In diesem Artikel befassen wir uns damit, wie man heute im Kontext von Datenerfassungsanwendungen (DAQ) elektrischen Strom misst, und zwar so detailliert, dass Sie:

  • sehen, welche Stromsensoren und -wandler heute verfügbar sind;
  • lernen, was die Grundlagen für eine korrekte Strommessung sind;
  • verstehen, wie verschiedene Sensoren in Strommessanwendungen eingesetzt werden.

Einleitung

Analog zur Spannung kann Strom als Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) vorliegen. Der elektrische Strom ist die Flussintensität oder -rate einer elektrischen Ladung. Ähnlich wie bei der Spannungsmessung müssen wir manchmal sehr kleine Ströme messen, die sich im Mikroampere-Bereich bewegen, und andere Male sehr hohe Ströme, die tausende Ampere erreichen können.

AC and DC current

Um dieses breite Spektrum abzudecken, bietet Dewesoft eine Vielfalt an Stromwandlern und -sensoren an, deren Spannungs- oder Stromausgangssignale mit einem der Spannungsmessverstärker  kompatibel sind, die für unsere DAQ-Prüfgeräte zur Verfügung stehen.

Dewesoft-Datenerfassungssysteme können alle wichtigen elektrischen Eigenschaften, einschließlich Spannung, Strom usw., messen. Die Kombination aus Sensor und Messverstärker ermöglicht die nahtlose Umwandlung einer breiten Vielfalt an Strömen in Low-Level-Ausgangssignale, die zur Anzeige, Speicherung und Analyse digitalisiert werden können.

Aber welchen Sensor sollten Sie wählen? Zweck dieses Artikels ist es, die verschiedenen erhältlichen Arten von Stromsensortypen und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile zu beschreiben und darzustellen, für welche Anwendungen jeder Typ am besten geeignet ist

Was ist elektrischer Strom?

Wie bereits erwähnt, ist Strom die Flussintensität oder -rate einer elektrischen Ladung. In Gleichstromsystemen fließt Strom immer in die gleiche Richtung, ist also „unidirektional“. Übliche Gleichstromquellen sind Batterien und Solarzellen.

AC versus DC electrical currentWechselstrom vs. Gleichstrom

In Wechselstromsystemen ändert der Strom seine Richtung bei einer gegebenen Frequenz. In Unternehmen und Privathaushalten wird Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hz (je nach Land) verwendet. Dieser Wechselstrom ist in der Regel sinusförmig (bzw. in Form einer Sinuswelle).
Die üblichste Wechselstromquelle ist ein lokales Kraftwerk. Photovoltaikzellen erzeugen Gleichstrom, der für die Versorgung von Haushalten in Wechselstrom umgewandelt werden muss. Das Gleiche gilt für eine USV (Batterie-Backup-System für Computer): Die Energie ist in einer Batterie gespeichert und muss in Wechselstrom umgewandelt werden, um Haushaltsstrom zu liefern.

Außerdem wird nicht-sinusförmiger Wechselstrom dazu eingesetzt, Informationen auf den Stromkreis zu modulieren, z. B. bei Funksignalen und Tonübertragung.

Audio signal recorder in Dewesoft X data acquisition softwareTypisches Audiosignal

Die Einheit für Strom im internationalen Einheitensystem (SI) ist das Ampere, ausgedrückt durch das Einheitenzeichen A.

Das genormte Formelzeichen für Strom ist das I, das auf das französische intensité de courant (für „Stromstärke“) zurückgeht. Sowohl A als auch I sind als Kürzel für Strom akzeptiert.

Wechselstrom und Gleichstrom werden oft mit AC und DC (für Englisch alternating current und direct current), seltener auch mit AAC und ADC, abgekürzt.

Ein Ampere entspricht einem Coulomb elektrischer Ladung, die sich innerhalb einer Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters bewegt (also etwa 6,242 × 1018 Elektronen).

Elektrischer Strom erzeugt immer ein Magnetfeld. Je stärker der Strom, desto stärker das Feld. Durch seine Messung mit verschiedenen Techniken (Hall-Effekt, Induktion oder Fluxgate) können wir den Elektronenfluss (Strom) im Stromkreis bestimmen.

Wie kann Strom gemessen werden?

Elektrischer Strom erzeugt immer ein Magnetfeld, und dieses Feld – und damit die Stromstärke – kann mit einem Hall-Sensor oder natürlich auch mit anderen Sensoren gemessen werden. 

Es ist aber auch möglich, einen Shunt-Widerstand in einen Schaltkreis zu schließen und den Strom direkt zu messen, so wie es beim klassischen Amperemeter und beim Stromshunt geschieht. Mit beiden Methoden werden wir uns in den folgenden Abschnitten befassen.

Erfahren Sie mehr über Dewesoft und die Spannungs-/Strommessung:

Dewesoft PRO-Training > Spannungsmessung

Dewesoft PRO-Training > Strommessung

Stromsensoren mit offenem vs. geschlossenem Regelkreis

Sie haben vielleicht schon einmal etwas von Stromsensoren mit offenem oder mit geschlossenem Regelkreis gehört. Worin unterscheiden sie sich?

