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Strommesser

Ein Strommesser, auch als Strommessgerät oder als Amperemeter ¹) bezeichnet, dient zur Messung von elektrischem Strom oder der Stromstärke in einem Stromkreis. Dazu wird zur Messgröße eine Anzeige (Zeigerausschlag, Ziffernanzeige) ihres Vielfachen der Einheit Ampere gebildet. Für Laboranwendungen gibt es umschaltbare Vielfachmessgeräte mit mehreren Messbereichen, bei digitalen Strommessern abgekürzt als DMM (Digitalmultimeter). Für industrielle Anwendungen gibt es anzeigelose Messeinrichtungen.

¹) Dieser Begriff soll nicht mehr verwendet werden, da er unlogisch ist: Ein Ampere ist nichts Messbares, sondern etwas Definiertes. Messbar sind physikalische Größen, in diesem Fall der Strom.

Inhaltsverzeichnis

Ausführungsformen

Analoges Strommessgerät

Wegen des geringen Eigenverbrauches, wegen Zuverlässigkeit und geringer Störempfindlichkeit ist das Drehspulmesswerk weiterhin zur Strommessung verbreitet. Es dient zur Messung von Gleichstrom.

Wechselstrom kann mit einem Drehspulmesswerk unter Verwendung eines Gleichrichters gemessen werden, wobei das 1,11-fache des Gleichrichtwertes angezeigt wird; das ist bei Sinusverlauf der Effektivwert. Dieses Verfahren erfordert jedoch aufgrund der Durchlassspannung der Dioden einen größeren Spannungsabfall (Eigenverbrauch) als bei Gleichstrom.

Zur Messung des Effektivwertes unabhängig vom zeitlichen Verlauf eignet sich das Dreheisenmesswerk. Die Geräte sind überwiegend auf 50 Hertz justiert, eignen sich auch für oberschwingungsreichen Netzstrom, teilweise auch für Gleichstrom. Dreheisenmesswerke können für sehr große Ströme gefertigt werden, ohne dass ein Shunt verwendet werden muss.

Digitales Strommessgerät

Digitale Messgeräte für elektrische Größen sind primär als Spannungsmesser ausgelegt. Zur Strommessung wird der Spannungsabfall über einem eingebauten oder externen Messwiderstand gemessen.

Die Einheitenanzeige von Panelmetern ist hierzu oft konfigurierbar ausgeführt, so dass u.  a. auch das „A“ für Ampere angezeigt werden kann, obwohl es sich um ein Spannungsmessgerät handelt.

Messumformer

In der industriellen Messtechnik bzw. Automatisierungstechnik verwendet man keine anzeigenden Messgeräte, sondern Messumformer, die ein normiertes elektrisches Signal zur zentralen Verarbeitung liefern. Dieses kann analog-technisch ein Einheitssignal sein, z. B. 4 … 20 mA. Es kann auch ein digitales Ausgangssignal zur Übermittlung über eine Datensammelleitung sein, die Bus, in diesem Zusammenhang Feldbus genannt wird. Diese Messgeräte mit digitalem Messsignal am Ausgang heißen dann auch Messumsetzer.

Strommessung über das Magnetfeld

Ein Zangenstrommesser wertet zur Messung des Stromes dessen um den Leiter auftretendes Magnetfeld aus. Er hat seinen Namen von der äußerlichen Ähnlichkeit zu einer Kneifzange. Vorzugsweise arbeitet er als Transformator. Der aufklappbare Ferritbügel bildet den Transformator-Kern, der mit geschlossener Zange umfasste stromführende Leiter die Primärwicklung und die im Messgerät angeordnete Spule die Sekundärwicklung. Der hindurch geführte Leiter hat die Windungszahl nprim = 1. Der Strom der Sekundärwicklung, der umgekehrt proportional zum Verhältnis der Windungszahlen ist, wird über ein Dreheisen- bzw. Drehspulmesswerk mit Gleichrichter oder über eine Digital-Elektronik angezeigt. Dieses Messgerät eignet sich nur zur Messung von Wechselstrom.

