Stroom meten AC en DC

Het meten van een elektrische stroom doet men met een multimeter (universeelmeter), stroomtang of energiemeter. Het fysiek tellen van elektronen is praktisch niet eenvoudig. Daarom meet men de invloed van een elektronenstroom op andere grootheden. Een elektrische stroom genereert een spanning over een weerstand en een magnetisch veld rondom de geleider. Deze grootheden zijn meetbaar.

Elektrische stroom

Een potentiaalverschil (of spanningsverschil) U staat gelijk aan een hoeveelheid arbeid per eenheidslading. Deze arbeid wordt verricht door het elektrisch veld E (V/m). Wat betekent dit?

Een verschil in lading tussen twee punten wekt een E-veld op. Als gevolg van dit veld willen elektronen naar elkaar toe bewegen om zo het ladingsverschil op te heffen. Het bewegen van elektronen hangt af van de geleidbaarheid van het medium tussen de twee punten. In het onderstaande filmpje is een elektronenstroom (vlamboog) te zien zich door de lucht beweegt. In het hoogspanningstation wordt een vermogenschakelaar onderbroken; het zeer grote spanningsverschil tussen de twee schakelpunten veroorzaakt nog seconden lang een elektrische stroom: filmpje vlamboog

De stroom wordt pas onderbroken wanneer de geleidbaarheid van de weg die de stroom volgt te groot geworden is. Spanning, stroom, en geleidbaarheid hangen dus met elkaar samen.

De wet van Ohm

Het verband tussen spanning en stroom is vastgelegd in de wet van Ohm. Wanneer de temperatuur constant blijft (en daarom de elektrische weerstand ook) dan geldt voor een stroomvoerende geleider:

of

met
U = spanning (V)
R = weerstand (Ω)
I = stroom (A)

Een elektrische stroom wordt uitgedrukt in de eenheid Ampere (A). Een ampere staat voor de hoeveelheid lading die gedurende 1 seconde door een oppervlak O is gestroomd; 1 Ampere = 1 Coulomb lading / 1 seconde. De eenheid waarin een elektrische weerstand wordt uigedrukt is Ohm (Ω). De weerstand hangt af van het soort materiaal waarvan een geleider gemaakt is. Goede geleiders zijn verschillende soorten metalen en water. Slechte geleiders zijn verschillende soorten kunststoffen en plastics, vandaar dat men als isolatiemateriaal van bekabeling vaak kiest voor kunststoffen. Ook lucht is een slechte geleider. In het voorgaande filmpje is te zien dat een stroom zelfs door de lucht kan lopen, in dit geval wordt dat veroorzaakt door de zeer hoge spanning. Elektrische weerstand is het omgekeerde van geleidbaarheid, welke uitgedrukt wordt in Siemens (S = 1 / Ω). Hoe beter de geleidbaarheid van een medium, des te lager de weerstand, en des te groter de elektrische stroom zal zijn.

Stroom meten

De nauwkeurigste manier om een stroom te meten zou zijn het tellen van het aantal elektronen (lading) dat een zeker oppervlak O passeert per seconde. Voor 1 Coulomb aan lading betekent 6,2415077 x 10E18 elektronen per seconde. Dit is echter zeer moeilijk. Elektronen zijn zo klein dat ze niet zichtbaar zijn. Daarom kan men beter het effect dat een elektronenstroom heeft op ander grootheden meten.

Internationaal is afgesproken dat 1 Ampere als volgt bepaald is:

Een elektrische stroom kan dus gemeten worden door de kracht -die weer een gevolg is van een door de stroom geproduceerd magneetveld- die deze stroom indirect veroorzaakt, te meten. De meest gebruikte meetmethode is echter de spanning te meten die een stroom door een bepaalde weerstand veroorzaakt. Een stroom wordt gemeten met een mutlimeter (universeelmeter), stroomtang, of energiemeter. Invloeden op de nauwkeurigheid van de meting zijn hieronder opgesomd.

Meetonzekerheid van de meter
Een meetinstrument heeft een door de fabrikant gespecificeerde meetonzekerheid. Meetonzekerheid drukt uit: een percentage van de grenzen waarbinnen de gemeten stroom mag afwijken van de werkelijke waarde. De gemeten waarde bedraagt uiteindelijk Umeet ± %onzekerheid. De meetonzekerheid wordt uitgedrukt in een percentage van de afgelezen waarde ("%rdng) of van het meetbereik. Met een kalibratiecertificaat kan een fabrikant aantonen dat een meetinstrument aan (internationaal vastgestelde) eisen voldoet; men laat dan zien dat de afwijking van het instrument voor allerlei meetpunten binnen de gespecificeerde onzekerheid valt. Meestal is de onzekerheid (of nauwkeurigheid) afhankelijk van het meetbereik van een meter. Wanneer men kleine stromen meet, stelt men de meter bijvoorbeeld in op het mA-bereik; voor een multimeter en stroomtang kan men doorgaands het bereik aanpassen op de te meten waarde.

Impedantie van de meter
Wanneer een het meetinsrument in de stroomkring wordt opgenomen, zal de impedantie van de meter de stroom in die kring beinvloeden. Dit geldt voor zowel de grootte als de fasehoek van de stroom. Daarom wordt een multimeter (of ander stroom-meetinstrument) altijd gemaakt met een (stroombereik)impedantie die het getal nul nadert. Hoe dichter de impedantie nul nadert, des te kleiner zal de invloed van impedantie's op de meting zijn.

Invloed van hulpinstrumenten
Stomen kunnen te hoog zijn om met een bepaald instrument gemeten te kunnen worden. Ook kan het zijn dat men de stroomkring niet wil onderbreken. Men gebruikt dan een stroomtransformator die de stroom eerst omlaag transformeert (en die de stroomkring niet onderbreekt), alvorens men gaat meten.
Een stroomtransformator heeft een eigen meetonzekerheid en afwijking. De afwijking beinvloedt de grootte van de te meten stroom (ratiofout) en de fasehoek van het aangeboden signaal (hoekfout). De fouten moeten dus meegenomen worden in de totale meetonzekerheid van het meetsysteem. De meetonzekerheid van het totale meetsysteem mag -op voorwaarde dat de onzekerheden normaal verdeeld zijn- als volgt berekend worden:

De invloed van de hoekfout is in bepaalde gevallen ook van belang, maar wordt in bovenstaande berekening niet meegenomen. De afleiding van de invloed van de hoekfout is wat ingewikkelder.

Lees verder

• Spanning meten AC en DC
• De wet van Ohm en ohmse weerstand
• Hoe werkt een kWh-meter?