Elektrische Meßinstrumente: Technik und Zubehör 9783111366470, 9783111009346

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Elektrische Meßinstrumente Technik und Zubehör von Dr.-Ing. A. Ebinger

Mit 112 Abbildungen Fünfte, völlig neu bearbeitete Auflage

S a m m l u n g G ö s c h e n B a n d 477/477 a

Walter de Gruyter & Co. • Berlin 1970 vormals G. J. Göschen'sche Verlagshandlung • J. Guttentag, Verlagsbuchhandlung • Georg Reimer • Karl J. Trübner • Veit & Comp.

© Copyright 1970 by Walter de Gruyter & Co., vormals G. J . Göschen'sche Verlagshandlung — J. Guttentag, Verlagsbuchhandlung — Georg Reimer — Karl J. Trübner —• Veit & Comp., Berlin 30 — Alle Rechte, einschl. der Rechte der Herstellung yon Photokopien und Mikrofilmen, von der Verlagshandlung vorbehalten. —• Archiv-Nr. 7991701 — Satz und Druck: Deutsche Zentraldruckerei, Berlin — Printed in Germany

Inhaltsverzeichnis Seite

0 Einleitung

5

1 Allgemeines 1.1 Begriffe 1.2 Die Wirkungsweise der elektrischen Meßinstrumente 1.3 Bestimmungen 1.4 Ausführungsformen

5 5 7 9 12

2 Konstruktiver Aufbau 2.1 Lagerung 2.2 Zeiger und Skala 2.3 Richtmoment

14 14 17 21

3 Drehspulinstrumente 3.1 Meßwerk 3.2 Drehspul-Spannungsmesser 3.3 Drehspul-Strommesser 3.4 Drehspulinstrumente hoher Empfindlichkeit 3.4.1 Lichtmarken- und Spiegelgalvanometer .. 3.4.2 Ballistische Galvanometer 3.4.3 Kriechgalvanometer und Flußmesser 3.5 Drehspul-Widerstandsmesser 3.6 Drehspul-Quotientenmesser 3.7 Gleichrichterinstrumente 3.7.1 Instrumente mit Halbleiter-Gleichrichtern 3.7.2 Instrumente mit mechanischen Gleichrichtern

22 22 27 29 32 32 35 36 37 40 42 42 45

4 Drehmagnetinstrumente 4.1 Meßwerk 4.2 Ausführungen

47 47 49

5 Dreheiseninstrumefite 5.1 Meßwerk 5.2 Ausführungen

50 50 55

6 Elektrodynamische Instrumente 6.1 Meßwerk 6.2 Elektrodynamische Strom- und Spannungsmesser

59 59 63

4

Inhaltsverzeichnis 6.3 6.4 6.5 6.5.1 6.5.2 6.6 6.6.1 6.6.2

Elektrodynamische Leistungsmesser Ferrodynamische Leistungsmesser Leistungsmesser-Schaltungen Gleich- und Wechselstromleistung Drehstromleistung Elektrodynamische Quotientenmesser Meßwerk Ausführungen

Seite

....

64 69 71 71 73 78 78 80

7 Induktionsinstrumente 7.1 Meßwerk 7.2 Ausführungen

83 83 85

8 Elektrothermische Instrumente 8.1 Hitzdrahtinstrumente 8.2 Thermoumformerinstrumente 8.3 Bimetallinstrumente

87 87 89 91

9 Elektrostatische Instrumente 9.1 Prinzip 9.2 Ausführungen

93 93 95

10 Vibrationsinstrumente 10.1 Zungenfrequenzmesser 10.2 Vibrationsgalvanometer

102 102 106

11 Registrierinstrumente 11.1 Linienschreiber 11.2 Punktschreiber 11.3 Schnellschreiber 11.4 Lichtstrahloszillographen

109 109 112 113 117

12 Meßwandler 12.1 Allgemeines 12.2 Grundsätzlicher Aufbau 12.3 Stromwandler 12.4 Zangenwandler 12.5 Gleichstromwandler 12.6 Spannungswandler 12.7 Kapazitive Spannungswandler

