Grundlegende Methoden der Strommessung
So finden Sie das richtige Strommessgerät
Strommessungen lassen sich mit unterschiedlichen Geräten durchführen. Um für eine Anwendung das passende zu finden, gilt es, die Anforderungen sehr genau zu betrachten, denn jedes Messgerät hat seine ganz eigenen Vor- und Nachteile, wie der folgende Beitrag aufzeigt.
Von Ernst Bratz, Meilhaus Electronic
Die häufigste Messgröße in der Elektrotechnik ist sicherlich die Spannung. In manchen Fällen ist es aber auch nötig, den Strom zu messen. Dazu gehört zum Beispiel die Qualitätskontrolle bei der Produktentwicklung, die vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) zur Überprüfung des Zustands in Betrieb befindlicher elektronischer Geräte, aber auch die ganz prinzipielle Feststellung, ob Strom fließt, wenn elektronische Geräte nicht funktionieren oder ausfallen.
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Strom kann mit einer Vielzahl von Messgeräten gemessen werden, darunter Digitalmultimeter (DMM), Stromsonden/Stromzangen sowie Zangenmessgeräte.
Per Multimeter Strom messen
Digitalmultimeter messen als Basisgröße zunächst einmal die Spannung. Nach dem ohmschen Gesetz Widerstand gleich Spannung durch Strom (kurz: R = U / I) lässt sich der elektrische Widerstand ermitteln, indem man an diesen Widerstand einen bekannten Strom anlegt und die Spannung misst. Dazu besitzen Digitalmultimeter für die Widerstandsmessung eine DC-Konstantstromquelle. Für die Strommessung hingegen wird die Spannung über einem eingebauten und damit in seiner Größe bekannten Messwiderstand gemessen und daraus der Strom ermittelt.
Dieser Messwiderstand bzw. das Multimeter muss dazu in Reihe in den Stromkreis geschaltet werden. Der Stromkreis muss dazu also geöffnet und über das DMM wieder geschlossen werden. Das ist nicht immer möglich, zum Beispiel wenn dazu eine ganze Anlage abgeschaltet werden müsste oder eine Leitung nicht geöffnet werden kann. Je nach Anwendung könnte diese Vorgehensweise auch zu gefährlich sein.
Per Stromsonde messen
Mit Stromsonden, die oft an einem Oszilloskop, Speicherrekorder oder DMM verwendet werden, ist eine Strommessung im Feld möglich, ohne den Stromkreis zu öffnen. Das Prinzip der Stromsonde ist die Bestimmung der elektrischen Stromstärke in einem Leiter indirekt anhand des ihn umgebenden Magnetfeldes.
Wechselstromsonden arbeiten dabei nach dem Transformator-Prinzip: Sie haben einen festen oder teilbaren Eisenkern, der um den Leiter geschlossen wird und den Trafokern darstellt. Der zu messende Leiter bildet die Primärwicklung, eine Spule in der Stromzange die Sekundärwicklung. Fließt nun Strom durch den Leiter, erzeugt er ein Magnetfeld (Wechselfeld). Die Stromsonde misst dieses Feld und wandelt es in Spannung um, die das Messgerät messen, darstellen und auswerten kann. Vorteil: Der Stromkreis muss nicht geöffnet werden, die Messung ist berührungs-, potenzialfrei und oft genauer als mit einem Multimeter. Es wird jedoch ein zusätzliches Messgerät – Oszilloskop, Rekorder, Multimeter – benötigt.
Stromsonden werden je nach Anwendung nur für Wechselstrom oder sowohl für Wechsel- als auch Gleichstrom angeboten. Allerdings lassen sich Gleichstromzangen nicht nach dem Transformatorprinzip realisieren, weil beim Gleichstrom keine Wechselfelder auftreten. Hier wird die Stromwandler-Methode mit einem Hall-Element kombiniert, sodass sowohl Wechsel- als auch Gleichstrom gemessen werden kann.
Zu den verschiedenen Bauformen gehören der Stromtastkopf (Current-Probe), die Stromzange (Current-Clamp/Clamp-on-Sensor) oder der Strom-Sensor (Current-Sensor).
