Was ist ein Messgerät?

Ein Meter ist ein Gerät, das gebaut wurde, um eine elektrische Größe in einer für einen Menschen lesbaren Form genau zu erkennen und anzuzeigen. Normalerweise ist diese „lesbare Form“ visuell:die Bewegung eines Zeigers auf einer Skala, eine Reihe von Lichtern, die zu einem „Balkendiagramm“ angeordnet sind, oder eine Art Anzeige aus numerischen Zahlen. Bei der Analyse und Prüfung von Schaltungen gibt es Messgeräte, die die Grundgrößen Spannung, Strom und Widerstand genau messen. Es gibt auch viele andere Arten von Messgeräten, aber dieses Kapitel behandelt hauptsächlich das Design und den Betrieb der drei grundlegenden.

Die meisten modernen Zähler sind „digital“ aufgebaut, d. h. ihre lesbare Anzeige erfolgt in Form von Ziffern. Ältere Messgeräte sind mechanischer Natur und verwenden eine Art Zeigergerät, um die Messgröße anzuzeigen. In beiden Fällen sind die Prinzipien, die bei der Anpassung einer Anzeigeeinheit an die Messung von (relativ) großen Spannungs-, Strom- oder Widerstandsmengen angewendet werden, die gleichen.

Was ist eine Meterbewegung?

Der Anzeigemechanismus eines Messgeräts wird oft als Uhrwerk bezeichnet , Anleihen von seiner mechanischen Natur, um sich bewegen ein Zeiger entlang einer Skala, damit ein Messwert abgelesen werden kann. Obwohl moderne digitale Messgeräte keine beweglichen Teile haben, kann der Begriff „Bewegung“ auf dasselbe Grundgerät angewendet werden, das die Anzeigefunktion ausführt.

Bewegung des elektromagnetischen Messgeräts

Das Design digitaler „Uhrwerke“ würde den Rahmen dieses Kapitels sprengen, aber mechanische Uhrwerksdesigns sind sehr verständlich. Die meisten mechanischen Bewegungen basieren auf dem Prinzip des Elektromagnetismus:Der elektrische Strom durch einen Leiter erzeugt ein Magnetfeld senkrecht zur Achse des Stromflusses. Je größer der elektrische Strom, desto stärker das erzeugte Magnetfeld.

Wenn das vom Leiter gebildete Magnetfeld mit einem anderen Magnetfeld wechselwirken kann, wird zwischen den beiden Feldquellen eine physikalische Kraft erzeugt. Wenn sich eine dieser Quellen in Bezug auf die andere frei bewegen kann, geschieht dies, wenn Strom durch den Draht geleitet wird, wobei die Bewegung (normalerweise gegen den Widerstand einer Feder) proportional zur Stromstärke ist.

Die ersten gebauten Meterwerke waren als Galvanometer bekannt , und wurden normalerweise mit Blick auf maximale Empfindlichkeit entwickelt. Ein sehr einfaches Galvanometer kann aus einer magnetisierten Nadel (wie der Nadel eines Magnetkompasses) hergestellt werden, die an einer Schnur aufgehängt und in einer Drahtspule positioniert ist. Strom durch die Drahtspule erzeugt ein Magnetfeld, das die Nadel davon ablenkt, in Richtung des Erdmagnetfelds zu zeigen. Ein antikes Galvanometer ist auf dem folgenden Foto zu sehen:

Solche Instrumente waren zu ihrer Zeit nützlich, haben aber in der modernen Welt nur wenig Platz, außer als Proof-of-Concept und elementare experimentelle Geräte. Sie sind sehr anfällig für Bewegungen jeglicher Art und für jegliche Störungen des natürlichen Magnetfelds der Erde. Nun, der Begriff „Galvanometer“ bezieht sich normalerweise auf jede Konstruktion eines elektromagnetischen Messwerks, die auf außergewöhnliche Empfindlichkeit ausgelegt ist, und nicht unbedingt auf ein grobes Gerät wie das auf dem Foto gezeigte.

Praktische elektromagnetische Zählerbewegungen können jetzt durchgeführt werden, wo eine schwenkbare Drahtspule in einem starken Magnetfeld aufgehängt ist, abgeschirmt von den meisten äußeren Einflüssen. Ein solches Instrumentendesign ist allgemein als Permanentmagnet, bewegliche Spule bekannt , oder PMMC Bewegung:

In der Abbildung oben zeigt die „Nadel“ der Zählerbewegung ungefähr 35 Prozent des Skalenendwerts, wobei Null links vom Bogen und Skalenendwert ganz rechts vom Bogen liegt. Eine Erhöhung des gemessenen Stroms führt dazu, dass die Nadel weiter nach rechts zeigt, und eine Verringerung führt dazu, dass die Nadel zurück in Richtung ihres Ruhepunkts auf der linken Seite fällt. Der Bogen auf dem Display des Messgeräts ist mit Zahlen beschriftet, um den Wert der gemessenen Größe anzuzeigen, unabhängig von dieser Größe.

