Strommessung - Teil 1
Warum nicht mit dem Multimeter?
Das Messen der elektrischen Spannung mit dem Voltmeter gehört in der Elektrotechnik zum Standard. Verwendet wurden früher Zeigerinstrumente zum Beispiel nach dem Prinzip eines Dreheisen-/Drehspul-Messwerks. Heute sind Voltmeter digital ausgeführt und bilden oft die Basisfunktion eines Multimeters. Multimeter können unter anderem auch Widerstand und Strom messen, die gemessene Basisgröße ist aber zunächst immer die Spannung. Den Messungen von Widerstand und Strom liegt das Ohm'sche Gesetz (Widerstand = Spannung / Strom, kurz R = U / I) zugrunde. Demnach kann ein unbekannter Widerstand ermittelt werden, indem man an diesen Widerstand einen bekannten Strom anlegt und die Spannung misst. Das Digital-Multimeter nutzt dafür eine integrierte DC-Konstantstromquelle.
Für die Strommessung wird die Spannung über einem integrierten Messwiderstand gemessen und daraus der Strom ermittelt. Der Messwiderstand bzw. das Multimeter muss in Reihe in den Stromkreis geschaltet werden. Der Stromkreis muss dazu also geöffnet und über das DMM wieder geschlossen werden. In der Praxis ist das jedoch nicht immer möglich (wenn zum Beispiel das Anschalten einer ganzen Anlage erforderlich wäre) oder zu gefährlich.
Was sind Stromsonden und wie funktionieren sie?
Mit Stromsonden für Oszilloskope, Speicherrekorder oder DMM ist eine Strommessung möglich, ohne den Stromkreis zu öffnen. Das Funktionsprinzip ist die Bestimmung der elektrischen Stromstärke in einem Leiter indirekt anhand des ihn umgebenden Magnetfeldes. Wechselstromzangen beruhen dabei auf dem Transformator-Prinzip. Die Stromsonden haben einen festen oder teilbaren Eisenkern, der um den Leiter geschlossen wird und den Trafokern bilden. Der zu messende Leiter stellt die Primärwicklung, eine Spule in der Stromzange die Sekundärwicklung dar. Wenn Strom durch den Leiter fließt, erzeugt er ein Magnetfeld. 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- und potenzialfrei. 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. Gleichstromsonden können nicht nach dem beschriebenen Prinzip realisiert werden, da hier keine Wechselfelder auftreten. Daher wird hier die Stromwandler-Methode mit einem Hall-Element kombiniert, so dass sowohl Wechsel- als auch Gleichstrom gemessen werden kann.
Bauliche Ausführungen von Stromsonden
Bild: Verschiedene Ausführungen von Stromsonden: Stromtastkopf, Stromzange, flexible Stromsonde, Durchsteckwandler.
Stromtastköpfe (Current Probe) werden für die Beobachtung von Wellenformen eines Stromsignals eingesetzt. Sie sind zum Teil hochempfindlich und werden an ein Oszilloskop oder einen Rekorder angeschlossen. Sie sind üblicherweise für kleinere Leitungsquerschnitte/Einzeldrähte konzipiert.
Stromzangen (Current Clamp/Clamp-on Sensor) haben größere Zangenöffnungen für größere Leitungsquerschnitte/Bündel. Sie dienen vor allem zur Beobachtung von Pegeln, Langzeitaufzeichnungen etc. Insbesondere für schwer erreichbare Stellen oder sehr große Leitungsquerschnitte oder -Bündel bietet die Bauform mit flexibler Schleife viele Vorteile.
AC/DC Durchsteckwandler werden häufig in der Entwicklung, im EMV-, Pre-Compliance-Bereich und für Messungen im Stromnetz eingesetzt. Sie haben eine für höheres Spannungsniveau taugliche Isolation und oft eine auch fest montierbare Bauform.
Aktive Zangenmessgeräte für Laststrom und/oder Ableit-/Leckströmen sind selbst komplette Messgeräte mit Display - ja nach Ausführung bis hin zur kompletten Multimeter-Ausstattung. Sie arbeiten also ohne zusätzliches Instrument (mehr dazu in ▸Teil 2).
(Basierend auf Bildmaterial und Informationen von Hioki)
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