Drehspul-Meßwerk

Ein stromdurchflossener Leiter erfährt in einem Magnetfeld eine Kraft, die zur Stromrichtung und zur Richtung des Magnetfeldes senkrecht gerichtet ist. Die Richtung der Kraft ändert mit der Stromrichtung ihr Vorzeichen. Beim Drehspul-Meßwerk wird das Magnetfeld durch einen Dauermagneten erzeugt. Der magnetische  Kreis schließt sich beim Außenmagnet-Meßwerk nach Abbildung 1 über Polschuhe, ringförmigen Luftspalt und zylindrischen Eisenkern.
Drehspulmesswerk
Abb. 1: Drehspul-Messwerk mit Außenmagnet (Firmenbild H&B)
Beim Kernmagnet-Meßwerk nach Abbildung 2 stellt ein Weicheisenmantel, der das Meßwerk umschließt, den magnetischen Rückschluß dar. In dem gleichmäßigen Luftspalt, in dem eine Spule drehbar gelagert ist, entsteht eine radial-homogene magnetische Induktion. Das auf die Drehspule wirksame Drehmoment ist daher im Inneren des Luftspaltes von der Winkelstellung der Drehspule unabhängig. Als Gegenkraft sind bei spitzengelagerten Meßwerken zwei meist gegensinnig gewickelte Spiralfedern angeordnet, die zugleich die Zuführung des Meßstromes übernehmen.

Bei der Spannbandaufhängung (Abb. 2) liefern die auf Torsion beanspruchten Spannbänder Rückstellkraft und Stromzuführung. Das Drehmoment und damit der Zeigerausschlag sind dem Strom proportional. Die Teilung der Skala ist praktisch linear. Da das Drehmoment mit dem Strom sein Vorzeichen ändert, ist das Meßwerk nur für Gleichstrom geeignet. Die Drehspule ist auf ein Aluminiumrähmchen gewickelt. Die vom Magnetfeld in der Drehspule induzierten Wirbelströme bedingen die magnetische Dämpfung des Meßwerkes. Der günstige Aufbau des magnetischen Kreises, der relativ kleine Luftspalt und der kräftige Dauermagnet bewirken eine hohe Induktion im Luftspalt. Das DrehspulMeßwerk ist daher das meßempfindlichste und zugleich genaueste aller Meßwerke und zudem ist der Eigenverbrauch außerordentlich klein.

Der Einfluß fremder Magnetfelder ist beim Kernmagnet-Meßwerk sehr gering; beim Außenmagnet-Meßwerk ist unter Umständen eine zusätzliche Abschirmung erforderlich. Da sich bei Temperaturänderungen sowohl der Widerstand der Kupferwicklung als auch die Rückstellkraft der Federn oder Bänder ändern, wird durch Reihenschaltung geeigneter Widerstände eine Temperaturkompensation vorgenommen. Die Skalencharakteristik kann beim Außenmagnet-Meßwerk durch entsprechende Formgebung der Polschuhe geändert werden. Die Induktion im Luftspalt wird dadurch inhomogen. Beim Kernmagnet-Meßwerk kann durch die Richtung der Magnetisierung des Kernmagneten eine ähnliche Wirkung erreicht werden.

Soll der Ausschlag des Zeigers größer als 90° sein (sog. Centrax-lnstrumente), so wird statt der zentrisch gelagerten Drehspule eine exzentrisch gelagerte Schwenkspule vorgesehen. Bei der Messung kleiner Ströme bis zu einigen Milliampere Endausschlag durchfließt der gesamte Meßstrom die Drehspule. Der Innenwiderstand des Instrumentes ist in diesem Falle der Widerstand der Drehspule allein.

