Meßwerke

Drehspulmeßwerk

Ein Drehspulmeßwerk enthält einen festen Dauermagneten und eine bewegliche Spule, die bei Stromfluß elektromagnetisch abgelenkt wird. Der Spulenrahmen hat in der Regel Rechteckform, wie etwa in der Zeichnung angedeutet. Für die Kraftwirkung sind natürlcih nur diejenigen Leiterteile entscheidend, die sich im Luftspalt der Permanentmagneten befinden; ihre Länge sei mit l bezeichnet, ihr mittlerer Abstand von der Drehachse des Spulenrahmens mit r. Ist die Windungszahl des Spulenrahmens N, so vervielfacht sich die Kraftwirkung entsprechend und man erhält für das elektromagnetisch bedingte Drehmoment der Spule . Dem stellt sich ein zum Drehwinkel a proportionales, mechanisch bedingtes Gegendrehmoment der Rückstellfeder entgegen, .

Aus der Gleichgewichtsbedingung ergibt sich dann für den Ausschlagswinkel

Der Proportionalitätsfaktor S_i wird Stromempfindlicjkeit genannt.

Trägheit und Dämfung

Die Trägheit des Spulenrahmens bzw. des gesamten beweglich Teils des Meßwerkes führt nicht nur zu einer verzögerten Einstellung der Anzeige, sondern auch zu einem Überschwingen des Zeigers über die spätere Ruhelage hinaus und einer sich daran anschließenden Pendelschwingung. Solange sich aber nun die Spule bewegt, werden in der Wicklung Spannungen induziert und es wird dem zu messenden Strom I während der Einstellzeit ein zusätzlich, aus der induzierten Spannung hervorgerufener Strom überlagert. Dieser ist stets so gerichtet, daß er dem Bewegungsvorgang entgegenwirk und ihn daher abbremst. Nun hängt aber die Größe der induzierten Spannung und die sich daraus ergebende Bremskraft vom gesamten Widerstand des Stromkreises ab, in den die Spule geschaltet ist; ist dieser zufällig sehr hoch, so kommt auf die bisher geschilderte Weise praktisch keine Dämpfung mehr zustande. Um nun eine von der äußeren Beschaltung unabhängige Eigendämfung des Meßwerkes garantieren zu können, wird deshalb in der Regel der Spulenrahmen aus Aluminium hergestellt; in diesem Rahmne können sich die abbremsenden Induktionsströme dann unabhängig von äußeren Meßkreiswiderständen ausbilden.

Drehmagnetmeßwerk

Ein Drehmagnetmeßwerk enthält einen beweglichen Dauermagneten, der vom Feld einer feststehenden stromdurchflossenen Spule abgelenkt wird. Auf den geweglichen Dauermagneten wirkt außerdem das Feld eines zusätzlichen ebenfalls permanenten Richtmagneten, der für ein Rückstelldrehmoment und eine eindeutige Ruhelage sorgt. Der bewegliche Magnet stellt sich jeweils in die Richtung des resultierenden Magnetfeldes ein. Stehen z. B. die vom Richtmagneten erzeugte Induktion B₁ und die von der stromdurchflossenen Spule erzeugte Induktion B₂ senkrecht zueinander, so gilt für den sich einstellenden Ausschlagswinkel:

Bimetallmeßwerk

Ein Bimetallmeßwerk enthält eine Bimetallspirale, die von dem zu messenden Strom durchflossen und erwärmz wird. Die Erwärmung hat eine Auf-oder Entrollbewegung zur Folge, welche auf die Meßwerksachse übertragen und damit zur Anzeige gebracht wird. Eine zweite, auf die Meßwerksachse gegensinnig einwirkende, stromlose Bimetallspirale sorgt für eine Kompensation des Raumtemperatureinflusses. Auch hier ergibt sich ein entsprechend zum Quadrat des Stromes proportionaler Ausschlag.

