Drehspulmesswerk

Ein Drehspulmesswerk ist bei elektromechanischen Messgeräten das bevorzugt eingesetzte Kernstück zur Messung der Stärke elektrischer Ströme. Es zeigt die Stromstärke als einen dem Messstrom proportionalen Zeigerausschlag vor einer Skale an. Damit die Ablesung der Skalenanzeige möglichst präzise erfolgen kann, wird die Skale oft als Spiegelskale ausgeführt.

Im praktischen Einsatz ist das Drehspulmessgerät heute oft durch digitale Messgeräte wie das Digitalmultimeter ersetzt worden.

Aufbau

Funktionsprinzip eines Drehspulmesswerkes: (1) Weicheisenkern, (2) Permanentmagnet, (3) Polschuhe, (4) Skale, (5) Spiegelskale, (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; Skale entfernt

Eine drehbare Spule (7) aus Kupferdraht befindet sich im Feld eines Dauermagneten (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 zur Stromzufuhr. Solche Drehspulmessgeräte 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 Messwerk dämpft, so dass der Anzeigewinkel mit geringem Überschwingen erreicht wird. Um empfindliche Messgeräte beim Transport zu schützen, werden sie zusätzlich kurzgeschlossen, um die Dämpfung durch die Gegenspannung bei der Selbstinduktion weiter zu erhöhen. Bei Drehspulmesswerken liegt der Dauermagnet in Zylinderform in der Spule und der magnetische Kreis ist in Form eines Ringes aus weichmagnetischem Material außerhalb der Spule als Rückschluss für den magnetischen Fluss aufgebaut.

Für Messungen mit geringer Genauigkeitsanforderung kann das Messwerk auch linear aufgebaut sein. Hier wird ein Dauermagnet gegen die Kraft einer Feder geradlinig in eine Spule hineingezogen und der Strom zu diesem Zweck gleichgerichtet. Man spricht in diesem Fall auch von einem Tauchspulmesswerk. Eine typische Anwendung ist beim zweipoligen Spannungsprüfer, wo es nur darum geht, bestimmte, erwartete Spannungswerte (z. B. 110 V, 230 V und 380 V) voneinander zu unterscheiden.

Funktion

Wird über die Anschlussklemmen und die Federn bzw. Spannbänder Strom durch die Spule geleitet, so wirkt auf die im Luftspalt befindlichen Leiter der Spule die Lorentzkraft. Dadurch dreht sich der Spulenkörper im Feld des Magneten gegen die Kraft der Federn, bis das Drehmoment aus der Lorentzkraft gleich dem Drehmoment aus der winkelabhängigen Rückstellkraft der Spiralfedern ist.

In dieser Stellung bleibt die Spule stehen, und der an ihr befestigte Zeiger (12) gibt auf einer Skale (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 linear geteilte Skale über einen Drehwinkel von etwa 90°.

Folgende Drehmomente sind im Gleichgewicht dann gleich:

$M_{L}=2 \cdot F_{L} \cdot r = n \cdot l \cdot I \cdot B \cdot 2r$

$M_{F}=D \cdot \alpha$

Die Gleichung für den Zeigerausschlag ergibt sich zu:

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

Dabei ist A die Fläche der Spule (also l (Zylinderhöhe) mal 2r (Zylinderdurchmesser)), n die Anzahl der Windungen der Spule, r der Radius der Spule (bzw. 2r der Durchmesser), D die Federkonstante, B die magnetische Flussdichte im Luftspalt, I die elektrische Stromstärke und α der Winkel zwischen Zeigerausschlag und Ruhelage.

Ein Drehspulmesswerk arbeitet polaritätsabhängig, d. h. beim Umpolen des Stroms schlägt der Zeiger in der anderen Richtung aus. Mit diesem Verhalten kann nur Gleichstrom gemessen werden, zur Messung von Wechselstrom muss ein Gleichrichter vorgeschaltet werden, um den so gebildeten Gleichrichtwert zu messen.

Durch mechanische Trägheit kann der Zeiger einer schnellen Stromänderung nicht folgen. Das Messwerk bildet bei Wechselstrom oberhalb einer bestimmten Frequenz, ungefähr ab etwa 10 Hz, den arithmetischen Mittelwert des Stromes, wodurch es Null anzeigt. Dieses Verhalten steht im Gegensatz zum Dreheisenmesswerk, das über die Reluktanzkraft den quadratischen Mittelwert und den Effektivwert anzeigt.

