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Aus den Grundlagen der Elektrotechnik ist bekannt, dass Strom immer in Reihe zu einem Verbraucher gemessen werden muss. Der Innenwiderstand des Amperemeter führt dann zwangsläufig immer zu einer Veränderung der Gesamtschaltung. Deshalb muss der Innenwiderstand möglichst klein sein.. Doch häufig ist es nicht möglich den Stromkreis zur Messung des Stromes mit einem Amperemeter aufzutrennen oder der Strom im Wechselstromnetz ist sehr hoch, sodass eine kontaktierende Strommessung nicht möglich ist. Hier kommt eine Stromzange ins Spiel.
Allgemeines Funktionsprinzip einer Stromzange
Um jeden elektrischen Leiter, durch den ein Strom fließt, breitet sich ein Magnetfeld linear zum fließenden Strom aus. Bei Gleichstrom ist dies ein DC-Magnetfeld und bei Wechselstrom ein Wechselmagnetfeld. Stromzangen machen sich diesen Effekt zu nutzen und messen je nach Stromart den Strom über einen Hallsensor (Gleichstrom) oder über das Trafoprinzip (Wechselstrom).
Welche Stromzange sollte verwendet werden?
Die Wahl der Stromzange richtet sich nach verschiedenen Faktoren:
Der erste Faktor ist die Art des Stromes. Am weitest verbreitet ist die Stromzange für Wechselstrom. Für Anwendungen bei denen auch Gleichstrom mit Hilfe einer Stromzange gemessen werden soll um zum Beispiel den Strom von einer SPS Anlage zu messen wird eine Stromzange benötigt, die Gleichstrom messen kann. Häufig messen Stromzangen, welche Gleichstrom messen können auch Wechselstrom.
Eine weitere Frage zur Wahl der richtigen Stromzange ist die Stromstärke. Generell kann man sagengilt, je höher der Strom, der gemessen werden soll, umso größer ist auch die Bauform der Stromzange. Eine besondere Bauart eine Stromzange ist die Rogowski Spule. Diese Art der Stromzange wird häufig für sehr hohe Wechselströme verwendet, da hier extrem große Baugrößen erreicht werden können. Der große Vorteil der Stromzange auf Basis der Rogowski Spule ist, dass die Messspule sehr flexibel ist gegenüber den Messbacken der Stromzange auf Basis vom Ferritkern. Besonders im Bereich der Messung im Schaltschrank, aber auch an vielen anderen schwer zugänglichen Stellen, werden flexible Stromzangen häufig verwendet.
Stromzangen werden außerdem häufig auch zur Messung der elektrischen Leistung eingesetzt. Diese besondere Form der Stromzange ist weit verbreitet in der elektrischen Messtechnik. Hier muss folgendes beachtet werden: Die Leistungsmessung mit Hilfe von einer Stromzange in einem 3 Phasen Netz, der auch als Drehstrom bezeichnet wird, ist immer nur dann möglich, wenn eine symmetrische Belastung vorliegt. Symmetrische Belastung ist jedoch ziemlich selten und kommt in der Praxis nur bei einem 3 Phasen Motor oder einer 3 Phasen Heizung vor. Bei unsymmetrisch belasteten Phasen in einem Drehstrom Netz muss je Phase eine eigene Stromzange verwendet werden. Hier bietet PCE Instruments entsprechende Stromzangen mit Leitstungsmessfunktionen. Dadurch, dass an einem Drehstrom Netz sowohl die 3 Ströme der verschiedenen Phasen mit der jeweiligen Stromzange und zeitglich die Spannung der 3 Phasen inlusive dem Neutralleiter gemessen wird, erhält der Benutzer von einer 3 Phasen Stromzange mit Leistungsmessfunktion, eine ganze Reihe von gemessenen und berechneten Ergebnissen.
Diese sind im Einzelnen:
Eine besondere Messfunktion an einer Stromzange ist die sog. Inrushfunktion. Diese Funktion wird immer dann verwendet, wenn der Anlaufstrom von Maschinen oder Motoren gemessen werden muss. Die Stromzange befindet sich nach der Aktivierung in einer Art Bereitschaftsmodus. Sobald ein Strom durch die Zange erkannt wird, wird dieser mit einer sehr hohen Samplingrate erkannt und auf der Peakwert auf dem Display angezeigt, auch wenn der Strom nach dem Einschalten wieder auf einem niedrigerem Level ist.
Eine TRMS Stromzange ist in der Lage den TRMS Stromwert zu messen. TRMS steht für True Root Mean Square, die deutsche Übersetzung ist: „echter Effektivwert“. Der Ausdruck ist etwas unglücklich, da ein Effektivwert nicht echt oder unecht sein kann. Was damit ausgedrückt werden soll ist, dass eine TRMS Stromzange den Strom in einer hohen Abtastrate aufnimmt und entsprechend berechnet. Eine Stromzange ohne die TRMS Funktion misst den Scheitelwert und geht von einer Sinusschwingung aus und berechnet mit dem entsprechenden Formfaktor den Stromwert. Sollte der Strom jedoch aufgrund des Verbrauchers oder der ursprünglichen Spannungsform nicht sinusförmig sein, zeigt die Stromzange einen falschen Messwert an. Weitere Sonderfunktionen wie Spannungsmessung oder auch Widerstandsmessung und Temperaturmessungen komplettieren den Leistungsumfang einer Stromzange.
