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Spannender Fall
Strom genau und komfortabel
messen mit Anzeigemessgeräten
Elektrische Messungen sind nicht immer ganz leicht
durchzuführen, vor alle im Feld oder in der Anlage,
wo nicht unter Laborbedingungen gemessen und ein
Stromkreis nicht einfach unterbrochen werden kann,
um direkt zu messen. Der Beitrag zeigt, was es zu
beachten gibt im Umgang mit Anzeigemessgeräten
für Einsatzbereiche von Kundendienst bis zur Überwachungs- und Diagnose von laufenden Systemen. Autor: Ahmet Selcuk, Desmond Ebenezer
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on den fundamentalen elektrischen Messungen, die zur
Überwachung oder zur Fehlersuche nötig sind, war Strom
immer der am stärksten problembehaftete Parameter. Im
Labor oder im Bereich von Prüfanlagen ist es einfach, einen Stromkreis zu unterbrechen und ein Amperemeter anzubringen, um Ströme direkt zu messen. In der Qualitätssicherung, im
Kundendienst oder zu Überwachungs- und Diagnosemessungen
an Systemen, die in Betrieb sind, ist dies oft umständlich oder
schwierig. Einen niederohmigen Widerstand im Strompfad anzubringen, um den Spannungsabfall darüber zu messen, zeigt ähnliche Probleme im Zugang auf – ebenso, im Falle von Hochspannungssystemen, wie in Industriesteuerungen oder Umrichtern,
bezüglich Sicherheit.
Ein gängiges Hilfsmittel für diese Aufgabenstellungen ist insofern
ein Anzeigemessgerät. Aufgrund der grundlegenden elektromagnetischen Prinzipien erzeugt bekanntlich ein Strom, der durch einen Leiter fließt, ein magnetisches Feld um diesen Leiter. Das Anzeigemessgerät verwendet dieses Feld zur indirekten Strommessung. Insofern ist das Anzeigemessgerät ein nützliches Zubehör,
allerdings bislang mit nur begrenzter Genauigkeit. Neuentwicklungen überwinden diese Einschränkung und bieten entsprechende
Messbereiche, Genauigkeit und stabile Messeigenschaften, die den
heutigen Prüfszenarien in Fertigung und Wartung entsprechen.
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Beispielsweise können Stromzangen an
Multimeter direktangeschlossen werden, oder
können konfiguriert werden
als Gerät zur Erfassung von
Kurvenformen zur Anzeige auf
Oszilloskopen.
Relativ große Herausforderungen an
die Messung bietet auch das Prüfen von
Systemen im Automobilsektor: Erforderlich
ist ein großer dynamischer Bereich; eine
Stromzange muss in der Lage sein, beim Starten
des Motors, mehrere hundert Ampere zu messen,
während sie am anderen Ende der Skala Ströme im Bereich von Milliampere auflösen muss, wenn nicht sogar Mikroampere – und die schnell fortschreitende Entwicklung von
Elektro- und Hybridfahrzeugen wird weitere Anforderungen generieren. Ein typisches Beispiel in modernen Automobilsystemen ist
aufzuzeichnen, welche Ströme im Standby fließen, wenn theoretisch alle Systeme im Fahrzeug ausgeschaltet sein sollten. Fahrzeuge beinhalten eine große Anzahl an Steuergeräten (ECU), die alle
via Bus-System miteinander kommunizieren. Das Verhalten des
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Bild: gradt - Fotolia
Auf einen Blick
Stromzangen und mehr
Das Entwicklungsteam der in England ansässigen GMC-I Prosys, eine
Niederlassung von Metrawatt International, hat mehr als 20 Jahre Erfahrung in dieser spezialisierten Fachrichtung von Instrumenten. Das
Team wurde ursprünglich als Startup innerhalb des Geschäftsbereich
Instruments der Schweizer Firma LEM gegründet. GMC-I Prosys liefert eine Reihe von Standard und kundenspezifischen Stromzangen
für anspruchsvolle OEM-Aufgaben, Messtechnik- und Systemlieferanten in den Sektoren Industrie und Automotive.
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Bilder: GMC-I Prosys
Handmessgerät mit Ausgabeoption an ein Oszilloskop zur Erfassung von
Kurvenformen etc.
Anzeigemessgerät auch zu genauen Messungen im eher unwirtlichen
Automotiveumfeld.
gesamten Systems, welches sich in Schritten in den Ruhezustand
begibt, kann sehr komplex sein. Dies kann einige Minuten, oder
auch bis zu einigen Stunden, dauern. Dies macht Messzubehör erforderlich, welches nicht nur sehr kleine Ströme anzeigen kann,
sondern auch eine stabile und wiederholbare Erfassung über lange
Zeiträume ermöglicht.
und einer Auflösung von einem Milliampere; Fluxgate-Technologie kann dies erweitern, um ein Milliampere zu messen mit einer
Auflösung von 100 Mikroampere. Frequenzantworten leistungsstarker Stromzangen übersteigen 100 Kilohertz, ermöglichen
Oberwellenanalysen von Stromkurven in Industriesteuerungen
und Umrichtern mit Sprungantwortzeiten unter einer Mikrosekunde.
