Abb. 1: Dreheisen-Meßwerk (Firmenbild H&B)

In einem inhomogenen magnetischen Gleich- oder Wechselfeld wirken auf einen Eisenkern Kräfte in Richtung der größten Felddichte. Beim Dreheisen-Meßwerk wird das Magnetfeld durch eine Ringspule erzeugt, durch die der Meßstrom fließt. Im Inneren der Spule ist ein kleiner Eisenkern drehbar gelagert. Das angenähert homogene Feld wird durch einen zweiten, fest mit der Spule verbundenen Eisenkern verzerrt ; auf den beweglichen Eisenkern wirkt dann eine Kraft, die ihn zur Stelle größter Kraftliniendichte zu verschieben sucht.

Als Gegenkraft dienen eine oder zwei Spiralfedern. Zur Dämpfung wird in den meisten Fällen ein in einer geschlossenen Kammer beweglicher Flügel verwendet (Luftdämpfung). Das entstehende Drehmoment ist dem Quadrat des Stromes proportional.

Das Meßwerk ist sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom geeignet und zeigt den Effektivwert des Stromes unabhängig von der Kurvenform an. Der an sich quadratische Skalenverlauf kann durch die Form und Lage der Eisenkerne weitgehend beeinflußt werden. Beim Strommesser besteht die Möglichkeit, den Anzeigebereich bis zum Doppelten, in Ausnahmefällen bis zu einem Vielfachen des Nennstromes auszudehnen, wodurch gelegentlich auftretende Überlastungen noch abgeschätzt werden können. Zu beachten ist jedoch, daß in diesen Fällen als Dauerbelastung nur 120% des Nennstromes zulässig sind.

Durch günstige Formgebung der Eisenkerne kann der Zeigerausschlag auch mehr als 90° bis etwa 250° (sog. Centrax-lnstrumente) betragen. Die Eichung erfolgt normalerweise für den Frequenzbereich von 15.. .100 Hz und für Gleichstrom auf einer Teilung der Skala. Für höhere Frequenzen bis maximal 2000 Hz ist eine Sondereichung bei der Betriebsfrequenz erforderlich. Das Dreheisen-Meßwerk ist einfach im Aufbau, robust und weitgehend überlastbar.

Es ist daher das geeignetste Meßwerk für Betriebsinstrumente bei Gleichstrom oder technischen Wechselströmen. Die Größe des zulässigen Überlastungsstromes Imax ist von der Dauer der Überlastung.

Mittels Stromwandler können praktisch beliebig große Ströme gemessen werden. Die kleinsten sinnvollen Meßbereiche werden durch den Eigenverbrauch des Meßwerkes bestimmt. Sie liegen bei etwa 100 mA und 6 V. Mehrere Meßbereiche in einem einzigen Instrument erfordern mehrere Wicklungen, die auf der Meßwerkspule unterzubringen sind. Jeder Meßbereich verlangt dann eine eigene Teilung der Skala. Für Strommesser können zwei Meßbereiche vorgesehen werden. Für eine größere Anzahl verschiedener Meßbereiche wird ein umschaltbarer Stromwandler verwendet. Bei Spannungsmessern können bis vier Meßbereiche in einem Instrument untergebracht werden, wenn ein erhöhter Eigenverbrauch zugelassen wird. Bei gleichbleibendem Eigenverbrauch können auch hier nur zwei Meßbereiche vorgesehen werden.

Mathematische Grundlagen

Das Dreheisenmesswerk enthält, wie im Abb. 1 dargestellt, eine feststehende Spule, in deren annähernd homogenen Feld sich zwei Eisenplättchen, ein feststehendes und ein bewegliches, befinden.

Durch das Magnetfeld der stromdurchflossenen Spule werden beide Eisenplättchen gleichartig magnetisiert und stoßen sich ab. Die Abstoßung führt zu einer Drehung des Zeigers um den Winkel α, das Gegenmoment wird durch eine Drehfeder mit der Federkonstante D realisiert. Im Gleichgewichtszustand sind beide Drehmmomente gleich groß:

Da sich gleichgerichtete Pole abstoßen, wird das bewegliche System bei Magnetisierung durch das Spulenfeld ausgelenkt. Unter vereinfachenden Annahmen (homogenes Magnetfeld, magnetische Energiedichte innerhalb des Eisens zu vernachlässigen) ergibt sich die zwischen zwei Magnetpolen wirkende Kraft zu

Die magnetische Induktion B ist bei einer stromdurchflossenen Spule proportional dem Strom I. Damit folgt für das elektrische Moment

Mit der Gleichgewichtsbedingung M_e + M_m = K_e · I ² - D · α = 0 ergibt sich

Der Ausschlag ist unabhängig von der Stromrichtung, das Messgerät ist damit für Gleich- und Wechselstrom geeignet. Der Zeigerausschlag ist proportional dem Quadrat des der Spule durchfließenden Stroms. Durch geeignete geometrische Formgebung der Weicheisenblättchen kann wie bereits erwähnt in bestimmten Bereichen ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen I und α erreicht werden.

Dynamisches Verhalten

Aufgrund des Aufbaus mit beweglichen, trägheitsbehafteten Teilen und der Drehfeder stellt das Dreheisenmesswerk wie das Drehspulmesswerk einen sogenannten Drehmassenschwinger mit einer entsprechenden Eigenfrequenz dar. Bei Wechselströmen mit Frequenzen deutlich größer als die Eigenfrequenz des Messwerks wird aufgrund des quadratischen Zusammenhangs des Zeigerausschlags mit dem Strom I der Mittelwert des Quadrates von I angezeigt und entspricht bei Wechselstrom somit dem Effektivwert von I.

Somit kann das Dreheisenmesswerk zur Gleichstrommessung und zur Effektivwertmessung eingesetzt werden.