Wechselstrom-Voltmeter und Amperemeter

Elektromechanische Wechselstrom-Zählerwerke gibt es in zwei Grundausführungen:solche, die auf Gleichstrom-Bewegungskonstruktionen basieren, und solche, die speziell für Wechselstrom entwickelt wurden.

Permanentmagnet-Bewegungsspulen (PMMC)-Messwerke funktionieren nicht richtig, wenn sie direkt an Wechselstrom angeschlossen werden, da sich die Richtung der Nadelbewegung mit jeder Halbwelle des Wechselstroms ändert. (Abbildung unten)

Permanentmagnet-Messbewegungen sind wie Permanentmagnetmotoren Geräte, deren Bewegung von der Polarität der angelegten Spannung abhängt (oder Sie können es sich in Bezug auf die Stromrichtung vorstellen).

Das Durchleiten von AC durch diese D'Arsonval-Meterbewegung verursacht ein nutzloses Flattern der Nadel.

Um ein Gleichstrom-Zählerwerk wie das D’Arsonval-Design verwenden zu können, muss der Wechselstrom gleichgerichtet in Gleichstrom.

Dies wird am einfachsten durch die Verwendung von Geräten erreicht, die als Dioden bezeichnet werden . Wir haben Dioden in einer Beispielschaltung gesehen, die die Erzeugung harmonischer Frequenzen aus einer verzerrten (oder gleichgerichteten) Sinuswelle demonstriert. Ohne ausführlich darauf einzugehen, wie und warum Dioden so funktionieren, denken Sie daran, dass sie jeweils wie ein Einwegventil für den Stromfluss wirken.

Die Pfeilspitze in jedem Diodensymbol zeigt in die zulässige Stromflussrichtung.

In einer Brücke angeordnet, dienen vier Dioden dazu, den Wechselstrom durch die Zählerbewegung in einer konstanten Richtung während aller Phasen des Wechselstromzyklus zu lenken:

Das Durchleiten von Wechselstrom durch diese Bewegung des korrigierten Wechselstrommessers führt ihn in eine Richtung.

Eine andere Strategie für ein praktisches Wechselstrom-Messwerk besteht darin, das Uhrwerk ohne die inhärente Polaritätsempfindlichkeit der Gleichstromtypen neu zu gestalten.

Das bedeutet, auf den Einsatz von Permanentmagneten zu verzichten. Die wahrscheinlich einfachste Konstruktion besteht darin, einen nichtmagnetisierten Eisenflügel zu verwenden, um die Nadel gegen die Federspannung zu bewegen, wobei der Flügel von einer stationären Drahtspule angezogen wird, die durch die zu messende Wechselstromgröße gespeist wird, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Elektromechanisches Uhrwerk mit Eisenflügeln.

Elektrostatische Anziehung zwischen zwei durch einen Luftspalt getrennten Metallplatten ist ein alternativer Mechanismus zur Erzeugung einer Nadelbewegungskraft proportional zur angelegten Spannung.

Das funktioniert für Wechselstrom genauso gut wie für Gleichstrom, oder sollte ich sagen, genauso schlecht! Die beteiligten Kräfte sind sehr klein, viel kleiner als die magnetische Anziehung zwischen einer erregten Spule und einer Eisenfahne, und als solche neigen diese „elektrostatischen“ Zählerbewegungen dazu, zerbrechlich zu sein und leicht durch physikalische Bewegungen gestört zu werden.

Für einige Hochspannungs-Wechselstromanwendungen ist die elektrostatische Bewegung jedoch eine elegante Technologie.

Diese Technologie hat nicht zuletzt den Vorteil einer extrem hohen Eingangsimpedanz, sodass kein Strom aus dem Prüfling entnommen werden muss. Außerdem können elektrostatische Messgerätbewegungen sehr hohe Spannungen messen, ohne dass Messwiderstände oder andere externe Geräte erforderlich sind.

