Kapitel 22
Messinstrumente Messtechnik
Verfasser:
Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn
055 - 654 12 87
Ausgabe:
April 2009
Copy is right
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INHALTSVERZEICHNIS
22 MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.1 Grundlagen
22.1.1 Einführung
22.1.2 Verwendung von Messgeräten 22.1.3 Abkürzungen
22.1.4 Handhabung Messinstrumente
22.1.5 Prinzipschaltung von Universalmessgeräten 22.1.6 Messbereichserweiterung
22.1.7 Messen mit Wandlern
22.1.8 Nicht sinusförmige Grössen messen 22.2 Analog Messinstrumente
22.2.1 Teile an Messinstrumenten und deren Benennung 22.2.2 Form der Zeiger-Messinstrumente
22.2.3 Genauigkeit von Messinstrumenten 22.2.4 Messfehler analoger Messinstrumente 22.2.5 Aufschriften bei analogen Messinstrumenten 22.2.6 Aufbau und Funktionsprinzip Zeigermessgeräte 22.3 Digitale Messinstrumente
22.3.1 Digitale Messung
22.3.2 Anschluss und Anzeige digitale Multimeter 22.3.3 Messfehler digitaler Messinstrumente 22.4 Widerstandsmessung
22.4.1 Die direkte Widerstandsmessung 22.4.2 Die indirekte Widerstandsmessung 22.4.3 Die Isolationsmessung
22.5 Spezialmessgeräte
22.5.1 Bimetallmesswerk 22.5.2 Zangenamperemeter
22.5.3 Schreibende Messinstrumente 22.6 Der Kathodenstrahl-Oszillograph
22.6.1 Aufbau des Kathodenstrahl-Oszillographen (KO) 22.6.2 Der Kathodenstrahl-Oszillograph
22.6.3 Oszilloskop und Digitalmultimeter 22.7 Kurzschlussmessung
22.7.1 Netzformen der Niederspannung 22.7.2 Schleifenimpedanz im genullten Netz 22.7.3 Messung des Schleifenwiderstandes 22.8 Messen von Leistung und Arbeit
22.8.1 Leistungsmessung 22.8.2 Der Energie-Zähler
22.8.3 Anschluss der Energie-Zähler
22.8.4 Energiemessung in NS-Anlagen mit Stromwandlern
22 Messinstrumente, Messtechnik
22.1 Grundlagen
Die Grundlage der Entwicklung und des Fortschrittes in der Technik ist das Messen.
22.1.1 Einführung Messen heisst:
Vergleich zwischen einer bekannten und einer
Beispiele für Vergleiche von:
- Längen mit Metermass - Gewichten mit der Waage
- Temperaturen mit dem Thermometer - Inhalten mit dem Litermass
Es werden drei Arten von Messwert-Anzeigen unterschieden:
a) b) c)
Zeigergerät Analog-Anzeige
Schreibgerät Registrieren
Zifferngerät
Digitale-Anzeige
22.1.2 Verwendung von Messgeräten
Nachfolgende Tabelle zeigt eine Zusammenfassung gebräuchlicher elektrischer Messgeräte.
Zur Messung von
Instrument Messwerte Schemasymbol
Spannung
Voltmeter mV, V, kV
Strom
Ampereme-
ter
mA, A, kA
kleine Ströme
Galvanome-
ter pA, µ µ µ µA, mA
Widerstand
Ohmmeter
Messbrücke mΩ Ω Ω Ω, Ω Ω Ω Ω, kΩ Ω Ω Ω
Isolations-
Widerstand
Isolations-
messer kΩ Ω Ω Ω, MΩ Ω Ω Ω
Erdungs-
Widerstand
Erdungs-
messer Ω Ω Ω Ω
Leistung
Wattmeter mW, W, kW,
MW
Arbeit
kWh-Zähler Wh, kWh,
MWh, GWh
Frequenz
Frequenz-
messer
Hz, kHz, MHz, GHz
Phasen-
verschiebung
Phasenmeter cosϕ ϕ ϕ ϕ, ϕ ϕ ϕ ϕ
Phasenfolge
Drehrich- tungsanzei-
RST, RTS
Beleuchtungs-
stärke
Luxmeter lx
Die wichtigsten Messwerte sind hervorzuheben!
V
A
Ω Ω Ω Ω
W
cosϕϕϕϕ
lx
kWh
22.1.3 Abkürzungen
Abkürzungen für grosse und kleine Einheiten.
1 000 000 000 000 = 1012 = Tera T
1 000 000 000 = 109 = Giga G (Gigant = Rise) 1 000 000 = 106 = Mega M
1 000 = 103 = Kilo k 100 = 102 = Hekto h 10 = 101 = Deka D
1 = 100
0,1 = 10-1 = Dezi d 0,01 = 10-2 = Centi c 0,001 = 10-3 = Milli m 0,000 001 = 10-6 = Mikro µ (mü)
0,000 000 001 = 10-9 = Nano n (Nano = Zwerg) 0,000 000 000 001 = 10-12 = Piko p
0,000 000 000 000 001 = 10-15 = Femto f
= 10-18 = Atto a Beispiele:
1 km = 103 m = 1000 m
1 GWh = =
1 MΩ = =
1 µA = =
= 10-3 m =
= 106 W =
= 103 A =
= 20x103 V =
= = 1 000 A
= = 0,002 Ω
= = 60 000 kW
22.1.4 Handhabung Messinstrumente
Folgende Punkte sind beim Einsatz des Messgerätes immer zu beachten:
1. Der Messbereichsschalter soll bei jedem Messgerät vor der Messung auf den grössten Messbereich gestellt werden.
2. Beim Messen ist auf kleinere Messbereiche zu schalten.
3. Beim Messen mit Messgeräten ist auf kleinere Messbereiche zu schalten, so dass möglichst
genau gemessen werden kann (Analogmessinstrumente im letzten Drittel).
Volt- und Amperemeter und deren Schaltungen zur Widerstands- und Leis- tungsbestimmung bei analogen Messgeräten:
Schaltung bei grossen Widerständen
Das Voltmeter zeigt eine dem Spannungsabfall im Amperemeter entsprechende zu grosse Spannung an.
