Drehspulmessinstrument

Ein Drehspulmesswerk ist ein analoges Messgerät zur Anzeige der Stärke elektrischer Ströme. Es zeigt die Stromstärke als einen dem Messstrom proportionalen Zeigerausschlag an.

Aufbau

Funktionsprinzip eines Drehspulinstruments: (1) Weicheisenkern, (2) Permanentmagnet, (3) Polschuhe, (4) Skala, (5) Spiegelskala, (6) Rückstellfeder, (7) Drehspule, (8) Ruhelage, (9) Maximalausschlag, (10) Spulenkörper, (11) Justierschraube, (12) Zeiger, (13) Südpol, (14) Nordpol

Ansichten eines Drehspulmesswerkes für 100 µA Vollausschlag; Drehspule ca. 13 mm hoch; Skala entfernt

Eine drehbare Spule (7) befindet sich im Feld eines Magneten (2). Zwei Spiralfedern (6) dienen sowohl der Stromzufuhr als auch der Rückstellung in die Ruhelage.

Bei der Spannbandlagerung dienen axial gespannte Torsionsbänder zugleich als Aufhängung, zur Herstellung der Rückstellkraft und als Stromzufuhr. Solche Drehspulinstrumente benötigen keine Spitzenlagerung der Drehspule und sind daher frei von Fehlern durch Haftreibung.

Die Spule ist meist auf einen Aluminiumrahmen gewickelt, der eine Kurzschlusswindung bildet und das Instrument dämpft, sodass der Anzeigewinkel ohne Überschwingen erreicht wird. Um empfindliche Instrumente beim Transport zu schützen, werden sie zusätzlich kurzgeschlossen, um die Dämpfung durch die Gegenspannung bei der Selbstinduktion weiter zu erhöhen.

Moderne Drehspulmesswerke besitzen einen Dauermagnetkern in der Spule und einen nicht magnetisierten Ring darum herum, der lediglich den magnetischen Rückschluss bildet.

Damit die Ablesung der Skalenanzeige möglichst präzise erfolgen kann, wird oft eine Spiegelskala eingesetzt.

Funktion

Wird über die Anschlussklemmen und die Federn bzw. Spannbänder Strom durch die Spule geleitet, so entsteht in den im Luftspalt des Magnetfeldes befindlichen Leitern der Spule eine Kraft (Lorentzkraft); sie dreht sich nun im Magnetfeld der Magneten bis die Lorentzkraft gleich der winkelabhängigen Rückstellkraft der Spiralfedern ist.

In dieser Stellung bleibt die Spule stehen, und der an ihr befestigte Zeiger (12) gibt auf einer Skala (4) den entsprechenden Wert der Stromstärke an. Nach Abschalten des Stroms stellen die Federn den Zeiger wieder in die Nullstellung (8) zurück. Da die Federkraft proportional zum Drehwinkel (hookesches Gesetz) und die Lorentzkraft proportional zur Stromstärke ist, ergibt sich eine lineare Skala, solange die im Luftspalt befindlichen Teile der Spule diesen nicht verlassen.

Die Formel für den Zeigerausschlag ist:

$\alpha =\frac{n \cdot B \cdot I \cdot A}{D}$

Dabei ist A die wirksame Fläche der Spule (also Luftspalthöhe mal Breite der Spule), n die Anzahl der Wicklungen der Spule, D die Federkonstante, B die magnetische Flussdichte im Luftspalt, I die elektrische Stromstärke und α der Winkel zwischen Zeigerausschlag und Ruhelage.

Drehspulmesswerke zeigen den arithmetischen Mittelwert des Stromes an (im Gegensatz zu Dreheisen-Messwerken, die den quadratischen Mittelwert (Effektivwert) anzeigen). Drehspulmesswerke arbeiten daher polaritätsabhängig, d.h. beim Umpolen des Stroms schlägt der Zeiger in der anderen Richtung aus. Mit Drehspulmesswerken kann daher nur Gleichstrom gemessen werden – die Trägheit der Mechanik bildet bei Wechselstrom ab einer bestimmten Frequenz dessen Mittelwert Null, der Zeiger bewegt sich nicht. Zur Messung von Wechselstrom muss daher ein Gleichrichter vorgeschaltet werden.

Bei manchen Messwerken befindet sich die Null, der Zeiger und die Ruhestellung der Drehspule in der Mitte der Skala bzw. des Luftspaltes, sodass Ströme beider Polaritäten angezeigt werden können. Befindet sich die Null am Rand der Skala, so kann das Messwerk nur für eine Polarität benutzt werden.