Wenn ein empfindliches Messwerk neu ausgerichtet werden muss, um als Wechselspannungs-Voltmeter zu funktionieren, können in Reihe geschaltete „Vervielfacher“-Widerstände und/oder ohmsche Spannungsteiler verwendet werden, genau wie bei der Konstruktion von Gleichstromzählern:(Abbildung unten)

Multiplikatorwiderstand (a) oder resistiver Teiler (b) skaliert den Bereich der grundlegenden Meterbewegung.

Anstelle von Widerständen können jedoch Kondensatoren verwendet werden, um Spannungsteilerschaltungen herzustellen. Diese Strategie hat den Vorteil, dass sie nicht dissipativ ist (kein echter Strom verbraucht und keine Wärme erzeugt):

AC-Voltmeter mit kapazitivem Teiler.

Wenn die Bewegung des Messgeräts elektrostatisch und damit von Natur aus kapazitiv ist, kann ein einzelner „Multiplikator“-Kondensator in Reihe geschaltet werden, um einen größeren Spannungsmessbereich zu erhalten, genauso wie ein in Reihe geschalteter Multiplikator-Widerstand eine Drehspule ergibt (von Natur aus ohmsch ) Zählerbewegung einen größeren Spannungsbereich:

Eine elektrostatische Messgerätbewegung kann einen kapazitiven Multiplikator verwenden, um die Skala der grundlegenden Messgerätbewegung zu multiplizieren.

Die im Kapitel DC-Messung erwähnte Kathodenstrahlröhre (CRT) eignet sich ideal zum Messen von Wechselspannungen, insbesondere wenn der Elektronenstrahl seitlich über den Schirm der Röhre geschwenkt wird, während die gemessene Wechselspannung den Strahl nach oben und unten treibt .

Eine grafische Darstellung der AC-Wellenform und nicht nur eine Größenmessung ist mit einem solchen Gerät problemlos möglich. CRTs haben jedoch die Nachteile von Gewicht, Größe, erheblichem Stromverbrauch und Zerbrechlichkeit (da sie aus evakuiertem Glas bestehen), die ihnen entgegenwirken.

Aus diesen Gründen haben elektromechanische Wechselstromzähler-Bewegungen immer noch ihren Platz in der praktischen Anwendung.

Nachdem bereits einige der Vor- und Nachteile dieser Zählerbewegungstechnologien diskutiert wurden, gibt es einen weiteren Faktor, der für den Konstrukteur und Benutzer von Wechselstrom-Messinstrumenten von entscheidender Bedeutung ist. Dies ist das Problem der RMS-Messung.

Wie wir bereits wissen, werden Wechselstrommessungen oft in eine Gleichspannungsäquivalenzskala, die als RMS bezeichnet wird, eingeteilt (R oot-M ean-S Quadrat) für aussagekräftige Vergleiche mit Gleichstrom und mit anderen Wechselstrom-Wellenformen unterschiedlicher Form. Keine der bisher diskutierten Zählerbewegungstechnologien misst inhärent den RMS-Wert einer Wechselstromgröße.

Die Bewegungen des Messgeräts, die auf der Bewegung einer mechanischen Nadel beruhen („gleichgerichtetes“ D’Arsonval, Eisenfahne und Elektrostatik), neigen alle dazu, die Momentanwerte mechanisch zu einem Gesamtmittelwert für die Wellenform zu mitteln.

Dieser Durchschnittswert ist nicht unbedingt derselbe wie RMS, obwohl er oft als solcher verwechselt wird. Durchschnitts- und RMS-Werte stehen für diese drei gängigen Wellenformformen als solche gegeneinander:

RMS-, Durchschnitts- und Spitze-zu-Spitze-Werte für Sinus-, Rechteck- und Dreieckswellen.

Da RMS die Art von Messung zu sein scheint, an der die meisten Leute mit einem Instrument interessiert sind, liefern elektromechanische Messgerätbewegungen natürlich Durchschnitt Messungen statt Effektivwert, was sollen die Entwickler von Wechselstromzählern tun? Natürlich betrügen!