Schaltung bei kleinen Widerständen
Das Amperemeter misst den zusätzlichen Ver- brauch des Voltmeters.
22.1.5 Prinzipschaltung von Universalmessgeräten
In der untenstehenden Schaltung ist vorallem der Schaltungsaufbau zur Span- nungs- und Strommessbereichserweiterung ersichtlich.
Die Umschaltung für
Strom- und Spannungsmessung
Prinzipielles Vorgehen bei der Benutzung von Messgeräten:
1
Was will ich messen?
2
Messbereich, wenn möglich berechnen oder
„abschätzen“
3
Schema zeichnen und Messung aufbauen
4
Am wichtigsten ist die Kontrolle
22.1.6 Messbereichserweiterung
Müssen grössere Ströme oder Spannungen gemessen werden so ist es sinnvoll, wenn das gleiche Messsystem des Messgeräts verwendet werden kann. Damit dies auch funktioniert muss dass Messsysteme richtig erweitert werden.
22.1.6.1 Messbereichserweiterung für Spannungsmessung (Seriewiderstand, Vorwiderstand oder Reihenwiderstand)
22.1.6.2 Messbereichserweiterung für Strommessung (Shuntwiderstand, Parallelwiderstand oder Nebenwiderstand)
22.1.6.3 Messbereichserweiterung Übung
Der Zeiger eines Messwerks hat bei 250mV und 85µA Vollausschlag. Skizzieren Sie die Schaltungen zur Messbereichserweiterung:
a) auf 10V
b) auf 3mA und berechnen Sie die erforderlichen Widerstände.
Achtung: Eine Schaltungsskizze wird ausdrücklich verlangt. Die berechneten Resultate sollen den skizzierten Widerständen klar und eindeutig zugeordnet werden können!
22.1.7 Messen mit Wandlern
Dies sind speziell gebaute Trafo’s. Sie werden eingesetzt, sobald Direktmes- sung infolge hoher Ströme oder Spannungen nicht mehr oder nur noch unter grossen Schwierigkeiten möglich wäre.
22.1.7.1 Der Spannungswandler
Dies sind Präzisionstransformatoren mit Leistungen von wenigen 100 VA, erhält- lich in den Güteklassen 0,1-0,2-0,5-1,0-1,5-2,5 und 5,0 %. Sie dürfen nicht über- lastet werden durch den Anschluss zu vieler Messinstrumente (Zähler), ansons- ten der Klassenfehler überschritten wird. Spannungswandler transformieren die zu messende Spannung auf meist 100 V. Solche Wandler sind in Wechsel- stromanlagen üblich, wenn die zu messende Spannung 600 V übersteigt. Bei diesen „Messtransformatoren“ ist der sekundäre Messkreis von der zu messen- den Spannung galvanisch getrennt. Damit ein Durchschlag von der Primär- zur Sekundärwicklung keinen Personen- oder Sachschaden verursachen kann, wird die eine Sekundärklemme geerdet.
v u
V U
Sicherung
Primärspannung Sekundärspannung
Spannungswandlerschema
Sekundärseitig muss der nicht geerdete Leiter abgesi- chert werden.
Die Messgeräte (Spannungsmessung), welche an die Wandler angeschlossen werden sind entsprechend dem Übersetzungsverhältnis angeschrieben, so dass ohne Umrechnung direkt die Primärspannung abgelesen werden kann. Auf der Instrumentenskala ist das Übersetzungsverhältnis aufgedruckt, z.B. 20'000 V / 100 V.
22.1.7.2 Der Stromwandler
Zur Messung grosser Ströme dienen Stromwandler. Bei Messungen in solchen Anlagen wird der Messkreis durch den Wandler Anlage galvanisch getrennt. Es sind spezielle Transformatoren, deren Primärwicklung im „Zuge der Leitung“
liegt, wie ein Amperemeter. An der Sekundärwicklung sind in Serieschaltung die Stromspulen der Amperemeter, Wattmeter, Zähler und Relais angeschlossen.
Auch bei diesen Wandlern muss die Isolation zwischen Primär- und Sekun- därwicklung für die volle Betriebsspannung dimensioniert werden. Beim Nennstrom beträgt der Sekundärstrom 5 A oder 1 A.
Stromwandlerschema Ringkernwandler mit Primär-
wicklung, bestehend aus durchgeführter Schie- ne (Stabwandler)
Der Sekundärkreis von Stromwandlern darf im Betrieb nicht geöffnet wer- den:
Der Grund ist, die zwischen den Klemmen K und L liegende Spannung wird her- auftransformiert, was hohe Spannungen ergibt. Entsprechend dem Spannungs- anstieg nimmt der magnetische Fluss im Eisenkern zu, was in der Folge zu un- zulässiger Erhitzung des Eisenkerns führt. Auch bei ganz kurzzeitigen Unterbrü- chen wird der Eisenkern vormagnetisiert, was zu Messfehlern führt. Werden die Instrumente ausgebaut, muss der Stromwandler vorgängig mit einer Kurz-
schlussvorrichtung sekundär überbrückt werden.
Beim Anschliessen von Kontrollinstrumenten muss, auch beim Stromwandler, mit der Wandlerübersetzung multipliziert werden. Bei fest angeschlossenen In- strumenten ist die Skala der Übersetzung entsprechend beziffert, so dass der Primärstrom direkt ablesbar ist (Bezeichnung z.B. 120 A / 5 A).
22.1.8 Nicht sinusförmige Grössen messen
Dabei sind auch Ströme und Spannungen gemeint, welche eine höhere Fre- quenz haben als die Grundschwingung ( f =50Hz) des Einheitsnetzes.
22.1.8.1 Probleme beim Messen
Messgeräte für Wechselspannungen wurden ursprünglich für die Anzeige des Effektivwertes sinusförmiger Spannungen ausgelegt, indem sie den Gleichricht- wert (Mittelwert des Betrages) der Spannung messen und den Formfaktor für Sinus-Spannungen durch entsprechende Justierung der Spannungsteiler einbe- ziehen; daher ist die Anzeige des Effektivwertes durch solche Messgeräte nur für harmonische (sinusförmige) Spannungen richtig.