Mit anderen Worten, wenn 50 µA Strom benötigt werden, um die Nadel ganz nach rechts zu treiben (was eine "50 µA-Vollskalenbewegung" macht), würde die Skala 0 µA ganz links und 50 µA am ganz rechts, 25 µA sind in der Mitte der Skala markiert. Aller Wahrscheinlichkeit nach würde die Skala in viel kleinere Teilstriche unterteilt sein, wahrscheinlich alle 5 oder 1 µA, damit jeder, der das Uhrwerk betrachtet, eine genauere Ablesung aus der Position der Nadel ablesen kann.

Das Zählerwerk hat auf der Rückseite ein Paar Metallanschlussklemmen für den Stromeingang und -ausgang. Die meisten Bewegungen des Messgeräts sind polaritätsabhängig, eine Stromrichtung treibt die Nadel nach rechts und die andere nach links. Einige Meterbewegungen haben eine federzentrierte Nadel in der Mitte des Skalenstrichs statt links, sodass Messungen beider Polaritäten möglich sind:

Zu den gängigen polaritätsempfindlichen Bewegungen gehören die Designs D’Arsonval und Weston, beides Instrumente des PMMC-Typs. Strom in einer Richtung durch den Draht erzeugt ein Drehmoment im Uhrzeigersinn am Nadelmechanismus, während Strom in die andere Richtung ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn erzeugt.

Einige Meterbewegungen sind Polarität-in empfindlich und beruht auf der Anziehung eines unmagnetisierten, beweglichen Eisenflügels zu einem stationären, stromdurchflossenen Draht, um die Nadel abzulenken. Solche Messgeräte sind ideal geeignet für die Messung von Wechselstrom (AC). Eine polaritätsempfindliche Bewegung würde einfach nutzlos hin und her vibrieren, wenn sie an eine Wechselstromquelle angeschlossen wäre.

Elektrostatische Zählerbewegung

Während die meisten mechanischen Zählerbewegungen auf Elektromagnetismus (Stromfluss durch einen Leiter, der ein senkrechtes Magnetfeld erzeugt) basieren, basieren einige auf Elektrostatik, d. h. der Anziehungs- oder Abstoßungskraft, die durch elektrische Ladungen im Weltraum erzeugt wird. Dies ist das gleiche Phänomen, das bestimmte Materialien (wie Wachs und Wolle) zeigen, wenn sie aneinander gerieben werden. Wenn zwischen zwei leitenden Oberflächen über einen Luftspalt eine Spannung angelegt wird, gibt es eine physikalische Kraft, die die beiden Oberflächen zusammenzieht und eine Art Anzeigemechanismus bewegen kann.

Diese physikalische Kraft ist direkt proportional zur zwischen den Platten angelegten Spannung und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Platten. Die Kraft ist auch unabhängig von der Polarität, was dies zu einer polaritätsunabhängigen Art der Zählerbewegung macht:

Leider ist die durch die elektrostatische Anziehung erzeugte Kraft sehr klein für gängige Spannungen. Tatsächlich ist es so klein, dass solche Messgerätbewegungskonstruktionen für die Verwendung in allgemeinen Testinstrumenten unpraktisch sind. Typischerweise werden elektrostatische Messgerätbewegungen zum Messen sehr hoher Spannungen (viele Tausend Volt) verwendet.

Ein großer Vorteil der elektrostatischen Messgerätebewegung ist jedoch die Tatsache, dass sie einen extrem hohen Widerstand aufweist, während elektromagnetische Bewegungen (die vom Stromfluss durch einen Draht zur Erzeugung eines Magnetfelds abhängig sind) einen viel geringeren Widerstand aufweisen. Wie wir noch genauer sehen werden, sorgt ein größerer Widerstand (was zu einer geringeren Stromaufnahme aus dem zu testenden Stromkreis führt) zu einem besseren Voltmeter.

Kathodenstrahlröhre

Eine viel häufigere Anwendung der elektrostatischen Spannungsmessung findet sich in einem Gerät, das als Kathodenstrahlröhre bekannt ist , oder CRT . Dies sind spezielle Glasröhren, die den Fernsehbildschirmröhren sehr ähnlich sind. In der Kathodenstrahlröhre wird ein Elektronenstrahl, der sich im Vakuum bewegt, durch die Spannung zwischen Paaren von Metallplatten auf beiden Seiten des Strahls aus seiner Bahn abgelenkt.

Da Elektronen negativ geladen sind, neigen sie dazu, von der negativen Platte abgestoßen und von der positiven Platte angezogen zu werden. Eine Umkehr der Spannungspolarität an den beiden Platten führt zu einer Ablenkung des Elektronenstrahls in die entgegengesetzte Richtung, wodurch diese Art von Messgerät polaritätsempfindlich wird:

Die Elektronen, die viel weniger Masse haben als Metallplatten, werden durch diese elektrostatische Kraft sehr schnell und leicht bewegt. Ihre abgelenkte Bahn kann verfolgt werden, wenn die Elektronen auf das Glasende der Röhre auftreffen, wo sie auf eine Beschichtung aus Phosphorchemikalie treffen und ein Lichtschein aussenden, das außerhalb der Röhre zu sehen ist. Je größer die Spannung zwischen den Ablenkplatten ist, desto weiter wird der Elektronenstrahl von seiner geraden Bahn „gebogen“ und desto weiter ist der leuchtende Fleck von der Mitte des Röhrenendes aus zu sehen.

