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ES ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK

06. Februar 2017

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Kapitel 22

Messinstrumente Messtechnik

Verfasser: Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn

055 - 654 12 87

Ausgabe: April 2009

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INHALTSVERZEICHNIS 22 MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK

22.1 Grundlagen

22.1.1 Einführung

22.1.2 Verwendung von Messgeräten

22.1.3 Abkürzungen

22.1.4 Handhabung Messinstrumente

22.1.5 Prinzipschaltung von Universalmessgeräten

22.1.6 Messbereichserweiterung

22.1.7 Messen mit Wandlern

22.1.8 Nicht sinusförmige Grössen messen

22.2 Analog Messinstrumente

22.2.1 Teile an Messinstrumenten und deren Benennung

22.2.2 Form der Zeiger-Messinstrumente

22.2.3 Genauigkeit von Messinstrumenten

22.2.4 Messfehler analoger Messinstrumente

22.2.5 Aufschriften bei analogen Messinstrumenten

22.2.6 Aufbau und Funktionsprinzip Zeigermessgeräte

22.3 Digitale Messinstrumente

22.3.1 Digitale Messung

22.3.2 Anschluss und Anzeige digitale Multimeter

22.3.3 Messfehler digitaler Messinstrumente

22.4 Widerstandsmessung

22.4.1 Die direkte Widerstandsmessung

22.4.2 Die indirekte Widerstandsmessung

22.4.3 Die Isolationsmessung

22.5 Spezialmessgeräte

22.5.1 Bimetallmesswerk

22.5.2 Zangenamperemeter

22.5.3 Schreibende Messinstrumente

22.6 Der Kathodenstrahl-Oszillograph

22.6.1 Aufbau des Kathodenstrahl-Oszillographen (KO)

22.6.2 Der Kathodenstrahl-Oszillograph

22.6.3 Oszilloskop und Digitalmultimeter

22.7 Kurzschlussmessung

22.7.1 Netzformen der Niederspannung

22.7.2 Schleifenimpedanz im genullten Netz

22.7.3 Messung des Schleifenwiderstandes

22.8 Messen von Leistung und Arbeit

22.8.1 Leistungsmessung

22.8.2 Der Energie-Zähler

22.8.3 Anschluss der Energie-Zähler

22.8.4 Energiemessung in NS-Anlagen mit Stromwandlern

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22 Messinstrumente, Messtechnik

22.1 Grundlagen Die Grundlage der Entwicklung und des Fortschrittes in der Technik ist das Messen.

22.1.1 Einführung Messen heisst:

Vergleich zwischen einer bekannten und einer

Beispiele für Vergleiche von:

- Längen mit Metermass

- Gewichten mit der Waage

- Temperaturen mit dem Thermometer

- Inhalten mit dem Litermass

Es werden drei Arten von Messwert-Anzeigen unterschieden:

a) b) c)

Zeigergerät Analog-Anzeige

Schreibgerät Registrieren

Zifferngerät Digitale-Anzeige

Elektrische Messgeräte dienen dem Messen, d.h. dem zahlenmässigen Be-stimmen elektrischer Grössen wie Spannung, Strom, Leistung und Frequenzen.


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22.1.2 Verwendung von Messgeräten Nachfolgende Tabelle zeigt eine Zusammenfassung gebräuchlicher elektrischer Messgeräte. Zur Messung von

Instrument Messwerte Schemasymbol

Spannung

Voltmeter mV, V, kV

Strom

Ampereme-ter

mA, A, kA

kleine Ströme

Galvanome-ter

pA, µµµµA, mA

Widerstand

Ohmmeter Messbrücke

mΩΩΩΩ, ΩΩΩΩ, kΩΩΩΩ

Isolations-Widerstand

Isolations-messer

kΩΩΩΩ, MΩΩΩΩ

Erdungs-Widerstand

Erdungs-messer

ΩΩΩΩ

Leistung

Wattmeter mW, W, kW, MW

Arbeit

kWh-Zähler Wh, kWh, MWh, GWh

Frequenz

Frequenz-messer

Hz, kHz, MHz, GHz

Phasen-verschiebung

Phasenmeter cosϕϕϕϕ, ϕϕϕϕ

Phasenfolge Drehrich-tungsanzei-

RST, RTS

Beleuchtungs-stärke

Luxmeter lx

Die wichtigsten Messwerte sind hervorzuheben!