Da in der Elektrotechnik bzw. Elektronik die Spannungsverläufe häufig stark vom Sinusverlauf abweichen, können hiermit erheblich falsche Messwerte entstehen.
Messgeräte, die den Effektivwert tatsächlich gemäß seiner Definition bstimmen, werden zur Verdeutlichung
Echteffektivwert-Messgeräte (engl. True RMS meter)
genannt und mit der Bezeichnung True RMS bzw. TRMS ausgewiesen (RMS = root mean square = Wurzel aus dem Mittelwert des Quadrats).
Dabei sind sie nur für einen begrenzten Frequenzbereich geeignet.
Elektromechanische Dreheisenmessgeräte arbeiten „TRMS“-bildend und zeigen daher unabhängig vom zeitlichen Verlauf den Effektivwert an. Auch sie sind nur für einen begrenzten Frequenzbereich geeignet.
Eine andere Lösung ist es, mit dem Meßstrom einen Widerstand zu erwärmen und dessen Temperatur zu messen. Durch Vergleich mit einem Gleichstrom kann diese Messanordnung auf den Effektivwert kalibriert werden. Mit dieser Messmethode können auch noch sehr hochfrequente Frequenzanteile richtig erfasst werden.
22.1.8.2 TRMS-Messgerät
Es gibt mehrere elektronische Schaltungen zur Effektivwertbildung. Eine davon hat sich beson- ders bewährt und wird von mehreren Herstellern als integrierte Schaltung angeboten. Das Ein- gangssignal Ue oder Ie darf Gleich- und Wech- selanteile enthalten. Der Ausgangsstrom Ia ist proportional zum Effektivwert des Eingangssig- nals, wobei sich die dazu notwendige zeitliche Mitteilung aus dem durch R2 und C2 gebildeten Tiefpass ergibt. (siehe Bild):
Multimeter TRMS
Beim Kauf eines Messgerätes ist genau darauf zu achten, ob eine TRMS-Messung gewünscht wird.
Einspeisestrom (NSHV) eines Kunden mit hoher Computerlast
Elektronische Schaltung zur Echt- Effektivwertbildung
Stromzange TRMS
Oszilloslop
22.1.8.3 Verbraucher mit nicht sinusförmigen Strömen
Immer mehr werden elektronische Geräte am Netz betrieben. Diese Geräte ver- ursachen nicht sinusförmige Ströme, welche die Leitungen belasten und unter umständen diese thermisch überlasten.
Phasenanschnittsteuerung (Dimmer) Der größte Nachteil von Phasenan- schnittsteuerungen (und Phasenab- schnittsteuerung) ist der nicht-
sinusförmige Verlauf des Stromes. Der Strom fließt ja nur in einem Teil jeder Halbwelle. Diese nicht-sinusformige Belastung ruft im Netz Störungen her- vor.
- Energiesparlampen (Elektronische Last)
Praktisch keine Blindleistung in der Grundschwingung (f =50Hz), sehr wohl durch den nichtlinearen Gleichrichter des EVG Verzerrungsblindleistung in den Oberschwingungen verursachen.
- Elektronischer Trafo
Aufgrund des Schaltbetriebs mit hohen Frequenzen sind aufwendige Maß- nahmen zur Verbesserung des EMV- Verhaltens (Störemission) erforderlich.
Verformung des Netzstroms (Stromim- pulse) aufgrund der Ladevorgänge der eingangsseitigen Elkos.
22.2 Analog Messinstrumente
Die Erfassung einer Messgrösse, z.B. des Stromes, beruht auf der Anwendung eines physikalischen Effekts; dies kann u.a. die elektromagnetische Kraftwirkung sein. Sie versucht meistens die Drehung eines beweglichen Organs. Letzteres wird dabei so weit aus seiner Nullstellung bewegt, bis eine Gegenkraft, erzeugt durch eine Feder, Gleichgewicht hält;
damit wird erreicht, dass der Ausschlag von der Messgrös- se abhängig ist. Am Instrument ist nun der Messwert auf der Skala ablesbar.
Beim analogen Messen ist innerhalb des Messbereichs jede beliebige Messgrösse erfassbar, denn der Ausschlag ist analog der Messgrösse.
22.2.1 Teile an Messinstrumenten und deren Benennung
Skala:
Messwert Anzeige
Zeiger:
Messwertübertrager
Spule:
Messwerteingabe
Eisenkern:
Leiten die Magnetfel-
der
Luftkammer
und Flügel: Stabilisiert den Zeige- rausschlag (Dämpfer)
Spiralfeder: Vergleichs- oder Gegen- krafterzeugung
Lagerung: Spitzen- oder Bandlage-
rung (geringe Reibung)
Messwerk:
Besteht aus bewegli- chen Teilen, Zeiger und Skala
Mess-
instrument:
Messwerk, Anschlüs-
se und Gehäuse
22.2.2 Form der Zeiger-Messinstrumente
Skalenform der Messinstrumente und deren Skalenwinkel.
22.2.3 Genauigkeit von Messinstrumenten
Die Genauigkeit hängt von der Fehlergrenze des Messgerätes ab; die diesbe- zügliche Kennzeichnung erfolgt durch den Klassenindex.
Genauigkeitsklassen von Messgeräten Geräteart Präzisions- oder Fein-
messgerät Betriebsmessgeräte
Klassenindex
0,1 0,2 0,5 1,0 1,5 2,5 5,0
Zulässiger Fehler [ % ] ∗∗∗∗
± ± ± ±0.1 ± ±0,2 ± ± ± ± ± ±0,5 ± ± ± ±1,0 ± ± ± ±1,5 ± ±2,5 ± ± ± ± ± ±5,0
∗
∗∗
∗ In Prozent des Messbereichs bzw. des Skalen-Endwertes
Die Empfindlichkeit ist das Verhältnis von Skalenlänge in Millimetern zum zugehörigen Messbereich. Je kleiner der bei Vollausschlag durch das Messwerk fliessende Strom, um so grösser ist demnach die Empfindlichkeit. Je grösser diese, um so geringer ist meis- tens der Eigenverbrauch des Instruments. Hohe Empfind- lichkeit bedeutet nicht ohne weiteres hohe Genauigkeit.
