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HTS
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...   Erstellt am 13.04.2009 - 09:56Zum Seitenanfang Beitrag zitieren Beitrag melden Beitrag verändern Beitrag löschen


Liebe Forumsleser

Einleitung:



(Die Zeichnung ist nur schematisch)

Drehspulinstrumente sind immer Strommesser. Hier befindet sich eine stromdurchflossene Spule (mit einem variablen Magnetfeld) in einem konstanten Magnetfeld. Die Spule dreht sich, je nachdem in welche Richtungen die beiden Magnetfelder zeigen. Nun ist der Spulenrahmen an einer Achse mit zwei Spiralfedern befestigt, die drei Aufgaben haben:


  • Je stärker das erzeugte Magnetfeld ist, desto weiter soll sich die Spule drehen. Dazu müssen die Federn einen Gegendruck ausüben.

  • Fließt weniger oder kein Strom mehr durch die Spule, muß die Spule wieder in die Ausgangsstellung zurückkehren. Die Federn wirken als Rückstellkraft.

  • Irgendwie muß der Strom die bewegliche Spule erreichen. Das geschieht zweckmäßigerweise über die beiden Federn.


Befestigt man an der Achse einen Zeiger, der über eine Skala laufen kann, läßt sich ein Wert ablesen. Bei einer Messung wird immer ein bekannter Wert mit einem unbekannten verglichen. Das sind hier zwei Magnetfelder; das bekannte stammt von einem Dauermagneten, das unbekannte wird durch die bewegliche Spule erzeugt. Der Magnetismus einer Spule ist immer von Windungszahl und Stromstärke abhängig. Da die Windungszahl konstant bleibt, ist die Stärke des Magnetfeldes direkt abhängig vom durchflossenen Strom der Spule. Das bedeutet, dass der die Skala in Stromwerte geeicht werden kann.

Da die Spule üblicherweise aus isoliertem Kupferdraht gewickelt wird, hat sie einen bestimmten Innenwiderstand. Aus dem Ohmschen Gesetz abgeleitet, lassen sich somit auch Spannungen messen.

Problemstellung
Gelegentlich hat man die Aufgabe, ein Drehspulinstrument auf einen anderen Anzeigewert zu bringen.
Das geht freilich nur, wenn das verwendete Instrument empfindlicher ist als der gewünschte Meßbereich.
Die Meßbereichsänderung wird mit Widerständen vorgenommen.
Wird ein höherer Strom gewünscht, muss der „überschüssige“ Strom mit einem Widerstand am Messwerk vorbei geleitet werden.
Wird eine höhere Spannung gebraucht, wird die „überschüssige“ Spannung in einem Vorwiderstand abgebaut. Dieser Vorwiderstand bildet zusammen mit dem Innenwiderstand des Messwerks einen Spannungsteiler.

Ändern für einen Meßbereich
Hierfür habe ich eine Excelmaske erstellt.
Von dem Drehspulinstrument müssen in der Regel Strommessbereich und Innenwiderstand bekannt sein. Diese gegebenen Werte können in die weißen Felder eingetragen werden. Die gelben Felder zeigen das Ergebnis der Berechnungen.
Es gibt vier Situationen, und vier Tabellenblätter dazu:

  • Erweiterung eines in Strom geeichten Drehspulinstruments auf einen höheren Strommessbereich.

  • Erweiterung eines in Strom geeichten Drehspulinstruments auf einen höheren Strommessbereich, der einen bestimmten Innenwiderstand haben soll.

  • Erweiterung eines in Strom geeichten Drehspulinstruments auf einen Spannungsmessbereich.

  • Erweiterung eines in Spannung geeichten Drehspulinstruments auf einen höheren Spannungsmessbereich.


Einfache Erweiterung

Natürlich ist man bestrebt, für Strommessungen den Innenwiderstand möglichst klein zu halten, damit der Stromkreis möglichst wenig belastet wird. Bei Spannungsmessungen muss der Innenwiderstand hingegen möglichst groß sein, damit bei der Messung die Spannungsquelle möglichst wenig belastet wird.

Einen Sonderfall ergibt die Erweiterung zu einem höheren Strommessbereich mit einem bestimmten Innenwiderstand. Das ist bei der Verwendung einer Shuntkette für ein Multimeter notwendig.

Ändern für viele Meßbereiche

Für die Messbereichserweiterung in einen höheren Strommessbereich wird ein Shuntwiderstand (Nebenschluß) parallel zum Meßwerk geschaltet. Stellen Sie sich vor, Sie machen das umschaltbar für viele Bereiche. Das funktionioniert auch – theoretisch. Problematisch ist aber der Moment des Umschaltens, oder die sichere Kontaktgabe. Es kann vorkommen, dass der Strom nicht den Shuntwiderstand passiert und in voller Stärke das Drehspulinstrument zerstört. Daher müssen alle Shuntwiderstände immer fest mit dem Meßwerk verbunden sein. Die Berechnungen hierzu sind relativ komplex, wenn man sie auf Papier ausführt.

Für die Spannungsmessung ist es ebenfalls sinnvoll, die Vorwiderstände hintereinander aufzubauen. Das sorgt für eine etwas höhere Spannungsfestigkeit und eine bessere Wärmeabgabe.

Für beide Fälle dient die folgende Berechnungsmaske mit zwei Blättern:

Vielfache Erweiterung

Natürlich lassen sich viele Strom- und Spannungsmessbereiche auch miteinander kombinieren. Dann hat man ein Multimeter.

Tipp zur Übung: Probieren Sie mal den Schaltplan eines einfachen Drehspulmultimeters mit meinen Excelmasken zu berechnen. Das dient auch als Beispiel.



Der praktische Aufbau
Sie haben nun das Problem, dass Sie lauter Widerstände mit krummen Werten brauchen. Die gibt es nicht einfach so zu kaufen, können aber aus zwei handelsüblichen Widerständen miteinander kombiniert werden.
Meistens verwende ich hier handelsübliche 1W-1%-Metallschichtwiderstände in der E6-Reihe (z.B. ... 100Ω, 150Ω, 220Ω, 330Ω, 470Ω, 750Ω, 1kΩ, 1,5kΩ ...). Achten Sie aber unbedingt auf ausreichende Spannungsfestigkeit und Belastbarkeit. Die Spannungsfestigkeit lässt sich durch Hintereinanderschalten ähnlich großer Widerstände verbessern. In der Summe müssen diese eben den gewünschten Wert haben.
Für höhere Leistungen sollten Sie stärker belastbare Widerstände verwenden oder auch Widerstandsdraht.

Hier bekommen Sie eine Exceltabelle, die die verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten von zwei Widerständen zeigt:

Kombination von zwei Widerständen

Nun bleibt nur noch, eine passende Skala zu erstellen. Dazu wird die alte Skala vorsichtig ausgebaut, gescannt und in einem Grafik- oder Bildbearbeitungsprogramm umgezeichnet.

Viel Vergnügen damit, Hans-Thomas

[Dieser Beitrag wurde am 13.04.2009 - 13:30 von HTS aktualisiert]





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