V

A

ΩΩΩΩ

W

cosϕϕϕϕ

lx

kWh


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22.1.3 Abkürzungen Abkürzungen für grosse und kleine Einheiten.

1 000 000 000 000 = 1012 = Tera T 1 000 000 000 = 109 = Giga G (Gigant = Rise)

1 000 000 = 106 = Mega M 1 000 = 103 = Kilo k

100 = 102 = Hekto h 10 = 101 = Deka D 1 = 100

0,1 = 10-1 = Dezi d 0,01 = 10-2 = Centi c

0,001 = 10-3 = Milli m 0,000 001 = 10-6 = Mikro µ (mü)

0,000 000 001 = 10-9 = Nano n (Nano = Zwerg) 0,000 000 000 001 = 10-12 = Piko p

0,000 000 000 000 001 = 10-15 = Femto f = 10-18 = Atto a

Beispiele:

1 km = 103 m = 1000 m

1 GWh = =

1 MΩ = =

1 µA = =

= 10-3 m =

= 106 W =

= 103 A =

= 20x103 V =

= = 1 000 A

= = 0,002 Ω

= = 60 000 kW


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22.1.4 Handhabung Messinstrumente Folgende Punkte sind beim Einsatz des Messgerätes immer zu beachten: 1. Der Messbereichsschalter soll bei jedem Messgerät vor der Messung auf den grössten Messbereich gestellt werden. 2. Beim Messen ist auf kleinere Messbereiche zu schalten. 3. Beim Messen mit Messgeräten ist auf kleinere Messbereiche zu schalten, so dass möglichst genau gemessen werden kann (Analogmessinstrumente im letzten Drittel). Volt- und Amperemeter und deren Schaltungen zur Widerstands- und Leis-tungsbestimmung bei analogen Messgeräten:

Schaltung bei grossen Widerständen

Das Voltmeter zeigt eine dem

Spannungsabfall im Amperemeter entsprechende zu grosse Spannung an.

Schaltung bei kleinen Widerständen

Das Amperemeter misst den zusätzlichen Ver-

brauch des Voltmeters.


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22.1.5 Prinzipschaltung von Universalmessgeräten In der untenstehenden Schaltung ist vorallem der Schaltungsaufbau zur Span-nungs- und Strommessbereichserweiterung ersichtlich.

Die Umschaltung für Strom- und Spannungsmessung Prinzipielles Vorgehen bei der Benutzung von Messgeräten:

1 Was will ich messen? 2 Messbereich, wenn möglich berechnen oder „abschätzen“

3 Schema zeichnen und Messung aufbauen 4 Am wichtigsten ist die Kontrolle


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22.1.6 Messbereichserweiterung Müssen grössere Ströme oder Spannungen gemessen werden so ist es sinnvoll, wenn das gleiche Messsystem des Messgeräts verwendet werden kann. Damit dies auch funktioniert muss dass Messsysteme richtig erweitert werden.

22.1.6.1 Messbereichserweiterung für Spannungsmessung (Seriewiderstand, Vorwiderstand oder Reihenwiderstand)


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22.1.6.2 Messbereichserweiterung für Strommessung (Shuntwiderstand, Parallelwiderstand oder Nebenwiderstand)


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22.1.6.3 Messbereichserweiterung Übung Der Zeiger eines Messwerks hat bei 250mV und 85µA Vollausschlag. Skizzieren Sie die Schaltungen zur Messbereichserweiterung: a) auf 10V b) auf 3mA und berechnen Sie die erforderlichen Widerstände. Achtung: Eine Schaltungsskizze wird ausdrücklich verlangt. Die berechneten Resultate sollen den skizzierten Widerständen klar und eindeutig zugeordnet werden können!


