Strommesszange

Zangenamperemeter für Wechselstrom

kleines Zangenampermeter

Zangenamperemeter, auch Strommesszangen oder Stromzangen genannt, sind Messgeräte zur indirekten Quantifizierung von Strömen. Während bei der direkten Messung der Stromkreis aufgetrennt werden muss, um das Amperemeter in Reihe zu schalten, ist dies bei der indirekten Messung mit dem Zangenamperemeter nicht erforderlich, da es die magnetische Wirkung des Leiterstroms misst. Dank eines zangenartig teilbaren Eisenkerns kann man Leiter oder Stromschienen umfassen, ohne in den Stromkreis eingreifen zu müssen. Deshalb kann auch an Anlagen gemessen werden, die nicht abgeschaltet werden können. Ein weiterer Vorteil ist die galvanische Trennung. Das Messsignal ist also gegenüber der zu messenden Größe vollkommen potentialfrei.

Wirkungsweise

Wechselstrommessung

Bei Wechselstrom-Zangenamperemetern wird das Transformator-Prinzip angewendet. Dabei bildet der feste und der bewegliche Schenkel der Zange im geschlossenen Zustand den Trafokern, der zu messende Leiter die Primärwicklung und die Spule im Messgerät die Sekundärwicklung. Der Strom im Leiter magnetisiert den Kern und induziert dadurch in der Sekundärwicklung eine Spannung, die proportional zum Leiterstrom ist. Die Ausgangsleistung der Sekundärspule ist so groß, dass sie direkt Messwerke betreiben kann.

Wirkungsweise des Wechselstromzangenamperemeters

Allstrommessung

Gleichstromtaugliche Zangenamperemeter können wegen der fehlenden Wechselfelder nicht nach obigem Prinzip gebaut werden. Hier werden Hallsensoren oder magnetfeldabhängige Widerstände, die auch statische Magnetfelder erfassen können, in einem Luftspalt des Kerns angebracht. Die erzeugten schwachen Signale müssen elektronisch verstärkt werden. Deshalb müssen sie über Batterien oder Netzgeräte mit Strom versorgt werden. Diese Messgeräte sind auch für Wechselströme geeignet.

Wirkungsweise des Allstromzangenamperemeters

Es gab auch eine alte, selten verwendete Form des Zangenamperemeters, das grundsätzlich ein für Wechsel- und Gleichstrom geeignetes Dreheiseninstrument darstellt, dessen magnetischer Kreis von der Zange erweitert wird. Insofern ähnelt es der heutigen Bauform, nur wird zur Ermittlung der Feldstärke kein Hall- oder magnetoresistiver Sensor verwendet, sondern die Kraftwirkung des Magnetfeldes mechanisch zur Anzeige gebracht. Diese Geräte waren nur für sehr große Ströme und geringe Messgenauigkeit geeignet. Zur Messbereichsänderung wurden separate Dreheisenmesswerke steckbar in den magnetischen Kreis gebracht. Für Gleich- bzw. Wechselstrom wurden oft unterschiedliche Skalen an den Messwerken angebracht. Dieses Verfahren ist NICHT mit dem unten erwähnten Verfahren der "direkten Anzeige" zu verwechseln, da das Messwerk hier in den magnetischen Kreis ohne transformatorische Sekundärwicklung mechanisch eingeschoben wird, und bei der "direkten Anzeige" das Dreheiseninstrument den Strom misst, der transformatorisch über eine Sekundärwicklung im magnetischen Kreis erzeugt wird! (Insofern ist dieses Verfahren noch direkter als die "direkte Anzeige")

Anzeige des Messwertes

Direkte Anzeige

Die Messwerte von Stromzangen nach dem Transformatorprinzip können direkt über Dreheisenmesswerke visualisiert werden. Es können auch Drehspulmesswerke verwendet werden, denen aber ein Gleichrichter vorgeschaltet werden muss.

Neuere Ausführungen haben oft Digitalanzeigen, für die der Messwert mittels elektronischer Schaltungen erst umgewandelt werden muss. Solche Geräte benötigen eine zusätzliche Stromversorgung.

Gleichstromtaugliche Stromzangen benötigen grundsätzlich Verstärker für die schwachen Signale der Magnetfeld-Sensoren. Da also sowieso schon elektronische Baugruppen und eine zusätzliche Stromversorgung vorhanden sind, werden sie wegen des geringen zusätzlichen Aufwands normalerweise mit Digitalanzeigen ausgestattet.

Anzeige über Zusatzgeräte

Es gibt auch Stromzangen ohne direkte Anzeige (Zangenstromwandler). Ihr Aufbau ist prinzipiell der gleiche wie bei normalen Ausführungen. Statt eines Anzeigeinstruments sind hier Buchsen vorhanden, über die der Messwert z. B. auf Oszilloskope, Messschreiber oder Multimeter übertragen wird. Jedes Gerät hat ein festgelegtes Übersetzungsverhältnis, über das die wahre Größe des Stromes errechnet werden muss. So gibt z. B. eine Stromzange mit einem Übersetzungsverhältnis von 100:1 bei einem Strom von 20 A einen Ausgangsstrom von 200 mA ab.

Ausführung des Kerns

Der teilbare Kern der Zangenamperemeter besteht aus geschichteten Elektroblechen (bei höheren Frequenzen auch Ferrite) und ist meist zusätzlich isoliert, da mit solchen Geräten ja oft an unisolierten Stromschienen gemessen wird. Die Berührungsflächen der beiden Kernteile sind geschliffen und mit Verzahnungen aufeinander gepasst, um magnetische Verluste möglichst gering zu halten. Der bewegliche Teil des Kerns ist mit einem Scharnier mit dem festen Teil verbunden und kann mittels eines Hebels geöffnet werden. Während der Messung drückt eine Schließfeder die beiden Kernteile zusammen.

Messbereich

Der Messbereich von Zangenamperemetern ist nach unten begrenzt, da bei kleineren Strömen die magnetische Wirkung so schwach ist, dass der Eisenkern nicht mehr genug magnetisiert wird. Will man trotzdem kleinere Ströme mit ihnen messen, so kann man mehrere Windungen der stromführenden Leitung durch die Zange führen. Legt man z. B. die zu messende Leitung in 10 Windungen um den Kern, so erhält man die zehnfache Anzeige. Nach oben ist der mögliche Messbereich nur durch die Größe der Zangenöffnung begrenzt, da ja Ströme im kA-Bereich extrem große Leiterquerschnitte oder Stromschienen und somit entsprechend große Zangenöffnungen erfordern.

Sonderausführung für mehradrige Leitungen

Die meisten Zangenamperemeter sind nur für die Messung eines einzelnen Leiters ausgelegt. Deshalb muss bei mehradrigen Leitungen die zu messende Ader einzeln zugänglich sein, was in bestimmten Fällen ein Abisolieren des Kabelmantels erfordert. Deshalb bietet die Industrie auch Zangenamperemeter an, die den Stromfluss in mehradrigen Leitungen messen können. Solche Messgeräte sind wesentlich teurer als die herkömmlichen für Einzelleiter, da sie mit speziellen Sensorsystemen und zusätzlich mit Mikroprozessoren ausgestattet sind, die die dazu notwendigen Berechnungen ausführen.

siehe auch: Stromsensor