Reinhard Weiß
AC Line Splitter MLS01 für Stromzange

MLS01Um mit einer Stromzange die Stromaufnahme eines Geräts mit Schuko-Netzleitung messen zu können, muss man die stromführenden Adern "aufspreizen", weil man nur einzelne Adern messen kann. Würde man die Stromzange um das gesamte Kabel legen, würden sich die Magnetfelder der Adern gegeneinander aufheben und man bekommt keine Anzeige.

Eine sichere Methode ist die Verwendung eines Splitters, der zwischen Steckdose und Geräteleitung gesteckt wird. Mit der Stromzange können dann die Adern einzeln erfasst werden. Eine improvisierte Version eines einfachen Adapters ist in einem Video hier beschrieben. Der im Bild links von mir besprochene komfortable Splitter MLS01 der Firma Tack Life besitzt 2 mit Stegen umrahmte Fenster, die mit "X1" (links) und "X10" (rechts) markiert sind.

Anwendung

MLS01Die Stromzange wird um einen der beiden gegenüberliegenden Stege des Bereichs X1 bzw. X10 geklemmt. Bei Verwendung des linken Stegbereichs (X1) werden die Adern L bzw. N (je nach Steckerlage) direkt gemessen. Es ist egal, ob man den oberen oder unteren Steg verwendet. Im Bild wird beispielhaft der untere Steg des linken Bereichs (X1) verwendet.

Bei Verwendung des rechten Stegbereichs (X10) wird durch Mehrfachumschlingung (Wicklung) das Feld verzehnfacht, so dass die Stromzange den 10-fachen Wert anzeigt. Das ist praktisch, weil damit die Auflösung mit dem Faktor 10 erhöht wird. Viele Stromzangen haben nur eine Auflösung von 10 mA, so dass sie damit 1 mA beträgt. Allerdings muss man beachten, dass die Auflösung nichts über die Genauigkeit sagt. Bei Digitalgeräten wird neben dem prozentualen Anzeigefehler (z.B. 2 %), der die analoge Verarbeitung betrifft, zusätzlich der mögliche Fehler des Analog-Digital-Wandlers gekennzeichnet, indem noch ein Vielfaches der untersten Anzeigestelle (meist 5 bis 10 fach) als Unsicherheit hinzugefügt wird. So erreicht die Messunsicherheit bei solchen Geräten mindestens +/-50...100 mA (X1) bzw. +/-5...10 mA (X10), zuzüglich dem vom Messwert abhängigen Fehler. Das ist ein deutlicher Vorteil der Position X10 für die Messung bei kleinen Strömen.
Der Mittelsteg hat keine Bedeutung, da würde man einen falschen Stromwert messen.

Solange das angesteckte Gerät keinen Isolationsfehler hat, d.h. kein Ableitstrom in der PE-Ader fließt, oder es einen 2-poligen Euro-Stecker besitzt, ist die Verwendung des Adapters problemlos. Wenn jedoch in der PE-Ader ein Fehlerstrom fließt, werden die Messergebnisse davon beeinflusst. Dies erkennt man an der Innenbeschaltung des Adapters.

Innenaufbau und Wirkungsweise

MLS01Das Innenleben des Adapters ist in diesem Video (nach 6 Minuten) gut zu sehen. Im Bild links habe ich die Verdrahtung des Adapters schematisch dargestellt. Die Ansicht ist von hinten, sozusagen transparent durch die rückwärtige Abdeckung. Der rote Draht verläuft in dem Schenkel, auf dem (beidseitig) "MAX 15A" steht, der blaue Draht (PE) und die hier gelb gezeichnete Leitung liegen in dem Schenkel, wo (beidseitig) "X1" und "X10" steht. Mit A1 bis A5 sind die möglichen Mess-Positionen der Zange an den Stegen mit dem jeweiligen Anzeigewert markiert. L und N sind die stromführenden Adern (je nach Lage des Steckers in der Steckdose), PE ist der Schutzleiter.

