Als Differenzstrom wird der messbare Unterschied zwischen den Strömen im Leiter und den Strömen im Nullleiter bezeichnet. Wohlgemerkt, es wird eine Differenz gemessen, denn der Differenzstrom ist in der Realität nicht vorhanden. Maßgebend hierfür sind die Norm DIN EN 50678 VDE 0701:2021-02 Allgemeines Verfahren zur Überprüfung der Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen von Elektrogeräten nach der Reparatur und die Norm DIN EN 50699 VDE 0702:2021-06 Wiederholungsprüfung für elektrische Geräte.
Aussage des Differenzstroms
Der Differenzstrom ist quasi die errechnete Summe aller Ableitströme und Fehlerströme. Mit einer Difflrenzstromzange lässt sich ein Wert messen. Überschreitet dieser die zulässige Toleranzgrenze, sind die Ableitströme und / oder die Fehlerströme zu hoch. Können die betriebsbedingten Ableitströme ausgeschlossen werden, was in der Regel bei einer einfachen Pumpe gut feststellbar ist, muss es sich um einen Fehlerstrom handeln. Ein Fehlerstrom tritt am häufigsten auf, wenn die Kabelisolierung beschädigt ist, sodass Ströme entweichen können. Da wir bei einem Pumpensystem im Normalfall mit Wasser hantieren, liegt hier eine potenzielle Gefahrenquelle. Bekanntlich vertragen sich Wasser und Elektrizität nicht besonders gut und können beim gemeinsamen Auftreten zu einer tödlichen Gefahr werden.
Geleitete und fehlgeleitete elektrische Ströme in Pumpen und anderen Geräten
Elektrischer Strom ist die Flussrate der elektrischen Ladung. Stelle dir dies als die Flussrate von Elektronen vor, die durch einen Leiter wie einen Draht fließen. Strom wird durch das I dargestellt und am häufigsten in Ampere (A) gemessen.
Der Durchfluss, oder genauer gesagt die Durchflussrate ist die Messung des Volumens der Elektronen, die in einem bestimmten Zeitraum durch ein System fließen. Die Durchflussmenge wird üblicherweise durch das Symbol Q dargestellt und in Kubikmetern pro Stunde (m³/h) gemessen. Dies Art der Berechnung ist mit der Berechnung des Durchflusses von Wasser in einem Pumpensystem identisch.
Eine weitere gebräuchliche Variante ist der Massendurchfluss. Dabei wird die Durchflussrate anhand des Gewichts der über einen bestimmten Zeitraum übertragenen Flüssigkeit gemessen. Dies wird häufig von Ingenieuren verwendet, die das Gewicht der Gefäße messen, um die Menge der durchgeflossenen Flüssigkeit zu bestimmen. Für die Massendurchflussrate sind die üblichen Maßeinheiten Pfund pro Minute (lb/min), Kilogramm pro Stunde (kg/h), Tonnen je Tag (t/24 h) oder Variationen davon.
So wie ein Amperemeter zur Messung des Stroms in die Leitung geschaltet wird, muss ein Durchflussmesser zur Messung des Flüssigkeitsdurchsatzes in die Leitung geschaltet werden.
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Elektrische Spannung und die Differenzialspannung in einem Pumpensystem
Die Spannung, auch Potenzialdifferenz genannt, ist der messbare Unterschied im elektrischen Potenzial zwischen zwei Punkten. Eine Batterie ist ein hervorragendes Beispiel dafür, denn an ihr liegt eine Spannung an, die bei Anschluss an einen Stromkreis zum Fließen eines Stroms führt. Spannung wird durch das Symbol V dargestellt und generell auch in Volt gemessen.
In einem Pumpensystem haben wir hier den Druck. Der Druck unterliegt einem sehr ähnlichen wissenschaftlichen Konzept. So wie es keinen Strom ohne Spannung gibt, kann es auch keinen Durchfluss ohne Druckunterschied geben. In Pumpensystemen ist die Hauptquelle dieses Druckunterschieds die Pumpe. Druck wird üblicherweise durch das Symbol P dargestellt und meist in Pfund Kraft pro Quadratzoll (PSI), Kilopascal (kPa) oder bar gemessen.
