Leitfaden zur Strommessung – Wie wird Strom gemessen?

In einem festen leitenden Metall befindet sich eine große Zahl frei beweglicher Elektronen. Wird ein Metalldraht an beide Anschlüsse einer DC-Spannungsquelle wie eine 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 Elektronen besteht) durch den gedachten Flächenquerschnitt des Leiters.

Abbildung 1:  Darstellung des Stromflusses

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 also ein fließendes Elektron negativ geladen ist, fließt der Elektronenstrom (physikalisch) in die entgegengesetzte Richtung des konventionellen (oder elektrischen) Stroms.

Bei der Analyse elektrischer Schaltkreise ist die tatsächliche Stromrichtung durch ein spezifisches Schaltkreiselement in der Regel 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.

Strommessmethoden

Es gibt zwei wichtige Methoden zur Strommessung. Die eine wird, basierend auf Elektromagnetismus, mit einem Drehspulmesswerk (zurückgehend auf d’Arsonval) durchgeführt und die andere basiert auf der wichtigsten Elektrizitätstheorie, dem Ohm’schen Gesetz.

D'Arsonval-Messer/Galvanometer

Bei einem d’Arsonval-Galvanometer handelt es sich um eine Art von Amperemeter, das der Erkennung und Messung elektrischen Stroms dient. 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, sodass der Winkel des Zeigerausschlags proportional zur Stromstärke ist.

Andere Amperemeter

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

Ohm’sches 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 als Widerstand bezeichnet wird.

Amperemeter-Betrieb – Moderne Amperemeter haben einen internen Widerstand zur Messung des Stroms in einem Signal. Reicht dieser zur Messung höherer Stromstärken nicht aus, ist eine externe Konfiguration erforderlich.

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. Dadurch kann das Amperemeter größere Ströme messen.

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 die 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 den gängigen Schaltplan einer Strommessung mit Shunt-Widerstand.

Abbildung 2: Einbindung eines Shunt-Widerstands in eine Messung

Bei dieser Methode fließt der Strom nicht tatsächlich durch das Amperemeter oder 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

Bei konventionellen Strömen handelt es sich um Strommessungen, wie sie heutzutage üblicherweise 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 Konvention

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 Messgeräte und die 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 Messgeräten 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 sowie die Möglichkeit, viele Formen des elektrischen Rauschens auszuschließen. Mit der Nullposition können Geräte mit niedrigem Stromverbrauch auch direkt aus dem Kreis gespeist werden, sodass keine Kosten für zusätzliche Kabel entstehen.

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. Platzieren des Shunt-Widerstands

Messungen mit Datenerfassungsgeräten

Es gibt drei verschiedene Methoden zur Messung analoger Eingänge. Die verschiedenen Konfigurationen werden im Artikel „Durchführung von Spannungsmessungen“ näher erläutert.

Als Beispiel soll hier das USB-Datenerfassungssystem NI CompactDAQ dienen. Abbildung 4 zeigt das Gehäuse des NI cDAQ-9178 und ein analoges Stromeingangsmodul NI 9203. Das NI 9203 benötigt keinen externen Shunt-Widerstand, da es bereits einen internen Präzisionswiderstand aufweist.

Abbildung 4: Chassis NI cDAQ-9178 und analoges Stromeingangsmodul NI 9203

Abbildung 5 zeigt den Schaltplan für RSE-Strommessungen (Reference Single-Ended, gegen Masse geschaltet) mit einem Chassis des Typs NI cDAQ-9178 und dem Modul NI 9203 sowie die Anschlussbelegung des Moduls. Pin 0 entspricht dabei 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 das NI 9205 mithilfe eines externen Shunt-Widerstands die entsprechende Eingangsfunktionalität zur Verfügung stellen.

Wie Sie Ihre Messung darstellen können: NI LabVIEW

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

Abbildung 6. LabVIEW-Strommessung

Referenzen
Bolton, William (2004). Instrumenten- und Steuerungssysteme. Elsevier. ISBN 0750664320.

Beispiel für ein Strommesssystem
Mehr über NI CompactDAQ
Kostenlose Evaluierung von LabVIEW

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