Ein Foto einer CRT wird hier gezeigt:

In einer echten CRT gibt es, wie im obigen Foto gezeigt, zwei Paare von Ablenkplatten und nicht nur eine. Um den Elektronenstrahl nicht nur geradlinig, sondern über die gesamte Fläche des Bildschirms streichen zu können, muss der Strahl in mehr als einer Dimension abgelenkt werden.

Obwohl diese Röhren kleine Spannungen genau registrieren können, sind sie sperrig und benötigen zum Betrieb elektrische Energie (im Gegensatz zu elektromagnetischen Messwerken, die kompakter sind und durch die Leistung des durch sie fließenden gemessenen Signalstroms betätigt werden). Sie sind auch viel empfindlicher als andere Arten von elektrischen Messgeräten. Normalerweise werden Kathodenstrahlröhren in Verbindung mit präzisen externen Schaltkreisen verwendet, um ein größeres Prüfgerät zu bilden, das als Oszilloskop bekannt ist , mit der ein Spannungsverlauf im Zeitverlauf angezeigt werden kann, ein äußerst nützliches Werkzeug für bestimmte Arten von Schaltungen, bei denen sich Spannungs- und/oder Strompegel dynamisch ändern.

Vollständige Anzeige

Unabhängig von der Art des Zählers oder der Größe des Zählerwerks ist ein Nennwert der Spannung oder des Stroms erforderlich, um eine vollständige Anzeige zu liefern. Bei elektromagnetischen Bewegungen ist dies der „Full-Scale-Ablenkstrom“, der erforderlich ist, um die Nadel so zu drehen, dass sie auf das genaue Ende der Anzeigeskala zeigt. Bei elektrostatischen Bewegungen wird der Skalenendwert als Spannungswert ausgedrückt, der zur maximalen Auslenkung der von den Platten betätigten Nadel führt, oder als Spannungswert in einer Kathodenstrahlröhre, die den Elektronenstrahl zum Rand von ablenkt der Anzeigebildschirm. Bei digitalen „Uhrwerken“ ist dies die Spannungshöhe, die zu einer „Vollzählung“-Anzeige auf der numerischen Anzeige führt:wenn die Ziffern keine größere Menge anzeigen können.

Die Aufgabe des Zählerkonstrukteurs besteht darin, eine gegebene Zählerbewegung zu nehmen und die erforderliche externe Schaltung für die Vollausschlagsanzeige bei einer bestimmten Spannung oder Stromstärke zu entwerfen. Die meisten Bewegungen des Messgeräts (elektrostatische Bewegungen ausgenommen) sind ziemlich empfindlich und geben eine Vollskalenanzeige bei nur einem kleinen Bruchteil eines Volts oder eines Ampere. Dies ist für die meisten Aufgaben der Spannungs- und Strommessung unpraktisch. Was der Techniker oft benötigt, ist ein Messgerät, das hohe Spannungen und Ströme messen kann.

Indem das empfindliche Messgerätewerk Teil einer Spannungs- oder Stromteilerschaltung ist, kann der nutzbare Messbereich des Uhrwerks erweitert werden, um weitaus größere Pegel zu messen, als dies durch das Uhrwerk allein angezeigt werden könnte. Präzisionswiderstände werden verwendet, um die Teilerschaltungen zu erzeugen, die erforderlich sind, um Spannung oder Strom angemessen zu teilen. Eine der Lektionen, die Sie in diesem Kapitel lernen werden, ist der Entwurf dieser Teilerschaltungen.

RÜCKBLICK:

• Eine „Bewegung ” ist der Anzeigemechanismus eines Zählers.
• Elektromagnetische Bewegungen funktionieren nach dem Prinzip eines Magnetfelds, das durch elektrischen Strom durch einen Draht erzeugt wird. Beispiele für elektromagnetische Zählerbewegungen sind die Konstruktionen von D’Arsonval, Weston und Eisenflügeln.
• Elektrostatische Bewegungen funktionieren nach dem Prinzip der physikalischen Kraft, die durch ein elektrisches Feld zwischen zwei Platten erzeugt wird.
• Kathodenstrahlröhren (CRTs) verwenden ein elektrostatisches Feld, um den Weg eines Elektronenstrahls zu biegen, wodurch die Position des Strahls durch Licht angezeigt wird, das erzeugt wird, wenn der Strahl auf das Ende der Glasröhre trifft.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Amperemeter-Design
• Arbeitsblatt zum Voltmeter-Design