Eine Stromzange dient der indirekten Messung von elektrischem Strom in stromdurchflossenen Leitern. Im Gegensatz zur direkten Strommessung, welche die Auftrennung des zu untersuchenden Stromkreises erfordert, misst eine Stromzange kontaktlos. Dabei nutzen die Geräte das grundlegende physikalische Prinzip der magnetischen Induktion, bei dem stromführende Leitungen ein messbares elektrisches Feld induzieren. Die kontaktlose Messung birgt mehrere Vorteile. Zum einen können Messungen auch an isolierten Leitern durchgeführt werden, ohne den laufenden Betrieb von elektrischen Geräten und Maschinen unterbrechen zu müssen. Zum anderen verzichtet dieses Verfahren auf die Potentialkopplung von Messgröße und Messsignal, wodurch messtechnische Ungenauigkeiten vermieden werden.
Durch die Ermittlung der Stärke des elektrischen Feldes, das einen elektrischen Wechselstromleiter umgibt, kann die Stromzange sehr präzise Stromstärken von Wechselstrom bestimmen. Eine Stromzange für Gleichstrom bestimmt den Strom mit Hilfe von einem Hallsensor. Dieser misst das magnetische Feld das es um einen Leiter gibt, der mit DC-Strom durchflossen wird. Dazu wird der stromführende Leiter durch einen geblechten, isolierten und teilbaren Kern an der Vorderseite der Stromzange geführt. Moderne Stromzangen übertragen das entstehende Magnetfeld über die Zangen in die elektronischen Schaltungen und Verstärker im Inneren der Stromzange und übersetzten das E-Feld bzw. die Magnetfeldstärke, je nach Einstellung und Ausführung, Gleichstrom bzw. Wechselstrom. Dargestellt wird der Messwert auf der Stromzange in der Regel auf einem LC-Display. Je nach Ausführung und Größe der Stromzange kann dieses Display auf grafische Verläufe visualisieren.
Auf einer Digitalanzeige können die entsprechenden Messwerte dann abgelesen werden. Der Messbereich dieser indirekten und praktischen Messmethode ist allerdings durch zwei Parameter begrenzt. Einerseits sind sehr kleine Ströme mit Stromzangen kaum zu messen, da die induzierten Magnetfelder nicht mehr detektiert werden können. Andererseits begrenzen die für große Ströme notwendigen Leiterquerschnitte sowie die dementsprechend dimensionierten Zangenkerne die Handhabbarkeit dieser Messgeräte. Auch wenn eine Stromzange für besonders kleine Ströme sowie extrem große Leiterquerschnitte und für die Messung an unzugänglichen Stellen nicht das ideale Messgerät ist, genügt das Leistungsspektrum dieses praktischen und schnellen Messinstrumentes einer Vielzahl von Anwendungen.
Beispielhaft hierfür sei die KFZ-Technik genannt. Hier kann mit Hilfe von Stromzangen eine defekte Fahrzeugelektronik untersucht werden, auch bei der Suche nach Leckströmen innerhalb eines Fahrzeuges ist eine Stromzange ein nützlicher Helfer. Von der einfachen privaten Nutzung im Hobbybereich, über die Werkstattnutzung, bis hin zur großtechnischen Analyse und Auswertung von elektrischen Größen durch Techniker und Ingenieure finden diese Geräte somit in vielen Bereichen Anwendung.
Dieses Phänomen tritt auf, wenn im 1 Phasennetz die Leiter von L1 und N gleichzeitig innerhalb der Messbacken liegen. Dann heben sich die Magnetfelder der beiden Leiter gegenseitig auf und für die Stromzange ist somit kein Strom messbar.
Bei sehr kleinen Strömen ist es für eine Stromzange manchmal sehr schwer einen Messwert anzuzeigen. In diesem Fall kann der Leiter mehrfach um die Messbacke der Stromzange gewickelt werden. Das angezeigte Ergebnis der Stromzange ist dann anschließend durch die Anzahl der Windungen zu teilen.
Das Kürzel EV steht im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen für electric vehicle, also für Fahrzeuge mit Elektroantrieb. Für Messungen der Elektrik in herkömmlichen und elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen muss eine Stromzange für Gleichstrommessungen geeignet sein und sie sollte wegen des meist sehr begrenzten Platzes möglichst kompakt und robust sein.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor sind bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb weit höhere Spannungen und Stromstärken für die leistungsstarken zusätzlichen elektrischen Verbraucher erforderlich. Deshalb werden in Elektro- und Hybridfahrzeugen verschiedene Spannungsebenen verwendet, während bei herkömmlichen Diesel- und Benzinfahrzeugen in der Regel alle Verbraucher über die 12 Volt (bzw. 24 Volt) Batterie gespeist werden. Eine Stromzange für Messungen an Elektro- und Hybridfahrzeugen sollte darum idealerweise sowohl die niedrigen Stromstärken z.B. von Fahrzeugbeleuchtung, Fensterhebern und Cockpitanzeigen, als auch die hohen Stromstärken entlang des elektrischen Antriebsstranges präzise messen können.