Normalerweise wird davon ausgegangen, dass die zu messende Wellenform ein Sinus ist (bei weitem die gebräuchlichste, insbesondere für Stromversorgungssysteme), und dann wird die Skala der Messgerätbewegung um den entsprechenden Multiplikationsfaktor geändert.

Für Sinuswellen sehen wir, dass RMS dem 0,707-fachen des Spitzenwerts entspricht, während der Durchschnitt dem 0,637-fachen des Spitzenwerts entspricht

Mit anderen Worten, das Uhrwerk wird so kalibriert, dass es ungefähr 1,11-mal höher anzeigt, als es normalerweise (natürlich) ohne besondere Anpassungen anzeigen würde. Es muss betont werden, dass dieser „Cheat“ nur dann gut funktioniert, wenn das Messgerät zur Messung von reinen Sinuswellenquellen verwendet wird.

Beachten Sie, dass bei Dreieckswellen das Verhältnis zwischen RMS und Durchschnitt nicht dasselbe ist wie bei Sinuswellen:

Bei Rechteckwellen sind RMS- und Durchschnittswerte identisch! Ein Wechselstrommesser, der so kalibriert ist, dass er die RMS-Spannung oder den RMS-Strom auf einer reinen Sinuswelle genau misst, wird nicht Geben Sie den richtigen Wert an und geben Sie gleichzeitig die Größe von etwas anderem als einer perfekten Sinuswelle an.

Dazu gehören Dreieckswellen, Rechteckwellen oder jede Art von verzerrter Sinuswelle. Da Oberwellen in großen Wechselstromnetzen zu einem allgegenwärtigen Phänomen werden, ist diese Frage der genauen Effektivwertmessung keine Kleinigkeit.

Der aufmerksame Leser wird bemerken, dass ich die CRT-„Bewegung“ aus der RMS/Durchschnitts-Diskussion weggelassen habe. Dies liegt daran, dass eine CRT mit ihrer praktisch schwerelosen „Bewegung“ des Elektronenstrahls den Peak (oder Peak-to-Peak, wenn Sie möchten) einer AC-Wellenform anstelle von Durchschnitt oder RMS anzeigt.

Dennoch stellt sich ein ähnliches Problem:Wie bestimmt man daraus den RMS-Wert einer Wellenform? Umrechnungsfaktoren zwischen Spitze und RMS gelten nur so lange, wie die Wellenform sauber in eine bekannte Formkategorie fällt (Sinus, Dreieck und Rechteck sind die einzigen Beispiele mit hier angegebenen Umrechnungsfaktoren von Spitze/RMS/Durchschnitt!).

Eine Antwort besteht darin, die Zählerbewegung nach der Definition von RMS zu gestalten:dem effektiven Heizwert einer Wechselspannung/-stroms, wenn er eine ohmsche Last versorgt. Angenommen, die zu messende Wechselstromquelle ist an einen Widerstand mit bekanntem Wert angeschlossen und die Wärmeabgabe dieses Widerstands wird mit einem Gerät wie einem Thermoelement gemessen.

Dies würde eine viel direktere Messung des Effektivwerts ermöglichen, als es jeder Umrechnungsfaktor könnte, da er mit JEDER Wellenform funktioniert:

Thermisches RMS-Voltmeter mit Direktablesung passt sich jeder Wellenform an.

Während das oben gezeigte Gerät etwas grob ist und an seinen eigenen einzigartigen technischen Problemen leiden würde, ist das dargestellte Konzept sehr solide. Der Widerstand wandelt die Wechselspannungs- oder Stromgröße in eine thermische (Wärme-)Größe um und quadriert die Werte effektiv in Echtzeit.

Die Masse des Systems arbeitet, um diese Werte nach dem Prinzip der thermischen Trägheit zu mitteln, und dann wird die Meterskala selbst kalibriert, um eine Anzeige basierend auf der Quadratwurzel der thermischen Messung zu liefern:perfekte Root-Mean-Square-Anzeige in einem Gerät!