Druckmesser vs. Spannungsmesser
Die Spannung wird mit einem Voltmeter gemessen, um die Potenzialdifferenz an zwei Punkten eines Stromkreises zu vergleichen. Der Druck wird mit Manometern gemessen, die ebenfalls eine Differenz messen. Aber es handelt sich hierbei um die Druckdifferenz zwischen der Flüssigkeit im Pumpsystem und dem atmosphärischen Druck außerhalb des Pupensystems.
In einem anderen Artikel auf dieser Webseite erkläre ich dir alles, was du über die richtige Montage einer Pumpe wissen solltest!
Der Widerstand in Pumpenanlagen
Der Widerstand gegen den elektrischen Stromfluss und der Widerstand gegen den Flüssigkeitsfluss sind absolut identische physikalische Konzepte. In elektrischen Systemen wird der Widerstand durch das Symbol R dargestellt und am häufigsten in Ohm (Ω) gemessen. Widerstand kommt in elektrischen Systemen natürlich vor, denn sogar die Drähte selbst haben einen gewissen Widerstand, obwohl sie sehr leitfähig sind. Wenn der Widerstand den Strom, der durch einen Teil eines elektrischen Systems fließt, begrenzen soll, können Widerstände oder Potentiometer als variable Widerstände verwendet werden.
Der Widerstand in Flüssigkeitssystemen hängt von mehr Variablen ab, insbesondere von der Viskosität der gepumpten Flüssigkeit. Folglich ist der Widerstand für den Durchfluss von Wasser durch ein Flüssigkeitssystem geringer als der für Schweröl im exakt demselben System. Der Durchflusswiderstand in Flüssigkeitssystemen kann von Filtern, Ventilen und sogar den Rohren selbst herrühren. Die Messung des Widerstands in Flüssigkeitssystemen erfolgt normalerweise durch Differenzdruckmessung. Wenn wir zum Beispiel vermuten, dass ein Filter verstopft ist und einen hohen Durchflusswiderstand verursacht, würde eine Messung des hohen Differenzdrucks über dem Filter dies bestätigen.
Erfahre hier, auf was du bei dem Filter deiner Pumpe achten solltest!
Ströme folgen dem Weg des geringsten Widerstandes
So wie der Strom in einem elektrischen Stromkreis dem Weg des geringsten Widerstands folgt, so folgt auch der Flüssigkeitsstrom dem Weg des geringsten Widerstands. Stelle dir ein Flüssigkeitssystem, welches sich in zwei identische Zweige aufteilt. Genau wie bei einem Stromkreis wäre der Durchfluss in jedem Zweig gleich und entspräche demnach der Hälfte des gesamten zugeführten Durchflusses. Wenn jedoch die Verluste in einem der beiden Pfade verdoppelt werden, also die Länge eines Zweigs dieses Flüssigkeitssystems wird verdoppelt, dann folgen zwei Drittel des Durchflusses dem Zweig mit dem geringeren Widerstand, während das restliche Drittel durch den Zweig mit dem höheren Widerstand fließt. Kommt dir das bekannt vor? Ja, genau – das ist das Ohmsche Gesetz. Und ich wette, dein Physiklehrer hat dir nicht verraten, dass das Ohmsche Gesetzt auch für den Strom von Flüssigkeiten gültig ist.
Batterien und Pumpwerke in einem Pumpensystem
An dieser Stelle müssen wir mit den Analogien etwas vorsichtig sein. Wie ich bereits erwähnt hatte, ist eine Batterie eine Spannungsquelle. Wenn man diese Batterie an einen geschlossenen Stromkreis anschließt, entsteht ein Stromfluss.
