Strommessung

Dieses Dokument ist Teil unseres Informationsportals „Praktische Anleitungen für die gängigsten Messungen“.

Übersicht über Strom

Elektrischer Strom ist der Fluss elektrischer Ladung. Strom wird in Ampere (A) gemessen, ein Ampere ist dabei der Fluss eines Coulombs pro Sekunde. Zwar kann Strom auf verschiedene Art gemessen werden, die bekannteste ist aber die indirekte Messung. Dabei wird die Spannung an einem Präzisionswiderstand gemessen und mit dem Ohmschen Gesetz der Strom berechnet.

Dieses Video zeigt Ihnen in nur einer Minute, wie eine Strommessung durchgeführt wird

Grundlagen zu Strom

In einem festen, leitenden Metall befindet sich eine große Zahl an frei beweglichen Elektronen. Wird ein Metalldraht an beide Anschlüsse einer DC-Spannungsquelle, z. B. einer Batterie, angeschlossen, verursacht die Quelle ein elektrisches Feld über dem Leiter. Sobald der Kontakt zustande kommt, fließen die freien Elektronen des Leiters unter Einfluss dieses Feldes zum positiven Anschluss.

Freie Elektronen sind also in einem typischen festen Leiter die Stromträger. Bei einer Stromstärke von 1 Ampere fließt jede Sekunde 1 Coulomb elektrischer Ladung (die aus ca. 6,242 × 10¹⁸ besteht) durch den gedachten Flächenquerschnitt des Leiters.

Abbildung1: Konventionelle Stromnoation: Elektrische Ladung fließt von der positiven zur negativen Seite der Energiequelle

Schon früh in der Geschichte der elektrischen Wissenschaft wurde konventioneller Strom als Fluss positiver Energie definiert. In festen Metallen, wie Drähten, sind die Träger der positiven Ladung unbeweglich und nur die negativ geladenen Elektronen fließen. Da ein fließendes Elektron also negativ geladen ist, fließt der Elektronenstrom (physikalisch) in die entgegengesetzte Richtung des konventionellen Stroms (technisch).

Bei der Analyse elektrischer Schaltkreise ist die tatsächliche Stromrichtung durch ein spezifisches Schaltkreiselement normalerweise unbekannt. Deshalb wird jedem Element eine Stromvariable mit einer willkürlich gewählten Referenzrichtung zugewiesen. Ist der Schaltkreis vollständig berechnet, kann der Strom an den Schaltkreiselementen jeweils positive oder negative Werte zeigen. Ein negativer Wert bedeutet, dass die tatsächliche Richtung des Stroms durch dieses Element entgegengesetzt zur gewählten Referenzrichtung ist.

Durchführung von Strommessungen

Methoden der Strommessung

Es gibt zwei wichtige Methoden, Strom zu messen. Die eine wird, basierend auf Elektromagnetismus, mit einem Drehspulmesswerk (zurückgehend auf d’Arsonval) durchgeführt und die andere basiert auf der Elektrizitätstheorie, dem Ohmschen Gesetz.

D'Arsonval-Galvanometer

Ein d’Arsonval-Galvanometer ist ein Gerät für die Erkennung und Messung elektrischem Stroms. Es handelt sich dabei um einen analogen elektromechanischen Messwertaufnehmer, bei dem eine bestromte Spule in Drehung versetzt wird und somit in Abhängigkeit des Spulenstroms Richtung und Stärke ermittelt werden können.
 

Die heute verwendete Version des d’Arsonval-Galvanometers, das Drehspulmesswerk, umfasst eine kleine drehbare Spule im Feld eines Permanentmagneten. An der Spule ist ein Zeiger befestigt, der auf einer kalibrierten Skala die Stromstärke anzeigt. Eine kleine Spiralfeder bringt Spule und Zeiger wieder auf die Null-Position.

