Zero-Flux-Stromsensoren: Wie in „Zurück in die Zukunft“?
Der „Flux-Kompensator“ aus diesem Klassiker ist natürlich reine Fiktion – aber der Begriff klingt durchaus wissenschaftlich – und ziemlich cool. Das „Zero-Flux“ in HIOKIs „Zero-Flux-Stromsensoren“ hingegen ist weder ein Fantasieprodukt noch ein werbewirksamer Begriff, den sich das japanische Marketingteam von HIOKI ausgedacht hat.
Was bedeutet „Zero-Flux“?
Um zu verstehen, was „Zero Flux“ bedeutet, werfen wir zunächst einen Blick auf den Begriff „Flux“: Der Ausdruck „Flux“ (Fluss) wird in verschiedenen wissenschaftlichen und technischen Bereichen verwendet und hat je nach Kontext eine spezifische Bedeutung. Das Grundprinzip bleibt jedoch gleich: Es geht stets um den Fluss einer bestimmten physikalischen Größe durch eine definierte Fläche.
Da es in diesem Fall um Stromsensoren geht, ist der magnetische Fluss relevant. Er beschreibt die Gesamtmenge des Magnetfelds, die durch eine bestimmte Fläche tritt – definiert durch die Stärke des Feldes und dessen räumliche Ausdehnung. Der magnetische Fluss steht also für das Vorhandensein, die Intensität und die Richtung eines Magnetfelds über eine festgelegte Fläche.
Zunächst die Frage: Wie funktioniert ein klassischer Stromwandler?
Warum beschäftigen wir uns mit dieser Technologie zuerst? Weil der magnetische Fluss auch hier eine zentrale Rolle spielt – man könnte sagen, es handelt sich gewissermaßen um das „Vorspiel“ zu einem Zero-Flux-Stromsensor.
Stromsensoren, die auf diesem klassischen Wandlerprinzip basieren, eignen sich nur für Wechselstrom (AC). Sie gehören nicht zu den präzisesten Stromsensoren, sind jedoch relativ einfach herzustellen. Ein typisches Beispiel für einen solchen Sensor ist eine Stromzange, die von Wartungstechnikern in der Elektroinstallation genutzt wird.
Funktionsweise eines klassischen Wechselstromwandlers (CT)
Ein herkömmlicher Wechselstromwandler funktioniert ähnlich wie ein Transformator – mit dem Unterschied, dass die Primärwicklung nur eine einzige Windung hat. 1. Der zu messende Strom erzeugt einen magnetischen Fluss (Φ) im Kern des Stromsensors. 2. Dieser Fluss induziert einen Sekundärstrom in der Spule (N), der durch einen Shunt-Widerstand (r) fließt. 3. Der Sekundärstrom erzeugt einen entgegengesetzten magnetischen Fluss (Φ'), der im Idealfall den ursprünglichen magnetischen Fluss (Φ) ausgleicht. Dieser negative Rückkopplungsmechanismus verhindert eine Sättigung des Magnetkerns und stellt die Genauigkeit des Sensors sicher. Würde dieser Ausgleich perfekt funktionieren, entspräche der Sensor bereits einem Zero-Flux-Stromsensor – der magnetische Fluss wäre vollständig kompensiert. Leider funktioniert das nur bei höheren Frequenzen – bei niedrigen Frequenzen bleibt ein Restfluss bestehen.
Zero-Flux-Stromsensoren
Bei hohen Frequenzen gleichen klassische Stromwandler den magnetischen Fluss sehr gut aus. Doch für niedrige Frequenzen oder Gleichstrom (DC) ist das Prinzip nicht ausreichend, da es – wie bei einem Transformator – Wechselstrom benötigt. Damit ein Stromsensor auch für niedrige Frequenzen oder Gleichstrom präzise arbeitet, muss ein zusätzlicher Mechanismus integriert werden, um den magnetischen Fluss vollständig auszugleichen. Genau das geschieht in Zero-Flux-Stromsensoren.
Welche Mechanismen machen Zero-Flux-Stromsensoren aus?
Ein Stromwandler kann durch eine der folgenden drei Verfahren zu einem Zero-Flux-Stromsensor erweitert werden:
- 1. Messspule (nicht für Gleichstrom geeignet)
- 2.Hall-Element
- 3. Fluxgate-Technologie
Da das Prinzip der Messspule dem klassischen Wandlerprinzip am nächsten kommt, verwenden wir es hier als Beispiel für einen Zero-Flux-Stromsensor. Zwar eignet sich dieses Prinzip nicht für Gleichstrom, da es auf einer zusätzlichen Spule basiert, doch für Wechselstromsensoren ermöglicht es Zero-Flux über einen sehr großen Frequenzbereich.
Wie funktioniert ein Zero-Flux-Stromsensor mit Messspule?
Für hohe Frequenzen funktioniert der Zero-Flux-Sensor nach dem gleichen Prinzip wie ein klassischer Stromwandler: Der Sekundärstrom sorgt durch die Rückkopplungsspule für einen Ausgleich des magnetischen Flusses.
Für niedrige Frequenzen geschieht Folgendes: Der verbleibende magnetische Fluss (Φ - Φ') induziert eine Spannung in der Messspule. Ein Verstärkerschaltkreis erzeugt daraufhin einen zusätzlichen negativen Rückkopplungsstrom, der in die Feedback-Spule geleitet wird und dadurch wird der magnetische Fluss nun auch bei niedrigen Frequenzen vollständig ausgeglichen – Zero-Flux wird erreicht.
Fazit: Zeitreise oder hochpräzise Messtechnik?
Auch wenn „Zero-Flux“ nach Science-Fiction klingt, hat diese Technologie nichts mit Zeitreisen zu tun. Sie ermöglicht jedoch hochpräzise Strommessungen von Gleichstrom über niedrige Frequenzen bis hin zu hohen Frequenzen.
Übrigens: HIOKI entwickelt Stromsensoren seit 1971. Werfen Sie einen Blick auf die Geschichte von HIOKIs Strommesstechnik!