Stromsensoren mit offenem Regelkreis (Open-Loop-Sensoren) sind kostengünstiger als Stromsensoren mit geschlossenem Regelkreis, wie z. B. Nullfluss-Stromwandler. Sie bestehen aus einem in den Spalt eines Magnetkerns eingesetzten Hall-Sensor. Das Ausgangssignal des Hall-Sensors wird verstärkt und misst das durch den Strom erzeugte Feld, ohne mit ihm in Kontakt zu kommen. So wird eine galvanische Trennung zwischen der Schaltung und dem Sensor erreicht.

Open-loop current sensorsStromsensor mit offenem Regelkreis

Manche Stromsensoren mit offenem Regelkreis verfügen über eine Kompensationselektronik, die hilft, den durch Änderungen der Umgebungstemperatur verursachten Drift auszugleichen. Im Vergleich zu Sensoren mit geschlossenem Regelkreis sind Sensoren mit offenem Regelkreis kleiner und kostengünstiger. Sie haben einen geringen Leistungsbedarf und können für die Messung sowohl von Wechsel- als auch von Gleichströmen eingesetzt werden. Andererseits sind sie aber nicht so genau wie ihre Verwandten mit geschlossenem Regelkreis: Es kann zu Sättigungseffekten kommen, und sie bieten eine geringere Temperaturkompensation und Störfestigkeit.

Stromsensoren mit geschlossenem Regelkreis (Closed-Loop-Sensoren) verwenden einen Rückkopplungsregelkreis, um ein zum Eingangssignal proportionales Ausgangssignal zu erzeugen. Im Vergleich zu Sensoren mit offenem Regelkreis bietet die Konstruktion mit geschlossenem Regelkreis naturgemäß eine höhere Genauigkeit und Linearität sowie eine bessere Temperaturdriftkompensation und Störfestigkeit.

Closed-loop current sensorStromsensor mit geschlossenem Regelkreis

Bei Sensoren mit offenem Regelkreis führen temperaturbedingter Drift oder jegliche Nichtlinearität im Sensor zu Fehlern. Auf der anderen Seite verwenden Sensoren mit geschlossenem Regelkreis eine Spule, die durch die Erzeugung eines Magnetfelds, das dem des Stromleiters entgegengesetzt ist, aktiv erregt wird. Dies ist der „geschlossene Regelkreis“, der eine verbesserte Genauigkeit und Sättigungsleistung bietet.

Was ist also besser? Das hängt ganz Verwendungszweck ab. Aufgrund der geringeren Kosten, Größe und Leistungsanforderungen sind Stromsensoren mit offenem Regelkreis weit verbreitet. Diesen Vorteilen steht entgegen, dass sie aufgrund ihrer Sättigungsanfälligkeit in manchen Anwendungen „überdimensioniert“ werden müssen, um dieses Problem zu umgehen.

Stromsensoren mit geschlossenem Regelkreis sind klar zu bevorzugen, wenn es um Anwendungen geht, die eine bestmögliche Genauigkeit und Sättigungsbeständigkeit erfordern oder die in Umgebungen mit sehr mit großem Temperaturbereich oder elektrischem Rauschen eingesetzt werden.

Stromsensoren mit offenem Regelkreis finden sich in Anwendungen wie

  • batteriebetriebenen Schaltungen (aufgrund ihres niedrigen Leistungsprofils),
  • Antriebsanwendungen, bei denen keine hohe Drehmomentgenauigkeit erforderlich ist,
  • Lüfter- und Pumpenstrommessung,
  • Schweißmaschinen,
  • Batteriemanagementsystemen,
  • drehzahlveränderbaren Antrieben und
  • unterbrechungsfreien Stromversorgungen.

Stromsensoren mit geschlossenem Regelkreis finden sich in Anwendungen wie

  • drehzahlveränderbaren Antrieben (wenn Genauigkeit und Linearität von essentieller Bedeutung sind),
  • Servosteuerungen,
  • Überstromschutz,
  • Erdschlussdetektoren,
  • industriellen Gleichstrom- und Wechselstromantrieben,
  • Robotersteuerungen und
  • Energiemessanwendungen.

Wie bei jedem Sensor sollte das gewünschte Endergebnis bei der Auswahl des Sensortyps den Ausschlag geben.

Strommessanwendungen

Als fundamentale Komponente der Elektrizität sind Strom und seine genaue Messung für unzählige Anwendungen unerlässlich. Können Sie sich vorstellen, dass ein Energieversorgungsunternehmen nicht weiß, wie viele Ampere es erzeugt oder wie viel Energie seine Kunden verbrauchen? 

Das wäre natürlich absurd. Aber es gibt eine Vielzahl anderer Zwecke und Anforderungen für die Strommessung, welche nach dem Gesichtspunkt des offenen oder geschlossenen Regelkreises kategorisiert werden können.

Beachten Sie, dass wir hier nicht von den Sensoren mit offenem oder geschlossenem Regelkreis sprechen, die im vorigen Abschnitt beschrieben worden sind. Vielmehr geht es um die Strommessanwendung selbst, die entweder mit einem offenen oder einem geschlossenen Regelkreis arbeitet.

Bei Strommessanwendungen mit geschlossenem Regelkreis müssen wir die Stromstärke kennen, da wir sie in Echtzeit regeln müssen. Zu diesen Anwendungen gehören:

  • Komponenten, bei denen die Stromstärke begrenzt werden muss, um einen bestimmten Wert nicht zu überschreiten, wie z. B. Schaltnetzteile und Akkuladegeräte;
  • automatische Abschaltfunktionen auf Grundlage der Stromaufnahme bei kritischen Systemen;
  • stromgesteuerte Magnetventile in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen usw.;
  • Vorspannung einer Stromregelung mit Verstärker
  • und viele andere mehr.

