder der zweite Haltebereich elektrisch leitend mit der Leiterplatte verbunden sein, beispielsweise, um diese als zusätzliche Messkontakte verwenden zu können.
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Die Verbindung des ersten Kontaktbereichs und des zweiten Kontaktbereichs mit der Messschaltung und die Verbindung des ersten Haltebereich und des zweiten Haltebereich mit der Leiterplatte ist vorzugsweise durch Löten ausgebildet.
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Weitere Vorteile und Merkmale finden sich in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- 1 eine Stromsensor mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messwiderstandsbaugruppe;
- 2 eine Stromsensor mit einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messwiderstandsbaugruppe; und
- 3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messwiderstandsbaugruppe.
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In 1 ist ein Stromsensor 10 für eine Fahrzeugbatterie 12 gezeigt. Der Stromsensor 10 wird elektrisch in Reihe mit zumindest einem elektrischen Verbraucher 14 im Stromkreis 16 eines Fahrzeugs angeordnet, sodass der Stromsensor 10 mit den beiden Batteriepolen 18, 20 der Fahrzeugbatterie 12 verbunden ist. Der Stromsensor 10 so angeordnet, dass der gesamte Batteriestrom über den Stromsensor 10 fließt. Dadurch kann der Stromsensor 10 den gesamten Batteriestrom (Ladestrom und Entladestrom) erfassen.
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Der Stromsensor 10 hat eine Messwiderstandsbaugruppe 22, die im Strompfad angeordnet ist und über die der gesamte Batteriestrom fließt. Die Widerstandsbaugruppe 22 hat ein erstes Anschlusselemente 24 zur Kontaktierung mit dem Stromkreis, insbesondere einem ersten Batteriepol 18, wobei die Kontaktierung über den zumindest einen Verbraucher 14 erfolgt. Des Weiteren hat die Widerstandsbaugruppe 22 ein zweites Anschlusselemente 26 zur Kontaktierung mit dem zweiten Batteriepol 20.
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Zwischen den beiden Anschlusselementen 24, 26 ist ein Messwiderstand 28 vorgesehen. Der Messwiderstand 28 besteht aus einem Material mit einer geringeren Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes. Des Weiteren weist das Material über die gesamte Lebensdauer des Stromsensors 10 eine geringe Alterungsdrift des elektrischen Widerstandes auf. Beispielsweise ist der Messwiderstand 28 aus einer Kupfer-Mangan-Nickel-Legierung hergestellt.
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Des Weiteren ist eine Leiterplatte 30 vorgesehen, auf der eine Messschaltung 32 angeordnet ist. Die Messschaltung 32 ist auf eine nachfolgend im Detail beschriebene Weise mit der Messwiderstandsbaugruppe 22 verbunden und kann einen Spannungsabfall des über die Messwiderstandsbaugruppe 22 fließenden Stroms erfassen. Aus dem erfassten Spannungsabfall sowie dem bekannten elektrischen Widerstand der Messstrecke, die insbesondere durch den Messwiderstand 28 gebildet ist, kann über das ohmsche Gesetz der über den Messwiderstand, also über die Messwiderstandsbaugruppe 22 fließende Strom berechnet werden.
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Wie in 1 zu sehen ist, ist am ersten Anschlusselemente 24 ein erster Kontaktbereich 34 vorgesehen, der mit der Messschaltung 32 elektrisch kontaktiert ist. Am zweiten Anschlusselemente 26 ist ein zweiter Kontaktbereich 36 vorgesehen, der ebenfalls elektrisch mit der Messschaltung 32 kontaktiert ist.
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Des Weiteren sind am ersten Anschlusselement 24 mehrere erste Haltebereiche 38 sowie am zweiten Anschlusselement 26 mehrere zweite Haltebereiche 40 vorgesehen.
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Die Kontaktbereiche 34, 36 sowie die Haltebereiche 38, 40 sind jeweils als flächige Bereiche für ein Direktlötverfahren ausgebildet. Bei einem solchen Verfahren wird ein Verbindungsmaterial, insbesondere ein Lötmaterial, zwischen dem jeweiligen Kontaktbereich 34, 36 und der Leiterplatte 30 bzw. zwischen dem jeweiligen Haltebereich 38, 40 und der Leiterplatte 30 eingebracht und über einen Schmelzpunkt erhitzt. Beim anschließenden Abkühlen verbindet sich das Verbindungsmaterial mit dem Kontaktbereich 34, 36 bzw. dem Haltebereich 38, 40 und der Leiterplatte 30.
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Die Kontaktbereiche 34, 36 sind hierbei so auf dem ersten Anschlusselemente 24 und den zweiten Anschlusselemente 26 positioniert und ausgebildet, dass eine Erfassung der Spannungspotenziale vor und nach dem Messwiderstand 28 bzw. eine ideale Erfassung des Spannungsabfall über dem Messwiderstand 28 erfolgen kann.
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Die Haltebereiche 38, 40 sind so positioniert und ausgebildet, dass eine möglichst gute mechanische Abstützung der Leiterplatte 30 an der Messwiderstandsbaugruppe 22 möglich ist, insbesondere so, dass die Kontaktbereich 34, 36 bzw. die Verbindungen der Kontaktbereiche 34, 36 mit der Leiterplatte 30 vor mechanischen Belastungen geschützt ist. Insbesondere kann die Leiterplatte 30 in den Bereichen, die mit den Haltebereichen 38, 40 verbunden werden, dazu ausgebildet sein, mechanische Belastungen aufzunehmen und/oder die mit den Kontaktbereichen 34, 36 kontaktierten Bereichen der Leiterplatte 30 und/oder die Messschaltung 32 vor mechanischen Belastungen zu schützen. Beispielsweise kann die Leiterplatte 30 in diesen Bereichen verstärkt sein.