120 120 121 123 128 129 131 135

Verwendete Symbole und Einheiten Fachliteraturverzeichnis Sachregister

137 139 141

0 Einleitung Das vorliegende Bändchen stellt eine Neubearbeitung der früheren Auflage von Prof. I. Herrmann, dem verehrten Lehrer des Verfassers, dar. Es gibt einen Überblick über die Technik der gebräuchlichsten elektrischen Meßinstrumente. Dabei soll nur ihre nächstliegende Anwendung beschrieben werden, den Meßmethoden ist ein besonderer Band vorbehalten. Zähler und elektronische Meßgeräte werden hier nicht behandelt, da dies über den Rahmen des vorliegenden Bändchens hinausgehen würde. Bezüglich der elektrotechnischen Grundlagen wird auf Band 196 der Sammlung Göschen verwiesen.

1 Allgemeines 1.1 Begriffe Entsprechend D I N 1319 „Grundbegriffe der Meßtechnik" [25] und VDE 0410/3.68 „Regeln für elektrische Meßgeräte" [22], Meßgröße: Meßwert: Meßergebnis:

Meßwerk:

Meßinstrument:

Meßgerät: Skalenlänge:

ist die zu messende Größe (z. B. Länge, Strom). gemessener Wert der Meßgröße. Meßwert kann bereits das Meßergebnis darstellen, andernfalls wird dieses aus einem oder mehrerenMeßwerten errechnet. besteht aus dem beweglichen Organ, dessen Stellung oder Bewegung von der Meßgröße abhängt, und den die Bewegung erzeugenden (feststehenden) Teilen. Meßwerk (oder auch mehrere Meßwerke) zusammen mit Gehäuse und eingebautem Zubehör. Meßinstrument mit sämtlichem, auch getrenntem Zubehör. Bogenlänge des Anzeigebereichs, gemessen über die Mitte der kurzen Teilstriche.

6

1 Allgemeines

Mechanischer Nullpunkt:

der Punkt, auf den sich der Zeiger des abgeschalteten Meßinstruments unter der Einwirkung des Richtmoments einstellen will.

Skalennullpunkt:

der mit Null bezeichnete Teilstrich der Skala. Wert des ersten Strichs einer Skalenteilung. Wert des letzten Strichs einer Skalenteilung. Stand des Zeigers oder der Marke auf der Skala. Übereinstimmung zwischen angezeigtem und richtigem Wert der Meßgröße. Die Einhaltung bestimmter Genauigkeitsgrenzen (Toleranzen) wird durch das Klassenzeichen angegeben. Kennzeichnung für die Genauigkeit von Meßgeräten, die den „Regeln für elektrische Meßgeräte" entsprechen. Differenz zwischen angezeigtem und richtigem Wert der Meßgröße. Sie wird in Einheiten der Meßgröße oder in Skalenteilen angegeben: positiv, wenn der angezeigte Wert größer als der richtige Wert ist.

Skalenanfangswert Skalenendwert: Anzeige: Genauigkeit:

Klassenzeichen:

Fehlangabe:

Anzeigefehler:

Einflußgrößen:

prozentuale Eehlangabe bei Nennbedingungen. Darin sind die durch die Einflußgroßen verursachten Fehler nicht enthalten. sind solche Größen, die die Anzeige fälschen können, z. B. Temperatur, Lage, magnetische oder elektrostatische Fremdfelder.

1.2 Die Wirkungsweise der elektrischen Meßinstrumente Nennbedingungen:

Anze igebereich: Meßbereich:

Nennlage:

Empfindlichkeit:

7

alle vom Hersteller festgelegten Werte für Einflußgrößen, bei denen die Anzeigefehlergrenzen eingehalten werden, gesamter Skalenumfang. derjenige Teil des Skalenumfangs, für den alle Bestimmungen über Genauigkeit eingehalten werden. die durch ein Lagezeichen angegebene Neigung der Skalenfläche zur Horizontalen, in der ein Meßinstrument den Bestimmungen seiner Klasse entspricht. Verhältnis der Verschiebung des Zeigers oder der Marke zur Änderung der Meßgröße. Dimension: Länge/Meßgröße. — Kehrwert ist die Instrumentenkonstante.

