Stromsensoren Energieaufnahme unter Kontrolle

Für das Einführen eines Energiemanagements nach ISO 50001 ist ein wichtiger Teil die präzise Strommessungen an allen größeren Verbrauchern. Ein neuer Sensor ist dabei äußerst vielseitig und unkompliziert im Einsatz.

Wie weit energieintensive Unternehmen steuerlich entlastet werden dürfen, ist derzeit Gegenstand heftiger Diskussionen. Egal wie diese ausgehen, Voraussetzung ist das Einführen eines Energiemanagements nach ISO 50001. Ein wichtiger Teil darin sind präzise Strommessungen an allen größeren Verbrauchern. Ein neuer Sensor ist dabei äußerst vielseitig und unkompliziert im Einsatz.

Ein Energiemanagementsystem kann einen wesentlichen Teil der Energiekosten eines Unternehmens einsparen. Es deckt Verschwendung auf und ermöglicht über eine Lastverschiebung auch eine Spitzenlastreduzierung, so dass in vielen Fällen ein Wechsel in einen günstigeren Stromtarif möglich ist. An die Stromsensoren werden in diesem Zusammenhang hohe Anforderungen gestellt:

  • Ausgangssignal galvanisch getrennt von der zu überwachenden Leitung,
  • hohe Messgenauigkeit und -auflösung,
  • weiter Messbereich: nach oben meist bis zu einigen zehn Ampere, nach unten möglichst weit in den mA-Bereich, um auch die Stromaufnahme von Geräten im Standby-Betrieb messen zu können,
  • Einbaubarkeit in bestehende Anlagen, nach Möglichkeit ohne Unterbrechung des laufenden Betriebs,
  • keine Schädigungen bei Überschreitung des Messbereichs,
  • kleine Abmessungen,
  • busfähiges Ausgangssignal,
  • bei allem auch noch niedrige Kosten.

Wie weit energieintensive Unternehmen steuerlich entlastet werden dürfen, ist derzeit Gegenstand heftiger Diskussionen. Egal wie diese ausgehen, Voraussetzung ist das Einführen eines Energiemanagements nach ISO 50001. Ein wichtiger Teil darin sind präzise Strommessungen an allen größeren Verbrauchern. Ein neuer Sensor ist dabei äußerst vielseitig und unkompliziert im Einsatz.

Ein Energiemanagementsystem kann einen wesentlichen Teil der Energiekosten eines Unternehmens einsparen. Es deckt Verschwendung auf und ermöglicht über eine Lastverschiebung auch eine Spitzenlastreduzierung, so dass in vielen Fällen ein Wechsel in einen günstigeren Stromtarif möglich ist. An die Stromsensoren werden in diesem Zusammenhang hohe Anforderungen gestellt:

Ausgangssignal galvanisch getrennt von der zu überwachenden Leitung,

hohe Messgenauigkeit und -auflösung,

weiter Messbereich: nach oben meist bis zu einigen zehn Ampere, nach unten möglichst weit in den mA-Bereich, um auch die Stromaufnahme von Geräten im Standby-Betrieb messen zu können,

Einbaubarkeit in bestehende Anlagen, nach Möglichkeit ohne Unterbrechung des laufenden Betriebs,

keine Schädigungen bei Überschreitung des Messbereichs,

kleine Abmessungen,

busfähiges Ausgangssignal,

bei allem auch noch niedrige Kosten.

Weltweit entwickeln viele Firmen und Forschungsinstitute immer wieder verbesserte Konzepte. Ein vielfach genutztes Sensorprinzip ist der Hall-Effekt. Die Vorteile: Die Herstellung ist kostengünstig in Standard-CMOS-Technik möglich, das Sensorelement und die zugehörige Signalaufbereitung (Kompensation von Offset und Temperaturgang) können zusammen auf demselben Chip sitzen (Bild 1). Gleichzeitig ist die Überlastsicherheit sehr hoch. Im Gegensatz dazu erfordern magnetoresistive Sensoren eine Deposition von ferromagnetischen Metallen auf Silizium – technisch schwierig, und sie können bei Überlastung Fehlverhalten zeigen.

Soll das den Stromleiter umgebende Magnetfeld gemessen werden, ist es wichtig, den Messabstand präzise konstant zu halten. Wenn man aber Leiter und Sensorelement zusammen in ein Gehäuse baut und beide fest zueinander fixiert, dann passt das schlecht zu der Forderung, dass der Sensor in bestehende Anlagen nachträglich einbaubar sein soll, ohne dass die Stromzufuhr abgeschaltet wird. Bei Großverbrauchern, die mit Drehstrom arbeiten, sind im Schaltschrank die Leiter für die drei Phasen einzeln zugänglich. Hier sollen die Sensoren im laufenden Betrieb nachträglich draufgesetzt werden können.

Acht Hall-Elemente im Kreis

Bei einer derartigen Montage ist es nicht ganz einfach, einen definierten Abstand zwischen Sensorelement und Leiter herzustellen. Eine nachträgliche Kali­bration ist unerwünscht, es soll auf Anhieb stimmen. Eine elegante Lösung fanden Entwickler am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) in Erlangen in enger Kooperation mit der Fa. Rauschert in Heinersdorf-Pressig/Thüringen, einem großen Hersteller von technischer Keramik. Man verwendet nicht einen einzelnen Hall-Sensor, sondern mehrere im Kreis, in festen Abständen zueinander montiert. Sitzt der eine vom Leiter weiter weg, dann befindet sich der gegenüberliegende entsprechend dichter dran, das kompensiert sich großenteils. Dieser Zusammenhang wurde am IIS eingehend untersucht, insbesondere wie viele Sensoren auf dem Kreis nötig sind, um die geforderte Messtoleranz von 0,5 % der Bemessungsgrenze des Kabels zu erreichen. Das Ergebnis: Man braucht mindestens acht; deren Messsignale werden in Form eines Ringintegrals miteinander verrechnet.