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Präzise den Strom messen mit Digitalmultimeter und Shunt

| Autor / Redakteur: Prof. Franz-Joseph Kuhn * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Beim Messen von elektrischen Größen sollten die Messunsicherheiten so gering wie möglich sein. Der Strom wird mit einem Digital- Multimeter sowie einem Shunt und einem Fluxgate-Wandler gemessen.

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Ströme messen: Ein Vergleich zwischen digitalen Multimeter und Messshunt sowie Fluxgate-Wandler.
Ströme messen: Ein Vergleich zwischen digitalen Multimeter und Messshunt sowie Fluxgate-Wandler.
(Bild: ©Scanrail - stock.adobe.com)

Egal ob bei den Regenerativen Energien oder der E-Mobilität: Es werden höhere Wirkungsgrade gefordert, die auch exakt gemessen werden müssen. Dabei kommt es beim Messen elektrischer Größen auf der Eingangs- oder der Ausgangsseite auf noch geringere Messunsicherheiten (Messfehler) an. Gemessen wird in den erwähnten Bereichen immer der Gleichstrom.

Niederohmige Widerstände beim Gleichstrommessen

Der Gleichstrom wird oft mit niederohmigen Widerständen gemessen. Allerdings ist dabei keine galvanische Trennung gegeben und es kommt zur Eigenerwärmung T ~ I²R oder die galvanische Trennung erfolgt über Hall- sowie Fluxgate-Wandler [4], [5]. Werden bei letzteren nicht die Original-Leitungen verwendet, sondern zusätzliche Leitungen in Abhängigkeit von der Windungszahl eingeschleift, so sind zusätzliche Widerstände vorhanden. Im Beispiel Bild 2 sind es 17,5 mOhm mit 8,6 µH.

Der folgende Beitrag zeigt, wie sich der größte Fehlerbeitrag reduzieren lässt. Bei Fluxgate-Wandlern ist das der Offset-Stromfehler. Die Reduktion des Fehlers wird durch relativ einfache Maßnahmen erreicht. Im zweiten Teil wird die interne Strommessung bei hochwertigen Digitalmultimetern mit externem Shunt als Fluxgate-Wandlern verglichen [7].

Die häufigsten Gleichstrom-Messprinzipien sind:

  • niederohmiger Widerstand (Shunt),
  • Hall-Wandler (galvanisch isoliert) und
  • Fluxgate-Wandler (galvanisch isoliert).

Der Prüfaufbau im Detail

Ein Prüfaufbau eignet sich für: 1. Vergleich externe Strom-Messung (Shunt) zur modifizierten Fluxgate-Messung und 2. Vergleich interne Strom-Messung (Shunt) von aktuellen Digital-Multimeter zur modifizierten Fluxgate-Messung.

Um den zeitlichen Verlauf des Temperaturverhaltens von den Prüfshunts und Fluxgate-Wandler aufzuzeichnen, muss der Einfluss des Driftverhaltens der Spannungsquelle und der elektronischen Last ausgeschlossen werden. Der Einfluss möglicher thermoelektrischer Effekte lässt sich durch Umpolen sichtbar machen. Der Prüfstrom soll 3 A betragen. Das entspricht dem Messbereich der beiden 6  1/2-stelligen Digitalmultimeter. Mit 3 A ist die Verlustleistung (~Eigenerwärmung) der Shunts SC1 und SC2 (Manganin, Zeranin) weniger als 10% der Nennleistung (10 W) und somit gering, zumal sie auf ausreichend großen Kühlkörpern (<1 K/W) montiert sind (Bild 1).