Um das rechte Stegfenster (X10) ist die Drahtwicklung angeordnet, die aus 9 Windungen Kupferlackdraht besteht (gelb gezeichnet; hier nur 1 Windung dargestellt). Preisfrage: warum nur 9 Windungen, nicht 10? Die Antwort erhält man, wenn man die Anzahl der feldverstärkenden Leiter je Steg durchzählt. Oben sind es 9 Leiter der Wicklung plus die rote L-Leitung selber, unten sind es die 9 Windungen plus 1 Rückführung nach links bzw. rechts, also auch 10 Leiter. Wichtig ist, ob die Phasenlage der Ströme auch in der gleichen oder entgegengesetzten Richtung verläuft (hier beispielhaft markiert). In der gleichen Richtung wird das Feld unterstützt (Strom-Anzeige wird vergrößert), in Gegenrichtung geschwächt (Strom-Anzeige verringert sich).
Solange man keinen Strom im Leiter PE fließen hat, sind die Verhältnisse einfach. An den X1-Stegen (links) mit Anzeigewert A1 oder A3 (Position A1 bzw. A3) misst man den Leiterstrom I. An den X10-Stegen (rechts) mit A2 oder A3 misst man den Leiterstrom 10 x I. Der mittlere Quer-Steg (A5) hat jedoch nur 9 x I und ist daher nutzlos.

Kompliziert wird es, falls im PE-Leiter ein Strom fließen sollte (z.B. Isolationsfehler des angeschlossenen Geräts) und man kleine Ströme messen möchte. Denn je nach Richtung dieses Stroms und abhängig davon, wo am Adapter L und N angeschlossen sind, wird das Feld des zu messenden Leiters in unterschiedlicher Weise verstärkt oder geschwächt. Bei einem Isolationsfehler hängt es davon ab, ob der Fehler zur Phase (L) oder zum Neutralleiter (N) geht. Ein Gerät mit Entstörfilter am Eingang kann auch wegen der Y-Kondensatoren bis zu 5 mA Strom im Schutzleiter hervorrufen. Diese Fehlerfälle machen die Messung kompliziert, wenn man den Fehler nicht kennt. In den nachfolgenden Bildern habe ich 3 Fälle analysiert, jeweils mit unterschiedlicher Steckerpolung.

Im Fall 1 und 2 sind zwei Möglichkeiten eines Isolationsfehlers skizziert, Fall 3 zeigt die Verhältnisse mit Y-Entstörkondensatoren. Die sich ergebenden Anzeigen einer Zangenmessung an den Steg-Positionen A1 bis A5 sind in blauer Schrift eingetragen. Dazu muss man im jeweils umfassten Steg die Ströme in den dort verlaufenden Leitern bzw. die dadurch erzeugten Magnetfelder vorzeichenrichtig aufsummieren.

MLS01MLS01

MLS01MLS01

MLS01MLS01

Die Formeln für die Messwerte an den einzelnen Klemmstellen für den Betriebsstrom I und den Fehlerstrom Is in beiden Steckpositionen sind in nachfolgender Tabelle zusammengefasst:

original

Klemmstelle

kein PE

Fall1

Fall2

Fall3

Steckposition 1:

L an rot
N an Kupfer (gelb)

A1, A3 =

I

I + Is

I

I + Is

A2, A4 =

10*I

10*I + Is

10*I

10*I + Is

A5 =

9*I

9*I

9*I

9*I

Steckposition 2:

N an rot
L an Kupfer (gelb)

A1, A3 =

I

I

I

I

A2, A4 =

10*I

10*I

10*I + 9*Is

10*I + 9*Is

A5 =

9*I

9*I

9*I + 9*Is

9*I + 9*Is

Daraus ergeben sich folgende Erkenntnisse:

Alternativ gibt es auch ähnliche Adapter (Video bzw. Vertrieb), die einen weiteren Stegbereich haben, indem die PE-Leitung allein verläuft, und mit dem man den Fehlerstrom bequemer messen kann. Im Normalfall dürfte dieser Einfluss in der Praxis aber keine große Bedeutung haben, außer man misst sehr kleine Ströme. Ein üblicherweise im Haushalt verbauter FI (RCD) spricht ja bereits bei Fehlerströmen zwischen 15 und 30 mA im gesamten Stromkreis an.

Allerdings stellt sich die Frage, ob der Adapter wirklich eine so große Hilfe darstellt, wenn es doch solche Unsicherheiten gibt. Da wäre die Auftrennung einer alten Verlängerungsschnur mit Vereinzelung der Adern eine sehr pragmatische Alternative, die keiner Berechnung bedarf. Zumindest geeignet für Anwendungen im Haushalt, nicht im industriellen Umfeld.