Größere Ströme werden durch Nebenwiderstände geteilt, so daß nur ein Bruchteil des Meßstromes unmittelbar durch die Drehspule fließt. Der Innenwiderstand setzt sich dann aus einer Parallelschaltung von Nebenwiderstand und Drehspule zusammen. Die Nebenwiderstände, die je nach den technischen Möglichkeiten entweder im Inneren des Instrumentes untergebracht oder außen angebaut sind, werden in der Regel so abgeglichen, daß der Meßstrom in ihnen einen Spannungsabfall von 60 mV erzeugt; die Empfindlichkeit des Meßwerkes wird so gewählt, daß es an 60 mV Vollausschlag anzeigt. Der 
Drehspulmesswerk
Abb. 2: Drehspul-Messwerk mit Kernmagnet (Firmenbild H&B)
Eigenverbrauch des Meßwerkes ist gegenüber dem Verbrauch des Nebenwiderstandes vernachlässigbar.

Zur Spannungsmessung werden vor das Meßwerk Vorwiderstände geschaltet. Der Innenwiderstand wird meist in Ω/Volt angegeben. Die Angabe 1000 Ω/V besagt zum Beispiel, daß das Meßwerk 1 mA Strom bei Vollausschlag aufnimmt. Zur Erweiterung der Meßbereiche für Ströme, die größer als 100 Ampere sind, werden getrennte Nebenwiderstände geliefert, die ebenfalls auf einen bestimmten Spannungsabfall (z.B. 60 mV) abgeglichen sind. Das zugehörige Meßinstrument muß dann für den gleichen Spannungsabfall geeignet sein. Durch Verwendung verschiedener Nebenwiderstände mit gleichem Spannungsabfall können mit einem Instrument verschiedene Ströme gemessen werden. Der Widerstand der Zuleitung vom getrennten Nebenwiderstand bis zum Instrument muß eine vorgeschriebene Größe besitzen. Bei sehr großen Strömen muß der Abstand zwischen Nebenwiderstand und Meßwerk zum Vermeiden störender Fremdfeldbeeinflussung eine bestimmte Mindestgröße haben. Sowohl bei Strom- als auch bei Spannungsmessern können durch Neben- oder Vorwiderstände mehrere Meßbereiche mit einer oder mehreren Teilungen der Skala vorgesehen werden, sofern die Größe des Instrumentes hinreichend Raum für die Widerstände und die Anschlußklemmen bietet.

Die Vorteile des Drehspul-Meßwerkes können auch für Wechselstrom ausgenützt werden, wenn dem Meßwerk ein Gleichrichter vorgeschaltet wird. Früher wurden Kupferoxydul-Meßgleichrichter, für höhere Frequenzen Germanium- oder Siliziumdioden verwendet. Auf diese Weise können Wechselströme und Spannungen im Bereich technischer Wechselströme und im Mittelfrequenzgebiet gemessen werden. Der Zeiger des Drehspulmeßwerkes stellt sich auf den linearen Mittelwert des gleichgerichteten Stromes ein, die Eichung erfolgt aber bei sinusförmigem Wechselstrom in Effektivwerten. Infolgedessen wird der Meßwert auch nur bei sinusförmigem Stromverlauf streng richtig angezeigt. Vorhandene Oberwellen verursachen Anzeigefehler, die indes erst bei größeren Verzerrungen merkliche Größe annehmen. Vollkommen unabhängig von der Kurvenform und zur Messung bis zu höchsten Frequenzen geeignet werden Drehspul-Meßwerke, wenn ein Thermoumformer vorgeschaltet wird.

Drehspulmeßwerk mit Thermoumformer

Der Thermoumformer besteht aus einem Thermopaar und einem Heizdraht (Abb. 3). Der Meßstrom fließt durch den Heizdraht, erwärmt ihn und damit auch die Verbindungsstelle des Thermopaares. An den beiden Enden des Thermopaares entsteht eine Thermo-spannung. Diese Spannung ruft im Meßkreis einen Thermostrom hervor, der von einem Drehspulmeßwerk angezeigt wird.
Thermoumformer
Abb. 3: Thermoumformer