Fließt Gleichstrom (DC, Direct Current) durch die Spule, erzeugt diese ein Magnetfeld, das dem Permanentmagneten entgegenwirkt. Die Spule dreht sich, übt Druck auf die Feder aus und bewegt den Zeiger. Dieser zeigt auf einer Skala die Stärke des elektrischen Stroms an. Ein sorgfältiges Design der Polkomponenten stellt sicher, dass das Magnetfeld gleichmäßig ist, so dass der Winkel des Zeigerausschlags proportional zur Stromstärke ist.

 

Andere Amperemeter

Die meisten heute verwendeten Amperemeter basieren auf der grundlegenden Elektrizitätstheorie, dem Ohmschen Gesetz. Moderne Amperemeter sind im Prinzip Voltmeter mit einem Präzisionswiderstand. Mithilfe des Ohmschen Gesetzes kann die Stromstärke genau und kostengünstig berechnet werden.
 

Ohmsches Gesetz: In einem elektrischen Schaltkreis ist der durch einen Leiter zwischen zwei Punkten fließende Strom direkt proportional zur Potenzialdifferenz (quasi die Spannung oder der Spannungsabfall) zwischen den beiden Punkten, und umgekehrt proportional zum Widerstand zwischen diesen.

Folgende mathematische Gleichung beschreibt diesen Zusammenhang:

I = U/R

I ist der Strom in Ampere, U ist die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten in Volt, also der Spannungsabfall, und R ist ein Schaltkreisparameter, gemessen in Ohm (entspricht Volt pro Ampere), der Widerstand genannt wird.

Betrieb von Amperemetern: Moderne Amperemeter haben einen internen Widerstand zur Messung des Stroms in einem Signal. Reicht dieser zur Messung höherer Stormstärken nicht aus, ist eine externe Konfiguration notwendig.

Um solche Stromstärken zu messen, kann parallel zum Amperemeter ein Präzisionswiderstand, auch Shunt genannt, geschaltet werden. Der Großteil des Stroms fließt durch den Shunt und nur ein Bruchteil durch das Amperemeter.
 

Für diesen Vorgang kommt jeder Widerstand in Frage, solange die maximal erwartete Stromstärke multipliziert mit dem Widerstand nicht höher ist, als der Eingangsbereich des Amperemeters oder des Datenerfassungsgeräts.

Wird Strom auf diese Weise gemessen, sollte der Widerstand mit den niedrigsten möglichen Werten verwendet werden, weil dieser am wenigsten Interferenzen mit dem bestehenden Schaltkreis verursacht. Jedoch führen kleinere Widerstände auch zu kleineren Spannungsabfällen. Der Anwender muss also einen Kompromiss zwischen Auflösung und Interferenz im Schaltkreis eingehen. 

Abbildung 2 zeigt einen gängigen Schaltplan einer Strommessung mit Shunt-Widerstand.

Abbildung 2: Anbindung eines Shunt-Widerstands an eine Messung

Bei dieser Methode fließt der Strom nicht tatsächlich durch das Amperemeter oder das Datenerfassungsgerät, sondern durch einen externen Shunt-Widerstand. Die höchste messbare Stromstärke ist deshalb theoretisch unendlich, vorausgesetzt der Spannungsabfall am Shunt-Widerstand übersteigt nicht den Spannungsbereich des Amperemeters/Datenerfassungsgeräts.

 

Stromkonventionen

Konventionelle Ströme

Konventionelle Ströme sind Strommessungen, wie sie heutzutage in der Elektronik, elektrischen Schaltkreisen, Übertragungsleitungen usw. vorkommen. Sie entsprechen keinem Übertragungsstandard und können sich zwischen ganz niedrigen und sehr hohen Amperewerten bewegen.
 

Stromkreise/4-20 mA

Analoge Stromkreise werden immer dann eingesetzt, wenn ein Gerät entweder überwacht oder über ein Leiterpaar ferngesteuert werden soll. Dabei kann nur ein Strompegel auf einmal vorhanden sein.

“Stromkreise mit vier bis 20 Milliampere” oder 4-20 mA stellen einen analogen elektrischen Übertragungsstandard für industrielle Geräte und Kommunikation dar. In einem solchen Stromkreis entspricht ein Pegel von 4 mA 0 % und ein Pegel von 20 mA 100 % des Signals. [1] „mA“ steht für Milliampere, oder 1/1000 eines Amperes.