Zunahme der Messfehler im unteren Messbe- reich (Instrumenten Güteklasse 2,5). Bei -2,5%
Fehler erhält man eine spiegelbildliche Kurve.
22.2.4 Messfehler analoger Messinstrumente
22.2.4.1 Absoluter Fehler
Der relative Fehler ist der prozentuale Fehler der Messung und wird wie folgt be- rechnet.
Für M kann jede beliebige Grösse eines Messgerä- tes eingesetz werden.
Ma
∆ Absoluter Messfehler [*]
ME Endausschlag Messbereich [*]
k Klassenindex (Fehler) [%]
* Alle Einheiten möglich
22.2.4.2 Relativer Fehler
Für M kann jede beliebige Grösse eines Messgerä- tes eingesetz werden.
Beispiel
Messfehler mit analogem Messgerät
Ein Drehspulmessgerät für 300 V besitzt die Genauigkeitsklasse 1,5.
a) Wie gross ist die Fehlergrenze bei 300V?
b) Zwischen welchen Werten kann die Spannung liegen, wenn das Instrument 50V anzeigt?
c) Wie gross ist der Fehler in %, wenn das Instrument 30 V anzeigt?
22.2.5 Aufschriften bei analogen Messinstrumenten
Ausser der Skalenbeschriftung (Messbereich) ist ein Messgerät noch durch fol- gende Angaben zu kennzeichnen:
Art des Messwerks (Symbole) Genauigkeitsklasse Stromart, Spannungsart Gebrauchslage
Prüfspannung Fabrikmarke
Herstellerfirma Einheit der Messgrösse
Nachfolgend dargestellte Symbole (Sinnbilder) werden für Aufschriften verwendet:
Messwerke Stromartzeichen
Arbeitsweise des Messwerkes Sinnbild Stromart Sinnbild
Drehspulmesswerk Gleichstrom
Drehspulmesswerk mit Gleich-
richter Wechselstrom
Drehspulmesswerk mit Thermo-
umformer Gleich- und Wechselstrom
Drehspul-
Quotientenmesswerk Lagezeichen
Dreheisenmesswerk Gebrauchslage Sinnbild
Elektrostatische Messwerk senkrechte
Gebrauchslage
Hitzdrahtmesswerk waagrechte
Gebrauchslage Elektrodynamisches
Messwerk schräge Gebrauchslage
Neigungswinkel z.B. 60°
Eisengeschlossenes
elektrodynamisches Messwerk Prüfspannungszeichen
Induktionsmesswerk Prüfspannung Sinnbild
Vibrationsmesswerk Prüfspannung
500 V
Bimetallmesswerk Prüfspannug höher als 500 V
z.B. 2000 V
Beispiel Gebrauchsanweisung beachten Achtung
22.2.6 Aufbau und Funktionsprinzip Zeigermessgeräte
Die meisten Messwerke eignen sich für Ampere- und Voltmeter. Während die Ampéremeter eine Spule mit
wenig
Windungen einesdicken
Drahtes besitzen, haben die Spulen des Voltmeters
viele
Windungen eines sehrdünnen
Drahtes und besitzen somit einenhohen
Widerstand. Gleichartige Messwerkausführungen benötigen die gleiche Durchflutung (Θ = I ⋅ N).
22.2.6.1 Drehspulmesswerk
Im homogenen Magnetfeld eines kräftigen
Dauermagneten
mit zwei Weicheisenpolen ist die Drehspule drehbar gelagert. Wird diese mit Gleichstrom erregt, entsteht in ihr ein Magnetfeld, welches die Drehspule im Feld des Dauermagneten je nach Stromrichtung in der einen oder anderen Rich- tung abgelenkt wird.
Magnetpol Spule
Aufbau des Drehspulmesswerkes
Wird diese mit Gleichstrom erregt, entsteht in ihr ein Magnetfeld, welches die Drehspule im Feld des Dau- ermagneten je nach Strom- richtung in der einen oder anderen Richtung abgelenkt wird. Damit der Luftspalt klein wird, werden die Weichei- senpole entsprechend ge- formt. Im Spulenholraum wird eine Eisenwalze eingesetzt, die von aussen fixiert ist. Die Stromzu- und fortführung zur Drehspule erfolgt über Bron- zespiralen oder Spannband,
Wird die
Polarität
an den Instrumentenklemmen geändert, erfolgt der Ausschlag inentgegengesetzter
Richtung, was bei Instrumenten mit Nullpunkt in der Skalenmitte eine Ablesung in jederStromrichtung erlaubt. Beim Anschluss an Wechselspannung vermag die Drehspule mit Zeiger dem raschen Wechsel nicht zu folgen.
Drehspulmesswerke auch für Wechselstrom- und Wechselspannung verwenden zu können, muss der Drehspule ein
Gleichrichter
vorgeschaltet werden.
Gleichrichterschaltung
Symbol
Gleichrichter
Messwerk mit Drehspule
Vor- und Nachteile des Drehspulmessinstrumentes
Vorteile: Nachteile:
Hohe Genauigkeit Bewegte Spule und Stromzu- fuhr
Geringer Eigenverbrauch Lageabhängig Fremdfeld unempfindlich Grösse
Überlastempfindlich
22.2.6.2 Dreheisen Messwerk
Wird die Spule in der nebenstehenden Skizze er- regt, werden die zwei Weicheisenstifte gleichpolig magnetisiert und stossen sich gegenseitig ab;
dies ist sowohl bei
Gleich-
als auch beiWechselstrommagnetisierung
der Fall.Nach diesem Prinzip arbeitet das Dreheisenmess- werk.
Wird die Spule erregt werden die festen Weicheisenplätchen und der drehbare Weicheisenflügel
gleichpolig magnetisiert und stossen sich ge- genseitig ab.
Dieses Messwerk funktioniert somit auch beim Anschluss an
Wechselspannung.
Je nach der Wicklung erhalten wir Volt- oder Am- peremeter.
