AC-Spannungs- und Strommessgeräte-Design: Von der Gleichrichtung bis zur True-RMS-Messung

Elektromechanische Messwerksbewegungen für Wechselstrom lassen sich allgemein in zwei Gruppen unterteilen: Adaptionen von Gleichstrom-(DC-)Designs und Einheiten, die speziell für AC-Messung konstruiert sind.

Dauermagnet-Beweglichspul-(PMMC-)Bewegungen können nicht direkt an AC angeschlossen werden. Der Zeiger würde bei jedem Halbzyklus oszillieren und ein nutzloses Flattern erzeugen (siehe Abbildung unten).

Dauermagnet-Geräte, wie Motoren, beruhen auf der Polarität der angelegten Spannung oder Stromrichtung. Wenn AC angelegt wird, kehrt sich die Polarität jeden Halbzyklus um, was den Zeiger hin und her bewegt.

Leiten von AC durch ein D'Arsonval-Messwerk erzeugt schnelles, ineffektives Zeigerflattern.

Um eine DC-Art-Bewegung wie das D'Arsonval-Design zu nutzen, muss das AC-Signal zunächst gleichgerichtet werden. Die gängigste Methode verwendet Dioden, die als Einwegventile für Stromfluss fungieren. Vier Dioden in Brückenkonfiguration stellen sicher, dass der Strom durch das Messwerk immer in eine Richtung fließt, unabhängig vom AC-Zyklus.

Gleichgerichteter AC an einem brückengleichgerichteten Messwerk treibt den Zeiger konsistent in eine Richtung.

Alternativ können AC-spezifische Messwerksbewegungen entworfen werden, um die Polarempfindlichkeit inherent in DC-Typen zu vermeiden. Ein gängiger Ansatz verwendet eine nicht-magnetisierte Eisenfahne, die zu einer stationären Spule hingezogen wird, die von der zu messenden AC-Größe erregt wird, wie unten illustriert.

Eisenfahnen-Elektromechanisches Messwerk.

Elektrostatische Anziehung zwischen zwei Metallplatten, getrennt durch einen Luftspalt, bietet einen weiteren Mechanismus zur Erzeugung einer zeigerbewegenden Kraft proportional zur angelegten Spannung. Während diese Methode für AC und DC gleichermaßen funktioniert, sind die Kräfte typischerweise sehr klein, was solche Bewegungen zerbrechlich und störungsanfällig macht. Dennoch sind elektrostatische Messwerke für Hochspannungs-AC-Anwendungen attraktiv wegen ihres extrem hohen Eingangswiderstands und der Fähigkeit, große Spannungen ohne externe Bereichswiderstände zu messen.

Wenn ein elektrostatisches oder anderes Basismesswerk für AC-Betrieb kalibriert werden muss, werden in Reihe geschaltete „Multiplikator“-Widerstände oder resistive Spannungsteiler eingesetzt, genau wie im DC-Messwerkdesign:

Multiplikatorwiderstand (a) oder resistiver Teiler (b) skalieren den Messbereich des Basismesswerks.

Die Verwendung von Kondensatoren statt Widerständen für den Teiler bietet eine nicht-dissipative Lösung, die Wärmeerzeugung eliminiert. Diese Technik ist besonders vorteilhaft für Hochspannungs-AC-Messungen.

AC-Voltmeter mit kapazitivem Teiler.

Für elektrostatische Messwerksbewegungen – die inhärent kapazitiv sind – kann ein einzelner „Multiplikator“-Kondensator in Reihe hinzugefügt werden, um den messbaren Spannungsbereich zu erweitern, analog zu einem Widerstandsmultiplikator für Beweglichspulmesswerke.

Ein elektrostatisches Messwerk kann einen kapazitiven Multiplikator nutzen, um seinen Bereich zu erhöhen.

Der Kathodenstrahlröhren-(CRT-)Messansatz, im DC-Kapitel beschrieben, eignet sich auch gut für AC-Spannungsmessung. Durch horizontales Ablenken des Elektronenstrahls über den Bildschirm, während das AC-Signal vertikale Ablenkung treibt, kann das Gerät die Wellenform darstellen, nicht nur einen Betragswert. CRTs sind jedoch sperrig, verbrauchen signifikante Leistung und sind aufgrund ihrer evakuierten Glaskonstruktion zerbrechlich, was ihren praktischen Einsatz limitiert.

Elektromechanische AC-Messwerksbewegungen spielen immer noch eine wesentliche Rolle in vielen Anwendungen. Eine kritische Überlegung für Designer und Anwender ist die Messung von RMS (Root-Mean-Square) Werten, die einen sinnvollen Vergleich zwischen AC- und DC-Leistung ermöglichen.