In dieser Hinsicht sind Pumpen, respektive Pumpwerke ähnlich. Allerdings gibt es zwei Hauptkategorien von Pumpen. Deren Art und Weise, wie sie den Durchfluss in einem Flüssigkeitssystem erzeugen, ist sehr unterschiedlich.
Zentrifugalpumpen
Zentrifugalpumpen, die am häufigsten für Wasseranwendungen eingesetzt werden, sind druckerzeugende Maschinen. Der erzeugte Durchfluss ist eine Funktion des stromabwärts gerichteten Widerstands. Je größer der Widerstand ist, desto geringer ist die Durchflussmenge. Auf diese Weise sind sie Batterien sehr ähnlich, bei denen eine Spannung erzeugt wird und die Durchflussmenge umgekehrt zum Leitungswiderstand variiert.
Verdrängerpumpen
Verdrängerpumpen wie Zahnradpumpen oder Kolbenpumpen arbeiten anders. Diese sind strömungserzeugende Maschinen. Der resultierende Druck ist eine Funktion des nachgeschalteten Widerstands. Verdrängerpumpen sind eher mit einer Konstantstromversorgung als mit einer Batterie vergleichbar, denn bei gleichbleibendem Strom würde sich die Spannung als Reaktion auf Widerstandsänderungen erhöhen oder fallen.
Die Ähnlichkeiten zwischen einem elektrischen Kreislauf und einem Pumpensystem hören damit nicht auf
Zahlreiche Bauteile in einem Pumpensystem haben ein Pendant in elektrischen Anlagen. Dazu gehören unter anderem:
- Dioden und Rückschlagventile
- Strombegrenzer und Druckbegrenzer / Druckschalter
- Schalter und Richtungsventile
- Dimmer / variable Widerstände und der simple Wasserhahn
So wie das Verständnis der Beziehung zwischen Spannung, Strom und Widerstand die wichtigste Grundlage für das Verständnis elektrischer Schaltkreise ist, ist das Verständnis der Beziehung zwischen Druck, Durchfluss und Widerstand entscheidend für das Verständnis von Pumpsystemen. Das Verstehen dieser Grundlagen führt zu einem besseren Verständnis sowohl von elektrischen als auch von Flüssigkeitssystemen.
Der Differenzialstrom in einem Pumpensystem
Bei der Messung des Differenzstroms in einem Pumpensystem oder in der Pumpe selbst messen wir also, ob dort ein Leck aufgetreten ist. Dabei müssen wir allerdings beachten, dass elektrische Ströme immer einen induktiven Strom verursachen. Selbst bei sehr gut abgeschirmten Kabeln mit exzellenter Isolierung treten diese auf, obwohl sie dann kaum mehr messbar sind.
Für gewöhnlich werden die Hersteller normale elektrische Leitungen, die den DIN oder EU Normen genügen, konstruieren sie eine Pumpe. Die minimale Verlust, der Differenzstrom soll 3,5 mA bei Haushaltsgeräten nicht übersteigen – so die Sicherheitsvorschriften. Experten halten einen Differenzstrom bei Pumpen von bis zu maximal 5 mA für unbedenklich. Sollte der Wert allerdings darüber liegen, musst du unbedingt das Pumpensystem auf eventuelle Schäden untersuchen und diese sofort beseitigen.
Schlussgedanken zum Differenzstrom
Die physikalische und technische Ähnlichkeit von Pumpensystemen und elektrischen Anlagen ist den meisten Nutzern wenig bewusst. Das Wissen darüber erleichtert es dir, gezielte Messungen durchzuführen, denn du kannst dein Pumpensystem viel besser verstehen. So kannst du auch abschätzen, dass die Messung des Differenzstroms in deiner Pumpenanlage keine Spielerei ist, sondern einen ernsten Sicherheitshintergrund besitzt. In der Folge solltest du regelmäßig alle 6 Monate und nach jeder Außerbetriebnahme, nach jeder Reparatur und Wartung den Differenzstrom messen, um dich und deine Familie vor Gefahren zu schützen.
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