Strommesser

Digitales Vielfachmessgerät

Historische Spannungs- und Strommesser (um 1920)

Schaltzeichen eines Strommessers

Ein Strommessgerät (auch als Strommesser oder überholt als Amperemeter bezeichnet) dient zur Messung elektrischer Ströme. Der Begriff Amperemeter ist seit Langem in der Normung ersetzt worden und sollte nicht mehr verwendet werden, da mit Ampere die Einheit bezeichnet wird und nicht die physikalische Größe, die tatsächlich gemessen wird.

Bei der Messung wird die Messgröße in eine Anzeige ihres Vielfachen der Einheit Ampere umgeformt. Für Laboranwendungen gibt es umschaltbare Vielfachmessgeräte mit mehreren Messbereichen, Analogmultimeter und Digitalmultimeter. Für industrielle Anwendungen gibt es anzeigelose Messeinrichtungen.

Ausführungsformen

Analoge Geräte

Drehspulmesswerk

Wegen des geringen Eigenverbrauches, wegen Zuverlässigkeit und geringer Störempfindlichkeit ist das Drehspulmesswerk weiterhin zur Strommessung verbreitet. Es misst den (positiven oder negativen) Gleichstrom und muss bei höheren Strömen durch Parallelschalten eines Shunts ergänzt werden.

Multimeter mit nichtlinearer Teilung (rot markiert) für Wechselgrößen

Wechselstrom kann mit einem Drehspulmesswerk unter Verwendung eines Gleichrichters gemessen werden, wobei das 1,11-fache des Gleichrichtwertes angezeigt wird; das ist jedoch nur bei Sinusform des Wechselstromes auch zugleich der Effektivwert. Dieses Verfahren erfordert aufgrund der Durchlassspannung der Dioden des Messgleichrichters einen größeren Spannungsabfall (Eigenverbrauch) als bei Gleichstrom. Dem überdies nichtlinearen Spannungsabfall muss durch eine im unteren Bereich nichtlineare Skalenteilung begegnet werden. Analogmultimeter mit eingebautem Verstärker umgehen dieses Problem.

Dreheisenmesswerk

Zur Messung des Effektivwertes eignet sich das Dreheisenmesswerk. Die Geräte sind überwiegend für 50 Hertz ausgelegt, eignen sich jedoch auch für oberschwingungsreichen Netzstrom und für Gleichstrom. Dreheisenmesswerke können für sehr große Ströme gefertigt werden, ohne dass ein Shunt verwendet werden muss.

Hitzdrahtmesswerk

Ein Hitzdrahtmesswerk verwendet einen vom Strom durchflossenen Draht, der sich aufgrund der jouleschen Wärme erwärmt und entsprechend seinem Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten seine Länge vergrößert und über ein Hebelwerk einen Zeiger antreibt. Hitzdrahtmesswerke messen den Effektivwert und sind für Gleich- und Wechselstrom, auch für Hochfrequenz geeignet. Diese Geräte werden seit Jahrzehnten nicht mehr hergestellt.

Digitale Geräte

Digitale Strommessgeräte sind Spannungsmessgeräte, die den Spannungsabfall über einem eingebauten oder externen Messwiderstand (Shunt) messen. Mehrere Messbereiche werden mit einer parallel zum Spannungsmesser geschalteten Reihenschaltung mehrerer verschiedener Shunts realisiert, wobei ein Stufenschalter einen oder mehrere der Shunts in den Stromkreis schaltet, ohne beim Umschalten die Verbindung zu unterbrechen (englisch make before break).

Panelmeter werden vom Anwender mit passenden Shunts konfiguriert. Die Einheitenanzeige und Kommastellung von Panelmetern sind 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.

Ausführung als Transformator

Ein aufklappbarer Ferrit- oder Eisenblechpaket-Bügel bildet den Transformator-Kern, der mit geschlossener Zange umfasste stromführende Leiter die Primärwicklung und die um den Kern angeordnete Spule die Sekundärwicklung. Der hindurch geführte Leiter hat die Windungszahl n_prim = 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.

Ausführung mit Stromsensor

Gleichermaßen für Gleichstrom- und Wechselstrommessung geeignete Geräte besitzen ebenfalls einen Klappkern, sind jedoch mit Stromsensoren ausgestattet. Sie arbeiten 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 potentialfreien 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 mit Stromwandler

Wechselströme können über Stromwandler (spezielle Messtransformatoren) gemessen werden; vom Strommesser gemessen wird dessen (gemäß der Nennübersetzung kleinerer) 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. Stromwandler können nur einen maximalen Außenwiderstand (die Bürde) speisen, ansonsten ist das Messergebnis fehlerhaft, oder sie werden überlastet. Ist an die Sekundärwicklung nichts angeschlossen, erzeugen sie aufgrund des Stromquellen-Charakters gefährliche Spannungen. Unbenutzte Stromwandler müssen daher sekundärseitig immer kurzgeschlossen sein.

Strommessung mit Shunt

Bei großen Gleichströmen oder Strömen mit Gleichanteil wird oft ein Messwiderstand (Shunt) verwendet, an den ein Spannungsmesser angeschlossen wird. Shunts sind oft mit Kelvin-Kontakten versehen, um den Messfehler aufgrund des Kontaktwiderstandes der Anschlüsse zu vermeiden. Üblich sind Shunts, die beim spezifizierten Maximalstrom einen Spannungsabfall von 60 mV erzeugen. Bei einem Messwiderstand von 1 mΩ ist ein zugehöriger Spannungsmesser praktischerweise nicht mit einem Maximalwert 60 mV sondern von 60 A beschriftet.