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22.1.7 Messen mit Wandlern Dies sind speziell gebaute Trafo’s. Sie werden eingesetzt, sobald Direktmes-sung infolge hoher Ströme oder Spannungen nicht mehr oder nur noch unter grossen Schwierigkeiten möglich wäre.

22.1.7.1 Der Spannungswandler Dies sind Präzisionstransformatoren mit Leistungen von wenigen 100 VA, erhält-lich in den Güteklassen 0,1-0,2-0,5-1,0-1,5-2,5 und 5,0 %. Sie dürfen nicht über-lastet werden durch den Anschluss zu vieler Messinstrumente (Zähler), ansons-ten der Klassenfehler überschritten wird. Spannungswandler transformieren die zu messende Spannung auf meist 100 V. Solche Wandler sind in Wechsel-stromanlagen üblich, wenn die zu messende Spannung 600 V übersteigt. Bei diesen „Messtransformatoren“ ist der sekundäre Messkreis von der zu messen-den Spannung galvanisch getrennt. Damit ein Durchschlag von der Primär- zur Sekundärwicklung keinen Personen- oder Sachschaden verursachen kann, wird die eine Sekundärklemme geerdet.

v

u

V

U

Sicherung

Primärspannung Sekundärspannung

Spannungswandlerschema Sekundärseitig muss der nicht geerdete Leiter abgesi-chert werden.

Die Messgeräte (Spannungsmessung), welche an die Wandler angeschlossen werden sind entsprechend dem Übersetzungsverhältnis angeschrieben, so dass ohne Umrechnung direkt die Primärspannung abgelesen werden kann. Auf der Instrumentenskala ist das Übersetzungsverhältnis aufgedruckt, z.B. 20'000 V / 100 V.


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22.1.7.2 Der Stromwandler Zur Messung grosser Ströme dienen Stromwandler. Bei Messungen in solchen Anlagen wird der Messkreis durch den Wandler Anlage galvanisch getrennt. Es sind spezielle Transformatoren, deren Primärwicklung im „Zuge der Leitung“ liegt, wie ein Amperemeter. An der Sekundärwicklung sind in Serieschaltung die Stromspulen der Amperemeter, Wattmeter, Zähler und Relais angeschlossen. Auch bei diesen Wandlern muss die Isolation zwischen Primär- und Sekun-därwicklung für die volle Betriebsspannung dimensioniert werden. Beim Nennstrom beträgt der Sekundärstrom 5 A oder 1 A. Stromwandlerschema

Ringkernwandler mit Primär- wicklung, bestehend aus durchgeführter Schie-ne (Stabwandler)

Der Sekundärkreis von Stromwandlern darf im Betrieb nicht geöffnet wer-den: Der Grund ist, die zwischen den Klemmen K und L liegende Spannung wird her-auftransformiert, was hohe Spannungen ergibt. Entsprechend dem Spannungs-anstieg nimmt der magnetische Fluss im Eisenkern zu, was in der Folge zu un-zulässiger Erhitzung des Eisenkerns führt. Auch bei ganz kurzzeitigen Unterbrü-chen wird der Eisenkern vormagnetisiert, was zu Messfehlern führt. Werden die Instrumente ausgebaut, muss der Stromwandler vorgängig mit einer Kurz-schlussvorrichtung sekundär überbrückt werden. Beim Anschliessen von Kontrollinstrumenten muss, auch beim Stromwandler, mit der Wandlerübersetzung multipliziert werden. Bei fest angeschlossenen In-strumenten ist die Skala der Übersetzung entsprechend beziffert, so dass der Primärstrom direkt ablesbar ist (Bezeichnung z.B. 120 A / 5 A).