Bild 1: Der gezeigte Messaufbau eignet sich für einen Vergleich für eine externe Strommessung (Fluxgate-Messung) und zum Vergleich einer internen Strom-Messung mit einem Digital-Multimeter.
Bild 1: Der gezeigte Messaufbau eignet sich für einen Vergleich für eine externe Strommessung (Fluxgate-Messung) und zum Vergleich einer internen Strom-Messung mit einem Digital-Multimeter.
(Bild: Prof. Kuhn)

Im Prüfaufbau des Bildes 1 wurden verwendet: Als Spannungsquelle das Netzteil Rohde&Schwarz NGSM 32/10. Der eingestellte Strom (elektische Last 3721A 3A CCL) wird mit einem Manganin-Shunt und dem Fluke 8846A (U1-VDC) überwacht.

Der Schalter W (Schalterstellung unten) erlaubt ein thermisches Einschwingen von dem Netzteil und der elektronischen Last, mit dem einstellbaren Widerstand „R-Ersatz“ wird die komplette Prüfkette nachgebildet. Die Spannung an der elektrische Last (X-VDC) wird überwacht, damit die Verlustleistung (Drift) nahezu konstant bleibt. Ebenso werden die Spannungsabfälle an den Strommessgeräten I1-ADC und I2-ADC mit X-VDC überwacht. Das thermische Verhalten der Prüflinge lässt sich ohne Einfluss der Spannungsquelle und elektrische Last untersuchen.

Bild 2: 
Ein modifizierter Fluxgate-Wandler mit 1-2-3-6-12-Windungsanschlüssen.
Bild 2: 
Ein modifizierter Fluxgate-Wandler mit 1-2-3-6-12-Windungsanschlüssen.
(Bild: Prof. Kuhn)

Mit dem Schalter K wird der Stromfluss umgekehrt, was besonders bei bidirektionalen Wechselrichtern und Batteriemessungen relevant ist. Über den Zeranin-Shunt [1] wird mit dem U2-VDC (Agilent 34461A [2]) der Spannungsabfall gemessen, danach fließt der Strom durch die in Reihe geschalteten I1-ADC (Keysight 34461A Messbereich 3 A [2]) und I2-ADC (Keithley DMM6500 Messbereich 3A [3]) um dann durch den modifizierten Fluxgate-Wandler (1) mit 12 Windungen (3 A x 12 = 36 A) zu fließen. Die sekundärseitige Messung erfolgt mit U3-VDC (Keithley DMM6500). Die Anzeige des U3-VDC entspricht bei 3 A primär = 3 V sekundär, [(3 A x 12 /600) x 50 Ohm (Bild 2).

Die Modifikation des Fluxgate-Wandlers

Bild 3: Eine Kompensationsstrom-Schleife (dünne rote Leitung).
Bild 3: Eine Kompensationsstrom-Schleife (dünne rote Leitung).
(Bild: Prof. Kuhn)

Der größte Fehleranteil bei Fluxgate-Wandlern ist der Offset-Strom, der beim IT-60S <250 ppm beträgt. Der Linearitätsfehler ist mit <20 ppm vernachlässigbar. Der Temperaturkoeffizient ist bei Fluxgate-Wandlern ist mit <2,5 ppm sehr gut. Diesen Wert erreichen nur hochwertige Shunts. Eine Modifikation zur Kompensation des Offsetfehlers bietet sich an.

Die Idee: Wenn ein Strom entgegengesetzt dem Offset-Strom durch die Öffnung des Wandlers gesandt wird (dünne rote Leitung im Bild 3), so müsste dieser kompensiert werden (Nullabgleich). Der Kompensations-Strom muss ebenfalls zeitlich stabil sein und einen kleinen Temperaturkoeffizienten haben. Da der Offset-Fehler je nach Gerät und Standort (Erdmagnetfeld) unterschiedliche Vorzeichen haben kann, bietet sich eine bipolare Kompensations-Stromquelle an (Bild 4).

Bild 4: Eine bipolare einstellbare Kompensationsstrom-Quelle mit einem ±15-V-Netzteil.
Bild 4: Eine bipolare einstellbare Kompensationsstrom-Quelle mit einem ±15-V-Netzteil.
(Bild: Prof. Kuhn)

Fluxgate-Wandler bis 1000 A werden zumeist mit einem 9-poligen SUB-D-Stecker angeschlossen. Die Anschlüsse 2 und 7 sind nicht belegt. Diese werden aus dem Anschlussstecker herausgeführt und als steckbare Leitung für die bipolare Stromquelle benutzt.