Bei Strommessanwendungen mit offenem Regelkreis ist keine Echtzeitregelung erforderlich, wir müssen aber für verschiedene Zwecke den Stromwert kennen. Zu ihnen zählen:

  • Erforschung und Entwicklung von Elektromotoren für Kraftfahrzeuge, Züge, Konsumgüter usw.;
  • Energieverbrauch zu Ertragszwecken;
  • Leistungstests von Aktuatoren, die in Flugzeugen, Raketen usw. eingesetzt werden;
  • Messung von Stromversorgung und -verbrauch elektrisch angetriebener Züge sowie der zugehörigen Stromschienen- und Oberleitungssysteme;
  • Netzqualitätsanwendungen für Energieerzeuger und -verbraucher;
  • buchstäblich Millionen weitere Anwendungen in Forschung, Fertigung, Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Militär, Gesundheitswissenschaften, Bildung, Industrieautomation und anderen Bereichen.

Die wichtigsten Stromsensortypen

Dewesoft current sensors

Für diese verschiedenen Verfahren stehen also diverse Stromsensoren und Stromwandler zur Verfügung, die jeweils an die Messumgebung und den zu messenden Strombereich angepasst sind. Beispielsweise unterscheiden sich die Anforderungen für die Messung im Mikroamperebereich (µA) stark von denen für die Messung von Tausenden von Ampere. Wir werden uns nun die verschiedenen Sensortypen ansehen und ihre jeweiligen Funktionsprinzipien und Anwendungsbereiche beschreiben.

  Shunt Hall Effekt Stromwandler Rogowski Nullfluss
Anschlusstyp Direkt Indirekt Indirekt Indirekt Indirekt
Strom AC and DC AC and DC AC AC AC und DC
Genauigkeit Groß Medium Mittel Gering Groß
Bereich Gering Mittel Groß Mittel Groß
Drift Gering Mittel Mittel Groß Gering
Isolation Nein 1) Ja Ja Ja Ja

1) Shunts können über einen internen oder externen Messverstärker galvanisch getrennt werden, bieten aber keine inhärente Isolierung.

Wie bereits erwähnt, gibt es zwei Hauptverfahren zur Strommessung:

  • durch direkten Kontakt mit dem Strom (Shunt/Amperemeter),
  • durch Messung des elektromagnetischen Feldes oder Flusses des Stroms.

Direkter Kontakt mit dem Strom

Die gebräuchlichste Art der Strommessung besteht darin, das Amperemeter (ein Strommessgerät) oder den Shunt-Widerstand mit dem Stromkreis in Reihe zu schalten. Ein Amperemeter oder ein Amperemeter-Shunt ist eigentlich nichts anderes als ein hochgenauer Widerstand. Wenn man einen Präzisionswiderstand in einem Stromkreis platziert, führt das zu einem Spannungsabfall. Das Ausgangssignal des Shuntsensors wird vom Datenerfassungssystem gemessen, das das Ohmsche Gesetz anwendet, um die durch die Schaltung fließende Stromstärke zu bestimmen. 

Beachten Sie, dass der maximale Strombereich, den ein bestimmtes Amperemeter messen kann, durch den Wert seines Widerstandes begrenzt ist. Daher ist es gängige Praxis, einen zusätzlichen Shunt-Widerstand parallel zu schalten, um den maximalen Messbereich von Prüfgeräten zu vergrößern.

Diese Einschränkung ist der Grund dafür, dass der direkte Anschluss an die elektrischen Leiter eines Stromkreises häufiger bei Schwachstromanwendungen  zum Einsatz kommt, während bei Hochstromanwendungen weitaus häufiger indirekte Messsensoren wie Stromzangen und Flex-Spulen anzutreffen sind.

Shunt-Strommessung

Schaltet man einen niederohmigen Widerstand parallel zu einem Stromkreis, dann fließt der Strom durch den Shunt-Widerstand -R- und führt zu einem Spannungsabfall. 

Typical shunt measurement hook up schemeTypische Shunt-Messanordnung in einer einfachen Schaltung

Wir können diesen Abfall messen und das Ohmsche Gesetz anwenden, um den Strom zu berechnen.

Graphical representation of Ohm's lawGrafische Darstellung des Ohmschen Gesetzes

Das Ohmsche Gesetz beschreibt die Beziehung zwischen Spannung (U), Strom (I) und Widerstand (R). Wenn wir zwei dieser Größen kennen, können wir die dritte leicht mit einfacher Arithmetik berechnen. Das obige Diagramm veranschaulicht die drei Schreibweisen der aus dem Ohmschen Gesetz folgenden Gleichung:

I = U/R  ODER  U = IR  ODER R = U/I

Kennen wir also die Spannung (bzw. den Spannungsabfall) und den Widerstand, dann können wir mithilfe der Formel I = U/R den Strom berechnen.

Der Shunt-Widerstand sollte für den geeigneten Spannungs- und Strombereich gewählt werden, da sich ein zu hoher Widerstand auf die Messung auswirkt, Energie verschwendet und das Messergebnis verfälscht, wenn sich der Widerstand erwärmt. Dieser Energieverlust entspricht:

I2 * R

Darüber hinaus ist die Genauigkeit des Widerstands ein wichtiger Faktor, da sie sich direkt auf die Genauigkeit der Messung selbst auswirkt.

