Das ABC der Strommesszangen

06-19-2013 | Stromzangen

Eine Einführung in Strommesszangen

Was ist eine Strommesszange, und über welche Funktionen verfügt sie? Welche Messungen können mit einer Strommesszange vorgenommen werden? Wie wird eine Strommesszange optimal genutzt? Welche Strommesszange ist für welchen Einsatzbereich am besten geeignet? Die Antworten auf diese Fragen erhalten Sie in diesem Anwendungsbericht.

Im Zuge des technologischen Fortschritts bei elektrischen Anlagen und Stromkreisen sehen sich Elektriker und Techniker auch mit neuen Herausforderungen konfrontiert. Diese Fortschritte stellen nicht nur mehr Anforderungen an moderne Messgeräte, sondern fordern auch mehr Fertigkeiten von Personen, die sie verwenden. Ein Elektriker, der die Grundlagen von Messgeräten gut kennt, ist besser auf die Herausforderungen bei Anwendungen im Bereich Messung und Fehlersuche vorbereitet. Die Strommesszange ist ein wichtiges und weit verbreitetes Werkzeug, das in keinem Werkzeugkasten eines Elektrikers oder Technikers fehlen darf.

Strommesszangen sind elektrische Messgeräte, bei denen ein Voltmeter mit einem zangenförmigen Strommessgerät kombiniert ist. Wie der Multimeter hat auch die Strommesszange das analoge Zeitalter hinter sich gelassen und ist heute Teil der digitalen Welt. Ursprünglich waren Strommesszangen hauptsächlich als spezielle Messgeräte für die Messung hoher Ströme ohne Auftrennung der Leitung gedacht. Moderne Modelle umfassen jedoch mehr Messfunktionen, sind genauer und weisen in einigen Fällen erweiterte Messfunktionen auf. Die heutigen Strommesszangen verfügen über viele der Eigenschaften eines Digitalmultimeters, aber mit der zusätzlichen Funktion eines in das Gerät eingebauten Transformators.

Die Fähigkeit einer Strommesszange, große Wechselströme zu messen, basiert auf der Messung des elektrischen Felds durch den Transformator. Wenn Sie die Klemmbacken einer Strommesszange um einen Leiter legen, der Wechselstrom führt, wird dieser Strom, ähnlich wie beim Eisenkern eines Leistungstransformators, durch die Klemmbacken in eine Sekundärwicklung übertragen, die über den Shunt am Eingang des Messgeräts angeschlossen wird. Aufgrund der Anzahl der Sekundärwicklungen im Verhältnis zur Anzahl der um den Kern gewickelten Primärwicklungen fließt ein viel geringerer Strom in den Eingang des Messgeräts. Normalerweise wird die Primärwicklung durch den Leiter dargestellt, um den die Klemmbacken angelegt werden. Wenn das Messgerät 1000 Sekundärwicklungen hat, dann beträgt der Sekundärstrom 1/1000 des Stroms, der in der Primärwicklung oder in diesem Fall im zu messenden Leiter fließt. So erzeugt z. B. 1 A Strom im zu messenden Leiter 0,001 A oder 1 mA Strom am Eingang des Messgeräts. Mit dieser Technik können durch Erhöhen der Anzahl der Windungen in den Sekundärwicklungen viel höhere Ströme gemessen werden.

Die Wahl der richtigen Strommesszange

Beim Kauf einer Strommesszange müssen nicht nur technische Daten, sondern auch Eigenschaften, Funktionen und der gesamte Nutzwert des Werkzeugs, also auch die ergonomische Gestaltung und die Sorgfalt bei seiner Produktion berücksichtigt werden.

Zuverlässigkeit, besonders unter rauen Betriebsbedingungen, ist heute wichtiger denn je. Die Industriedesigner von Fluke haben dieses Gerät nicht nur elektrisch, sondern auch mechanisch robust gebaut. Bevor Fluke Strommesszangen in die Werkzeugkästen wandern, durchlaufen sie ein strenges Prüf- und Beurteilungsverfahren.

