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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wie Ströme zwischen 100 und 400 µA messen?


Autor: Ludwig (Gast)
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In einem Kabel (1 mm²) fließt ein Strom zwischen 100 und 400 µA.

Mit welchem Sensor, der an einem ATTiny24 anzuschließen ist, kann dieser 
Strom gemessen werden ohne das Kabel aufzutrennen?  Die Genauigkeit der 
Messung sollte +/- 20 µA oder besser sein.

: Verschoben durch Moderator
Autor: Ingo Less (Gast)
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Ludwig schrieb:
> In einem Kabel (1 mm²) fließt ein Strom zwischen 100 und 400 µA.
DC oder AC?

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Kannste mMn vergessen. Etwaige Magnetfelder, die da induziert werden, 
sind so klein, das dir schon das Erdmagnetfeld einen Streich spielt.

Autor: Olaf (Gast)
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> Kannste mMn vergessen. Etwaige Magnetfelder, die da induziert werden,
> sind so klein, das dir schon das Erdmagnetfeld einen Streich spielt.

Yep. Der iProber funktioniert so etwa ab 5mA und ist dann auch noch ganz 
schoen verrauscht. Und die treiben da ja bereits einen deutlichen 
Aufwand und die Messung ist dann noch tendentiell relativ als absolut. 
(Lage des Kabels zum Sensor)

Olaf

Autor: Christian Müller (Firma: magnetmotor.ch) (chregu) Benutzerseite
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Darf ein Widerstand eingefügt werden? Wie groß dürfte der max. sein? 1 
Ohm?

Gruss Chregu

Autor: Axel Schwenke (a-za-z0-9)
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Ludwig schrieb:
> In einem Kabel (1 mm²) fließt ein Strom zwischen 100 und 400 µA.
> Mit welchem Sensor, der an einem ATTiny24 anzuschließen ist, kann dieser
> Strom gemessen werden ohne das Kabel aufzutrennen?

Gar nicht. Nimm einen Shunt wie jeder andere auch. Und ja,
dazu mußt du die Verbindung irgendwo auftrennen.

Autor: TrollHunter (Gast)
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Es ist ja nicht verboten, das Kabel mehrfach durch die Stromzange du 
fädeln.

Autor: Der Andere (Gast)
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TrollHunter schrieb:
> Es ist ja nicht verboten, das Kabel mehrfach durch die Stromzange du
> fädeln.

Er bräuchte aber schon >= 100 Windungen, das wird bei seinem 1mm² 
Draht/Litze schon ein ganz ordentlicher Packen.

Autor: Ludwig (Gast)
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Vielen Dank für Eure Antworten.

Durch das Kabel fließt Gleichstrom. Auftrennen kann ich das Kabel nicht.

Ist es sinnvoll einen empfindlichen Hallsensor zu kaufen und ein paar 
Experiment durchzuführen oder ist dieses Unterfangen von vornherein 
aussichtslos?

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Ludwig schrieb:
> Ist es sinnvoll einen empfindlichen Hallsensor zu kaufen und ein paar
> Experiment durchzuführen oder ist dieses Unterfangen von vornherein
> aussichtslos?

Du kannst dir da einen Spass draus machen, aber ernsthafte oder gar 
richtige Ergebnisse - und dann auch noch mit +/- 20µA Genauigkeit - sind 
nicht zu erwarten. Du musst die Leitung auftrennen (oder einige hundert 
Windungen benutzen, was aufs gleiche rauskommt).

Autor: Achim S. (Gast)
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Ludwig schrieb:
> Ist es sinnvoll einen empfindlichen Hallsensor zu kaufen und ein paar
> Experiment durchzuführen oder ist dieses Unterfangen von vornherein
> aussichtslos?

leider aussichtslos.

Du könntest (wie schon von mehreren vorgeschlagen) eine Art 
Gleichstromzange bauen und die im Kompensationsbetrieb nutzen. Möglichst 
viele Windungen deines Kabels durch die Zange fädeln und statt eines 
Hallsensors einen Fluxgate verwenden (für höhere Empfindlichkeit und 
weniger Rauschen).

Damit kommst du einer Messmöglichkeit zwar näher, aber wenn du wirklich 
auf 20µA runterkommen willst wird der Aufwand so hoch, dass du es am 
Schluss doch lieber bleiben lässt ;-)

Autor: Ludwig (Gast)
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Es sieht so aus, dass ein Fluxgate weiterhelfen könnte.