Vor- und Nachteile des Dreheisenmessinstrumentes
Vorteile: Nachteile:
Robust, keine bewegliche Nicht sehr empfindlich
Spule. Hoher Eigenverbrauch
Hoch belastbar für Gleich- Fremdfeldempfindlich
22.2.6.3 Elektrodynamisches Messwerk
Die Wirkungsweise ist dem Drehspulmesswerk ähnlich. Das Magnetfeld wird hier von einer festen stromdurchflossenen Spule erzeugt, die anstelle des Dau- ermagneten tritt. Im Innern ist die Drehspule angeordnet. Bei Voltmetern werden diese Spulen in Serie, bei Amperemetern z.T. auch parallel geschaltet.
Da im Gegensatz zum Drehspulmesswerk das Magnetfeld schwach ist, können mit diesem Instrument kleine Ströme nicht gemessen werden. Ändert die Polari- tät der Leitungsanschlüsse, ändert das Magnetfeld in der festen und drehbaren Spule, so dass der Zeigerausschlag in gleicher Richtung erfolgt; somit ist dieses Messwerk auch für Wechselstrommessungen verwendbar.
Die meisten
Wattmeter
besitzen ein elektrodynamischesMesswerk. Während die feste Spule vom Strom durchflossen wird, wird an die Drehspule die Spannung angelegt wie an einem Voltmeter.
Aufbau des elektrodynamischen
Messwerks ohne Eisenkern. Eisengeschlossenes Messwerk.
Die Spulen sind von Eisenkernen umgeben
Für die nebenstehenden Messungen wird ein elekt- rodynamisches Kreuzspu- lenmesswerk verwendet.
22.2.6.4 Anschlüsse Analog-Messgeräte
1 Gemeinsamer Anschluss für alle Messbe- reiche (Masse)
2 Anschluss für höchsten Strommessbe- reich „+15 A“
3 Anschluss für Widerstands- und Kapazi- tätsmessung
4 Anschluss für höchsten Gleichspan- nungsmessbereich +1000 V 5 Anschluss für alle Spannungsbereiche 6 Anschluss für alle Strombereiche 7 Anschluss für Strombereich 10A 8 Messbereichsschalter
9 Potentiometerdrehknopf für Einstellung des Endausschlages
10 Mechanische Nullpunktskontrolle 11 Batterie eingebaut
12 Sicherungen eingebaut 13 Verwendungsangaben 14
22.3 Digitale Messinstrumente
Das digitale Instrument ist ein elektronisches Instrument mit Digitalanzeige. Der Kathodenstrahl-Oszylograph wird wegen seiner besonderen Bedeutung separat behandelt.
22.3.1 Digitale Messung
22.3.1.1 Mess- und Anzeigeprinzip
Unterscheidung der elektronischen Messinstrumente:
Elektronische Instrumente
Mit Zeigeranzeige
Analoganzeige
(analog = entsprechend, gleichwertig)
Mit Zifffernanzeige
Digitalanzeige
(digital = ziffernmässig)
Prinzip
Die Messgrösse wird:
Mittels elektronischem Verstärker verarbeitet und analog angezeigt
(siehe Analoginstrumente)
Die Messgrösse wird:
Mittels elektronischem Verstärker verarbeitet, in
digitale Form gewandelt und digitale angezeigt
Die bis jetzt behandelten Messinstrumente zeigen den Messwert analog an. Bei den digitalen Anzeigen wird der Messwert direkt in Ziffern, fast allgemein in De- zimalzahlen, angezeigt (Digit = Finger zum Zählen).
Die digitalen Messinstrumente haben gegenüber den analogen Instrumenten folgende verbesserte Eigenschaften:
Ablesung, Genauigkeit, Empfindlichkeit
Grösserer Umfang der Messbereiche
Automatischer Betrieb (z.B. Bereichswahl)
Datenspeicherung möglich
Weiterverarbeitung der Messdaten (z.B. PC, Regler)
22.3.1.2 Wandlung von Analog zu Digital
Zur digitalen oder ziffernmässigen Erfassung einer Messgrösse ist eine Wand- lung nötig.
Denn: Jede Messgrösse trift in analoger Form auf!
Analoger Messwert Anzahl Impulse
Die Wandlung erfolgt mittels elektronischer Analog-Digital-Wandlern.
(analog-digital-converter) AD-Wandler, AD-Umsetzer, ADC Messwert
ANALOG
Messwert
DIGITAL
22.3.1.3 Elektronische Wandlung
Ein messtechnisches Problem stellt sich, da die Werterfassung bei zeitlich (periodisch) sich ändernden Messgrössen durchgeführt werden muss.
Die Wandlung erfolgt in gewissen, zeitlichen Abständen. Es entsteht eine Messwertanzeige die sich dauernd ändert (flackern).
Deshalb:
Erfassen des Mittelwertes
(Bei Gleich- und Wechselspannung)
Methoden:
Filterungung (Glättung) des Messsignals
Wandlungsverfahren
Elektronische Mittelwertbildner (Effektivwert)
22.3.1.4 Wandlungsverfahren
Zur AD-Wandlung stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Die Haupt- sächlich verwendeten Verfahren sind:
Sägezahnverfahren Rampenwandler
Dual-Slope-Verfahren Doppelrampenwandler Mittelwert
Wandlung
UM Messwert
22.3.1.5 Wirkungsweise des einfachen Rampenwandlers Blockschema
Zeigerdiagramm:
Eingang
Ausgang Komparator
(Vergleicher)
UND-Gatter
Impulsgenerator Sägezahn- generator (Integrierer)
t t
U3
U3
US
U2
U1
UM
UM
US
U1
U2
U3
Wandlungszeit
22.3.1.6 Digitalvoltmeter, DVM Blockschema:
Wirkungsweise:
Die vom AD-Wandler erzeugte, der Messspannung proportionale Impulsreihe wird vom Zähler ausgezählt. Sein Stand wird auf einen Zwischenspeicher überschrieben; die anstehende Zahl ist binär-dezimal ist verschlüsselt (binary-code-decimal BCD).
