Drehspulmesswerk

Ein Drehspulmesswerk ist ein analoges Messgerät zur Anzeige von elektrischen Strömen, welches die Stromstärke als einen entsprechenden Zeigerausschlag darstellt.

Funktionsweise

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. Wird jetzt über die Anschlussklemmen Strom durch die Spule geleitet, so wirkt auf die Spule eine Kraft (Lorentzkraft), die sie um ihre Achse verdreht, bis die Federkraft dieselbe Stärke erreicht hat. 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 sowohl die Federkraft proportional zur Drehung ist (Hookesches Gesetz) als auch die Lorentzkraft proportional zur Stromstärke, ergibt sich (für kleine Drehwinkel) eine lineare Skala.

Die Formel für den Zeigerauschlag ist:

\alpha =(n\cdot B\cdot I\cdot A)/D

Dabei ist $A$ die Fläche der Spule (also Länge mal Breite der Wicklungen), $n$ die Anzahl der Wicklungen, $D$ die Federkonstante, $B$ die magnetische Induktion, $I$ die elektrische Stromstärke und $\alpha$ der Winkel des Zeigerausschlags.

Drehspulmesswerke sind polaritätsabhängig, d.h. beim Umpolen des Stroms schlägt der Zeiger in der anderen Richtung aus. Bei manchen Messwerken befindet sich die Null in der Mitte der Skala, so dass der Strom auch in der anderen Polarität angezeigt werden kann. Befindet sich die Null am Rand der Skala, so darf das Messwerk nur für eine Polarität benutzt werden.

Selbst mit für beide Polaritäten geeigneten Drehspulmesswerken kann nur Gleichstrom gemessen werden, da durch die Trägheit der Mechanik bei Wechselstrom nur der zeitliche Durchschnitt der Stromstärke angezeigt würde – nämlich Null. Zur Messung von Wechselstrom muss daher ein Gleichrichter vorgeschaltet werden.

Anwendungsbereiche

Im praktischen Einsatz ist das Drehspulmesswerk heute nahezu vollständig durch digitale Messgeräte wie das Digitalmultimeter ersetzt worden. Im folgenden dargestellte Anwendungsbereiche sind daher vor allem im historischen Kontext zu sehen.

Messung hoher Ströme

Um bei höheren 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 dicken Draht oder einem mäanderförmigen Blech besteht.

Spannungsmessung

Soll ein Drehspulmesswerk zur Spannungsmessung eingesetzt werden, benutzt man das ohmsche Gesetz und eicht 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 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.

Siehe auch