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Strom- und Spannungsmessung

Elektrodynamik und Elektrotechnik, die Messung von elektrischem Strom bzw. elektrischer Spannung. Grundsätzlich gilt, dass jedes Strommessgerät (Amperemeter) auch als Spannungsmesser (Voltmeter) benutzt werden kann und umgekehrt; bei bekanntem Innenwiderstand des Messgeräts kann man bei beide Grössen ineinander nach dem Ohmschen Gesetz umrechnen (oft ist dabei allerdings noch ein Vorwiderstand erforderlich). Amperemeter werden in Reihe, Voltmeter parallel zu dem Bauteil geschaltet, an dem gemessen werden soll. Amperemeter müssen darüber hinaus idealerweise über einen verschwindenden, Voltmeter über einen unendlichen Innenwiderstand verfügen.

1) In der Elektrotechnik werden direkte Spannungsmessungen mit Elektrometern durchgeführt, direkte Strommessungen mit Dreheiseninstrumenten, Drehspulinstrumenten, Elektrodynamometern oder Hitzdrahtinstrumenten. Besonders genau sind – wie überall in der Physik – Nullmessungen; diese führt man mit Kompensationsschaltungen (Komparatoren, Kompensationsmethode) aus. Dabei wird eine unbekannte Spannung oder Stromstärke mit einer frei zu wählenden auf Null gebracht bzw. kompensiert; u.a. arbeiten Digitalvoltmeter und Digitalmultimeter nach diesem Prinzip. Digitalmessgeräte und Komparatoren können Messgenauigkeiten von 10-6 und besser erreichen. Elektronische Messverfahren werden u.a. zur Bestimmung der Effektivwerte von Wechselstromgrössen eingesetzt. Man quadriert und mittelt dabei z.B. den Strom in einem analogen Multiplizierer; in einer über einem ähnlichen Quadrierer rückgekoppelten Verstärkerstufe erhält man dann die Wurzel des gemittelten Quadratwertes. Für Präzisionsmessungen arbeitet man mit Komparatoren mit Spannungsnormalen (z.B. Josephson-Normale), die quantisierte hochpräzise Spannungen zwischen 0 und 10 V liefern können. Mit Hilfe von elektronischen Verstärkern kann man auch kleinste Spannungen im nV-Bereich messen. Fliessen durch ein analoges Messsystem Ströme von unter 10-7 A, handelt es sich meist um Galvanometer. Besonders empfindlich sind Galvanometer mit Photozellenverstärkern, die eine Spannungsempfindlichkeit von 30 mm / nV erreichen. Eng verknüpft mit der Messung von Strömen und Spannungen im Niederspannungs- und Niederfrequenzbereich ist die Widerstandsmessung.

2) In der Hochfrequenztechnik wird durch zeitlich veränderliche magnetische Induktion die Spannung wegabhängig (rot E ¹ 0) und ist damit nicht mehr eindeutig definiert. Nur wenn die Komponente von B in Richtung der Flächennormalen der vom geschlossenen Weg G umschlossenen Integrationsfläche in Strom- und Spannungsmessung verschwindet, ist eine Spannung definiert; dies gilt z.B. für im TEM-Modus angeregte Doppelleitungen mit Integrationsfläche in der Querschnittsebene, nicht aber für Wellenfelder in Hohlleitern. Das häufigste Spannungsmessverfahren in der Hochfrequenztechnik beruht auf der Gleichrichtung mittels einer Halbleiterdiode und der Messung der Richtstromstärke, aus der bei Kenntnis der Diodenkennlinie die HF-Spannung abgeleitet werden kann (Diodenvoltmeter). Dieses Verfahren ist für Spannungen zwischen einigen mV und etwa 2-3 V geeignet; der Messbereich kann durch frequenzkompensierte RC-Spannungsteiler noch erweitert werden. HF-Spannungen unter 1 mV werden meist durch Überlagerungsverfahren mit Messempfängern bestimmt. Stromstärkemessungen sind in der HF-Technik von geringerer Bedeutung als Spannungsmessungen, sie sind oft unsicher. Kleine HF-Ströme werden z.B. bolometrisch mit Messbrücken gemessen, bei grösseren Stromstärken verwendet man Thermoumformer in Verbindung mit Stromwandlern, die bis 100 A und 150 MHz eingesetzt werden können. Besonders bei Strommessungen ist im HF-Bereich auf gute Abschirmung zu achten.

3) In der Hochspannungstechnik sind zur Spannungsmessung kapazitive Spannungsteiler auf Grund der Langzeitstabilität von Messkondensatoren am weitesten verbreitet. Druckgaskondensatoren arbeiten in Einzelfällen bis 1,5 MV. Ausserdem werden zur Messung von Hochspannungen u.a. elektrostatische Spannungsmesser und Kugelfunkenstrecken (vor allem für nicht zu kurze Stossspannungen) benutzt. Bei der Messung von Spannungsstössen muss auf gute Erdung und Abschirmung geachtet werden, um Einstreuungen zu vermeiden. Stossspannungsmesskreise enthalten Spannungsteiler mit hoher Frequenzbandbreite und einem niederspannungsseitig angeschlossenen Scheitelspannungsmessgerät sowie einem Oszilloskop o.ä. zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Stosses. Stromstösse werden ausser durch den Spannungsabfall an einem Messwiderstand oder mit ballistischen Galvanometern oft induktiv gemessen, da dann keine galvanische Verbindung zwischen Mess- und Hochstromkreis besteht.

 

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