Tatsächlich hat ein großer Instrumentenhersteller diese Technik in seine High-End-Reihe von tragbaren elektronischen Multimetern für die „True-RMS“-Fähigkeit implementiert.

Das Kalibrieren von Wechselspannungs-Voltmetern und Amperemetern für verschiedene Vollbereichs-Betriebsbereiche ist ähnlich wie bei Gleichstrom-Instrumenten:Reihen-„Multiplikator“-Widerstände werden verwendet, um Voltmeter-Bewegungen einen höheren Bereich zu verleihen, und parallele „Shunt“-Widerstände werden verwendet, um Amperemeter-Bewegungen zu messen Strömungen außerhalb ihrer natürlichen Reichweite.

Wir sind jedoch nicht wie bei Gleichstrom auf diese Techniken beschränkt:Da wir Transformatoren mit Wechselstrom verwenden können, können Messbereiche elektromagnetisch statt ohmsch „heraufgesetzt“ oder „heruntergesetzt“ werden, manchmal weit über das hinaus, was Widerstände praktisch erlaubt hätten für.

Potenzialtransformatoren (PTs) und Stromtransformatoren (CTs) sind Präzisionsinstrumentengeräte, die hergestellt werden, um sehr genaue Transformationsverhältnisse zwischen Primär- und Sekundärwicklungen zu erzeugen.

Sie können kleine, einfache Bewegungen des Wechselstrommessers ermöglichen, um extrem hohe Spannungen und Ströme in Stromversorgungssystemen mit Genauigkeit und vollständiger galvanischer Trennung anzuzeigen (etwas, das Multiplikatoren und Shunt-Widerstände niemals tun könnten):

(CT) Stromwandler skaliert den Strom herunter. (PT) Potentieller Transformator skaliert die Spannung herunter.

Hier gezeigt ist ein Spannungs- und Strommessfeld aus einem Dreiphasen-Wechselstromsystem. Die drei „Donut“-Stromwandler (CT’s) sind auf der Rückseite des Panels zu sehen. Drei Wechselstrom-Amperemeter (jeweils 5 Ampere Vollausschlag) auf der Vorderseite des Panels zeigen den Strom durch jeden Leiter an, der durch einen Stromwandler geht.

Da dieses Panel außer Betrieb genommen wurde, sind keine stromführenden Leiter mehr durch die Mitte der CT-"Donuts" gefädelt:

Ringkernstromwandler skalieren hohe Stromstärken für die Anwendung auf 5-A-Vollbereichs-AC-Amperemeter herunter.

Aufgrund der Kosten (und oft der großen Abmessungen) von Messwandlern werden sie nicht verwendet, um Wechselstromzähler für andere Anwendungen als Hochspannung und Hochstrom zu skalieren. Um eine Milliampere- oder Mikroampere-Bewegung auf einen Bereich von 120 Volt oder 5 Ampere zu skalieren, werden wie bei DC normale Präzisionswiderstände (Multiplikatoren und Shunts) verwendet.

RÜCKBLICK:

• Polarisierte (DC) Zählerbewegungen müssen Geräte verwenden, die als Dioden bezeichnet werden um Wechselstromgrößen anzeigen zu können.
• Elektromechanische Zählerbewegungen, ob elektromagnetisch oder elektrostatisch, liefern natürlich den Durchschnitt Wert einer gemessenen Wechselstromgröße. Diese Instrumente können so eingestellt werden, dass sie den RMS-Wert anzeigen, aber nur, wenn die Form der AC-Wellenform im Voraus genau bekannt ist!
• Sogenanntes echtes RMS Messgeräte verwenden unterschiedliche Technologien, um Anzeigen zu liefern, die den tatsächlichen Effektivwert (anstatt einen verzerrten Durchschnitt oder Spitzenwert) einer AC-Wellenform darstellen.