Wie funktioniert dieser Stromsensor (mit nur halbem Magnetkern)?

Das "Schließen der Magnetschleife" verbessert die Empfindlichkeit des Messgeräts, aber nicht unbedingt seine Genauigkeit.

Die magnetische Feldstärke um einen Draht herum ist proportional zu dem darin fließenden Strom. Im Freien ist dieses Feld jedoch zu schwach, um es mit einem herkömmlichen Messgerät zu messen. Eine Schleife aus magnetischem Material mit hoher Permeabilität wie Siliziumstahl zieht das Feld an sich und macht das Signal bis zu 10.000-mal stärker. Diese kann dann zur Messung mit einem Messgerät auf eine höhere Spannung transformiert werden. Aber auch der Magnetkern leidet unter Hysterese, Wirbelströmen und Sättigung, die alle die Messgenauigkeit verringern können.

Alternativ könnte das Feld direkt unter Verwendung eines Hall-Effekt-Sensors gemessen werden. Mit guten Verstärkern und Temperaturkompensation kann ein Hall-Effekt-Sensor weitaus schwächere Magnetfelder genau messen als ein Tauchspulenmessgerät. Ohne Verwendung eines Kerns variiert das Magnetfeld je nach Ausrichtung und Abstand vom Draht stärker. Aber wenn der Sensor genau positioniert werden kann, gibt es keinen Grund, warum er nicht genauso genau sein sollte wie ein Zangenmessgerät.

In Geräte wie den MLX91208 ist eine kleine Menge magnetisches Material eingebettet, um das Feld zu konzentrieren, um sowohl die Empfindlichkeit zu erhöhen als auch die Notwendigkeit einer genauen Positionierung zu verringern. Da sie die Magnetschleife nicht vollständig schließen, ist die Verstärkung geringer als bei einem Klemmkern, aber der große Luftspalt kann die Genauigkeit tatsächlich verbessern.

Die „kleinen plattierten Stifte“ im Wi-Beee können eingebettete Hall-Sensoren mit magnetischem Material um sie herum haben, die eine ähnliche Funktion wie die Konzentratoren im MLX91208 erfüllen. Das Wi-Beee ist genau über dem Klemmenblock in unmittelbarer Nähe zu den Drähten positioniert, daher sollte es in der Lage sein, eine gute Empfindlichkeit und Genauigkeit zu erreichen.

Dabei spielt es keine Rolle, ob der Kern geschlossen ist oder nicht, theoretisch braucht man nicht einmal einen Eisenkern.

Aber ein Kern bündelt und enthält fast das gesamte Magnetfeld des Leiters. Diese schirmt das Feld nicht nur gewissermaßen von äußeren Einflüssen ab, sondern führt auch das gesamte Feld durch die Sekundärwicklung.

Betrachten Sie nun das Feld eines Hufeisenmagneten. Es enthält seinerseits (fast) das gesamte Flussmittel. Wenn also ein Leiter tief im Schlitz eines hufeisenförmigen Kerns platziert wird, würde das Magnetfeld genauso aussehen.

Vergleichen Sie dies mit Ihrem Gerät. Es scheint, dass es aus vier hufeisenförmigen Kernen besteht, die in zwei Reihen gestapelt sind, die untere Reihe für den ersten und dritten, die obere Reihe für den zweiten und vierten Leiter.

Ein weiterer Vorteil ferromagnetischer Materialien ist die hohe Verstärkung des Magnetfeldes um diesen Faktor$\mu_r$. Normalerweise in der Größenordnung von 1, liegt der Wert für diese Materialien in der Größenordnung von 10.000 bis 50.000 (und darüber). Durch die Verwendung eines offenen Kerns wird dieser Effekt etwas reduziert. Das Amperegesetz sagt:

$I=\oint H\,ds=\oint \mu_0\mu_r B\,ds$

Oder in Worten: Das entlang einer geschlossenen Bahn aufsummierte Hilfsfeld ergibt den Strom durch die von dieser Bahn eingeschlossene Fläche. Geht der Weg nur zu 75 % durch Eisen und der Rest durch Luft, beträgt das gemessene Feld innerhalb des Eisens auch nur 75 % von dem in einem geschlossenen Kern (abzüglich einiger Verluste). Das ist nicht so dramatisch.

Natürlich muss das Gerät kalibriert werden, um korrekte Messwerte zu liefern.

Natürlich ist es möglich, das Gerät zu täuschen. Ich denke, das Anbringen einer Eisenstange von hinten an den Fingern würde die Messwerte stark erhöhen, da dies den Luftspalt verringert und das integrierte Feld erhöht. Aber da die Ausdehnung des Feldes eines Hufeisenmagneten nicht so groß ist, sollte ferromagnetisches Material, das in unmittelbarer Nähe, nicht direkt an den Fingern platziert wird, die Messwerte nicht stark beeinflussen.

(Und natürlich spielt es keine Rolle, ob der Strom durch eine Sekundärwicklung oder durch einen Hallsensor gemessen wird, der ebenfalls in einem kleinen Spalt im Eisenkern platziert wäre.)