Anwendungsgebiete

Seit einigen Jahren ist das Drehspulmesswerk auf vielen Gebieten durch digitale Messgeräte wie das Digitalmultimeter ersetzt worden. Seine Vorteile (analoge Darstellung, Unempfindlichkeit gegenüber elektrischen Störimpulsen, keine Hilfsspannungsquelle erforderlich, kontrastreiche Darstellung) hat es aber auch heute einige Anwendungen. Dazu zählen zum Beispiel einfache Multimeter, Ohmmeter und Pegelanzeigen (VU-Meter).

Die im folgenden dargestellten Anwendungen beziehen sich auf die ursprünglichen Einsatzgebiete und die technische Eignung des Drehspulmesswerks.

Messwertanzeige

Drehspulinstrumente dienen in vielen Mess- und Prüfgeräten zur Anzeige. Ihre Skala ist hierzu in den entsprechenden Einheiten skaliert und oft auch nichtlinear. Die Instrumente werden hierzu vom (Sensor-)Signal selbst, einer Hilfsspannungsquelle oder von einer elektronischen Schaltung gespeist. Beispiele sind Pegelmesser, Vakuummeter, Ohmmeter, Batterie-Prüfgeräte oder Cockpit-Instrumente (Temperaturanzeigen, Tankanzeige, Kreuzzeigerinstrument).

Strommessung

Drehspulinstrumente können bis herab zu Strömen von etwa 25 µA gefertigt werden. Sie besitzen hierbei einen Spannungsabfall bei Vollausschlag von zum Beispiel 50 mV und sind in dieser Hinsicht vielen digitalen Strom-Anzeigeinstrumenten überlegen, welche meist einen Spannungsabfall von 200 mV besitzen.

Um höhere Ströme bis etwa 100 mA zu messen, wird die Drehspule aus dickerem Draht gefertigt - der Spannungsabfall sinkt dann noch weiter ab. Um bei noch größeren Strömen eine Überlastung der Drehspule und der Spiralfedern zu vermeiden, wird ein Shunt eingesetzt – ein parallel zum Messwerk geschalteter Widerstand, dessen elektrischer Widerstand umso kleiner ist, je höher der zu messende Strom ist. Der größte Teil des Stromes fließt dann über diesen Widerstand, der oft aus einem oder mehreren dicken Drähten oder einem mäanderförmigen Blech besteht. Typische Mess-Shunts bzw. Drehspulinstrumente zur Strommessung mit Shunt besitzen eine Spannungsabfall von 60 mV bei Vollausschlag.

Spannungsmessung

Soll ein Drehspulmesswerk zur Spannungsmessung eingesetzt werden, benutzt man besonders stromempfindliche Instrumente und einen Vorwiderstand, der nach dem ohmschen Gesetz die zu messende Spannung in einen dazu proportionalen Strom wandelt. Man kalibriert die Skala gemäß $U = R \cdot I$ in Einheiten der Spannung. Der Innenwiderstand als Proportionalitätsfaktor ist konstant. Damit ergibt sich auch für den Spannungsmessbereich eine lineare Skala. Durch zuschaltbare weitere Vorwiderstände R_v kann der Messbereich erweitert werden. Für den Innenwiderstand R_i des Geräts und den n-fachen Messbereich ergibt sich

$R_v = (n - 1) \cdot R_i$.

Leistungsmessung

Erzeugt man das Magnetfeld eines Drehspulinstrumentes mit einer im Strompfad liegenden dicken Spule und speist die Drehspule mit einem Vorwiderstand aus der Spannung, erhält man ein Leistungsmessgerät.

Güteklasse

Die Güteklasse wird als Ziffer angegeben, die den prozentualen Fehler bei Vollausschlag des Meßinstruments bezeichnet. Typische Werte für Feinmessinstrumente sind 0,1 oder 0,5. Betriebsmessgeräte liegen in der Güteklasse zwischen 1 und 5.

Beispiel: ein Messgerät der Güteklasse 2 besitzt einen Fehler von 2% bei Vollausschlag. Ist die Messskala auf 30 Volt eingestellt, beträgt der Absolutwert des Fehlers 0,6 Volt. So können 30 Volt Vollausschlag mit einem Fehler von 2% gemessen werden, 6 Volt mit einem Fehler von 0,6/6 = 10%.

Siehe auch

• Dreheisenmesswerk
• Hitzdrahtmesswerk
• Kreuzspulmesswerk
• Galvanometer
• Weicheiseninstrument