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22.1.8 Nicht sinusförmige Grössen messen Dabei sind auch Ströme und Spannungen gemeint, welche eine höhere Fre-quenz haben als die Grundschwingung ( Hzf 50= ) des Einheitsnetzes.

22.1.8.1 Probleme beim Messen Messgeräte für Wechselspannungen wurden ursprünglich für die Anzeige des Effektivwertes sinusförmiger Spannungen ausgelegt, indem sie den Gleichricht-wert (Mittelwert des Betrages) der Spannung messen und den Formfaktor für Sinus-Spannungen durch entsprechende Justierung der Spannungsteiler einbe-ziehen; daher ist die Anzeige des Effektivwertes durch solche Messgeräte nur für harmonische (sinusförmige) Spannungen richtig. Da in der Elektrotechnik bzw. Elektronik die Spannungsverläufe häufig stark vom Sinusverlauf abweichen, können hiermit erheblich falsche Messwerte entstehen. Messgeräte, die den Effektivwert tatsächlich gemäß seiner Definition bstimmen, werden zur Verdeutlichung

Echteffektivwert-Messgeräte (engl. True RMS meter)

genannt und mit der Bezeichnung True RMS bzw. TRMS ausgewiesen (RMS = root mean square = Wurzel aus dem Mittelwert des Quadrats). Dabei sind sie nur für einen begrenzten Frequenzbereich geeignet. Elektromechanische Dreheisenmessgeräte arbeiten „TRMS“-bildend und zeigen daher unabhängig vom zeitlichen Verlauf den Effektivwert an. Auch sie sind nur für einen begrenzten Frequenzbereich geeignet. Eine andere Lösung ist es, mit dem Meßstrom einen Widerstand zu erwärmen und dessen Temperatur zu messen. Durch Vergleich mit einem Gleichstrom kann diese Messanordnung auf den Effektivwert kalibriert werden. Mit dieser Messmethode können auch noch sehr hochfrequente Frequenzanteile richtig erfasst werden.


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22.1.8.2 TRMS-Messgerät Es gibt mehrere elektronische Schaltungen zur Effektivwertbildung. Eine davon hat sich beson-ders bewährt und wird von mehreren Herstellern als integrierte Schaltung angeboten. Das Ein-gangssignal Ue oder Ie darf Gleich- und Wech-selanteile enthalten. Der Ausgangsstrom Ia ist proportional zum Effektivwert des Eingangssig-nals, wobei sich die dazu notwendige zeitliche Mitteilung aus dem durch R2 und C2 gebildeten Tiefpass ergibt. (siehe Bild):

Multimeter

TRMS

Beim Kauf eines Messgerätes ist genau darauf zu achten, ob eine TRMS-Messung gewünscht wird.

Einspeisestrom (NSHV) eines Kunden

mit hoher Computerlast

Elektronische Schaltung zur Echt-

Effektivwertbildung

Stromzange

TRMS

Oszilloslop


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22.1.8.3 Verbraucher mit nicht sinusförmigen Strömen Immer mehr werden elektronische Geräte am Netz betrieben. Diese Geräte ver-ursachen nicht sinusförmige Ströme, welche die Leitungen belasten und unter umständen diese thermisch überlasten. Phasenanschnittsteuerung (Dimmer) Der größte Nachteil von Phasenan-schnittsteuerungen (und Phasenab-schnittsteuerung) ist der nicht-sinusförmige Verlauf des Stromes. Der Strom fließt ja nur in einem Teil jeder Halbwelle. Diese nicht-sinusformige Belastung ruft im Netz Störungen her-vor.

- Energiesparlampen (Elektronische Last)

Praktisch keine Blindleistung in der Grundschwingung ( Hzf 50= ), sehr wohl durch den nichtlinearen Gleichrichter des EVG Verzerrungsblindleistung in den Oberschwingungen verursachen.