Der Heizdraht kann durch Gleich- oder Wechselstrom erwärmt werden. Das Thermoumformer-Meßgerät zeigt unabhängig von Frequenz und Kurvenform immer den Effektivwert des Wechselstromes an, während Meßgeräte mit Meßgleichrichtern nur bei sinusförmigem Wechselstrom richtige Meßergebnisse liefern. Wegen der frequenzunabhängigen Anzeige benutzt man das Thermoumformer-Meßgerät meist für Hochfrequenz. Bei sehr hohen Frequenzen wird die Anzeige durch die Stromverdrängung im Heizdraht (Hauteffekt) und durch die Kapazitäten zwischen Heizdraht und Thermopaar verfälscht. Diese Kapazitäten kann man verringern, wenn man den Heizdraht durch eine Glasperle vom Thermopaar trennt (indirekte Heizung). Ein Thermoumformer-Meßgerät mit indirekter Heizung kann bis etwa 100 MHz verwendet werden.

Der Skalenverlauf eines Strommessers mit Thermoumformer ist annähernd quadratisch, da die Thermospannung etwa mit dem Quadrat des Meßstromes wächst. Thermoumformer dürfen nicht überlastet werden. Bereits bei doppeltem Nennstrom wird der Heizdraht zerstört. Die Thermoumformer geben höchstens eine Spannung von 12 mV ab. Sie sind bei kleinen Meßbereichen (ab 2,5 mA) in ein luftleeres Glasgefäß eingeschmolzen, bei größeren Meßbereichen (ab 400 mA bis 6 A) befinden sich der Heizdraht und das Thermopaar in der Luft.

Mathematische Grundlagen

Ein Drehspulmesswerk enthält eine beweglich aufgehängte Spule in einem radialhomogenen Feld eines Dauermagneten. Bild 5.2.1 zeigt die prinzipielle Anordnung. Die Spule ist starr mit einem Zeiger und einer Drehfeder verbunden. Der zu messende Strom I fließt durch die Spule und erzeugt zusammen mit dem Magnetfeld des Dauermagneten eine Kraft (Lorentzkraft) auf die Spule, die zu einer Drehung führt. Die Spule dreht sich, bis die Rückstellkraft durch die Drehfeder entgegengesetzt gleich groß wie die Lorentzkraft ist.

Die drehbare Spule hat einen Durchmesser d, die Länge l, N Windungen und wird vom Strom I durchflossen. Das Magnetfeld des Dauermagneten hat die Induktion B, die durch die Form des Dauermagneten und des Spulenkerns senkrecht zu den Spulenleitern der Länge l ist. Das radialhomogene Feld bewirkt die Kraft F auf einen vom Strom I durchflossenen Leiter der Länge l

→        →  →
F = I · (l X B)

Wegen der Orthogonalität von l und B folgt

F = I · l · B

Damit ergibt sich ein Drehmoment M auf die Spule mit N Wicklungen von

M = N · F · d = N · I · l · B · d

Ersetzt man l · d durch die Spulenfläche A, erhält man

M = A · N · B · I

Das antreibende Moment durch den zu messenden Strom führt zu einer Drehung der Spule und des starr verbundenen Zeigers und zu einem mechanischen Gegenmoment durch die Drehfeder. Das mechanische Moment Mm der Drehfeder nimmt mit dem Ausschlagwinkel α der Drehfeder zu. Für eine Federkonstante c ist

Mm = c · α

Im eingeschwungenen Gleichgewichtszustand sind beide Drehmomente gleich groß, und aus

M = A · N · B · I = Mm = c · α

folgt der Ausschlagwinkel α

       A · N · B
α = —————· I = const · I
            c

Der gemessene Strom I ist proportional zum Ausschlagwinkel α, wobei die Ausschlagsrichtung von der Richtung des Stromflusses abhängt.

Das Drehspulmesswerk zeigt einen Mittelwert bzw. einen Gleichanteil an, unter der Voraussetzung, dass die Messgrößenschwankung bezogen auf das dynamische Verhalten des Messwerks wesentlich schneller erfolgt. Daher können Wechselspannungsgrößen nur mit zusätzlichen Gleichrichterschaltungen erfasst werden.


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