1.2 Die Wirkungsweiseder elektrischen Meßinstrumente Die Meßgröße wird dem Meßwerk im allgemeinen in Form eines Stromes oder mehrerer Ströme zugeführt und ruft hier eine Lageänderung, zumeist eine Drehung, des beweglichen Organs hervor. Dem entgegen wirkt, herrührend z. B. von Spiralfedern, das Richtmoment, welches das bewegliche Organ in seiner Ruhelage festzuhalten sucht. Im Gleichgewichtszustand ist dann der Verdrehungs- oder Ausschlagwinkel, der durch einen Zeiger über einer Skala sichtbar gemacht wird, ein Maß für die zu messende Größe. Störende Zeigerschwingungen um die Gleichgewichtslage, die die Ablesung erschweren und verzögern, werden durch Luftoder Wirbelstromdämpfung unterdrückt. Nach den „Regeln für elektrische Meßgeräte" darf der Zeiger beim Ausschlag vom Nullpunkt bis auf zwei Drittel der Skalenlänge um nicht mehr als 30% überschwingen. Die Beruhigungszeit, d. h. die Zeit, die der Zeiger braucht, bis er beim Einschwingen nicht weiter

8

1 Allgemeines

als 1,5% der Skalenlänge von seiner endgültigen Einstellung entfernt ist, darf dabei 4 s nicht überschreiten. J e größer das auslenkende Drehmoment und je leichter das bewegliche Organ, um so rascher und sicherer stellt sich dieses auf seinen Ausschlag ein. Andererseits aber soll das Drehmoment möglichst klein bleiben, da man die dem Meßwerk zugeführte Leistung gering zu halten sucht. Optimale Verhältnisse ergeben sich daher bei kleinstem Systemgewicht. Dieses beträgt meist nur wenige Gramm, bei hochwertigen Präzisionsinstrumenten nur Bruchteile eines Gramms. F ü r die richtige Bemessung eines Meßwerks ist es notwendig, die verschiedenen, teilweise sich widersprechenden Forderungen sorgfältig aufeinander abzustimmen: großes Drehmoment und hohe Einstellsicherheit einerseits, geringes Systemgewicht und kleinster Eigenverbrauch andererseits. Ein weiterer Umstand, der f ü r ein möglichst leichtes bewegliches Organ spricht, ist die Lagerreibung bei spitzengelagerten Meßwerken. Alle diese Eigenschaften kommen in dem Gütefaktor nach Keinath zum Ausdruck, der ein Maß f ü r die mechanische Güte eines Meßwerks darstellt. 10 • Drehmoment in Pond • Zentimeter pro 90° Gütefaktor = (Masse des beweglichen Organs in Gramm) 1.5 Dieser Faktor sollte z. B. bei Präzisions-Drehspulinstrumenten mindestens den Wert 1 erreichen und kann bei besonders hochwertigen Konstruktionen bis zu 1,4 betragen. I n der vorstehenden Form gilt die Beziehung f ü r Meßwerke mit senkrecht stehender Achse; für waagerechte Achslage, wo die Reibung naturgemäß größer ist, wurde eine entsprechende Definition, jedoch mit der Potenz 2 s t a t t 1,5 im Nenner, vorgeschlagen. Das Verhältnis der Meßgröße zum erzielten Ausschlag in Millimetern oder Skalenteilen wird als die Konstante eines Instruments bezeichnet, der Kehrwert als seine Empfindlichkeit. Meist werden diese Bezeichnungen nur für Galvanometer angewendet,