Das Bild 4 zeigt die bipolare einstellbare Kompensationsstromquelle. Sie enthält einen 4-Leiter-Abschlusswiderstand (für DC-Messungen) mit 50 Ohm und einen 4-Leiter-Abschlusswiderstand (für AC-AC-Messungen) mit 5 Ohm. Zu sehen ist der herausgeführte Steckverbinder aus dem 9-poligen SUB-D-Stecker. Mit einem Digital-Potentiometer lässt sich der Offset-Strom kompensieren (Nullabgleich). Das erfolgt zu Beginn der Messung und wenn sich die Messgeräte thermisch eingeschwungen haben.

Die Messergebnisse bei der Kompensationsstrom-Messung

Bild 5: Messergebnisse mit dem Keysight 34461A am Ausgang des Fluxgate-Wandlers.
Bild 5: Messergebnisse mit dem Keysight 34461A am Ausgang des Fluxgate-Wandlers.
(Bild: Prof. Kuhn)

Bild 6: Messergebnisse am Zeranin-Shunt mit dem Keithley DMM6500.
Bild 6: Messergebnisse am Zeranin-Shunt mit dem Keithley DMM6500.
(Bild: Prof. Kuhn)

Gemessen werden der zeitliche Verlauf des Kompensations-Stroms und das Ausgangssignal des Fluxgate-Wandlers. Mit dem Keysight 34461A wird das Ausgangssignal gemessen und der Spannungsabfall am Zeranin-Shunt wird mit dem KeithleyDMM6500 gemessen, abweichend von Bild 1.

Der zeitliche Signal-Verlauf der beiden Messgeräte (Bilder 5 und 6 sind sehr ähnlich. Die Abweichungen über elf Minuten betragen 20 µV (Keysight) bzw. 33 µV (Keithley).

Bild 7: Messung des Kompensationsstroms mit dem Agilent 34461A.
Bild 7: Messung des Kompensationsstroms mit dem Agilent 34461A.
(Bild: Prof. Kuhn)

Inwieweit der Kompensationsstrom die Ursache sein könnte zeigt Bild 7. Das Bild zeigt zudem den zeitlichen Verlauf des Kompensationsstromes. Der Absolut-Wert liegt bei -7,116 mA, die zeitliche Schwankung liegt bei ca. 80 nA. Das entspricht ungefähr 11 ppm. Bezogen auf den absoluten Offset-Fehler <250 ppm laut Datenblatt (1) sind das ungefähr 120 ppm. Folglich kann der Kompensationsstrom nicht die Ursache für die Abweichungen der beiden Signale sein.

Fazit: Ein zeitlicher Einfluss des Kompensationsstromes auf den Verlauf der Messungen ist nicht erkennbar. Die Schwankungen aus Bild 5 und 6 sind nicht auf die Stromquelle zurückzuführen, sondern sind das Ergebnis von Spannungsquelle und der elektrischen Last.

Aufgrund des sehr geringen Temperaturkoeffizienten des Fluxgate-Wandlers ist der Einfluss des Kompensationsstromes ebenso vernachlässigbar, sofern die bipolare Stromquelle temperaturstabil ist. Das ist gegeben. Mit dem Kompensationsstrom kann der Offset-Fehler des Wandlers von 250 ppm kompensiert werden. Allerdings gilt das nicht, wenn der Wandler seine Position nach der Kompensation ändert und magnetische Fremdfelder nach der Kompensation auftauchen. Anzumerken sei noch, dass der Linearitätsfehler, laut Datenblatt bei 20 ppm, nicht kompensiert werden kann.