Ein einfaches Experiment ist hier beschrieben:

http://www.elektronik-labor.de/Notizen/Fluxgate.html

Autor: Der Andere (Gast)
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Ludwig schrieb:
> Auftrennen kann ich das Kabel nicht.

Warum?

Wenn ein Anfänger (das soll keine Beleidigung sein) ein Problem hat das 
an die Grenzen der Physik geht, dann ist meist nicht das eigentliche 
Problem, sondern seine Idee der Lösung daran schuld

Autor: Jörg R. (solar77)
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Ludwig schrieb:
> Auftrennen kann ich das Kabel nicht.

Warum nicht? Kannst Du das mal näher erläutern?
Dir wird nichts anderes übrig bleiben als einen Shunt einzufügen. Die 
Messung des Magnetfeldes scheidet aus, das wurde in andern Kommentaren 
schon mehrfach erläutert und begründet.

Du hast 2 Probleme die zu lösen sind. Den kleinen Strom zu messen, in 
Form eines Spannungsabfalls an einen möglichtst kleinem Widerstand. Dann 
muss diese kleine Spannung um den Faktor von mehreren Hundert verstärkt 
werden um sie dem Attiny zuzuführen. Der könnte die kleine Spannung vom 
Shunt nicht direkt messen. Und das Ganze dann auch noch mit der von Dir 
geforderten Genauigkeit.

Darf man fragen was Du da misst? 1qmm und so ein kleiner Strom...

Autor: Jobst M. (jobstens-de)
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Kannst Du die Leitung an zwei Stellen abisolieren und eine Leitunng 
parallel dazu legen?
Dann könnte man den Spannungsabfall über der Leitung messen.


Gruß

Jobst

Autor: Jörg R. (solar77)
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Jobst M. schrieb:
> Kannst Du die Leitung an zwei Stellen abisolieren und eine Leitunng
> parallel dazu legen?
> Dann könnte man den Spannungsabfall über der Leitung messen.

Hallo Jobst,

wenn er die Leitung an 2 Stellen abisoliert kann der Spannungsabfall 
doch direkt gemessen werden. Wozu eine weitere Leitung paralell dazu 
legen? Das verringert den eh schon geringen Widerstand noch weiter - und 
damit die Spannung die abfällt.

Oder habe ich Deinen Kommentar falsch interpretiert?

Die Idee eine Ader an 2 Stellen "anzuzapfen" hatte ich auch. Nur, wie 
weit sollen die Stellen bei 1,5 qmm auseinanderliegen damit bei dem 
kleinen Strom ein messbarer Wert herauskommt?

Selbst wenn sie 1 Meter auseinanderliegen fallen bei 100uA bis 400uA ca. 
1,2 bis 4,8 uV ab. Hoffentlich habe ich richtig gerechnet😀

Gruß Jörg

: Bearbeitet durch User
Autor: Klaus Ra. (klara)
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Jörg R. schrieb:
> Ludwig schrieb:
>> Auftrennen kann ich das Kabel nicht.
>
> Warum nicht? Kannst Du das mal näher erläutern?

Vielleicht ist es ja eine Alarmanlage.

Autor: Jörg R. (solar77)
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Klaus R. schrieb:
> Jörg R. schrieb:
>> Ludwig schrieb:
>>> Auftrennen kann ich das Kabel nicht.
>>
>> Warum nicht? Kannst Du das mal näher erläutern?
>
> Vielleicht ist es ja eine Alarmanlage.

Das könnte sein, deshalb wäre es schön wenn der TO erläutert warum die 
Leitung nicht getrennt werden kann.

Autor: Jobst M. (jobstens-de)
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Jörg R. schrieb:
> wenn er die Leitung an 2 Stellen abisoliert kann der Spannungsabfall
> doch direkt gemessen werden.

Das ist die Idee gewesen.


Jörg R. schrieb:
> Wozu eine weitere Leitung paralell dazu legen?

Wie misst Du die Spannung zwischen zwei Punkten, ohne eine Leitung dort 
hin zu legen?
Edit: Ich meinte mechanisch parallel, nicht elektrisch.