Dewesoft DSIi-10A current shuntStromshunt Dewesoft DSIi-10A

Dewesoft bietet mehrere kompakte Stromshunts an, von denen jeder einen anderen Widerstand enthält, so dass sie für die Messung verschiedener Strombereiche geeignet sind. Diese Shunts wurden so konstruiert, dass sie die Schaltung selbst so wenig wie möglich beeinflussen. 

DSI-Adapter können an praktisch alle Dewesoft-Datenerfassungsgeräte angeschlossen werden. Die isolierten Analogeingänge der Dewesoft-Verstärker sind ein wichtiger Faktor für die Gewährleistung genauer Messungen, da der Shunt direkt mit der zu messenden Schaltung verbunden und eine Isolierung zwischen der Schaltung und dem Messsystem immer wichtig ist. Isolierte Eingänge bedeuten, dass Sie Ihren Shunt an der Low-Side (Masseleitung) oder der High-Side (Versorgungsspannungsleitung) der Schaltung platzieren können und sich keine Sorgen über Erdschleifen- oder Gleichtakt-Messfehler zu machen brauchen.

Wenn man sich noch einmal das Ohmsche Gesetz und die gegenseitige Abhängigkeit von Spannung, Strom und Widerstand vor Augen führt, wird absolut deutlich, dass ein DAQ-System in der Lage sein muss, Spannung und Widerstand sehr präzise zu messen, um eine genaue Strommessung durchführen zu können.

IOLITE STG mit integriertem Stromshunt

Einige Dewesoft-Messverstärker sind mit einem eingebauten Shunt zur Messung kleiner Ströme ausgestattet. Nehmen Sie zum Beispiel den STG-Messverstärker der Produktreihen IOLITE undIOLITEd. Dieses universelle Modul ist für eine breite Vielfalt an Sensoren und Eingangsarten konzipiert. 

Es ist zum Beispiel für Dehnungsmessstreifen in Voll-, Halb- und Viertelbrückenkonfiguration, Spannungen bis 50 V, potentiometrische Sensoren und Ströme bis 20 mA geeignet. Für Thermoelemente, Widerstandsthermometer, Differentialtransformatoren, Spannungen bis 200 V, Ströme bis 5 A, IEPE-Beschleunigungssensoren und mehr stehen zudem entsprechende Adapter der DSI-Serie zur Verfügung.

IOLITE DAQ and control systemIOLITE-Datenerfassungssystem mit verschiedenen Modulen (6xSTG mit 6 analogen Universaleingängen in den ersten beiden Steckplätzen)

Sensorversorgung an jedem der Universaleingänge und Abtastraten von bis zu 20 kS/s/Kanal. 

Für Strommessungen ist es mit einem eingebauten 50-Ω-Shunt-Widerstand ausgestattet, der softwaremäßig eingesetzt werden kann, so dass – vom Benutzer wählbar – Ströme bis 2 mA oder 20 mA gemessen werden können.

IOLITE-Gehäuse sind unter der Bezeichnung IOLITEs in einer Benchtop-Ausführung erhältlich, die bis zu 8 mehrkanalige Module aufnehmen kann (siehe Abbildung oben). Für permanente Installationen steht das Modell IOLITEr zur Verfügung, das für die Montage in 19"-Standard-Racks vorgesehen ist und 12 Modulsteckplätze bietet.

IOLITEr chassis in 19 inch rack configuationRack-Montage-Modell IOLITEr

Beide IOLITE-Modelle sind zur Gewährleistung einer zuverlässigen Leistung in kritischen Anwendungen mit einer doppelt redundanten Spannungsversorgung ausgestattet. Außerdem verfügen beide über zwei parallele EtherCAT-Busse. Dabei wird der Primärbus für die gepufferte High-Speed-Datenerfassung auf einer PC-Festplatte verwendet, auf der die Software Dewesoft X läuft, während der Sekundärbus hauptsächlich der Echtzeit-Datenübertragung mit niedriger Latenz an ein EtherCAT-basiertes Fremdsteuerungssystem dient.

IOLITE ist ein einzigartiges DAQ-System, das die Welten der Echtzeitsteuerung und der Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung verbindet und in einem zuverlässigen Messinstrument kombiniert.

Messung des elektromagnetischen Feldes bzw. des Stromflusses

Strom erzeugt immer ein Magnetfeld, das proportional zur Strommenge ist. Dieses Feld – und damit die Stromstärke – kann mit verschiedenen Sensoren gemessen werden.
Schauen wir uns einige der gängigsten Stromsensoren und -wandler, ihre grundlegenden Funktionsprinzipien und die Anwendungsgebiete, für die sie geeignet sind, einmal näher an:

