Von 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. Beispielsweise können Stromzangen an Multimeter direkt angeschlossen 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 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.

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 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.

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.

Ahmet Selcuk

: Ahmet Selcuk, Direktor Geschäftsentwicklung

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