Modifikation

In der gelieferten Version ist es ziemlich umständlich, wenn man Messungen machen möchte und mit Fehlerströmen rechnen muss. Wie beschrieben, muss man den Adapter umpolen und in beiden Stellungen an der Klemmposition A1 (oder A3) für I bzw. an A5 für 9 x I die Werte ermitteln. Den 9-fachen Stromwert angezeigt zu bekommen, ist ungeschickt, besser wäre, den 10-fachen messen zu können. Erstaunlicherweise geht das tatsächlich, wenn man einfach die Leitungsführung des PE im Adapter ändert. Bisher verläuft er (mit blauer isolierung) parallel zu dem in meinen Bildern gelb gezeichneten Kupferdraht. Verlegt man ihn hingegen auf die andere Seite, parallel zum roten Draht, ergibt sich folgende Funktionstabelle:

modifiziert

Klemmstelle

kein PE

Fall1

Fall2

Fall3

Steckposition 1:

L an rot
N an Kupfer (gelb)

A1, A3 =

I

I

I

I

A2, A4 =

10*I

10*I

10*I

10*I

A5 =

9*I

9*I

9*I

9*I

Steckposition 2:

N an rot
L an Kupfer (gelb)

A1, A3 =

I

I

I + Is

I + Is

A2, A4 =

10*I

10*I

10*I + 10*Is

10*I + 10*Is

A5 =

9*I

9*I

9*I + 9*Is

9*I + 9*Is

Daraus lassen sich folgende Schlüsse ziehen:

Da man zur Messung des Betriebsstroms nur auf die richtige Polung achten muss (Phase/L an rote Leitung bzw. an Steckerstift der Seite mit der Markierung "MAX 15A"), würde es sich anbieten, in den Adapter eine Glimmlampe (oder LED) im Steckergehäuse unterzubringen, die die Spannung zwischen der roten Leitung und PE misst. Bei richtiger Polung leuchtet sie.

Diese Modifikationen verbessern die Handhabung deutlich. Warum nur hat der Hersteller dies nicht so gemacht?

Bewertung der Messung

Wenn man Messungen mit einer Stromzange macht, muss man sich überlegen, was man mit den Messwerten anfangen will. In vielen Fällen wird man die Leistung des angeschlossenen Geräts bestimmen wollen. Das aber ist mit dieser Methode nur bei rein ohmschen Belastungen, wie etwa einer Glühfadenlampe, möglich. Die meisten sonstigen Verbraucher, insbesondere die mit Schaltnetzteilen und anderer Elektronik (ein Gleichrichter reicht schon), haben nämlich Stromformen die entweder nicht sinusförmig sind oder sinusförmig mit Phasenverschiebung oder die gar eine Kombination aus Wechsel- (AC) und Gleichstromanteil (DC) besitzen. Einfache Stromzangen können aber nur sinusförmige Wechselströme ("AC") messen, manche auch dessen TrueRMS (Echt-Effektivwert), bessere Stromzangen können immerhin auch Gleichströme ("DC") messen. Aber die Kombination der AC- und DC-Anteile ("AC+DC"), wie es zur Bestimmung des gesamten Effektivstroms notwendig ist, können nur sehr wenige Zangen messen (Beispiel VOLTCRAFT VC-750 E). Hat man getrennte Werte ermittelt für AC und DC muss man die quadratisch mitteln in der Form WURZEL(AC^2 + DC^2). Erst damit ließe sich dann immerhin der gesamte (Echt-)Effektivwert des Stroms in allen Belastungsfällen bestimmen. Aber daraus allein lässt sich noch immer nicht die Wirkleistung bestimmen. Dies würde die gleichzeitige Messung von Strom- und Spannungsverlauf in Echtzeit erfordern, wobei durch Mittelwertbildung des zeitlichen Produkts die Wirkleistung rechnerisch bestimmt wird.

Für die Messung der Wirkleistung sind dann wiederum Steckdosen-Messgeräte (sofern sie den Echt-Effektivwert bestimmen können) oder natürlich das EA8000 besser geeignet.

(erstellt 04.06.2018, zuletzt geändert 06.06.2018)

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© Reinhard Weiß 2018 - letzte Änderung: 15.06.2018 12:52 / 2