Benutzung

Zur Strommessung muss der zu messende Strom durch das Messgerät fließen. Es wird daher zum Verbraucher in Reihe geschaltet. Dazu muss es ständig eingebaut sein. Zur Ein- oder Ausbau des Strommessgerätes muss der Stromkreis abgeschaltet und aufgetrennt werden: Die Messung erfordert einen Eingriff in die zu untersuchende Schaltung und in dieser Zeit eine Unterbrechung des Stromflusses. Allenfalls kann ein „Bypass“ gelegt werden, um den Strom um die aufzutrennende Stelle herumzuleiten.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, um diese Auftrennung des Stromkreises zu vermeiden:

1. Wenn ein bekannter Widerstand R im Stromkreis liegt, kann man mit einem Spannungsmessgerät die Spannung U über dem Widerstand messen und den Strom I gemäß I = U / R ausrechnen.
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 (Zangenstrommesser).
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 Klemmenspannung des Strommessers unter etwa 200 mV (d. h. sicher unterhalb der Durchlassspannung der Silizium-Diode) bleibt, fließt der Strom ausschließlich durch das Messgerät.

Messbereichsanpassung, Fehler durch Eigenverbrauch

Geräte mit Drehspulmesswerk

Das Messwerk hat konstruktionsbedingt einen Messbereichsendwert (meistens Vollausschlag) bei einer maximalen Stromstärke I_max. Zugleich besitzt es einen Eigenwiderstand (Innenwiderstand R_i). Das bedeutet, wenn die maximale Stromstärke fließt, fällt eine gewisse Spannung U_max ab, die sich nach dem ohmschen Gesetz zu

Messbereichserweiterung eines Strommessers

$U_\mathrm{max} = R_\mathrm{i} \cdot I_\mathrm{max} \,$

berechnet. Bei Überschreitung der maximalen Stromstärke kann das Messwerk überlastet werden. Auf der zugehörigen Skale entspricht die maximale Stromstärke dem Vollausschlag. Bei Messgeräten mit einem Klassenzeichen ist eine zulässige Überlastbarkeit durch Normung festgelegt.

Zur Anpassung an den gewünschten Messbereich wird zum Messwerk parallel ein Nebenschlusswiderstand (Shunt) R_s 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 I_max durch das Messwerk und der Rest I_s = I - I_max durch den Shunt fließt.

R_i soll nicht nur durch den Spulenwiderstand R_sp gebildet werden, da das hierfür verwendete Kupfer seinen Widerstand mit der Temperatur um 3,9 … 4,5 % / 10 K ändert, wodurch sich temperaturabhängig auch die Anzeige ändert. Zur Verminderung dieses Messfehlers soll noch ein von der Temperatur unabhängiger Widerstand R_v in Reihe zum Messwerk liegen: Bei R_v = 2 ⋅ R_sp reduziert sich der Temperatureinfluss von R_i 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 R_sp + R_v = R_i = 750 Ω und seinen Vollausschlag bei I_max =200 µA. Es soll für einen Messbereich von 10 mA eingesetzt werden. Dann müssen bei Vollausschlag 200 µA durch das Messwerk und I_s = 10 mA – 0,2 mA = 9,8 mA durch den Shunt fließen. Die maximale Spannung ist U_max = 750 Ω ⋅ 0,2 mA = 150 mV. Damit bei 150 mV durch den Shunt 9,8 mA fließen, muss sein Widerstandswert R_s = U_max/I_s = 150 mV/9,8 mA = 15,31 Ω betragen. Der Gesamtwiderstand der Parallelschaltung liegt dann bei 15,00 Ω. Beim Messbereichsendwert 10 mA kommt man dann wieder auf 150 mV.

Für auf mehrere Messbereiche umschaltbare Strommesser siehe unter Analogmultimeter.

Geräte mit Dreheisenmesswerk

Die Spule eines Dreheisenmesswerkes besitzt eine beträchtliche induktive Komponente des Innenwiderstandes, 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.

Dreheisenmesswerke werden daher für unterschiedliche Messbereiche bis zu etwa 100 A gefertigt, indem für die Messbereiche unterschiedliche Windungszahlen und Drahtquerschnitte für die Spule verwendet werden.

Zur Messbereichsanpassung bei Wechselstrom können jedoch auch Stromwandler verwendet werden. Dafür vorgesehene Dreheisenmesswerke besitzen meist einen Vollausschlag von 5 A, die dem Nenn-Ausgangsstrom des Stromwandlers entspricht. Die Skale ist entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des anzuschließenden Stromwandlers beschriftet, hat also beispielsweise den Endwert 300 A bei einem Stromwandler 300 A : 5 A (Windungszahlverhältnis 1 : 60).

Digital-elektronische Geräte

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 entlang mehrerer, in Reihe geschalteter Shunts unterbrechungsfrei auf einen oder mehrere Messwiderstände 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 U_max (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

• Messtechnik
• Digitale Messtechnik
• Messgeräteabweichung