9

1.3 Bestimmungen

die keine in Ampere, Volt oder dekadischen Bruchteilen dieser Einheiten geteilte Skalen haben. Bei Spiegelgalvanometern mit Lichtzeiger- oder Fernrohrablesung wird der Ausschlag in Millimetern angegeben und auf 1 m Skalenabstand bezogen. Man spricht dann beispielsweise von einer Stromkonstante C ; = 1 • 10~9 A/mm/m beziehungsweise von einer Stromempfindlichkeit Ei = 1 • 109 mm/A m. Die beiden oft verwechselten Begriffe Empfindlichkeit und Instrumentenkonstante veranschauliche man sich durch folgende Überlegung: J e kleiner die Meßgröße, die einen bestimmten Ausschlag bewirkt, um so größer ist die Empfindlichkeit eines Meßwerks. Die Meßgröße (und ebenso auch ihre Einheit) steht also bei der Empfindlichkeit im Nenner des Quotienten.

1.3 Bestimmungen Hinsichtlich der Genauigkeit unterscheiden die „Regeln f ü r elektrische Meßgeräte" verschiedene Güteklassen, die gekennzeichnet sind durch den maximal zulässigen Anzeigefehler bei der Nenntemperatur 20 °C. Dieser Anzeigefehler, bedingt durch die unvermeidbaren Fertigungstoleranzen der Instrumente, wird — bis auf wenige Ausnahmen — in Prozenten des MeßbereichEndwerts angegeben. Bei Instrumenten mit Nullpunkt innerhalb der Skala (z. B. in Skalenmitte) wird er auf die Summe der beiden Skalenendwerte, absolut genommen, bezogen. Klasse

Höchstzulässiger Anzeigefehler bei 20 °C in % des Meßbereich-Endwerts

Präzisions oder Feinmeßinstrumente

0,1 0,2 0,5

0,1 0,2 0,5

Schalttafelund Betriebsinstrumente

1 1,5 2,5 5

1,0 1,5 2,5 5,0

10

1 Allgemeines Tafel 1. Sinnbilder

Bezeichnung

der

Drehspul meß werk Dauermagnet,

zum

Instrumente mit allgemein

Drehspul-Quotientenmeßwerk Eisennadelmeßwerk

Beschriften

Sinnbild

0 0 0

von

Meßinstrumenten

Bezeichnung

Magnetische

Drehmaqnet

(¡statisches

€

Elektrodynamisches eisen los

Meß werk,

Elektrodynamisches eis en geschlossen

Meßwerk,

Elektrodynamisches Quotientenmeßwerk, eisenlos Elektrodynamisches Quotienienmeßwerk, eisengeschlossen Induktionsmeßwerk

HUidrahtmeßwerk,

Bimetallmeß Elektrostatisches

Vi brat ionsmeß

Meßwerk

(5 V

Schirmung

asf

Meßwetk

Gleichstrom

'S/

Gleich-

und

Wechselstrom

Drehstrom, gemessen einem Meß werk

mit nur

Drehstrom, gemessen Meß werken

mit zwei

Drehstrom, gemessen Meß werken

mit drei

Senkrechte

Nennlage

Waagerechte

^ J_

n ¿60°

Nennlage

60'

Zeigernulhtellung

nicht

Prüfspannung 500 V, Ziffer im Stern: Prüfspg. in kV

isoliert

Thermoumformer

Drehspulinstrument bautem, nicht Thermoumformer

ü o -M-

Schirmung

Schräge Nennlage Neigungswinkel iB.

T

werk

Thermoumformer,

Isolierter

® ea

werk

einge-

Wechselstrom

©

Sinnbild

-M-

Drehspulinstrument mit bautem Gleichrichter

Elektrostatische

Dreheisenmeßwerk

Instrumente

Gleichrichter

Drehmagneimeßwerk

-Quotientenmeßwerk

der

mit eingeisoliertem

V

|

0

Achtung! beachten

Gebrauchsanweisung

Prüfspannung entspricht den Regeln

nicht