Bei der Wahl einer Strommesszange oder anderer Elektromessgeräte sollte die Benutzersicherheit an oberster Stelle stehen. Fluke entwirft seine Strommesszangen nicht nur entsprechend den neuesten elektrischen Standards, sondern jede einzelne wird unabhängig getestet und dann von zertifizierten Testlaboren, wie UL, CSA, VDE usw., gelistet. Nur mit diesen Zertifikaten können Sie sicher sein, dass ein Elektrotester diesen neuen Sicherheitsnormen entspricht.

Einige Grundlagen

Auflösung und letzte Dezimalstelle

Die Auflösung gibt an, wie „fein“ ein Messgerät eine Messung durchführen kann. Wenn Sie die Auflösung eines Messgeräts kennen, können Sie feststellen, ob auch kleine Veränderungen im gemessenen Signal erkennbar sind. Beispiel: Wenn eine Strommesszange eine Auflösung von 0,1 A für einen Bereich von 600 A hat, kann eine Änderung von 0,1 A beim Messen von 100 A festgestellt werden.

Sie würden kein Lineal mit einer cm-Einteilung kaufen, wenn Sie Millimeter messen wollten. Gleichermaßen müssen Sie ein Messgerät wählen, das die für Ihre Messungen benötigte Auflösung anzeigen kann.

Genauigkeit

Genauigkeit (Ungenauigkeit) ist der größte zulässige Fehler, der unter spezifischen Betriebsbedingungen auftritt. Das heißt, sie gibt an, wie weit das angezeigte Messergebnis des DMM vom tatsächlichen Wert des zu messenden Signals abweichen kann.

Die Genauigkeit einer Strommesszange wird normalerweise in Prozent des Messwerts angegeben. Eine Genauigkeit von einem Prozent vom Messwert bedeutet, dass bei einem angezeigten Messwert von 100 A der tatsächliche Wert der Stromstärke zwischen 99,0 A und 101,0 A liegen könnte.

Die technischen Daten können neben der Genauigkeit in % vom Messwert auch noch die Genauigkeit des Messbereichs enthalten. Dies zeigt an, um wie viele Stellen die letzte Ziffer auf der Anzeige – oft als Zählschritt oder „Digit“ bezeichnet – abweichen kann. Also kann das vorige Beispiel für die Genauigkeit wie folgt ausgedrückt werden: ± (2 % + 2) oder präziser als ± (1 % v. Mw. + 2 Digits). So würde bei einem Messwert von 100,0 A die tatsächliche Stromstärke zwischen 97,8 und 102,2 A liegen.

Crestfaktor

Mit wachsender Anzahl an elektronischen Spannungsversorgungen ist der Strom, der von modernen elektrischen Verteilungssystemen geliefert wird, nicht mehr eine reine Sinuswelle mit 50 oder 60 Hz. Diese Ströme sind mittlerweile aufgrund der Oberschwingungen, die diese Stromquellen erzeugen, oft stark verzerrt. Allerdings werden die Nennwerte von Bauteilen moderner Stromversorgungssysteme wie Sicherungen, Sammelschienen, Leitern und Thermoelementen von Leistungsschaltern als Effektivstrom angegeben, denn sie werden hauptsächlich durch ihre Wärmeabgabe beschränkt. Wenn wir eine Überbelastung eines elektrischen Stromkreises prüfen möchten, müssen wir den Effektivwert des Stroms messen und den Messwert mit dem Nennwert des entsprechenden Bauteils vergleichen. Deshalb müssen moderne Messgeräte in der Lage sein, den Echteffektivwert eines Signals genau messen zu können, egal wie verzerrt das Signal ist.

Der Crestfaktor ist ein einfaches Verhältnis zwischen dem Spitzenwert eines Signals und seinem Effektivwert. Für eine reine Wechselstrom-Sinuswelle würde der Crestfaktor 1:1,414 betragen. Wenn das Signal jedoch einen sehr starken Impuls hat, führt dies dazu, dass dieses Verhältnis, der Crestfaktor, höher ist. Abhängig von der Impulsbreite und der Frequenz können Signale einen Crestfaktor von 10:1 oder höher haben. Bei heutigen Energieverteilungssystemen überschreitet der Crestfaktor nur selten ein Verhältnis von 3:1. Wie Sie sehen, ist der Crestfaktor ein Indikator für die Verzerrung eines Signals.