- Elektronischer Trafo Aufgrund des Schaltbetriebs mit hohen Frequenzen sind aufwendige Maß-nahmen zur Verbesserung des EMV-Verhaltens (Störemission) erforderlich. Verformung des Netzstroms (Stromim-pulse) aufgrund der Ladevorgänge der eingangsseitigen Elkos.


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22.2 Analog Messinstrumente Die Erfassung einer Messgrösse, z.B. des Stromes, beruht auf der Anwendung eines physikalischen Effekts; dies kann u.a. die elektromagnetische Kraftwirkung sein. Sie versucht meistens die Drehung eines beweglichen Organs. Letzteres wird dabei so weit aus seiner Nullstellung bewegt, bis eine Gegenkraft, erzeugt durch eine Feder, Gleichgewicht hält; damit wird erreicht, dass der Ausschlag von der Messgrös-se abhängig ist. Am Instrument ist nun der Messwert auf der Skala ablesbar. Beim analogen Messen ist innerhalb des Messbereichs jede beliebige Messgrösse erfassbar, denn der Ausschlag ist analog der Messgrösse.

22.2.1 Teile an Messinstrumenten und deren Benennung

Skala: Messwert Anzeige

Zeiger: Messwertübertrager

Spule: Messwerteingabe

Eisenkern: Leiten die Magnetfel-der

Luftkammer und Flügel:

Stabilisiert den Zeige-rausschlag (Dämpfer)

Spiralfeder: Vergleichs- oder Gegen-krafterzeugung

Lagerung: Spitzen- oder Bandlage-rung (geringe Reibung)

Messwerk:

Besteht aus bewegli-chen Teilen, Zeiger und Skala

Mess-instrument:

Messwerk, Anschlüs-se und Gehäuse


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22.2.2 Form der Zeiger-Messinstrumente Skalenform der Messinstrumente und deren Skalenwinkel.

22.2.3 Genauigkeit von Messinstrumenten Die Genauigkeit hängt von der Fehlergrenze des Messgerätes ab; die diesbe-zügliche Kennzeichnung erfolgt durch den Klassenindex. Genauigkeitsklassen von Messgeräten Geräteart Präzisions- oder Fein-

messgerät Betriebsmessgeräte

Klassenindex 0,1 0,2 0,5 1,0 1,5 2,5 5,0 Zulässiger Fehler [ % ] ∗∗∗∗ ±±±±0.1 ±±±±0,2 ±±±±0,5 ±±±±1,0 ±±±±1,5 ±±±±2,5 ±±±±5,0 ∗∗∗∗ In Prozent des Messbereichs bzw. des Skalen-Endwertes Die Empfindlichkeit ist das Verhältnis von Skalenlänge in Millimetern zum zugehörigen Messbereich. Je kleiner der bei Vollausschlag durch das Messwerk fliessende Strom, um so grösser ist demnach die Empfindlichkeit. Je grösser diese, um so geringer ist meis-tens der Eigenverbrauch des Instruments. Hohe Empfind-lichkeit bedeutet nicht ohne weiteres hohe Genauigkeit.

Zunahme der Messfehler im unteren Messbe-reich (Instrumenten Güteklasse 2,5). Bei -2,5% Fehler erhält man eine spiegelbildliche Kurve.


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22.2.4 Messfehler analoger Messinstrumente

22.2.4.1 Absoluter Fehler Der relative Fehler ist der prozentuale Fehler der Messung und wird wie folgt be-rechnet.

Für M kann jede beliebige Grösse eines Messgerä-tes eingesetz werden.

aM∆ Absoluter Messfehler [*]

EM Endausschlag Messbereich [*]

k Klassenindex (Fehler) [%]

* Alle Einheiten möglich

22.2.4.2 Relativer Fehler

Für M kann jede beliebige Grösse eines Messgerä-tes eingesetz werden.