Jörg R. schrieb:
> Selbst wenn sie 1 Meter auseinanderliegen fallen bei 100uA bis 400uA ca.
> 1,2 bis 4,8 uV ab.

Dass dabei keine großen Spannungan auftreten, ist klar. Dennoch räume 
ich dieser Methode eine größere Genauigkeit ein, als einer magnetischen 
Variante.
1µV sind auch schaffbar.


Gruß

Jobst

: Bearbeitet durch User
Autor: Jörg R. (solar77)
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Jobst M. schrieb:
> Edit: Ich meinte mechanisch parallel, nicht elektrisch.

Jobst M. schrieb:
> ....und eine Leitung parallel dazu legen?

Ok, das hatte ich wohl falsch verstanden.


> Dass dabei keine großen Spannungan auftreten, ist klar. Dennoch räume
> ich dieser Methode eine größere Genauigkeit ein, als einer magnetischen
> Variante. 1µV sind auch schaffbar.

Sehe ich auch so, und verstärken muss er sowieso.

: Bearbeitet durch User
Autor: Harald Wilhelms (wilhelms)
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Achim S. schrieb:

> Damit kommst du einer Messmöglichkeit zwar näher, aber wenn du wirklich
> auf 20µA runterkommen willst wird der Aufwand so hoch, dass du es am
> Schluss doch lieber bleiben lässt ;-)

Ich vermute, man braucht dann auch ein geschlossenes Mumetall-
Gehäuse rund um die Meßstelle.

Autor: Lurchi (Gast)
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Mit einem Magnetischen Sensor auf Fluxgate Basis sollten die 100 µA noch 
ganz gut nachweissbar sein. Bei DC hat man ja sehr viel Zeit.

Der Sensor müsste auch irgendwie zu öffnen sein, so dass es schon auf 
einen Eigenbau hinauslaufen kann. Der Sensor wird ggf. von Störungen auf 
dem DC Strom auch gestört.

Eine Abschirmung gegen externe Felder wäre wohl von Vorteil, muss aber 
nicht unbedingt Mu-metall sein.

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Harald W. schrieb:
> Ich vermute, man braucht dann auch ein geschlossenes Mumetall-
> Gehäuse rund um die Meßstelle.

Mindestens - und selbst dann wird ein Signal eines

Lurchi schrieb:
> Magnetischen Sensor auf Fluxgate Basis

im Rauschen einfach untergehen. Die Abschirmung alleine des 
Erdmagnetfeldes ist ein Job, den der TE so nicht hinkriegen wird, von 
hochverstärkenden Opamps, deren Versorgung usw. mal ganz abgesehen.
Da er nicht schreibt, was das ganze soll, helfen Spekulationen über eine 
funktionierende Messmethode nicht weiter.

Autor: Achim S. (Gast)
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Matthias S. schrieb:
> im Rauschen einfach untergehen.

na ja, nicht dass ich dem TO einreden wollte, dass seine Messung klappt. 
Aber dass das Rauschen einem unbedingt killen würde glaube ich jetzt 
auch nicht.

Rechnen wir mal konkret: man schafft es sicher nicht, das Kabel 100 mal 
durch einen Eisenkreis zu ziehen, aber >=10 mal würde ich mir schon 
zutrauen. Man landet also bei einer Durchflutung in der Größenordnung 
1mA.

Mit einem Eisenkreis von 8 cm Länge (das hat die Stromzange auf meinem 
Schreibtisch ungefähr) ergibt diese Durchflutung ein mittleres H von 
0,012A/m.

Um daraus auf B zu kommen kann ich leider nicht das µ des Eisenkreises 
ansetzen, weil der Luftspalt zu einem deutlich reduzierten µ_effektiv 
führt. Aber mit vernünftigen Luftspaltgrößen im mm-Bereich lande ich 
immer noch bei einem B von rund 1 µT - und das liegt deutlich über dem 
Rauschen von gut ausgewählten Fluxgates.

Externe Störfelder machen einem das Leben natürlich nicht leichter, aber 
ganz so aussichtslos wie hier beschrieben ist die Situation auch da 
wieder nicht.