Hall-Sensor-Messung

Die grundsätzliche Funktionsweise von Hall-Sensoren basiert auf der Messung von Magnetfeldern. Im Jahr 1879 – also zwanzig Jahre vor der Entdeckung des Elektrons – beobachtete der US-amerikanische Physiker Edwin Hall, dass sich die Elektronen in einem stromdurchflossenen Leiter entlang einer geraden Linie bewegen. Wird der Leiter jedoch einem Magnetfeld ausgesetzt, dann wirkt die Lorentz-Kraft auf ihn ein, und die Elektronen werden aus ihrer ursprünglichen Bahn abgelenkt. 
Dadurch, dass die Elektronen zu einer Seite des Leiters gedrängt werden, entsteht zudem eine Potentialdifferenz zwischen seinen beiden Seiten. Hall beobachtete, dass diese Potentialdifferenz direkt und linear proportional zur Stärke des Magnetfeldes ist.
Dieser zwischen den Seiten (oder „Enden“) des Leiters gemessene potenzielle Spannungsunterschied wird als Hall-Spannung bezeichnet.
Der Hall-Effekt wird in tausenden Anwendungen genutzt, z. B. Näherungsschaltern, Motor-Drehzahlregelschaltungen, Tachometern, Differentialtransformatoren (LVDT) und sogar Kraftstofffüllstandgebern in Kraftfahrzeugen. Wir werden uns hier aber speziell auf seine Anwendung in Stromsensoren konzentrieren.

Typical Hall Effect Current SensorTypischer Hall-Stromsensor

Hall-Effekt-Stromzangen funktionieren, indem sie den Leiter durch ihren offenen Kern führen. Sie bieten damit eine berührungslose Methode zur Messung von Wechsel- und Gleichströmen. Da sie nur sehr wenig Strom benötigen, können sie direkt von einem SIRIUS-Vorverstärker mit DSUB9-Buchse gespeist werden, und eine zusätzliche Stromversorgung ist nicht erforderlich. 

Hall-Sensoren sind nicht so genau wie Fluxgate-Stromzangen oder Nullfluss-Stromwandler, bieten aber einen wesentlich größeren Messbereich.

Sie sind sowohl mit offenem als auch mit geschlossenem Regelkreis erhältlich. Hall-Sensoren mit geschlossenem Regelkreis verfügen über eine zusätzliche Kompensationswicklung und eine verbesserte integrierte Signalaufbereitung und sind dadurch genauer als ihre Verwandten mit offenem Regelkreis.

  DS-CLAMP-150DC DS-CLAMP-150DCS DS-CLAMP-1800DC
Typ Hallsensor Hallsensor Hallsensor
Bereich 200 A DC oder 150 A AC rms 290 A DC oder 150 A AC rms 1800 A DC oder AC rms
Bandbreite DC bis  100 kHz DC bis 100 kHz DC bis 20 kHz
Genauigkeit 1 % + 2 mA 1 % + 2 mA 0–1000 A: ±2,5 % des Messwerts ±0,5 A
1000–1500 A: ±3,5 % des Messwerts
1500–1800 A: ±5 % des Messwert
Empfindlichkeit 20 mV/A 20 mV/A 1 mV/A
Auflösung ±1 mA ±1 mA ±1 mA
Überlastfähigkeit 500 A DC (1min) 500 A DC (1min) 2000 A DC (1min)
TEDS Voll unterstützt Voll unterstützt Voll unterstützt
Maße 205 mm x 60 mm x 15 mm
(Zangenöffnung d = 32 mm)
106 mm x 100 mm x 25 mm
(Zangenöffnung d = 25 mm)
205 mm x 60 mm x 15 mm
(Zangenöffnung d = 32 mm)

Hall-Stromsensoren von Dewesoft

Die Modelle DS-CLAMP 150DC und 150DCS können direkt an einen Sirius® LV- oder Sirius® HS-LV-Verstärker mit DSUB9-Buchse angeschlossen werden. Der DS-CLAMP-1800DC kann direkt an alle Dewesoft-Verstärker mit DSUB9-Buchse (z. B. Sirius® LV-DB9) angeschlossen werden.

Typical hall effect current clamp sensor from DewesoftTypischer Hall-Sensor von Dewesoft

Detaillierte Spezifikationen der Stromsensoren von Dewesoft.

Stromwandlermessung

Stromwandler (engl. current transformer, CT) werden zur Messung von Wechselströmen (AC) verwendet. Es handelt sich um induktive Sensoren, die aus einer Primärwicklung, einem Magnetkern und einer Sekundärwicklung bestehen.  

Im Wesentlichen wird hier ein hoher Strom mit Hilfe eines Magnetträgers in einen kleineren Strom umgewandelt. Somit können auch sehr hohe Ströme sicher und effizient gemessen werden. Bei den meisten Stromwandlern hat die Primärwicklung nur sehr wenige, die Sekundärwicklung hingegen sehr viel mehr Windungen. Von diesem Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung hängt es ab, in welchem Ausmaß die Größe der Stromlast verringert wird.

Typical Current Transformer Typischer Stromwandler

Der durch die Primärwicklung fließende Wechselstrom erzeugt im Kern ein Magnetfeld, das eine Spannung in der Sekundärwicklung induziert. Diese Spannung wird in das Ausgangssignal des Sensors umgewandelt.

Von Dewesoft sind Stromwandler mit geteiltem Kern erhältlich, die komfortable Anschlussmöglichkeiten bieten, da nicht in die Schaltung eingegriffen zu werden braucht. Sie können die Klemmbacken einfach öffnen und dann um den Draht herum schließen, was die Handhabung dieser Wechselstromzangen besonders komfortabel macht.