Die Nullposition bei 4 mA erlaubt den empfangenden Geräten die Unterscheidung zwischen einem Nullsignal und einem unterbrochenen Draht oder fehlerhaften Gerät. [1] Dieser Standard wurde in den 1950ern entwickelt und ist auch heute noch in der Industrie weit verbreitet. Vorteile der 4-20-mA-Konvention sind der verbreitete Einsatz bei Herstellern, relativ geringe Implementierungskosten und ihre Fähigkeit, viele Formen des elektrischen Rauschens auszuschließen. Auch können mit der Nullposition Geräte mit niedrigem Stromverbrauch direkt aus dem Kreis gespeist werden, so dass keine Kosten für zusätzliche Kabel entstehen.

Überlegungen zur Genauigkeit

Die Platzierung des Shunt-Widerstands im Schaltkreis spielt eine wichtige Rolle. Teilt sich der externe Schaltkreis die Masse mit dem Computer, der das Amperemeter oder die Datenerfassungskarte enthält, sollte der Shunt-Widerstand möglichst direkt mit der Masse des Schaltkreises verbunden werden. Ist das nicht der Fall, liegt die vom Shunt-Widerstand erzeugte Gleichtaktspannung unter Umständen außerhalb der Spezifikationen des Amperemeters bzw. der Datenerfassungskarte, was zu ungenauen Messungen oder sogar Schäden an der Karte führen könnte. Abbildung 3 zeigt eine falsche und eine korrekte Platzierung des Shunt-Widerstands.

 

  
Abbildung 3: Positionierung des Shunt-Widerstands

 

Messungen mit Datenerfassungsgeräten

Mit analogen Eingängen können auf drei verschiedene Arten Signale gemessen werden. Die verschiedenen Konfigurationen werden im Artikel „Spannungsmessungen“ näher erläutert.

Als Beispiel soll hier das USB-Datenerfassungssystem NI CompactDAQ dienen. Abbildung 4 zeigt ein NI-CompactDAQ-Chassis und das analoge Stromeingangsmodul NI 9203. Letzteres benötigt keinen externen Shunt-Widerstand, da es bereits einen internen Präzisionswiderstand enthält.

 

Abbildung 4: NI-CompactDAQ-Chassis und analoges Stromeingangsmodul NI 9203

Abbildung 5 zeigt den Schaltplan für RSE-Spannungsmessungen (RSE, Reference Single-Ended) mit einem Chassis des Typs NI cDAQ-9172 und NI 9203 sowie die Anschlussbelegung des Moduls. Pin 0 entspricht hier dem Kanal „Analog Input 0“ und Pin 9 der gemeinsamen Masse.

 

Abbildung 5: Strommessungen in RSE-Konfiguration

Neben NI 9203 können auch universelle Analogeingangsmodule, wie etwa NI 9205, mithilfe eines externen Shunt-Widerstands die entsprechende Eingangsfunktionalität zur Verfügung stellen.

 

Messungen darstellen: NI LabVIEW

Ist der Sensor an das Messgerät angeschlossen, können Daten mit der grafischen Programmiersoftware LabVIEW dargestellt und analysiert werden.

Abbildung 6: Strommessung mit LabVIEW

Literaturverzeichnis

Bolton, William (2004). Instrumentation and Control Systems. Elsevier. ISBN 0750664320.

Empfohlene Hardware und Software

Beispiel für ein Strommesssystem

Die schlüsselfertige NI-CompactDAQ-Plattform in einem 3-minütigen Video

Virtuelle Tour zu NI CompactDAQ

Weitere Informationen über LabVIEW und kostenlose Evaluierungsversionen

Software zur Verwaltung und Auswertung archivierter Messdaten (ni.com/diadem/d)

Webcasts, Tutorien und weitere Ressourcen zu Strommessungen

Messung von Gleich- und Wechselstrom

NI-DAQmx: Kontinuierliche Strommessungen

Isolationstechnologien für zuverlässige Messungen in der Industrie