Bei manchen Messwerken befindet sich die Null, also die Zeiger-Ruhestellung der Drehspule, in der Mitte der Skale bzw. des Drehbereiches, so dass Ströme beider Polaritäten angezeigt werden können. Befindet sich die Null am Rand der Skale, so kann das Messwerk nur für eine Polarität benutzt werden.

Anwendungsgebiete

Multimeter mit Drehspulmesswerk

Seit einigen Jahren sind analoge Messgeräte auf vielen Gebieten durch digitale Messgeräte wie Digitalmultimeter ersetzt worden. Drehspulmessgeräte finden als bekanntestes Anwendungsbeispiel in Analogmultimetern Einsatz.

Als allgemeines Schaltsymbol dient ein Kreis mit einem diagonal eingezeichneten Pfeil. Soll die zu messende Größe direkt angegeben werden, schreibt man statt des Pfeils ihre Einheit oder manchmal auch ihr Formelzeichen in den Kreis.

Strommessung

Drehspulmessgeräte können bis herab zum Messbereichsendwert I_MB von etwa 10 µA gefertigt werden^[1]. Für höhere Ströme bis etwa 100 mA wird die Drehspule aus dickerem Draht mit weniger Windungen gefertigt – der Spannungsabfall ist dann entsprechend geringer.

Für noch größere Ströme wird ein Shunt eingesetzt – ein parallel zum Messwerk geschalteter Messwiderstand, der einen Teil des Stromes um das Messwerk herumleitet (Stromteiler). Dabei ist zum Messwerk außerdem ein Vorwiderstand erforderlich, damit die Temperaturabhängigkeit des Widerstands der Kupferspule die Stromteilung nur gering beeinflusst, zu Einzelheiten siehe unter Strommessgerät. Typische Anordnungen zur Strommessung mit Shunt sind auf einen Spannungsabfall von 60 mV bei Messbereichsendwert ausgelegt.

Die Drehspulmesswerke besitzen oft einen Spannungsabfall bei Messbereichsendwert von 60 mV^[2] und sind in dieser Hinsicht vielen digitalen Strommessgeräten überlegen, welche meist einen Spannungsabfall von 200 mV besitzen.

Spannungsmessung

Soll ein Drehspulmesswerk zur Spannungsmessung eingesetzt werden, benutzt man besonders stromempfindliche Messwerke. Wegen der Temperaturabhängigkeit des Spulenwiderstands R_Sp vermindert sich der Strom und damit die Anzeige bei konstanter Spannung allein schon durch die Eigenerwärmung. Zur Verminderung dieses Einflusses ist auch hier stets ein Vorwiderstand R_v erforderlich; zu weiteren Einzelheiten siehe unter Spannungsmessgerät. Damit bekommt man den kleinsten realisierbaren Spannungsmessbereich U_MB = (R_Sp + R_v)I_MB . Für größere Spannungen wird R_v über den mindestens erforderlichen Wert erhöht; ein erhöhter Anteil der Spannung fällt am Vorwiderstand des Spannungsteilers ab. Man beschriftet die Skale trotz des auf Strom empfindlichen Messwerkes in Einheiten der Spannung. Auch für den Spannungsmessbereich ergibt sich eine lineare Skale.

Weitere Messgrößen

In Mess- und Prüfgeräten, in denen unmittelbar von einem Sensor oder mittels einer elektronischen Schaltung Strom oder Spannung geliefert wird, dienen Drehspulmessgeräte zur Anzeige der zu messenden Größe. Beispiele sind Widerstandsmessgeräte, Batterie-Prüfgeräte, Temperaturmessgeräte und Pegelanzeigen wie dem VU-Meter.

Fehlergrenzen

Zur Kennzeichnung einer möglichen Messabweichung wird vielfach ein Klassenzeichen einer Genauigkeitsklasse angegeben, das die Fehlergrenzen unter bestimmten Bedingungen angibt. Typische Werte des Klassenzeichens liegen bei 0,5 bis 1,5.

Beispiel: Ein Messgerät der Genauigkeitsklasse 1 hat positive oder negative Messabweichungen von maximal 1 % des Messbereichsendwertes. Ist der Messbereich auf 30 V eingestellt, betragen die absoluten Fehlergrenzen 1 % · 30 V = 0,3 V im ganzen Messbereich. Je nach Betriebsbedingungen können die Fehlergrenzen um ein Mehrfaches größer sein.

Siehe auch

• Hitzdrahtmesswerk
• Kreuzspulmesswerk

Referenzen / Fußnoten

1. ↑ http://www.sifam.com/meters.asp
2. ↑ Auf eine Skalenendspannung von 60 mV sind früher viele Shunts abgestimmt gewesen