Die Einsatzbereiche sind unterschiedlich, das grundsätzliche Prinzip jedoch ist das gleiche (Bild 2): Stromtastköpfe sind für die Beobachtung von Wellenformen eines Stromsignals konzipiert. Sie sind zum Teil hochempfindlich und werden an ein Oszilloskop oder einen Rekorder angeschlossen. Stromzangen haben meist größere Zangenöffnungen, sind somit auch für größere Leitungsquerschnitte oder Bündel geeignet und dienen zur Beobachtung von Pegeln und Langzeitmessungen. AC/DC-Stromsensoren und -Stromwandler werden häufig in der Entwicklung, im EMV- und Pre-Compliance-Bereich eingesetzt.
Wie man eine Stromsonde benutzt
Der Einsatz einer Stromsonde am Beispiel einer Stromzange oder eines Stromtastkopfes ist recht einfach und intuitiv. Sie wird über den zu untersuchenden Leiter »geklemmt« und zum Beispiel über BNC an das Oszilloskop oder den Speicherrekorder angeschlossen. Einige Modelle verfügen über zusätzliche Funktionen, die die Messung effizienter machen. Dazu gehören die automatische Nullstellung und Entmagnetisierung, die durch Drücken und Halten einer Taste durchgeführt werden können. Zu den Stromsonden, die für die Verwendung mit Oszilloskopen konzipiert sind, zählen auch AC/DC-Stromsensoren mit Nullflussmethode, die ein Hall-Element zur Stromerkennung verwenden.
Wenn die Stromwandler-Methode mit einem Hall-Element kombiniert wird, kann sowohl Gleich- als auch Wechselstrom gemessen werden. Daneben bietet diese Art von Stromsonde eine hervorragende Linearität, die nicht durch die magnetischen B-H-Eigenschaften eines Magnetkerns beeinflusst wird. Außerdem arbeitet sie in einem breiten Frequenzband mit hohem S/N-Verhältnis. Da es kein Erregerstromrauschen gibt, ist das Gesamtrauschen während der Messung sehr gering.
Einige Stromzangen sind für die Messung von Schaltkreisen mit großen Strömen ausgelegt, während andere extrem kleine Ströme mit einem hohen Maß an Präzision messen können. Allerdings kommt es häufig vor, dass die Kurvenformen von zu kleinen Strömen durch Rauschen verdeckt werden. In solchen Fällen kann es auch Abhilfe schaffen, das zu messende Stromkabel mehrmals um den Messkern zu wickeln. Die Größe der angezeigten Wellenform nimmt proportional zur Anzahl der Schleifen zu und bietet so eine Möglichkeit, solche Ströme zuverlässiger zu messen.
Auswahl und Anwendungsbereiche
Hioki (Vertrieb: Meilhaus Electronic) bietet ein umfangreiches Spektrum an Stromsonden in verschiedenen Bauformen an. Um für eine Anwendung die passende Sonde zu finden, gilt es, die Anforderungen sehr genau zu betrachten. So zeichnen sich, um nur ein Beispiel zu nennen, Instrumente zur Beobachtung von Wellenformen (wie Oszilloskope) durch ihr breites Frequenzband aus. Sowohl Tastköpfe als auch Sensoren haben Amplituden- und Phasengenauigkeitswerte, die durch das Frequenzband definiert sind und müssen daher passend zum Messgerät gewählt werden. Wichtig für die praktische Anwendung sind natürlich auch Größe der Zangenöffnung und Durchmesser.
Zu den typischen Anwendungen von Stromsonden gehören Stromverbrauchsmessung für Geräte mit niedrigem Energieverbrauch, Bewertung von Hochgeschwindigkeits-Schaltgeräten, Messung der Stromaufnahme von KFZ-Elektrogeräten und Steuergeräten sowie die umfassende Bewertung von Umrichtermotoren.
- So finden Sie das richtige Strommessgerät
- Praxisgerechte Alternative: Das Zangenmessgerät
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