Das Erdmagnetfeld z.B. ist zwar deutlich größer als das Feld des 
stromdruchflossenen Leiters. Aber allein schon durch den Einsatz des 
Eisenkreises mit Luftspalt bekomme ich eine Unterdrückung externer 
Felder um Größenordnungen. Das Feld des stromdurchflossenen Leiters 
muss nämlich durch den Luftspalt (damit sich die Feldlinien um den 
Leiter schließen) und wird vom Fluxgate gemessen. Externe Felder können 
sich aber aussuchen, ob sie durch den Luftspalt oder durch den 
ununterbrochenen Eisenkreis gehen (und damit nicht am Fluxgate vorbei 
kommen).

Und weil Luft das Magnetfeld so dramatisch schlechter leitet als Eisen 
gehen "fast alle" Feldlinien auf der anderen Seite durch den Eisenkreis, 
der Sensor im Luftspalt sieht die externen Felder von Haus aus um mehr 
als eine Größenordnung abgeschwächt. (oben mal ne FEMM-Simu, die ich vor 
einiger Zeit zu dem Thema gebastelt hatte: ist schon irgendwie nett, wie 
sich alle "externen" Feldlinien links zusammen drängen, damit sie nicht 
rechts durch den Luftspalt müssen.)

Wenn das noch zu viel ist, dann kann man schirmen oder (alles was 
niederfrequent ist) kompensieren. Helmholtzsspule in jeder Raumrichtung 
im den Sensor und die passend angesteuert, und schon bleibt von externen 
Feldern innerhalb meiner Regelbandbreite sehr wenig übrig (das hat vor 
Ewigkeiten bei meiner Diplomarbeit schon funktioniert :-)

Und schließlich zählt noch Lurchis Argument: bei DC Strommessungen 
brauche ich keine hohe Bandbreite. Wenn bei der Arbeitsfrequenz des 
Fluxgate keine wesentlichen Störer sind, kann man "beliebig lange" das 
Ausgangssignal aufintegrieren (die Messbandbreite um die Arbeitsfrequenz 
herum beliebig klein machen), so dass Rauschen und Störer ihren 
Schrecken etwas verlieren.

Deshalb bleibe ich bei meiner vorherigen Einschätzung: es ist technisch 
machbar. Aber es wäre sicher anspruchsvoll und der Aufwand stünde in 
keinem Verhältnis zum Nutzen (jemand mit Erfahrung müsste Wochen oder 
Monate investieren und ordentlich Geld in die Hand nehmen).

Mit einer kleinen Bastelei eines Neulings ist es garantiert nicht getan. 
Und am Ende ist der Aufwand so groß, dass man eine andere Methode 
vorzieht, bei der halt doch ein Shunt im Kabel landet :-)

Autor: Dieter Werner (dds5)
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Achim S. schrieb:
> Rechnen wir mal konkret: man schafft es sicher nicht, das Kabel 100 mal
> durch einen Eisenkreis zu ziehen, aber >=10 mal würde ich mir schon
> zutrauen. Man landet also bei einer Durchflutung in der Größenordnung
> 1mA.

Aber mal völlig quer gedacht: wie soll man ein Kabel, das nicht getrennt 
werden kann/darf, durch einen Ringkern ziehen?

Autor: Lurchi (Gast)
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Die Messung des Spannungsabfalls über z.B. 1 m Leitung ist vermutlich 
einfacher als die Messung über das Magnetfeld.

Selbst für die Messung über das DC Magnetfeld muss man das Erdmagnetfeld 
vermutlich nicht einmal so sehr abschirmen, denn mit einem mehr oder 
weniger geschlossenen Kern um den Leiter misst man eher die Differenz im 
Feld an beiden Seiten. Da kann es schon reichen größere Änderungen raus 
zu halten zwischen der Leermessung und der späteren eigentlichen 
Messung.

Autor: Christian Müller (Firma: magnetmotor.ch) (chregu) Benutzerseite
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Ludwig:

Warum darf man das Kabel nicht auftrennen? Ist das ein hochgeheimes 
Projekt am CERN? Beschreibe das GANZE Projekt, und wir erklären Dir, 
warum man das Kabel auftrennen darf, warum es NICHT nötig ist, so kleine 
Ströme zu messen usw.!

Sonst -> Troll!

Chregu

Autor: Achim S. (Gast)
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Dieter W. schrieb:
> Aber mal völlig quer gedacht: wie soll man ein Kabel, das nicht getrennt
> werden kann/darf, durch einen Ringkern ziehen?