Stromwandler von Dewesoft

  DS-CLAMP-5AC DS-CLAMP-15AC DS-CLAMP-200AC DS-CLAMP-1000AC
Typ Eisenkern Eisenkern Eisenkern Eisenkern
Bereich 5 A 15 A 200 A 1000 A
Bandbreite 5 kHz 10 kHz 10 kHz 10 kHz
Genauigkeit 0,5 % bei 12 A
0,5 % bei 5 A
1 % bei 500 mA
2 % bei 5 mA
1 % für Ströme von 1–15 A
2,5 % für Ströme < 1 A
1 % für Ströme von 100–240 A
2,5 % für Ströme von 10–100 A
3,5 % für Ströme von 0,5–10 A
0,3 % für Ströme von 100–1200 A
0,5 % für Ströme von 10–100 A
2 % für Ströme < 1 A
Phase ≤ 2,5° ≤ 3° für Ströme von 1–15 A
≤ 5° für Ströme < 1 A
≤ 2,5° für Ströme von 100–240 A
≤ 5° für Ströme von 10–100 A
nicht spezifiziert für Ströme von 0,5–10 A
0,7° für Ströme von 100–1200 A
1° für Ströme von 10–100 A
nicht spezifiziert für Ströme von < 1 A
TEDS Voll unterstützt Voll unterstützt Voll unterstützt Voll unterstützt
Empfindlichkeit 60 mV/A 100 mV/A 10 mV/A 1 mV/A
Auflösung 0,01 A 0,01 A 0,5 A 0,001 A
Überlastfähigkeit Scheitelfaktor 3 Scheitelfaktor 3 Scheitelfaktor 3 1200 A für 40 Minuten
Maße 102 mm x 34 mm x 24 mm
(Zangenöffnung d = 15 mm)
135 mm x 51 mm x 30 mm
(Zangenöffnung d = 20 mm)
135 mm x 51 mm x 30 mm
(Zangenöffnung d = 20 mm)
216 mm x 111 mm x 45 mm
(Zangenöffnung d = 52 mm)

Dewesoft Iron Core CT Current ClampEisenkern-Stromwandler von Dewesoft

Wechselstromsensoren mit Eisenkern bieten den Vorteil, dass sie sehr wenig Strom benötigen, so dass sie direkt von einem SIRIUS-Vorverstärker mit DSUB9-Buchse gespeist werden können und eine zusätzliche Stromversorgung nicht erforderlich ist. Sie bieten Bandbreiten von 2 Hz bis 10 kHz (2 Hz bis 5 kHz beim DS-CLAMP-5AC, bis 10 kHz bei den anderen Modellen der Serie). Diese Zangen können direkt an alle Dewesoft-Verstärker mit DSUB9-Buchse (z. B. Sirius-LV) angeschlossen werden.

Detaillierte Spezifikationen der Stromsensoren von Dewesoft.

Messung mit Rogowskispule

Rogowski-Sensoren haben den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu normalen Stromzangen um große Kabelbündel, Sammelschienen und unregelmäßig geformte Leiter gelegt werden können. 

Sie sind für die Messung von Wechselströmen ausgelegt und können aufgrund ihrer geringen Induktivität auf schnell veränderliche Ströme reagieren. Durch das Fehlen eines Eisenkerns sind sie hochgradig linear, selbst wenn sie sehr hohen Strömen ausgesetzt sind. Zudem bieten sie ausgezeichnete Leistungen bei der Messung harmonischer Verzerrungen. Eine (kleine) aktive Integratorschaltung ist erforderlich und in jeden DS-FLEX-Sensor eingebaut.

Typical Rogowski CoilSchematische Darstellung einer Rogowskispule

Die erste Zahl in der Modellbezeichnung (z. B. 300, 3000 oder 30000) bezieht sich auf die maximale Stromstärke, die die Sensoren messen können, die letzte auf die Spulenlänge in cm. Dementsprechend kann der DS-FLEX-3000-80 beispielsweise Ströme bis zu 3000 AAC messen und hat 80 cm (bzw. 800 mm) lange Spule.

Rogowski-Stromsensoren Dewesoft FLEX

  DS-FLEX-3000-17 DS-FLEX-3000-35 DS-FLEX-3000-35HS DS-FLEX-3000-80 DS-FLEX-30000-120
Typ Rogowskispule Rogowskispule Rogowskispule Rogowskispule Rogowskispule
Bereich 3, 30, 300, 3000 A
ACrms
3, 30, 300, 3000 A
ACrms
3000 A
ACrms
3, 30, 300, 3000 A
ACrms
30, 300, 3000, 30000 A
ACrms
Bandbreite 3 A: 10 Hz bis 10 kHz
Alle anderen: 10 Hz bis 20 kHz
3 A: 10 Hz bis 10 kHz
Alle anderen: 10 Hz bis 20 kHz
5 Hz - 1MHz 3 A: 10 Hz bis 10 kHz
Alle anderen: 10 Hz bis 20 kHz
3 A: 10 Hz bis 5 kHz
Alle anderen: 10 Hz bis 20 kHz
Genauigkeit <1,5 % <1,5 %     <1,5 %     <1,5 %     <1,5 %    
Spulenlänge 170 mm (Ø 45 mm) 350 mm (Ø 100 mm) 350 mm (Ø 100 mm) 800 mm (Ø 250 mm) 1200 mm (Ø 380 mm)
TEDS Nicht unterstützt Nicht unterstützt Voll unterstützt Nicht unterstützt Nicht unterstützt

Dewesoft DS-FLEX Rogowski coil current sensorRogowski-Stromsensor Dewesoft DS-FLEX-3000 

Diese Zangen können direkt an alle Dewesoft-Verstärker mit DSUB9-Buchse (z. B. SIRIUSi LV) angeschlossen werden.