Der Crestfaktor wird nur bei Messgeräten angegeben, die den Echteffektivwert messen können. Er zeigt an, wie weit ein Signal verzerrt sein und dennoch innerhalb der Ungenauigkeitsangaben des Messgeräts gemessen werden kann. Die meisten Strommesszangen mit Echteffektivwertmessung können Signale mit einem Crestfaktor von 2:1 oder 3:1 messen. Dies ist für die meisten elektrischen Anwendungen ausreichend.

Messen von Wechselstrom

Eine der wichtigsten Anwendungen einer Strommesszange ist die Wechselstrommessung. Bei typischen Wechselstrommessungen werden verschiedene Abzweigleitungen eines elektrischen Energieverteilungssystems gemessen. Zu den üblichen Aufgaben eines Elektrikers gehört es, festzustellen, wie hoch der Strom in den verschiedenen Abzweigleitungen ist.

So werden Wechselstrommessungen durchgeführt

  1. Wählen Sie Wechselstrom.
  2. Öffnen Sie die Klemmbacken der Strommesszange, und schließen Sie die Klemmbacken um einen einzelnen Leiter.
  3. Lesen Sie den Messwert in der Anzeige ab.

Wenn Sie Strommessungen entlang von Abzweigleitungen vornehmen, können Sie problemlos feststellen, wie viel jede Last entlang der Abzweigleitung dem Stromverteilungssystem entzieht.

Wenn ein Leistungsschalter oder ein Transformator zu überhitzen scheint, ist es am besten, eine Messung an der Abzweigleitung durchzuführen, um den Laststrom zu bestimmen. Achten Sie darauf, ein Messgerät mit Echteffektivwertmessung zu benutzen, damit Sie das Signal, das diese Bauteile erhitzt, auch richtig messen. Ein Messgerät mit Mittelwertmessung liefert kein genaues Messergebnis, wenn Strom und Spannung aufgrund nicht-linearer Lasten nicht sinusförmig sind.

Spannung messen

Eine weitere gängige Funktion von Strommesszangen ist die Spannungsmessung. Mit modernen Strommesszangen kann sowohl Wechsel- als auch Gleichspannung gemessen werden. Wechselspannung wird normalerweise durch einen Generator erzeugt und dann über ein elektrisches Energieverteilungssystem verteilt. Zu den Aufgaben eines Elektrikers gehört es, innerhalb eines Systems Spannungen zu messen, um elektrische Probleme zu lokalisieren und zu beheben. Eine weitere übliche Spannungsmessung ist das Prüfen der Spannungen von Batterien und Akkus. In diesem Fall wird Gleichstrom oder Gleichspannung gemessen.

Bei der Fehlersuche in einem Stromkreis wird normalerweise zuerst die Versorgungsspannung gemessen. Wenn keine Spannung anliegt oder die Spannung zu hoch oder zu niedrig ist, muss zuerst das Problem mit der Spannung behoben werden, bevor weitere Schritte unternommen werden.

Die Fähigkeit einer Strommesszange, Wechselspannung zu messen, kann durch die Frequenz des Signals beeinflusst werden. Mit den meisten Strommesszangen können Wechselspannungen mit Frequenzen von 50 bis 500 Hz genau gemessen werden, aber die Messbandbreite eines Digitalmultimeters kann 100 kHz oder mehr betragen. Deshalb können sich die Messwerte des gleichen Signals, einmal mit einer Strommesszange und dann mit einem Digitalmultimeter gemessen, erheblich voneinander unterscheiden. Bei einem Digitalmultimeter gelangen mehr hochfrequente Anteile der Spannung zum Messstromkreis, während bei einer Strommesszange der Teil der Spannung, der oberhalb der Bandbreite des Messgeräts liegt, herausgefiltert wird.

Bei der Fehlersuche bei einem Antrieb mit regelbarer Drehzahl kann die Eingangsbandbreite eines Messgeräts sehr wichtig sein, um den richtigen Messwert zu erhalten. Aufgrund des hohen Oberschwingungsanteils des Signals, das von einem Frequenzumrichter an den Motor gesendet wird, würde ein Digitalmultimeter die Spannung inklusive eines Großteils der Oberschwingungen messen. Den Spannungsausgang eines VSD zu messen, ist keine alltägliche Messung; wenn Sie diese so vornehmen würden, wäre das Ergebnis höher. Ein an den VSD angeschlossener Motor reagiert nur auf den Mittelwert des Signals, und um diese Größe ohne die irrelevanten Oberwellen zu messen, ist es vorteilhaft, dass die Eingangsbandbreite der Strommesszange geringer als die eines Multimeters ist. Die Strommesszange Fluke 337 wurde speziell für Prüfungen und Fehlersuchen an VSDs entworfen.