Je nach Bauart der Stromzange können die Messergebnisse bei Gleichstrom durch vorherige Magnetisierung und durch andere Leitungen, die sich nah an der Messstelle befinden mehr oder weniger stark beeinflusst werden. Es ist vorteilhaft, wenn die Stromzange dies automatisch durch eine Offsetprüfung ausgleicht oder vor der eigentlichen Gleichstrommessung einfach auf null gesetzt werden kann.
Da zum Aufladen der Batterien von Elektrofahrzeugen vorrangig Wechselstrom aus dem Stromnetz verwendet wird, sind in den Fahrzeugen Umrichter zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom verbaut. Die erforderliche Ladezeit ist sowohl von der Ladesäule als auch von der Ausstattung des Elektrofahrzeugs abhängig. Bei den Ladekabeln sind wie bei anderen Leitungen mit Steckverbindern die einzelnen Adern nicht frei zugänglich. Um während des Aufladevorgangs trotzdem einzelnen Leitungen mit der Stromzange messen zu können, gibt es spezielle Adapter. Zum Beispiel gibt es Messkoffer, an die das Ladekabel angeschlossen wird und die über eine passende Anschlussleitung mit der Ladesäule verbunden werden. Die Stromzange kann dann an den im Koffer einzeln abgeifbaren Verbindungsleitungen den Wechselstrom messen.
Für qualitäts- und sicherheitsrelevante Messungen muss die verwendete Stromzange regelmäßig kalibriert werden. Kalibrieren ist ein Fachbegriff für das Überprüfen der Genauigkeit eines Messgerätes oder Messmittels durch Vergleichsmessungen. Die Mindestanforderungen an Verfahren zur Kalibrierung von Strommesszangen für Gleichstrom und niederfrequenten Wechselstrom werden in der Richtlinie VDI/ VDE/ DKD/ DGQ 2622 - Blatt 23.1 beschrieben.
Zur Kalibrierung von Messgeräten für elektrische Größen werden häufig Multifunktionskalibratoren eingesetzt. Diese Kalibratoren erzeugen einstellbare stabile Ausgangswerte, die direkt mit den angezeigten Werten der Stromzange verglichen werden können. Der verwendete Kalibrator muss regelmäßig mit Hilfe von genaueren Kalibriernormalen überprüft, also auch selbst kalibriert werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Genauigkeit der generierten Größen den Anforderungen entspricht.
Zur Kalibrierung einer Stromzange muss der Kalibrator nicht dafür ausgelegt sein, den höchsten gewünschten Stromstärkewert abzugeben. Die abgegebene Stromstärke kann einfach durch Mehrfachwicklungen des angeschlossenen stromführenden Leiters oder durch spezielle Messspulen vervielfacht werden. Durch jede der Wicklungen fließt dieselbe Stromstärke. Werden mit der Stromzange gleichzeitig 50 Wicklungen umschlossen, erhöht sich die gemessene Stromstärke also auf das 50-fache. Das heißt, statt für die abgegebenen 10 Ampere kann die Messgenauigkeit bei 500 Ampere gemessen werden. Dies gilt sowohl bei Wechselstrom als auch bei Gleichstrom.
Für jede Stromzange wird in den technischen Spezifikationen die Toleranz für die Genauigkeit der Messungen angegeben. Der Nutzer der Stromzange benötigt aber den Nachweis, dass das Messgerät für die jeweiligen Anwendungen geforderte Genauigkeit einhält. Die zulässige Toleranz kann bei der Messaufgabe kleiner oder größer sein als die Toleranz, die vom Hersteller für den verwendeten Gerätetyp bestätigt wird.
Deshalb muss zur Auswertung der Kalibrierergebnisse genau definiert werden, welche Abweichungen für die einzelnen Messbereiche der zu prüfenden Stromzange zulässig sind. Bekommt das Kalibrierlabor keine anderen Vorgaben, verwendet es die Genauigkeitsangaben aus den Gerätespezifikationen. Wird die erwartete Genauigkeit bei der Kalibrierung nicht erreicht, darf die Stromzange nicht mehr oder nur noch eingeschränkt für weitere Messungen verwendet werden.
Anzahl und Lage der gewählten Referenzpunkte sind wichtig für die Aussagefähigkeit der Kalibrierergebnisse. Eine Stromzange die nur für Gleichstrom kalibriert wurde, darf nicht als kalibrierte Stromzange für Wechselstrommessungen eingesetzt werden. Ein Gerät, das für Messungen von Gleichströmen, Wechselströmen und Inrush-Strömen eingesetzt wird, sollte auch für diese drei Messbereiche kalibriert werden. Für jede der separaten Strom-Messfunktionen sollten mindestens drei Messpunkte geprüft werden. Die Messpunkte sollen den kompletten Wertebereich abdecken, für den die Stromzange verwendet wird. Je mehr Messpunkte geprüft werden, desto detaillierter können die festgestellten Abweichungen bewertet werden.