Das Problem löst sich ganz einfach, kann man an praktisch jeder 
Strommesszange betrachten.

Der Kern ist aufklappbar (damit man das Kabel reinkriegt). Und wenn man 
ihn wieder zuklappt hofft man, dass der verbleibende Spalt an dieser 
Stelle sehr viel kleiner ist als der gewünschte Luftspalt "gegenüber", 
wo der Sensor steckt.

Wie gut das stimmt hängt wiederum vom Aufwand ab, den man hineinsteckt 
(mechanische Bearbeitung der Oberflächen und Toleranzen des 
Klappmechanismus). Wenn du mal durch z.B. den Conrad gehst kannst du 
schon dort deutliche Qualitätsunterschiede erkennen.

Autor: Steffen P. (steffen_angemeldet)
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Jobst M. schrieb:
> Jörg R. schrieb:
>> Selbst wenn sie 1 Meter auseinanderliegen fallen bei 100uA bis 400uA ca.
>> 1,2 bis 4,8 uV ab.
>
> Dass dabei keine großen Spannungan auftreten, ist klar. Dennoch räume
> ich dieser Methode eine größere Genauigkeit ein, als einer magnetischen
> Variante.
> 1µV sind auch schaffbar.

Also ich komme bei 1m Kuper mit 1mm² auf 0,0178 R. Damit müsste er auf 
350nV GENAU messen können um seine 20µA Genauigkeitsforderung erfüllen 
zu können. Das halte ich nicht für mal eben machbar.

Autor: Jörg R. (solar77)
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Steffen P. schrieb:
> Also ich komme bei 1m Kuper mit 1mm² auf 0,0178 R. Damit müsste er auf
> 350nV GENAU messen können um seine 20µA Genauigkeitsforderung erfüllen
> zu können. Das halte ich nicht für mal eben machbar.

Mal "nicht eben so machbar ist" ist wohl allen bewusst. Die Messung über 
einen Shunt liefert aber wohl genauerer Werte als über einen Hallsensor 
etc. Natürlich muss etwas Aufwand betrieben werden, aber machbar ist es: 
>>> Instrumentenverstärker, externer ADC....


Ich denke der Thread hat sich erledigt. Der TO äußert sich nicht warum 
die Leitung nicht aufgetrennt werden darf. Auch weitere Details sind 
nicht bekannt. Weitere Spekulationen oder Vorschläge sind derzeit also 
Sinnlos.

: Bearbeitet durch User
Autor: Steffen P. (steffen_angemeldet)
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Jörg R. schrieb:
> Natürlich muss etwas Aufwand betrieben werden, aber machbar ist es:
>>>> Instrumentenverstärker, externer ADC....

Einfach mit einem Instrumentenverstärker ist es da wohl nicht getan. 
Selbst sehr gute Chopper wie der LTC2057 haben bis zu 4µV Offset. Da 
etwas zu bauen, was 350nV absolut messen kann wird sehr sportlich. Mal 
eben den Eingang kurzschließen führt da auch nicht zu 0V.

Aber leider hast Du wohl recht und hier passiert nichts mehr im Bezug 
auf den TO. Schade, hätte spannend werden können.

Autor: Jörg R. (solar77)
Datum:

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Steffen P. schrieb:
> Einfach mit einem Instrumentenverstärker ist es da wohl nicht getan.
> Selbst sehr gute Chopper wie der LTC2057 haben bis zu 4µV Offset. Da
> etwas zu bauen, was 350nV absolut messen kann wird sehr sportlich. Mal
> eben den Eingang kurzschließen führt da auch nicht zu 0V.

Ja, der erforderliche Aufwand wird nicht gering sein. Aber das ist ja 
die Herausforderung.


> Aber leider hast Du wohl recht und hier passiert nichts mehr im Bezug
> auf den TO.
> Schade, hätte spannend werden können.

Ja, das ist schon eine interessante Aufgabenstellung und es hätte 
wirklich spannend werden können. Aber wir wissen nach wie vor nicht 
warum die Leitung nicht aufgetrennt werden kann/darf. Wir wissen auch 
nicht was gemessen wird und wie sich die gewünschte Genauigkeit von +/- 
20 µA oder besser begründet.

Vielleicht kommt ja vom TO noch etwas....

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