Wenn der das Magnetfeld erfassende Strommesser auch zur Gleichstrommessung geeignet sein soll, wird er mit Stromsensoren ausgestattet. Er arbeitet nach dem Kompensationsprinzip (Kompensationsstromwandler) oder dem Halleffekt (Hallsensoren) oder mit magnetfeldabhängigen Widerständen zusammen mit einem elektronischen Messumformer.

Zangenstrommesser werden zur Messung im Energieversorgungsnetz als anzeigende Geräte gefertigt; es gibt sie auch als Zubehör für Multimeter zur Bereichserweiterung oder als Zubehör für Oszilloskope zur Messung schnell veränderlicher Stromverläufe. Sie heißen dann auch Stromzange oder current probe.

Manchmal sind Zangenstrommesser zusätzlich mit einem Spannungseingang versehen und können neben der Spannung auch die Leistung und den Leistungsfaktor messen.

Strommessung über Stromwandler oder Messwiderstand

Wechselströme können über Stromwandler (spezielle Messtransformatoren) gemessen werden; unmittelbar vom Strommesser erfasst wird dessen (gemäß der Nennübersetzung kleinere) Sekundärstrom. Alternativ wird an die Sekundärwicklung ein Widerstand angeschlossen und daran die Spannung gemessen. Außer zur Messung großer Ströme (ab ca. 10 A aufwärts) verwendet man Wandler zur potentialfreien Messung an Leitungen auf hoher Spannung. Auf die Gefährlichkeit der Stromwandler wegen ihres Verhaltens als ideale Stromquelle wird hingewiesen.

Bei großen Gleichströmen oder Strömen mit Gleichanteil wird statt des Wandlers ein Messwiderstand verwendet, an den ein Spannungsmesser angeschlossen wird.

Benutzung

Zur Strommessung muss der zu messende Strom durch das Messgerät fließen. Es wird in Reihe geschaltet. Dazu muss es ständig eingebaut sein. Oder die betreffende Leitung muss aufgetrennt und der Strom über das Messgerät umgeleitet werden; dann erfordert die Messung einen Eingriff in die zu untersuchende Schaltung und in dieser Zeit eine Unterbrechung des Stromflusses.

Zu kurzzeitigen Tests gibt es mehrere Möglichkeiten, um die Auftrennung der Leitung zu vermeiden:

  1. Wenn ein bekannter Widerstand R in der Leitung liegt, kann man mit einem Spannungsmessgerät die Spannung U über dem Widerstand messen und den Strom I ausrechnen gemäß I = U / R .
  2. Wenn eine einzelne stromführende Leitung (kein Kabel mit Hin- und Rückleiter) zugänglich ist, verwendet man ein Messgerät, welches das vom Stromfluss verursachte magnetische Feld erfasst (siehe oben).
  3. Zur Messung von Gleichstrom (z. B. in Messumformern mit Einheitssignal) lässt man diesen ständig durch eine Diode fließen. Zu Prüfzwecken kann ein Strommesser parallel zur Diode angeklemmt werden. Wenn die Durchlassspannung des Strommessers unter 200 mV bleibt, fließt der Strom so lange quantitativ durch das Messgerät.

Messbereichsanpassung, Fehler durch Eigenverbrauch

Bei Geräten mit Drehspulmesswerk

Das Messwerk hat konstruktionsbedingt einen maximalen Ausschlag bei einer bestimmten maximal möglichen Stromstärke Imax. Zugleich besitzt es einen Eigenwiderstand (Innenwiderstand Ri). Das bedeutet, wenn die maximale Stromstärke fließt, fällt eine gewisse maximal mögliche Spannung Umax ab, die sich nach dem ohmschen Gesetz zu

berechnet. Bei Überschreitung der maximalen Stromstärke kann das Messwerk überlastet werden. Auf der zugehörigen Skale entspricht die maximale Stromstärke dem Vollausschlag. Für Messgeräte mit einem Klassenzeichen gibt es eine zulässige Überlastbarkeit.