Beachten Sie, dass der Wechselstrom normalerweise als echter Effektivwert, der Gleichstrom jedoch als diskreter Wert ausgegeben wird.

Detaillierte Spezifikationen der Stromsensoren von Dewesoft.

Messung mit Nullfluss-Stromwandler

Ein Nullfluss- oder Fluxgate-Stromsensor ist einem Hall-Sensor ähnlich, verwendet aber eine Magnetspule anstelle eines Hall-Effekt-Systems. Durch die sich daraus ergebende höhere Genauigkeit sind diese Sensoren bestens für Anwendungen in der Industrie, Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen geeignet, die hochgenaue Messungen erfordern. Nullfluss-Stromwandler messen Strom mit galvanischer Trennung. Sie reduzieren hohe Spannungsströme auf wesentlich niedrigere Werte, die von jedem Messsystem leicht erfasst werden können.

Typical Zero Flux FluxGate Sensor schemeTypischer Nullfluss-/Fluxgate-Sensor

Nullfluss-Stromwandler sind mit zwei in Sättigung betriebenen Wicklungen für die Gleichstrommessung, einer Wicklung für den Wechselstrom und einer zusätzlichen Kompensationswicklung ausgestattet. Durch die Nullflusskompensation ist diese Art der Strommessung extrem präzise. Wie ist das zu erklären? Normalerweise hält ein Magnetkern einen magnetischen Restfluss zurück, was die Messgenauigkeit beeinträchtigt. Bei Nullflusswandlern wird dieser parasitäre Fluss jedoch kompensiert.

Nullflusswandler sind ideal, wenn eine hohe Wechsel-/Gleichstromgenauigkeit und/oder eine hohe Bandbreite (bis 1 Mhz) gefordert ist. Sie sind sehr linear und haben einen geringen Phasen- und Offsetfehler. Sie sind jedoch nicht so praktisch für einfachere Messungen, die keine so hohe Genauigkeit oder Bandbreite erfordern. Für solche Anwendungen sind die in den vorherigen Abschnitten beschriebenen Stromsensortypen besser geeignet.

Die Flux-Technik erweitert dieses Prinzip, indem sie eine Magnetspule anstelle eines Hall-Elements als Detektionselement verwendet. Außerdem handelt es sich um einen Sensor mit geschlossenem Regelkreis, was bedeutet, dass eine Sekundärwicklung eingesetzt wird, um Offsets zu eliminieren, die zu Messungenauigkeiten führen können. Flusswandler sind selbst für sehr komplexe Wechsel- oder Gleichstromwellenformen geeignet, gelten allgemein als sehr genau und linear, bieten eine große Bandbreite und sind ein wesentlicher Bestandteil aller Netzqualitäts- oder Leistungsanalysatoren.

Fluxgate-Stromzangen von Dewesoft

Dewesoft bietet mehrere mit unseren SIRIUS-Systemen gepaarte Fluxgate-Stromzangen, einschließlich passender Verbindungs- und Netzkabel, an. Diese Fluxgate-Zangen müssen mit der Stromversorgungseinheit SIRIUSi-PWR-MCTS2 betrieben werden. 

  DS-CLAMP-200DC DS-CLAMP-500DC DS-CLAMP-500DCS DS-CLAMP-1000DS
Typ Fluxgate-Prinzip Fluxgate-Prinzip Fluxgate-Prinzip Fluxgate-Prinzip
Bereich 200 A DC oder AC RMS 500 A DC oder AC RMS 500 A DC oder AC RMS 1000 A DC oder AC RMS
Bandbreite DC bis 500 kHz DC bis  100 kHz DC bis 200 kHz DC bis 20 kHz
Genauigkeit ±0,3 % des Messwerts ±40 mA ±0,3 % des Messwerts ±100 mA ±0,3 % des Messwerts ±100 mA ±0,3 % des Messwerts ±200 mA
Empfindlichkeit ±10 mV/A ±4 mV/A ±4 mV/A ±2 mV/A
Auflösung ±1 mA ±1 mA ±1 mA ±1 mA
Überlastfähigkeit 500 A (1min) 1000 A DC 720 A DC 1700 A DC
TEDS Voll unterstützt Voll unterstützt Voll unterstützt Voll unterstützt
Maße 153 mm x 67 mm x 25 mm
(Zangenöffnung d = 20 mm)
116 mm x 38 mm x 36 mm
(Zangenöffnung d = 50 mm)
153 mm x 67 mm x 25 mm
(Zangenöffnung d = 20 mm)
238 mm x 114 mm x 35 mm
(Zangenöffnung d = 50 mm)

Detaillierte Spezifikationen über die Stromsensoren von Dewesoft.

Nullfluss-Stromwandler von Dewesoft

Dewesoft bietet mehrere mit unseren SIRIUS-Datenerfassungssystemen gepaarte Nullfluss-Stromwandler, einschließlich passender Verbindungs- und Netzkabel, an. Diese Sensoren müssen mit einer Stromversorgungseinheit des Typs SIRIUSi-PWR-MCTS2 oder SIRIUSir-PWR-MCTS2 betrieben werden.

