Zangenamperemeter

Ein Zangenamperemeter, auch Strommesszange oder Stromzange genannt, ist ein Messgerät zur indirekten Messung von elektrischem Strom. Während bei der direkten Messung der Stromkreis aufgetrennt werden muss, um das Strommessgerät (Amperemeter) in Reihe zu schalten, ist dies bei der indirekten Messung mit dem Zangenamperemeter nicht erforderlich, da es die magnetische Wirkung des Leiterstroms registriert. Dank eines zangenartig teilbaren Eisenkerns kann man Leiter oder Stromschienen umfassen, ohne den Stromkreis auftrennen 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.

Zangen­ampere­meter für Wechsel­strom

Wirkungsweise

Wechselstrommessung

Wirkungs­weise des Wechsel­strom-Zangen­ampere­meters

Bei Wechselstrom-Zangenamperemetern wird das Transformator-Prinzip angewendet. Die Stromzange fungiert hierbei als magnetischer Messwandler/​Stromwandler. 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 einen Strom, der proportional zum Leiterstrom ist. Die Ausgangsleistung der Sekundärspule ist so groß, dass sie direkt ein (passend skaliertes) Messwerk (z. B. Dreheisenmesswerk) betreiben kann. Die Energie zum Antrieb des Messwerks wird dem zu messenden Stromkreis entnommen.

Allstrommessung

Wirkungs­weise des Allstrom-Zangen­ampere­meters

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

Weiterhin kann auch ein Messprinzip mit Kompensationsmethode benutzt werden. Dabei wird ein durch eine Kompensationswicklung fließender Strom so geregelt, dass der magnetische Fluss in dem Kern idealerweise zu 0 wird. Der Kompensationsstrom wird zur Anzeige gebracht; der fließende Strom ist (wie beim oben beschrieben Transformatorprinzip) dem Windungsverhältnis entsprechend untersetzt. Vorteil hierbei ist, dass eventuelle nichtlineare Eigenschaften beispielsweise des Kerns oder des Hallsensors kaum noch Einfluss auf die Messung haben. Auch hierbei ist für die Regelung und den Kompensationssstrom eine Energieversorgung notwendig.

Es gibt auch eine historische, selten verwendete Form des Zangenamperemeters, das grundsätzlich ein für Wechsel- und Gleichstrom geeignetes Dreheiseninstrument darstellt, dessen magnetischer Kreis von der Zange gebildet wird. Insofern ähnelt es äußerlich der heutigen Bauform, allerdings wird zur Ermittlung der Feldstärke kein Hall- oder magnetoresistiver Sensor verwendet, sondern die Kraftwirkung des Magnetfeldes mechanisch zur Anzeige gebracht. Für Gleich- bzw. Wechselstrom wurden oft unterschiedliche Skalen an den Messwerken angebracht. Diese Geräte sind nur für vergleichsweise große Ströme geeignet und haben eine hohe Messungenauigkeit. Zur Messbereichsänderung werden separate Dreheisenmesswerke steckbar in den magnetischen Kreis gebracht.

Anzeige des Messwertes

Eingebaute 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 daher (neben der Messgröße) eine zusätzliche Energieversorgung.

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

Anzeige über Zusatzgeräte

Stromzange zum Anschluss an ein Oszilloskop

Es gibt auch Stromzangen ohne eingebaute Anzeige (Zangenstromwandler). Davon abgesehen ist ihr Aufbau prinzipiell der gleiche wie bei den anderen Ausführungen. Statt eines Anzeigeinstruments sind hier Buchsen oder Kabel 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. Es gibt auch Ausführungen mit eingebautem Strom-Spannungsumsetzer (im einfachsten Fall als passive Bürde (Widerstand)), die direkt an einen Spannungseingang (üblicher Eingang eines Oszilloskops) angeschlossen werden können.

Ausführung des Kerns

Stromzange für Gleichstrom und Wechselstrom

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 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