Die richtige Ausrüstung
Das Kernstück von Anzeigemessgeräten ist ein umfassendes Verständnis und ein äußerst präzises Design des Magnetkreises. Obwohl auf den ersten Blick ähnlich, werden drei verschiedene Messprinzipien in unterschiedlichen Bauformen verwendet. Bei allen
drei bildet sich, bei geschlossen Stromzangenbacken, ein magnetischer Kreis, wenn diese einen Leiter umschließen. Bei einer Variante wird ein Halleffekt-Sensor in einem Spalt im Magnetkreis
platziert. Dieser bündelt das magnetische Feld des Leiters über
dem Spalt und der Hallsensor liefert ein entsprechendes Spannungssignal. Dies bezeichnet man als direkt abbildendes Prinzip;
alternativ hierzu die kompensierende Konfiguration mit einer
Wicklung um den Magnetkern, durch welche ein gegenläufiger
Strom getrieben wird, um den magnetischen Fluss über den Hallsensor zu nullen. Wie mit allen diesen geregelten Messverfahren
kann die kompensierende Anordnung den Bereich und die Linearität vergrößert werden, da das magnetische Element fern von seinem Sättigungsbereich gehalten wird.
Ein zweites Grundprinzip – Der Fluxgate-Sensor – verwendet die
komplette B-über-H-Magnetisierungscharakteristik des Magnetkreises. Ein AC-Signal treibt den Magnetkern in und aus dem Sättigungsbereich; die Begebenheit des zusätzlichen magnetischen
Feldes durch den aktiven Leiter beeinflusst die Abweichung des
Magnetmaterials in seinem B-über-H-Kreis. Hiermit kann der
Wert des Primärstromes ermittelt werden.
Eine weitere Technologie für reine Wechselströme, im Gegensatz
zu den bereits aufgeführten Prinzipien zur DC- und AC-Erfassung,
ist das Verfahren der Rogowskispule, in welchem der Magnetkreis
eine Spule mit Luftkern ist. Das magnetische Feld, bedingt durch
den zu messenden Strom, induziert ein Spannung in die Spule, die
der Stromänderung (di/dt) des Stromes entspricht; Signalaufbereitung durch Integration dieser Spannung führt auf den Wert des
Stromes zurück.
Auf Hallsensor basierende Stromzangen können herab bis auf einige Milliampere messen, mit einer Genauigkeit von einem Prozent
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Grundlegendes Design
Wie zuvor erwähnt, ist das Magnetkreisdesign der Schlüssel zur
Performance. Umgebungen wie Messungen unter der Motorhaube
im Fahrzeug, oder die Nähe zu Motorsteuerungen in Industrieanlagen sind sehr störend für Präzisionssysteme. Als Grundstufe
muss das mechanische Design der Stromzangen robust sein und
derart genau, dass der Magnetkreis exakt schließt und identische
Zustände schafft, jedes Mal wenn die Stromzange angebracht wird.
Für Auflösungen im Microampere-Bereich ist zugleich eine starke
Schirmung gegen externe magnetische Felder, als auch eine große
Empfindlichkeit des zu messenden Feldes erforderlich. Die Möglichkeit von Streufeldern (und anderem elektrischem Rauschen) in
Industriesteuerungen ist offensichtlich; ebenso im automobilen
Umfeld, wo es in direkter Nähe diverse Motoren und andere Systeme gibt. Selbst das Erdmagnetfeld bleibt zu berücksichtigen; die
Magnetfeldstärke erzeugt durch einen Strom von einem Milliampere in einem Radius von zwei Zentimeter beträgt 10 Nanotesla;
das Erdmagnetfeld ergibt einige 10 Microtesla.
Das benötigte Know-how in Bezug auf Magnetkreise, um leistungsstarke Anzeigemessgeräte zu fertigen, überschreitet das der
Schirmung signifikant. Die Genauigkeit wird klassisch spezifiziert bei einem in der Backenöffnung zentriertem Leiter und
senkrecht zur Lage des Magnetkreises. In realer Prüfumgebung
ist dies unwahrscheinlich, somit wird der zusätzliche Fehler, aufgrund des sich aus der Öffnungsmitte befindende Leiter, relevant.
Dies kann die Ungenauigkeit um lediglich ein Prozent vergrößern – aber nur durch sorgfältigstes Magnetkreisdesign, das
Symmetrie und Homogenität des Feldes der Stromzange sicherstellt. n
Der Autor: Ahmet Selcuk (li.), Direktor Geschäftsentwicklung & Desmond Ebenezer, Technischer Direktor
– GMC-I Prosys. (Übersetzung: Carsten Kromer,
Vertriebsleiter Europa).
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