Der nachfolgende Decoder besorgt die Entschlüsselung Dezimalzahl diese wird angezeigt Anzeige ( z.B.: LED, LC, Glühfaden,7-Segment)
Zum Zweck einer Weiterverarbeitung lässt sich der Speicherstand auslesen
Ausgang, digitaler Messwert
22.3.1.7 Anzeige
Bei Gleichspannung Linearer Mittelwert Bei Wechselspannung
(sinusförmig) Effektivwert
UM
Verstärker,
Abschwächer Ausgang
(BCD)
Spannungsteiler AD-Wandler Zähler
Zwischenspeicher (Latch)
Decoder
Anzeige
22.3.2 Anschluss und Anzeige digitale Multimeter 22.3.2.1 Anschlüsse Analog-Multimeter
1 Ein/Aus-Schalte
2 Messbereichsschalter 3 Buchse für Netzadapter
4 Flüssigkeitskristallanzeige (LCD) 5 Batteriefachdeckel
6 Anschlussbuchse „+10 A“ für höchsten Strombereich
7 Schmelzsicherung für Messkreis 8 Anschlussbuchse für alle
Messbereich ausser Bereich 10 A 9 Anschlussbuchse für alle
Messbereiche
10 Öse für Tragriemenbefestigung
Merke:
Beim digitalen Ampéremeter wird der gemessene Strom in eine Spannung umgewandelt.
Also ist im Inneren eines Multime- ters eigentlich nur ein digitales Voltmeter.
Anzeige:
22.3.2.2 Anschlüsse Analog-Multimeter
Merke:
Beim digitalen Ampéremeter wird der gemessene Strom in eine Spannung umgewandelt.
Also ist im Inneren eines Multimeters eigentlich nur ein digitales Voltmeter.
1 Gemeinsamer Anschluss für alle Messbereiche (Masse) 2 Anschluss für höchsten Strommessbereich „+15 A“
3 Anschluss für Widerstands- und Kapazitätsmessung 4 Anschluss für höchsten Gleichspannungsmessbereich 5 Anschluss für alle Spannungsbereiche
6 Anschluss für alle Strombereiche 7 Anschluss für Strombereich 10A 8 Messbereichsschalter
9 Batterie eingebaut 10 Sicherungen eingebaut 11 LCD-Anzeige
22.3.3 Messfehler digitaler Messinstrumente 22.3.3.1 Relativer Fehler
22.3.3.2 Absoluter Fehler
22.4 Widerstandsmessung
(Ohmmeter)
22.4.1 Die direkte Widerstandsmessung Schaltung:
V
RX=1000Ω
UV UX
U0=20V
+ -
RV
Berechnung und Dar- stellung der Abhängig- keit Rx:
X V X
V
R R U
U =
V X V
X U
R U R = ⋅
−1
⋅
V
V U
R U
Ein Drehspul-Messwerk wird in Serie zu dem zu messenden Widerstand ge- schaltet.
Je kleiner die Spannung am Voltmeter ist, umso grösser der der zu messende Widerstand.
Dadurch entsteht eine direkte Abhängigkeit zwischen Voltmeterausschlag und zu messender Widerstand.
Die Skala des Voltmeters wird nach Ohm geeicht
Zu beachten sind die Skalaposition 0 Ohm und
∞ ∞ ∞ ∞
Ohm:0 Ohm : Der Widerstand ist sehr klein
∞
∞ ∞
∞
Ohm : Der Widerstand ist sehr gross22.4.2 Die indirekte Widerstandsmessung (Whaetston´sche Messbrücke)
Diese Messbrücke gestattet Widerstandsmessungen. Das Messprinzip beruht auf einer Vergleichsmessung mit einem bekannten Widerstand. Die Genauigkeit ist dabei grösser als bei einer Berechnung nach dem Ohmschen Gesetz (R = U/I).
Modell:
Es ist ersichtlich, dass im Querkanal keine Strömung auftritt, wenn die
Strömungswiderstände im oberen und unteren Kanal verhältnisgleich sind. Die Inseln bzw. der Flusslauf kann durch Hahnen ersetzt werden. Dabei verhalten sich die Widerstände wie die Wasserströmungen.
Herrscht im Punkt C und D der gleiche Was- serdruck, hört die Strömung in diesem Verbin- dungsrohr auf.
Bilddarstellung
Welche Massnahmen könnte man ergreifen, damit die Querströmung eingestellt wird:
Verschmälern des Wasserlaufes im Kanal b Verschmälern des Wasserlaufes im Kanal c Verbreitern des Wasserlaufes im Kanal a
Mit Hilfe der bildlichen Darstellung des Flussverlaufes kann man auch eine elekt- rische Schaltung aufbauen; die sogenannte:
Brückenschaltung:
Nach diesem Prinzip arbeitet die Whe- atstonsche Brücke. An Stelle der Hah- nen treten Widerstände, die so lange ferändert werden, bis das Ampereme- ter (Galvanometer) keinen Strom mehr anzeigt.
Zur Widerstandsmessung nach Whe- atston werden die Widerstände R1 und R2 konstant und gleichgross gehalten.
Muss nun der unbekannte Widerstand RX bestimmt werden, so wird Rb solange einreguliert, bis die Brücke (µA-Meter) stromlos ist.
In diesem Zustand fliesst ein Teil des Stromes über R1 und R2 der andere Teil über Rb und RX .
Das heisst auch: R1 = R2, Rb = RX
Ist im µA-Meter = 0A
so sagt man auch: DIE BRÜCKE IST ABGEGLICHEN Darstellung der
Verhältnisse:
U U
U U
R R
R R
X b
X b
=
1⇒ =
2
1 2
R R R
X
=
b⋅ R
12
22.4.3 Die Isolationsmessung
Die Isolationsmessung wird mit einem speziallen Ohmmeter, welches eine hohe Messspannung und hochohmige Messbereiche aufweist, gemessen.
Die Isolatiosprüfung wird mit Gleichspannung durchgeführt.