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Grundsätzlich sind somit die Haltefunktion der Leiterplatte 30 sowie die Kontaktfunktion mit der Leiterplatte 30 getrennt voneinander. Das ermöglicht es, die Haltebereiche 38, 40 und die Kontaktbereiche 34, 36 sowohl hinsichtlich der Position auf der Messwiderstandsbaugruppe 22 wie auch hinsichtlich der Ausführung, beispielsweise der Form oder der Größe, auf die jeweilige Funktion zu optimieren.
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Vorzugsweise sind die Kontaktbereiche so angeordnet, dass der Abstand zwischen dem ersten Kontaktbereich 34 und dem zweiten Kontaktbereich 36 kleiner ist, als der Abstand zwischen den ersten Haltebereichen 38 und den zweiten Haltebereichen 40 sowie der Abstand des ersten Kontaktbereichs 34 zu den zweiten Haltebereichen 40 und der Abstand des zweiten Kontaktbereichs 36 zu den ersten Haltebereichen 38.
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In der hier gezeigten Ausführungsform sind sowohl die Verbindungen der Kontaktbereich 34, 36 wie auch der Haltebereiche 38, 40 mit der Leiterplatte 30 jeweils durch Löten, insbesondere Direktlöten, hergestellt. Alternativ können die Verbindungen der Kontaktbereiche 34, 36 sowie der Haltebereiche 38, 40 mit der Leiterplatte 30 auch auf verschiedene Weise hergestellt werden, beispielsweise um eine für die jeweilige Funktion, also eine Haltefunktion oder eine Kontaktfunktion, optimierte Verbindungsart zu erzielen. Beispielsweise kann die Verbindung der Kontaktbereich 34, 36 mit der Leiterplatte 30 für eine möglichst verlustfreie Messung der Spannungspotenziale optimiert sein, also einem möglichst geringen elektrischen Widerstand aufweisen. Des Weiteren kann die Verbindung der Kontaktbereich 34, 36 mit der Leiterplatte 30 so ausgebildet sein, dass eine störungsfreie Erfassung und Weiterleitung der Spannungspotentiale sichergestellt wird, beispielsweise, indem ein Schutz vor elektromagnetischen Einflüssen, Thermospannungen oder Temperaturveränderungen des Messwiderstandes 30 bereitgestellt wird. Die Verwendung der Haltebereiche 38, 40 kann vorrangig auf eine mechanische Stabilität ausgerichtet sein. Optional kann die Verbindung der der Haltebereich auch zur thermisch leitend ausgebildet sein, um eine Koppelung mit einem auf der leiterplatte 30 vorgesehenen Temperatursensor zu ermöglichen.
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Darüber hinaus können auch die Verbindungen der Haltebereiche 38, 40 mit der Leiterplatte 30 elektrisch leitend ausgebildet sein, beispielsweise um diese als zusätzlichen Kontakt zur Messwiderstandsbaugruppe 22 zu verwenden, beispielsweise um weitere Spannungspotenziale zu messen oder Referenzmessungen oder Temperaturmessungen vorzunehmen.
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In, der in 2 dargestellten Ausführungsform sind die Kontaktbereiche 34, 36 und die Haltebereiche 38, 40 ineinander übergehend bzw. unmittelbar aneinander angrenzend ausgebildet. Insbesondere ist jeweils die Verbindung der Kontaktbereich 34 bzw. 36 sowie der Haltebereich 38 bzw. 40 mit der Leiterplatte 30 durch eine gemeinsame Verbindungsstelle, beispielsweise eine gemeinsame Lötstelle hergestellt. Innerhalb dieser Verbindungsstelle sind aber verschiedene Bereiche vorgesehen, die die Funktion einer elektrischen Verbindung mit der Leiterplatte 30 oder die Funktion einer mechanischen Abstützung der Leiterplatte 30 haben.
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Die Kontaktbereiche 34,36 sind jeweils in den Bereichen der Verbindungsstelle vorgesehen, die den geringsten Abstand zum Messwiderstand 28 aufweisen, also zwischen welchen der geringste elektrische Widerstand besteht. Insbesondere ist durch die kürzere Messstrecke eine Beeinflussung der Messergebnisse, beispielsweise durch die elektrischen Widerstände der Anschlusselemente 24, 26 reduziert.
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Die Form der Verbindungsstelle 42, 44 bzw. der Lötstelle kann hierbei beliebig gewählt werden, solange die vorstehend beschriebenen Funktionen der Haltebereiche 38, 40 sowie der Kontaktbereich 24, 36 sichergestellt sind. Die in 2 dargestellten Ausführungsform weist beispielsweise an der zum Messwiderstand 28 weisende Vorderkante der Verbindungsstelle 42 eine dreieckige bzw. pfeilspitzenartige Form auf. Die Verbindungsstelle 44 weist eine teilkreisförmige Vorderkante auf. Unabhängig von der Form der Verbindungsstelle 42, 44 ist aber der Kontaktbereich 34, 36 jeweils in dem Bereich vorgesehen, der den geringsten Abstand zum Messwiderstand 28 aufweist.
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In der in 3 dargestellten Ausführungsform sind die Haltebereiche 38, 40 separat von den Kontaktbereich 34, 36 ausgebildet und weisen einen größeren Abstand zum Messwiderstand 28 auf. Alternativ können jeweils die dem Messwiderstand 28 zugewandten Bereiche als Kontaktbereiche 34, 36 ausgebildet sein und die dem Messwiderstand 28 abgewandten Bereiche als Haltebereiche 38, 40.