Dewesoft zero flux current transducers

  IT-60-S T-200-S IT-400-S IT-700-S IT-1000-S IN-1000-S IN-2000-S
Messbereich
DC rms Sinus
60 A 200 A 400 A 700 A 1000 A 1000 A 2000 A
Kurzzeitige Überlastfähigkeit (100 ms) 300 Apk 1000 Apk 2000 Apk 3500 Apk 4000 Apk 5000 Apk 10000 Apk
Max. Bürden-Widerstand (100 % von Ip) 10 Ohm 10 Ohm 2,5 Ohm 2,5 Ohm     2,5 Ohm     4 Ohm 3,5 Ohm
di/dt 25 A/μs 100 A/μs 100 A/μs 100 A/μs 100 A/μs 100A/μs 100A/μs
Temperatureinfluss < 2,5 ppm/K < 2 ppm/K < 1 ppm/K < 1 ppm/K < 1 ppm/K < 0,3 ppm/K <0.1 ppm/k
Übertragungsverhältnis 100 mA bei 60 A 200 mA bei 200 A 200 mA bei 400 A 400 mA bei 200 A 1 A bei 1000 A 666 mA bei 1000 A 1A bei 2000 A
Bandbreite (0,5 % Ip) DC ... 800 kHz DC ... 500 kHz DC ... 500 kHz DC ... 250 kHz DC ... 500 kHz DC ... 440 kHz DC ... 140 kHz
Linearität < 0,002 % < 0,001 % < 0,001 % < 0,001 % < 0,001 % < 0,003 % < 0,003 %
Offset < 0,025 %  0,008 % < 0,004 % < 0,005 % < 0,005 % < 0,0012 % < 0,0012 %
Frequenzeinfluss 0,04 %/kHz 0,06 %/kHz 0,06 %/kHz 0,12 %/kHz 0,06 %/kHz 0,1 %/kHz 0,1 %/kHz
Winkelgenauigkeit < 0,025° + 0,06°/kHz < 0,025° + 0,05°/kHz < 0,025° + 0,09°/kHz < 0,025° + 0,18°/kHz < 0,025° + 0,09°/kHz < 0,01° + 0,05°/kHz < 0,01° + 0,075°/kHz

Bemessungsisolationsspannung RMS, einfache Isolation
CAT III, Verschmutzungsgrad 2
Normen IEC 61010-1
Normen EN 50178

2000 V
1000 V
2000 V
1000 V
2000 V
1000 V
1600 V
1000 V
300 V
300 V
X X
Prüfspannung 50/60 Hz, 1 min 5,4 kV 5,4 kV 5,4 kV 4,6 kV 3,1 kV 4,2 kV 6 kV
Innendurchmesser 26 mm 26 mm 26 mm 30 mm 30 mm 38 mm 70 mm
Dewesoft-Shunt 5 Ω 5 Ω 2 Ω 2 Ω 1 Ω 1 Ω 1 Ω

Detaillierte Spezifikationen über die Stromsensoren von Dewesoft.

Galvanische Trennung und Filterung

Die galvanische Trennung und die Filterung sind kritische Punkte bei jedem Datenerfassungsgerät oder Prüfsystem.

Galvanische Trennung (Isolation)

Die galvanische Trennung ist besonders kritisch, wenn direkte Messungen in einem Stromkreis (d. h. mit der Shunt-Methode) durchgeführt werden. Die in praktisch allen Dewesoft-Messverstärkern und -Vorverstärkern integrierte Isolation ist recht hoch und ausreichend, um das Messsystem adäquat vom Prüfling zu isolieren. 

Dies gewährleistet die Integrität der Messungen, schützt vor Kurzschlüssen und erlaubt es zudem in den meisten Fällen, den Shunt an der Low-Side oder der High-Side der Schaltung zu platzieren, was zusätzliche Flexibilität bietet. Low-Side-Shunt-Messungen werden in der Regel bevorzugt, da der relativ geringe Stromabfall am Shunt bedeutet, dass ein hochohmiges Ausgangssignal an den Messverstärker geliefert wird. Die Low-Side-Messung hat jedoch auch zwei Nachteile:

  • Der Shunt erkennt keinen Fehler, wenn der Widerstand gegen Masse kurzgeschlossen wird.
  • Low-Side-Shunts eignen sich nicht für die Messung mehrerer Lasten oder solcher, die unabhängig voneinander ab- und zugeschaltet werden.

Daher ist manchmal eine High-Side-Shunt-Strommessung unter Verwendung der differentiellen und isolierten Vorverstärker von Dewesoft erforderlich.

Filterung

Die Filterung ist eine weitere kritische Funktion jedes Hochleistungs-Datenerfassungssystems. Elektrisches Rauschen und Interferenzen sind für Testingenieure eine alltägliche Herausforderung und können durch Leuchtstofflampen, andere elektrische Geräte und zahllose weitere Quellen induziert werden. 

Dewesoft-Messverstärker bieten eine leistungsstarke hardwaremäßige Tiefpassfilterung, die es erlaubt, Frequenzen über einem bestimmten Grenzwert zu unterdrücken. In der Dewesoft-Software steht außerdem eine breite Palette an Tiefpass-, Hochpass-, Bandpass- und Bandsperrfiltern zur Verfügung, die in Echtzeit oder nach der Messung angewendet werden können.