Laut SN SEV 1000:2005 müssen die Isolationswiderstände bei Neuanlagen fol- genden Werten entsprechen, wenn die Geräte nicht angeschlossen sind:
bestehende Anlagen
(6.1.3.3.3 B+E)
Neuanlagen
(6.1.3.3.2)
Stromkreis-
Nennspannung Prüfgleich-
spannung Isolations-
widerstand Stromkreis-
Nennspannung Prüfgleich-
spannung Isolations- widerstand
[ V ] [ V ] [ Ω ] [ V ] [ V ] [ Ω ]
≤ 300 V
Trocken und
feuchte Räume 1) ≥ 250´000 SELV und PELV 250 ≥ 250´000
gegen Erde Nassse und
korrosive Räume
2) ≥ 50´000 50 V - ≤ 500 V 500 ≥ 500´000
> 300 V
Trocken und
feuchte Räume 1) ≥ 500´000
> 500 V 1000 ≥ 1´000´000
gegen Erde Nassse und
korrosive Räume
2) ≥ 250´000
1) Prüfen mit Nennspannung der Anlage 2) Prüfen mit mindestens 100 VDC
SELV: Sicherheitskleinspannung PELV: Schutzkleinspannung FELV: Funktionskleinspannung
Vorgehen bei der Isolationsmessung:
Ist die Isolationsmessung zu gering ist ein gruppenweises Messen notwendig und der Fehler ist dabei einzugrenzen.
1. Messgerät Prüfen (Batterie) und Eichen (Nullabgleich) 2. Kunden Avisieren (wenn notwendig)
3. Sicherungen Entfernen (ausschalten), sichern 4. Spannungslosigkeit Feststellen
5. Neutralleitertrenner Öffnen
6. Messung (Reihenfolge) Brücken einlegen (Polleiter – PE, Neutralleiter – PE)
Schema der Isolationsmessung
Aufgabe
Zeichnen Sie ein detailiertes Schema eines Hausan- schlusskastens in welchem die zwei zusammentreffenden Nullungen (TN-Systeme) und alle richtigen Farben und Kennzeichnungen ersichtlich sind.
Es ist das Isolationsmessgerät richtig anzuschliessen und der Anschluss ist zu begründen.
Isolationsmessgerät
22.5 Spezialmessgeräte
22.5.1 Bimetallmesswerk
Das Hitzedrahtmesswerk, wo die Verlängerung eines stromdurchflossenen Edelmetalldrahtes auf einen Zeiger übertragen wird, ist heute kaum mehr in An- wendung.
Bimetallmesswerke haben für Spezialzwecke Eingang gefunden. Eine Bimetall- spirale wird vom zu messenden Strom durchflossen. Durch die Erwärmung biegt sich die Spirale durch, was auf den Zeiger übertragen wird. Der aufzuheizenden Bimetallmasse entsprechend, dauert es
mehrere, meist 15 Minuten, bis der Zei- ger den Nennwert des Stromes anzeigt.
Während die üblichen Messwerke den Stromschwankungen (Anlaufströme von Motoren usw.) rasch folgen können, zei- gen diese Instrumente den durchschnitt- lichen Strom während 15 Minuten an.
Dies ist wichtig bei der Belastungs- messung von Transformatoren usw.
Nicht kurzzeitig hohe Stromspitzen erwärmen die Anlage, sondern der Mittelwert des Stromes während ei- ner längeren Zeit.
Da das Drehmoment dieses Messwerkes gross ist, wird meist zusätzlich ein Schleppzeiger montiert, der vom Bimetallzeiger mitgeschleppt wird. Dieser Schleppzeiger zeigt uns den maximalen Strom an, der von Ablesung zu Able- sung geflossen ist und zwar den Strom der länger als 15 Minuten diesen Mittel- wert erreicht hatte. Mit dem Drehknopf wird der Schleppzeiger wieder auf Null zurückgestellt.
22.5.2 Zangenamperemeter
Zangenamperemeter sind Stromwandler mit einem Kern, der wie eine Zange geöffnet werden kann. Bei der Messung wird der Lei- ter mit der „Zange“ umfasst und der Kern ge- schlossen. Die Sekundärwicklung steht in Verbindung mit dem Messinstrument. Hier kann sowohl ein digitales wie auch analoges Messsystem verwendet werden.
Ist der zu messende Strom klein, so kann der Leiter mehrmals um den Kern geschlungen werden. Dabei ist das neue Übersetzungs- verhältnis zu berücksichtigen.
Schema eines Zangenamperemeters mit analogem Messsystem
Bei Kabeln mit Mehrfachleitern ist eine
Strommessung nicht möglich, da die Summe der in den Leitern hin- und zurückfliessenden Ströme stets Null ist.
Bild 22.11.02.01
Werden dem Mess- werk Vorwiderstände vorgeschaltet, sind an separaten Klemmen zusätzlich auch Span- nungsmessungen möglich.
22.5.3 Schreibende Messinstrumente
Um bei Versuchen die Messwerte nicht dauernd notieren zu müssen oder in Fabriken, Kraftwerken usw. die Messwerte dauernd festzuhalten, werden schrei- bende Instrumente verwendet. Da der Zeiger eine Bogenbewegung ausführt, das ablaufende Papierband jedoch rechtwinklige Koordinaten besitzt, muss mit einer Geradführung die Bogenbewegung in eine geradlinige Bewegung umge- wandelt werden. Ein Uhrwerk oder ein Synchronmotor sorgt für den Vorschub des Registrierpapier. Vorschub meist 2 cm pro Stunde. (Für Überwachungszwe- cke in Kraftwerken; für Labormessungen z.T. auch wesentlich rascherer Papier- lauf.)
Punktschreiber
Mehrfach-Punktschreiber zur Aufzeichnung verschiedener Messwerte in zeitlich kurzen Abstände (Siemens)
Linienschreiber
22.6 Der Kathodenstrahl-Oszillograph
(Braun’sche Röhre)
22.6.1 Aufbau des Kathodenstrahl-Oszillographen (KO) Das Elektronenstrahl-Oszilloskop
(Schwingungsseher)
dient zum Messen und zur bildlichen Darstellung der gegenseitigen Abhängigkeit zweier Grössen, z.B. einer Wechselspannung abhän- gig von der Zeit.