Sie dienen vorzugsweise zur Messung sehr großer Ströme. Da ein beträchtliches Drehmoment zur Verfügung steht, kann ein Schleppzeiger mitgeführt werden, mit dessen Hilfe man nachträglich einen zwischenzeitlichen Maximalwert des Stromes ablesen kann.

Dreheisenmeßwerk

Ein Dreheisenmeßwerk enthält in der Regel ein bewegliches Eisenteil, das von dem Magnetfeld einer feststehenden stromdurchflossenen Spule abgelenkt wird. Weit verbreitet ist beispielsweise das Prinzip des Mantelkernmeßwerks. Innerhalb der stromdurchflossenen Spule befindet sich ein feststehendes Eisenblech und ein bewegliches Eisenblech., der Form nach Teile eines Zylindermantels. Die Eisenbleche werden durch das Spulenfleld gleichsinnig magnetisiert und stoßen sich daher ab; das bewegliche Eisentel vollzieht infolgedessen eine Drehbewegung um seine Drehachse. In Zusammenhang mit der einfachen Grundanordnung hatt sich ergeben, daß die Kraftwirkung zwischen zwei Magnetpolen proportional zu B² ist. Würde man dort die magnetische Induktion durch eine stromdurchflossene Spule erzeugen, so wäre B proportional zu I und damit die Kraftwirkung proportional zu I².

In der Regel wird jedoch durch eine gegensinnig beieinflussende Formgebung der Mantelkernbleche eine linearisierug des Skalenverlaufes angestrebt.

Die erforderliche Dämpfung des Meßwerkes wird in der Regel durch einen Dämpfungsflügel in einer Luftkammer sichergestellt, seltener durch eine elektromagnetische Dämpfung.

Kreuzspulmeßwerk

Das Meßwerk enthält zwei miteinander und mit einem Zeiger starr verbundene Spulenrahmen, aber keine Rückstellfeder. In der Abbildung schließen die beiden Rahmen miteinander einen rechten Winkel ein und befinden sich in einem homogenen Magnetfeld. Verfolgt man die angegebene Drehmomentbilanz, so erkennt man, daß das Spulenkreuz eine Gleichgewichtsstellung annimmt, die vom Verhältnis der Ströme I₂ und I₁ in den beiden Spulenrahmen abhängt. Für die hier betrachtete Ausführungsform:

Aus diesem Grund wird das Meßwerk auch Drehspul-Quotientenmeßwerk genannt.

Bei einem Drehspulquotientenmeßwerk hängt der Zeigerausschlag vom Quotienten zweier Gleichströme ab. Der Skalenverlauf ist nichtlinear. Das Meßwerk besitzt keine Rückstellfeder.

Elektrodynamisches Meßwerk

Das elektrodynamische Meßwerk besitzt eine feststehende stromdurchflossene Spule und eine bewegliche stromdurchflossene Spule. Es gibt eisenlose und eisengeschlossene Ausführungen. Die nächste Abbildung zeigt das Prinzip einer eisengeschlossenen Ausführung.

Der Zeigerausschlag ist proportional zum Produkt der beiden die Spulen durchfließenden Ströme.

Macht man über einen Vorwiderstand den über die bewegliche Spule fließenden Strom proportional zu einer an den Verbraucher anliegenden Spannung und führt man den Verbraucherstrom I durch die feststehende Spule, so ergibt sich eine Leistungsmessung

Die feststehende Spule wird dann als Strompfad mit wenigen Windungen dicken Dragzes, die bewegliche Spule als Spannungspfad mit einer großen Windungszahl dünnen Dragtes realisiert. Schließt man einen derartigen Leistungsmesser sinngemäß an einen Wechselstromverbraucher, so stellt sich die bewegliche Spule infolge ihrer mechanischen Trägheit entsprechend dem Mittelwert des Produktes der Zeitfunktionen u(t) und i(t) ein; dieser Mittelwert entspricht aber der vom Verbraucher aufgenommenen Wirkleistung, weil , also um 90° verschobene Strom- bzw. Spannungskomponenten, eben keine Wirkleistung erzeugen.

Quelle: Kurt Bergmann, Elektrische Meßtechnik