Zur Anpassung an den gewünschten Messbereich wird zum Messwerk parallel ein Nebenschlusswiderstand (Shunt) Rs geschaltet, der den Teil des Stroms aufnimmt, der nicht durch das Messwerk fließen soll.

Man berechnet ihn so, dass beim gewünschten Messbereichsendwert I der Anteil Imax durch das Messwerk und der Rest Is = I - Imax durch den Shunt fließt.

Dabei ist zu bedenken, dass Ri nicht nur aus dem Spulenwiderstand Rsp bestehen darf, da Kupfer seinen Widerstand mit der Temperatur um 3,9 … 4,5 % / 10 K ändert, wodurch sich entsprechend auch die Stromteilung ändert. Zur Verminderung dieses Einflusseffektes muss noch ein von der Temperatur unabhängiger Widerstand Rv in der Leitung liegen. Bei Rv = 2 ⋅ Rsp reduziert sich der Temperatureinfluss von Ri auf ein Drittel, also etwa 1,5 % / 10 K; dieser Wert stellt bei Messgeräten der Genauigkeitsklasse 1,5 die zulässige Obergrenze dar.

Beispiel zur Messbereichsanpassung:
Das Messgerät hat einen Innenwiderstand Rsp + Rv = Ri = 750 Ω und seinen Vollausschlag bei Imax =200 µA. Es soll für einen Messbereich von 10 mA eingesetzt werden. Dann müssen bei Vollausschlag 200 µA durch das Messwerk und Is = 10 mA – 0,2 mA = 9,8 mA durch den Shunt fließen. Die maximale Spannung ist Umax = 750 Ω ⋅ 0,2 mA = 150 mV. Damit bei 150 mV durch den Shunt 9,8 mA fließen, muss sein Widerstandswert Rs = Umax/Is = 150 mV/9,8 mA = 15,31 Ω betragen. Der Gesamtwiderstand der Parallelschaltung liegt dann bei 15,00 Ω.

Bei Geräten mit Dreheisenmesswerk

Bei diesen Geräten kommt als Problem hinzu, dass die Spule einen nicht unbeträchtlichen induktiven Anteil am Widerstand aufweist, so dass die Verwendung eines Shuntes bei Wechselstrommessungen nicht möglich ist. Auch bei Gleichstrommessung bringt die Verwendung eines Shunts Probleme, da die Kupferwicklung des Messwerkes einen anderen Temperaturbeiwert als der Shunt hat.

Zur Messbereichsanpassung bei Wechselstrom können jedoch Stromwandler verwendet werden.

Bei digital-elektronischen Geräten

Der Messwiderstand in Digitalmultimetern und Panelmetern wird in der Regel so ausgelegt, dass dessen Spannungsabfall am Ende des jeweiligen Strommessbereiches dem kleinsten Spannungsmessbereich entspricht. Dieser beträgt bei den meisten Messgeräten 200 mV. Zur Umschaltung des Strommessbereichs wird auf einen anderen Messwiderstand umgeschaltet.

Digital-Messgeräten wird nachgesagt, dass sie einen kleineren Eigenverbrauch haben und dass dadurch die Rückwirkungsabweichung (Schaltungseinflussfehler) geringer ist als bei Drehspul-Messgeräten. Das trifft jedoch nicht bei Gleichstrommessung zu, da bei Drehspul-Geräten Umax (die zum Vollausschlag erforderliche Spannung) fast immer kleiner als 200 mV ist.

Beispiel zur Rückwirkungsabweichung :
Der Strom aus einer Taschenlampenbatterie wird bei Vollausschlag gemessen. Dann liegt am Verbraucher statt 1,2 V nur 1,0 V, weil 0,2 V am digitalen Strommesser abfallen. Im Verhältnis der Spannungen 1,0/1,2 = 83 % geht bei einem ohmschen Verbraucher der Strom zurück; er wird mit einem relativen Messfehler von - 17 % gemessen.

Siehe auch