4 5 3
1 2
f
f K
W a1 a2
P1
P2
P3
P4
Karl Ferdinand Braun Deutscher
Physiker 1850 - 1918
Heizung
(Katode) Messwert-
anschlüsse Ablenk-
platten Beschleunigung
Helligkeits- steuerung
Strahlen- bündelung
Leucht- schirm
Licht
Luftleere Röhre (Vakuum)
22.6.1.1 Funktionsweise
Aus dem Heizwendel treten Elektronen in die Luftleere Röhre ein. Mit der Hel- ligkeitssteuerung (mehr oder weniger Elektronendurchlass) und Strahlbünde- lung (Linse) werden die Elektronen beschleunigt. Den Ablenkplatten werden Messwerte zugeführt. Dadurch wird der Elektronenstrahl horizontal und vertikal abgelenkt. Anschliessent trift der Elektronenstrahl auf den Leuchtschirm auf.
22.6.1.2 Unterschied zu den Zeiger-Messgeräten
Die Messergebnisse entstehen in Diagrammform
2 Messgrössen werden gleichzeitig angezeigt
Äusserst reaktionsschnell, da keine Masse 22.6.1.3 Typische KO-Bilder
X1
X2
Y3
Y4
- +
Gleichspannung an X-Platte
Punktablenkung seitwerts (rechts)
X1
X2
Y3
Y4
-
+
Gleichspannung an Y-Platte
Punktablenkung nach unten
X1
X2
Y3
Y4
- +
Sägezahnspannung an X-Platte
Strich horizontal
X1
X2
Y4 ∼∼∼∼
Wechselspannung ab Y-Platte
Strich senkrecht
X1
X2
Y3
Y4
∼∼∼
∼
∼
∼
∼
∼
Wechselspannung ab Y-Platte
Sägezahn an X-Platte Sinuskurve
Aufgabe:
An der Y-Platte eines KO wird eine Gleichspannung angelegt und an der X- Platte ein Sähezahn. Welches Bild ist auf dem KO ersichtlich?
Es entsteht eine Gleichspannung welche auf der Y- Achse nach unten oder nach oben verschoben ist. Die Verschiebung ist von der Polarität abhängig.
22.6.1.4 Anwendung des Kathodenstrahl-Oszillographen (KO) Es können praktisch sämtliche physikalischen Grössen:
a) Elektrisch b) Mechanisch c) Optisch d) Akustisch
mit entsprechenden Messwandlern am KO sichtbar und somit messbar gemacht werden.
22.6.2 Der Kathodenstrahl-Oszillograph
22.6.3 Oszilloskop und Digitalmultimeter Wichtiges:
- Menügeführte Bedienungsoberfläche
- Immer eine stabile Bilddarstellung dank interner Elkektronik
- Diverse Messfunktionen einprogrammiert im Oszilloskop wie auch DMM zur Messung von
• Spannung, Zeit, Frequenz, Temperatur
• Widerstand, Tastverhältnis, Phase, Kapazität - Manuelle interne und externe Triggersteuerung
vorhanden
- Bandbreit 20 MHz
- Genauigkeitsklasse 0,5%
- RS232-Schnittstelle für externe Analyse
Beispiel eines Oszilloskop- DMM- Messgerätes
22.7 Kurzschlussmessung
Zur Überprüfung der Überstromschutzorgane muss in einer Anlage der mini- malste Fehlerstrom (Kurzschlussstrom) gemessen werden. Der vorhandene Kurzschlussstrom bzw. Erdschlussstrom ist stark von der Netzform abhängig. In den verschiedenen Netzen sind die Erdübergangswiderstände massgeblich für die Grösse der Fehlerströme.
22.7.1 Netzformen der Niederspannung
Das Niederspannungs-Verteilnetz und die daran angeschlossenen Installationen sind in den meisten Fällen genullt (TN-Netze).
TT-Netz Schutzerdung T Betriebserdung in der Transformatoren- station (T = „terre“ = Erde)
T Körper des Verbrauchers direkt und unabhängig bestehender Erdungen des Verteilnetzes geerdet
TN-C-Netz Nullung N Körper des Verbrauchers direkt mit der Erdung des Verteilnetzes verbunden
C PE- und N-Leiter kombiniert zun PEN-Leiter
TN-S-Netz Nullung T Betriebserdung in der Transformatoren- station (T = „terre“ = Erde)
N Körper des Verbrauchers direkt mit der Erdung des Verteilnetzes verbunden S PE- und N-Leiter separate Leiter TN-C-S Nullung C-S Kombination aus TN-S und TN-C
IT-Netz Isoliertes Netz I Entweder Isolierung aller aktiven Teile von Erde oder Verbindung eines Netzpunktes mit Erde über einen hochohmige Impe
T Körper des Verbrauchers direkt mit der
22.7.2 Schleifenimpedanz im genullten Netz
22.7.3 Messung des Schleifenwiderstandes
Messprinzip bei der Messung des Schleifenwiderstandes
Prinzipschaltung des Schleifen- impedanzprüfers
UNI-AZ2 von Zettler
22.8 Messen von Leistung und Arbeit
Wenn die Energiemessung betrachtet wird, so muss prinzipiell die Leis- tungsmessung betrachtet werden und daraus kann die Energiemessung ab- leitet werden.
22.8.1 Leistungsmessung
Zum Verständnis der Messungen für Leistung und Energie muss man drei Prinzipien der Messung betrachten und verstehen:
Leistungsmessung mit einem Wattmeter
Leistungsmessung mit Zwei-Wattmeter-Methode Leistungsmessung mit Drei-Wattmeter-Methode
Drehstromleitungen besitzen drei Polleiter und Niederspannungsleitungen meist zusätzlich einen Neutralleiter.
22.8.1.1 Leistungsmessung mit einem Wattmeter
Bei genau symmetrischer Belastung von Verbrauchern mit Neutralleiter (je- der Leiter führt dieselbe Leistung zum Verbraucher) genügt ein Wattmeter.
Die Gesamtleistung ist dann dreimal so gross wie die Angabe des Wattme- ters.
P
N L3 L2
L1 Drehstrom-Leistungsmessung bei
symmetrischer Belastung mit Neutralleiter