So werden Strommessungen durchgeführt

  1. Wählen Sie zwischen Wechselspannung (V~) und Gleichspannung (V).
  2. Schließen Sie die schwarze Messspitze an die COM-Eingangsbuchse an. Schließen Sie die rote Messspitze an die V-Eingangsbuchse an.
  3. Berühren Sie mit den Messspitzen den Stromkreis über einer Last oder die Stromversorgung parallel zum Stromkreis.
  4. Lesen Sie den Messwert mit den entsprechenden Größen ab.
  5. (Optional) Drücken Sie die Taste „HOLD“, um die aktuelle Anzeige auf dem Display festzuhalten. Jetzt können Sie das Messgerät von der stromführenden Leitung entfernen und die Anzeige dann ablesen, wenn Sie in einem sicheren Abstand von der elektrischen Gefahrenzone entfernt sind.

Durch eine Spannungsmessung am Leistungsschalter und dann am Eingang der Last dieses Leistungsschalters können Sie den Spannungsabfall an den Anschlussleitungen messen. Ein erheblicher Spannungsabfall an der Last kann sich negativ auf die Betriebseigenschaften der Last auswirken.

Widerstandsmessung

Der Widerstand wird in Ohm (Ω) gemessen. Widerstandswerte können stark variieren, von wenigen Milliohm (mΩ) für Kontaktwiderstände bis zu Milliarden Ohm für Isolatoren. Messen die meisten Strommesszangen bis zu einem Wert von 0,1? Wenn der gemessene Widerstand den Messbereich des Messgeräts überschreitet oder der Stromkreis unterbrochen ist, wird „OL“ auf dem Display des Messgeräts angezeigt.

Widerstandsmessungen müssen spannungslos erfolgen, andernfalls können das Messgerät oder der Schaltkreis beschädigt werden. Einige Strommesszangen verfügen für Widerstandsmessungen über eine Schutzfunktion, um das Gerät vor einem unbeabsichtigten Kontakt mit Spannungen zu schützen. Die angebotenen Schutzfunktionen variieren erheblich bei den verschiedenen Strommesszangenmodellen.

Eine sehr gebräuchliche Methode zum Messen des elektrischen Widerstands ist die des Spulenwiderstands.

Durchführen einer Widerstandsmessung

  1. Schalten Sie die Stromversorgung des Schaltkreises aus.
  2. Wählen Sie den Widerstand.
  3. Schließen Sie die schwarze Messspitze an die COM-Eingangsbuchse an. Schließen Sie die rote Messspitze an die V-Eingangsbuchse an.
  4. Schließen Sie die Messspitzen über dem Bauteil oder Teil des Stromkreises an, dessen Widerstand Sie messen möchten.
  5. Lesen Sie den Messwert auf der Anzeige ab.

Durchgang

Bei der Durchgangsprüfung handelt es sich um eine schnelle Widerstandsmessung, die nur zwischen einem offenen und einem geschlossenen Stromkreis unterscheidet.

Mit einer Strommesszange mit akustischer Durchgangsprüfung können Sie viele Durchgangsprüfungen einfach und schnell durchführen. Das Messgerät gibt einen Signalton aus, wenn es einen geschlossenen Stromkreis feststellt, deshalb müssen Sie während der Prüfung nicht auf das Messgerät sehen. Der Widerstandswert, bei dem der Signalton ausgelöst wird, ist vom Messgerät abhängig. Typischerweise ertönt der Signalton bei einem Messwert kleiner als 20 bis 40 Ω.

Sonderfunktionen

Eine recht häufig verwendete Funktion ist die Frequenzmessung von Wechselstromsignalen. Legen Sie die Klemmbacken der Strommesszange um einen Leiter und messen Sie den Wechselstrom. Schalten Sie die Frequenzmessung ein, und am Display des Messgeräts wird die Frequenz des Stroms angezeigt, die durch den Leiter fließt. Dabei handelt es sich um eine sehr nützliche Messung, wenn Probleme mit Oberschwingungen in einem elektrischen Verteilungssystem identifiziert werden müssen.