Der Vergleich einer internen und externen Strommessung

Vergleichsmessungen über einen längeren Zeitraum wie folgt:

  • Digitalmultimeter mit interner Strommessung (Keysight und Keithley),
  • externe Strommessung mit Zeranin-Shunt und
  • externe Strommessung mit Fluxgate-Wandler.

Bild 8: U2-VDC mit dem Agilent 34461A mit Zeranin-Shunt.
Bild 8: U2-VDC mit dem Agilent 34461A mit Zeranin-Shunt.
(Bild: Prof. Kuhn)

Der Prüfaufbau erfolgt nach Bild 1. Um das Langzeitverhalten festzustellen, wird der Strom über 90 Minuten gemessen. Die Schwankungen des Stromes am Zeranin-Shunt SC2 liegen bei 17 ppm (Bild 8). Die Ergebnisse der internen Strommessung an dem I1-ADC Keysight 34461A zeigt Bild 9. Die Schwankungen liegen bei 18 ppm und nahezu identisch mit den Ergebnissen des Zeranin-Shunts.

Bild 9: I1-ADC Keysight 34461A interne Strom­messung.
Bild 9: I1-ADC Keysight 34461A interne Strom­messung.
(Bild: Prof. Kuhn)

Bild 10: I2-ADC Keithley DMM6500 interne Strommessung.
Bild 10: I2-ADC Keithley DMM6500 interne Strommessung.
(Bild: Prof. Kuhn)

Die Signale der internen Strommessung beim I2-ADC Keithley DMM6500 (Bild 10) sind im Vergleich zu den beiden vorhergehenden Bildern in der Skalierung nahezu identisch (100 µA zu 90 µA bzw. 9 µV) dargestellt. Der zeitliche Verlauf stimmt mit den Bildern 8, 9 und 11 nicht überein. Mit einer Min-Max-Differenz von 97 µA entspricht das 33 ppm.

Bild 11: U3-VDC Keithley DMM6500 Fluxgate-Wandler Spannungsmessung.
Bild 11: U3-VDC Keithley DMM6500 Fluxgate-Wandler Spannungsmessung.
(Bild: Prof. Kuhn)

Die Spannung am Fluxgate-Wandler (Bild 11) stimmt mit dem zeitlichen Verhalten der Messungen in Bild 8 und 9 überein. Die Schwankung beträgt 42 µV oder 14 ppm.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Messtechnik, Sensorik und Test II der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

Fazit: Das Positive ist die gute Langzeitkonstanz des Fluxgate-Wandlers ähnlich dem eines hochwertigen Zeranin-Shunts. Das schlechtere Abschneiden des Keithley DMM6500 mit der internen Strommessung beruht auf einer recht hohen Selbsterwärmung, es hat den höchsten Spannungsabfall und der interne 100-mOhm-Shunt hat keine Wärmeableitung.

Die Messung mit Fluxgate-Wandlern hält in Hinblick auf die Langzeitkonstanz mit hochwertigen Shunts mit. Ebenso mit der internen Strommessung des Keysight 34461A. Die Messungen wurden erst getätigt, nachdem der Prüfaufbau vollständig thermisch eingeschwungen war. Das war nach rund fünf Stunden eingetreten. Die Umgebungstemperatur betrug während der gesamten Messung 21 ±1 °C.

Referenzen

[1] Datenblatt LEM IT 60-S Ultrastab (Fluxgate-Wandler)

[2] Datenblatt Keysight 34461A (6 ½-Digitalmultimeter)

[3] Datenblatt Keithley DMM6500 (6 ½-Digital­multimeter)

[4] LEM-Katalog: High Precision Current Transducers

[5] LEM: Isolated current and voltage transducers Characteristics - Applications – Calculations

[6] Datenblatt Vishay VCS 332 (50 Shunt)

[7] Datenblatt Isabellenhütte AZ-H Precison Resistors

* Prof. Franz-Joseph Kuhn lehrt an der Hochschule Albstadt-Sigmaringen.

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