Stromzange: Aufbau in 3D

Mit der Stromzange messen: Vorteile, Grenzen, Fehlerquellen

Der große Vorteil gegenüber dem Multimeter: Für eine Strommessung mit dem Multimeter muss der Stromkreis spannungsfrei geschaltet und aufgetrennt und das Gerät in Reihe geschaltet werden, und im A-Bereich ist meist bei 10 A Schluss (Tabellenbuch Elektrotechnik, Cornelsen, S. 397). Die Zange misst dagegen, ohne den Stromkreis aufzutrennen (S. 396). An einer laufenden Maschine ist sie deshalb das Werkzeug der Wahl.

Falsche Anzeigewerte haben oft einfache Ursachen. Das Tabellenbuch nennt bei Digitalmessgeräten die falsch gewählte Stromart, etwa DC statt AC, und eine schwache Batterie (S. 397). Bei der Zange kommen nicht ganz geschlossene Backen und ein Leiter am Rand der Zange dazu. Hinter Netzteilen und Frequenzumrichtern ist der Strom verzerrt: Dann zeigt nur eine Zange mit echter Effektivwertmessung (TRMS) richtig an, und auch nur, solange der Crestfaktor der Messgröße kleiner ist als der des Geräts (S. 397).

Für den Betriebselektriker ist die Zange vor allem ein Vergleichsinstrument. An einem Drehstrommotor misst du die drei Außenleiter nacheinander: Bei einem gesunden Motor an symmetrischer Spannung sind die drei Ströme annähernd gleich. Ist einer deutlich kleiner oder fehlt, lohnt der Blick auf Sicherung, Schützkontakt und Klemmen dieser Phase. Den Bemessungsstrom zum Vergleich liefert das Typenschild oder der Rechner Motorstrom.

Zwei Messprinzipien in derselben Form

Äußerlich sehen alle Zangen ähnlich aus, innen arbeiten sie verschieden. Beim Transformator-Prinzip ist der gemessene Leiter die Primärwicklung, die Zangenschenkel sind der Kern, und im Gehäuse sitzt die Sekundärwicklung. So lässt sich nur Wechselstrom messen. Bei der Magnetfelderfassung messen Hallsensoren oder magnetoresistive Widerstände das Feld in den ferromagnetischen Schenkeln, das geht mit Wechsel- und Gleichstrom (Tabellenbuch Elektrotechnik, Cornelsen, S. 396). Welche Bauart du in der Hand hast, steht in der Bedienungsanleitung des Geräts.

Kleine Ströme und falsche Messanordnung

Bei Zeigerinstrumenten gibt die Genauigkeitsklasse die größte Abweichung in Prozent an, bezogen auf den Endwert des Messbereichs. Ein Betriebsmessgerät der Klasse 2,5 darf also in einem 100-A-Bereich um bis zu 2,5 A danebenliegen, bei nur 5 A Messwert wäre das die Hälfte (S. 400). Digitale Geräte, wie die meisten Stromzangen, geben ihre Genauigkeit dagegen als Prozent vom Messwert plus eine Anzahl Digits an: F = k · xa / 100 + z · l (S. 400). Der Digit-Anteil fällt bei kleinen Messwerten stärker ins Gewicht, kleine Ströme deshalb im kleinsten passenden Bereich messen. Beim Durchsteckstromwandler zeigt das Tabellenbuch, dass der Sekundärstrom mit der Zahl der Durchführungen wächst: I2 = I1 · n / ü (S. 396). Dasselbe Transformator-Prinzip steckt in der AC-Zange: Führst du den Leiter mehrmals durch das Zangenmaul, teilst du die Anzeige durch die Zahl der Durchführungen.

Als Ursachen für Messfehler nennt das Tabellenbuch auch persönliche Fehler wie eine fehlerhafte Messanordnung und Einflussfehler durch Magnetfelder (S. 400). Typisch an der Zange: Umfasst sie eine ganze Anschlussleitung mit Hin- und Rückleiter, heben sich die Ströme auf, und die Anzeige bleibt nahe null. Gemessen wird immer nur ein einzelner Leiter. Liegt die Zange dicht an einer stark belasteten Stromschiene oder einem Transformator, kann deren Feld den Messwert verfälschen.

Effektivwert, Scheitelwert und TRMS

Für sinusförmige Größen gilt U = û / √2, ein Scheitelwert von 325 V entspricht also rund 230 V Effektivwert (Tabellenbuch Elektrotechnik, Cornelsen, S. 399). Einfache Messgeräte ermitteln den Effektivwert nur für sinusförmige Ströme und Spannungen richtig, bei anderen Kurvenformen entstehen Messfehler. Geräte mit True RMS werten den tatsächlichen Verlauf aus und haben deshalb keinen systematischen Fehler bei nicht sinusförmigen Kurven (S. 400). Zeigen eine einfache und eine TRMS-Zange am selben Leiter hinter einem Frequenzumrichter verschiedene Werte, muss deshalb keines der Geräte defekt sein.

Absoluter und relativer Fehler

Das Tabellenbuch unterscheidet den absoluten Fehler F = xa − xw, also angezeigter minus wahrer Wert, und den relativen Fehler f = F · 100 % / xw. Der wahre Wert selbst lässt sich wegen der Messfehler nicht ermitteln (S. 400). Zeigt die Zange 10,4 A, wo 10,0 A fließen, beträgt der absolute Fehler 0,4 A und der relative 4 %. Vor jeder Benutzung gehört außerdem eine Sichtprüfung auf augenfällige Beschädigungen dazu, zu der die DGUV Information 203-001 jeden Mitarbeiter bei elektrischen Betriebsmitteln anhalten will (Ausgabe Oktober 2015, S. 43).

Kennwerte im Datenblatt

Für digitale Messgeräte nennt das Tabellenbuch drei Kennwerte, die auch bei der Zange wichtig sind. Die Auflösung gibt an, welche kleinste Messgröße noch angezeigt werden kann. Die AC-Bandbreite ist der Frequenzbereich, in dem noch hinreichend genau gemessen wird, zum Beispiel bis 200 kHz. Der Crestfaktor ist Fc = û / U, also Spitzenwert durch Effektivwert, und TRMS-Messung gilt nur, solange der Crestfaktor der Messgröße kleiner ist als der des Geräts (Tabellenbuch Elektrotechnik, Cornelsen, S. 397). Für einen reinen Sinus ergibt sich aus U = û / √2 ein Crestfaktor von rund 1,41 (S. 399). Oberschwingungen zählen zu den leitungsgebundenen Störungen. Für die 5. Oberschwingung nennt das Tabellenbuch im Verteilungsnetz einen maximal zulässigen Verträglichkeitspegel von 6 % (S. 117).