Eine weitere Funktion einiger Strommesszangen ist die Min.-/Max.-Aufzeichnung. Wenn diese Funktion aktiviert ist, wird jeder von der Strommesszange erfasste Messwert mit allen zuvor gespeicherten Messwerten verglichen. Wenn der neue Messwert größer als der Messwert im Speicher für den Maximalwert ist, wird der alte Messwert durch den größeren Messwert ersetzt. Gleiches gilt für den Speicher für den Minimalwert, wenn der neue Messwert kleiner ist, wird der gespeicherte Messwert ersetzt. Solange die Funktion für die Min.-/Max.-Aufzeichnung aktiv ist, werden alle Messwerte wie beschrieben verarbeitet. So können Sie nach einer bestimmten Zeit jeden dieser Speicherwerte auf dem Display anzeigen und den Maximal- und Minimalwert während eines bestimmten Zeitabschnitts ermitteln.

Für Elektriker, die es bei ihrer Arbeit mit Motoren zu tun haben, kann die Erfassung der Strommenge, die ein Motor während des Startens verbraucht, eine Menge über Zustand und Last des Motors aussagen. Die Strommesszangen Fluke 335, 336 und 337 bieten Einschaltstrommessungen als Teil ihrer Eigenschaften. Nachdem Sie die Klemmbacken um eine der Eingangsleitungen des Motors gelegt haben, aktivieren Sie die Einschaltstrommessung. Schalten Sie dann den Motor ein. Die Anzeige der Strommesszange zeigt den Maximalstrom an, der während der ersten 100 Millisekunden des Anlaufzyklus in den Motor fließt.

Sicherheit bei Verwendung der Strommesszange

Sicheres Messen fängt bei der Auswahl des richtigen Messgeräts für die Umgebung, in der das Messgerät benutzt werden soll, an. Nachdem das richtige Messgerät ausgewählt wurde, sollten Sie bei der Nutzung die richtigen Messverfahren einhalten.

Die IEC (International Electrotechnical Commission) hat neue Sicherheitsnormen für die Arbeit an elektrischen Systemen entwickelt. Nutzen Sie nur Messgeräte, die die Grenzwerte gemäß IEC oder EN für Spannung und Überspannungskategorie für die Umgebung erfüllen, in der die Messung durchgeführt werden soll. Wenn z. B. eine Spannungsmessung an einer elektrischen Verteilung mit 480 V durchgeführt werden soll, muss ein Messgerät der Kategorie III – 600 V verwendet werden. Das bedeutet, dass der Eingangsschaltkreis eines Messgeräts entworfen wurde, um Spannungstransienten, die in dieser Umgebung vorkommen, standzuhalten, ohne den Benutzer zu gefährden. Wenn Sie ein Messgerät wählen, das eine UL-, CSA-, VDE- oder TÜV-Zulassung hat, bedeutet das, dass dieses Messgerät nicht nur gemäß IEC-Normen entwickelt wurde, sondern auch unabhängig getestet wurde und diese Normen erfüllt. (Siehe Unabhängige Prüfung).

Sicherheitscheckliste

  • Verwenden Sie nur Messgeräte, die die geltenden Sicherheitsnormen für die Umgebung erfüllen, in der sie eingesetzt werden
  • Überprüfen Sie die Messleitungen auf offensichtliche Beschädigungen, bevor Sie eine Messung durchführen.
  • Verwenden Sie das Messgerät, um den Durchgang der Messleitungen zu prüfen.
  • Verwenden Sie nur Messleitungen mit abgeschirmten Steckverbindern und Fingerschutz.
  • Verwenden Sie nur Messgeräte mit versenkten Eingangsbuchsen.
  • Prüfen Sie, ob sich das Messgerät in einem guten Betriebszustand befindet.
  • Trennen Sie immer zuerst die spannungsführende (rote) Messleitung.
  • Arbeiten Sie nicht alleine.
  • Verwenden Sie ein Messgerät mit Überlastungsschutz für die Widerstandsmessung.

Besondere Funktionen

Die folgenden speziellen Eigenschaften und Funktionen erleichtern die Nutzung der Strommesszange.