Während gleichgerichtete D'Arsonval-, Eisenfahnen- und elektrostatische Bewegungen natürlich einen Mittelwert des momentanen Signals liefern, ist dieser Mittelwert nicht äquivalent zu RMS. Die folgende Tabelle veranschaulicht die Beziehung zwischen RMS-, Mittel- und Spitzen-zu-Spitzen-Werten für Sinus-, Rechteck- und Dreieckswellen:

RMS-, Mittel- und Spitzen-zu-Spitzen-Werte für Sinus-, Rechteck- und Dreieckswellen.

Da elektromechanische Messwerke inhärent Mittelwerte anzeigen, „schummeln“ Designer oft, indem sie annehmen, die Wellenform sei ein reiner Sinus. Für eine Sinuswelle entspricht RMS 0,707-mal dem Scheitelwert, während der Mittelwert 0,637-mal dem Scheitelwert entspricht. Dividiert man diese, erhält man einen Mittelwert-zu-RMS-Umrechnungsfaktor von 1,109:

Entsprechend wird das Messwerk kalibriert, um etwa das 1,11-fache der natürlichen Anzeige anzuzeigen, was für Sinuswellen dem wahren RMS-Wert entspricht. Dieser Ansatz versagt für Nicht-Sinus-Wellenformen wie Dreieck oder Rechteck, wo die RMS-zu-Mittelwert-Verhältnisse signifikant abweichen.

Für Rechteckwellen entspricht RMS dem Mittelwert, aber für Dreieckswellen unterscheidet sich der Umrechnungsfaktor. Diese Diskrepanzen werden kritisch in modernen Stromversorgungssystemen, wo Oberschwingungsverzerrung üblich ist.

CRT-Messwerke, die den Scheitel- oder Spitzen-zu-Spitzenwert der Wellenform anzeigen, stehen vor derselben Limitation; die Bestimmung von RMS aus einer Scheitelmessung erfordert Kenntnis der Wellenform.

Eine robustere Lösung ist das Design eines Messwerks, das RMS direkt misst, indem es die Definition von RMS als Heizwert eines AC-Signals in einem ohmschen Widerstand nutzt. Indem man die AC-Quelle über einen Widerstand bekannten Werts legt und die resultierende Wärme mit einem Thermoelement misst, kann das Messwerk einen True-RMS-Wert liefern, unabhängig von der Wellenform:

Direktablesendes thermisches RMS-Voltmeter eignet sich für jede Wellenform.

Obwohl das Konzept einfach ist, stellt die praktische Umsetzung ingenieurtechnische Herausforderungen dar. Dennoch wurde das Prinzip – Umwandlung elektrischer Leistung in Wärme und Messung dieser Wärme – in High-End-Handmultimetern für True-RMS-Fähigkeit übernommen.

Das Kalibrieren von AC-Voltmetern und Amperemetern über verschiedene Bereiche folgt denselben Prinzipien wie für DC-Instrumente: Reihenschaltere Multiplikatorwiderstände (oder Kondensatoren) erweitern Spannungsbereiche, während Parallel-Shunt-Widerstände höhere Ströme aufnehmen. Zusätzlich ermöglichen Transformatoren – insbesondere Spannungswandler (PTs) und Stromwandler (CTs) – elektromagnetisches Bereichsstepping, sodass kleine Messwerke große Spannungen oder Ströme mit elektrischer Isolation messen können.

CT skaliert Strom herunter; PT skaliert Spannung herunter.

In einem typischen dreiphasigen AC-Schaltfeld werden toroidale CTs hinter dem Messwerksgehäuse platziert, während drei 5-A-Vollskala-AC-Amperemeter den Strom in jedem Leiter durch die CTs anzeigen. Wenn das Schaltfeld außer Betrieb genommen wird, bleiben die CTs, aber die Leiter sind nicht mehr vorhanden:

Toroidale CTs skalieren hohe Strompegel für 5-A-AC-Amperemeter herunter.

Da Instrumententransformatoren teuer und oft groß sind, werden sie für Hochspannungs- oder Hochstromanwendungen reserviert. Für niedrigere Messbereiche – wie das Skalieren eines Milliampere-Messwerks auf 120 V oder 5 A – werden Präzisionswiderstände (Multiplikatoren und Shunts) verwendet, genau wie bei DC-Messwerken.

ZUSAMMENFASSUNG:

• Polare (DC) Messwerksbewegungen benötigen Dioden, um AC-Größen zu messen.
• Elektromechanische Messwerksbewegungen – ob elektromagnetisch oder elektrostatisch – liefern natürlich Mittelwerte; sie können nur kalibriert werden, um RMS anzuzeigen, wenn die Wellenform im Voraus bekannt ist.
• True-RMS-Messwerke nutzen spezialisierte Technologie, um genaue RMS-Anzeigen unabhängig von der Wellenform zu liefern.