  • Symbole zeigen Ihnen auf einen Blick, was gemessen wird (V, Ω usw.).
  • Mit „Data Hold“ können Sie den Messwert auf dem Display festhalten.
  • Mit der Ein-Tasten-Bedienung können Sie Messfunktionen auf einfache Weise auswählen.
  • Der Überlastungsschutz verhindert eine Beschädigung des Messgeräts und des Stromkreises und schützt den Benutzer.
  • Die automatische Bereichswahl wählt automatisch den richtigen Messbereich. Mit der manuellen Bereichswahl können Sie einen spezifischen Messbereich für wiederholte Messungen einstellen.
  • Anzeige für schwache Batterie.

Unabhängige Prüfungen sind der Schlüssel zur Einhaltung der Sicherheitsnormen

Wie können Sie zwischen einem echten CAT-III- und einem CAT-II-Messgerät unterscheiden? Das ist leider nicht immer einfach. Die Hersteller haben die Möglichkeit, ihre Messgeräte selbst als CAT II oder CAT III einzustufen, ohne sie von unabhängiger Seite überprüfen zu lassen. Passen Sie auf bei Formulierungen wie „Entworfen gemäß den Spezifikationen …“. Die Entwürfe sind nie ein Ersatz für einen tatsächlichen unabhängigen Test. Die IEC (International Electrotechnical Commission) entwickelt Normen, ist aber nicht für die Durchsetzung dieser Normen verantwortlich.

Achten Sie auf das Symbol und die Listennummer eines unabhängigen Prüflabors wie z. B. UL, CSA, TÜV oder einer anderen anerkannten Zulassungsstelle. Dieses Symbol darf nur verwendet werden, wenn das Produkt die Prüfungen gemäß den Standards dieses Labors bestanden hat, die auf nationalen oder internationalen Normen beruhen. UL 3111 beruht z. B. auf IEC 1010. Diese Prüfzeichen sind die beste Möglichkeit für Sie, sicherzugehen, dass das von Ihnen gewählte Multimeter tatsächlich auf Sicherheit überprüft wurde.

Warnhinweis: Spezifikationen und Funktionen von Messgeräten sind herstellerabhängig. Bevor Sie mit einem neuen Messgerät zu arbeiten beginnen, machen Sie sich mit allen für dieses Messgerät geltenden Betriebs- und Sicherheitsverfahren vertraut, die im Benutzerhandbuch angegeben sind.

Glossar

Genauigkeit. Gibt an, wie weit das angezeigte Messergebnis vom tatsächlichen Wert des zu messenden Signals abweichen kann. Meistens werden % des Messwerts (in Kurzform: % v. Mw) zuzüglich des Bereichsfehlers in % des Bereichsendwerts oder als Digits („Ziffern“) der letzten Stelle der Anzeige angegeben. Manchmal wird auch nur ein Bereichsfehler angegeben.
Analoges Messgerät. Ein Messgerät, das den Wert eines gemessenen Signals über eine Zeigerbewegung anzeigt. Der Benutzer beurteilt den Messwert anhand der Position des Zeigers auf einer Skala.
Anzeigesymbol. Ein Symbol, mit dem ein ausgewählter Bereich oder eine Funktion identifiziert wird
Messgerät mit Mittelwerterfassung. Ein Messgerät, das sinusförmige Signalformen genau misst, während es nicht sinusförmige Signalformen weniger genau messen kann.
Nicht-sinusförmige Signalform. Eine verzerrte Signalform wie z. B. Impulsfolgen, Rechtecksignale, Dreiecksignale, Sägezahnsignale und Signale mit Signalspitzen.
Auflösung. Die Auflösung eines Messgerätes gibt die minimale Änderung der Messgröße an, die das Messgerät darstellen kann.
Effektivwert. Der äquivalente Gleichstromwert einer Wechselstrom-Signalform.
Sinusförmige Signalform. Eine reine Sinuswelle ohne Verzerrungen.
Echteffektivmessgerät. Ein Messgerät, das sowohl sinusförmige als auch nicht-sinusförmige Signalformen genau messen kann.

¹Ziehen Sie das ABC der Multimetersicherheit zu Rate, wenn Sie mehr über IEC-1010 erfahren wollen und darüber, was dies bei der Verwendung eines Multimeters für eine Rolle spielt.