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Beispiel Messfehler mit analogem Messgerät Ein Drehspulmessgerät für 300 V besitzt die Genauigkeitsklasse 1,5. a) Wie gross ist die Fehlergrenze bei 300V? b) Zwischen welchen Werten kann die Spannung liegen, wenn das Instrument 50V anzeigt? c) Wie gross ist der Fehler in %, wenn das Instrument 30 V anzeigt?


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22.2.5 Aufschriften bei analogen Messinstrumenten Ausser der Skalenbeschriftung (Messbereich) ist ein Messgerät noch durch fol-gende Angaben zu kennzeichnen:

Art des Messwerks (Symbole) Genauigkeitsklasse Stromart, Spannungsart Gebrauchslage Prüfspannung Fabrikmarke Herstellerfirma Einheit der Messgrösse Nachfolgend dargestellte Symbole (Sinnbilder) werden für Aufschriften verwendet:

Messwerke Stromartzeichen

Arbeitsweise des Messwerkes Sinnbild Stromart Sinnbild

Drehspulmesswerk Gleichstrom Drehspulmesswerk mit Gleich-richter Wechselstrom Drehspulmesswerk mit Thermo-umformer

Gleich- und Wechselstrom Drehspul- Quotientenmesswerk Lagezeichen

Dreheisenmesswerk Gebrauchslage Sinnbild

Elektrostatische Messwerk

senkrechte Gebrauchslage

Hitzdrahtmesswerk

waagrechte Gebrauchslage

Elektrodynamisches Messwerk

schräge Gebrauchslage Neigungswinkel z.B. 60°

Eisengeschlossenes elektrodynamisches Messwerk Prüfspannungszeichen

Induktionsmesswerk

Prüfspannung Sinnbild

Vibrationsmesswerk

Prüfspannung 500 V

Bimetallmesswerk Prüfspannug höher als 500 V

z.B. 2000 V

Beispiel Achtung

Gebrauchsanweisung beachten


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22.2.6 Aufbau und Funktionsprinzip Zeigermessgeräte

Die meisten Messwerke eignen sich für Ampere- und Voltmeter. Während die

Ampéremeter eine Spule mit wenig Windungen eines dicken

Drahtes besitzen, haben die Spulen des Voltmeters viele Windungen

eines sehr dünnen Drahtes und besitzen somit einen hohen

Widerstand. Gleichartige Messwerkausführungen benötigen die gleiche

Durchflutung (Θ = I ⋅ N).

22.2.6.1 Drehspulmesswerk Im homogenen Magnetfeld eines kräftigen

Dauermagneten

mit zwei Weicheisenpolen ist die Drehspule drehbar gelagert. Wird diese mit Gleichstrom erregt, entsteht in ihr ein Magnetfeld, welches die Drehspule im Feld des Dauermagneten je nach Stromrichtung in der einen oder anderen Rich-tung abgelenkt wird.

Magnetpol Spule

Aufbau des Drehspulmesswerkes

Wird diese mit Gleichstrom erregt, entsteht in ihr ein Magnetfeld, welches die Drehspule im Feld des Dau-ermagneten je nach Strom-richtung in der einen oder anderen Richtung abgelenkt wird. Damit der Luftspalt klein wird, werden die Weichei-senpole entsprechend ge-formt. Im Spulenholraum wird eine Eisenwalze eingesetzt, die von aussen fixiert ist. Die Stromzu- und fortführung zur Drehspule erfolgt über Bron-zespiralen oder Spannband, die auch zur Erzeugung des Gegendrehmomentes dient.


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Wird die Polarität an den Instrumentenklemmen geändert,

erfolgt der Ausschlag in entgegengesetzter Richtung, was bei

Instrumenten mit Nullpunkt in der Skalenmitte eine Ablesung in jeder

Stromrichtung erlaubt. Beim Anschluss an Wechselspannung vermag die

Drehspule mit Zeiger dem raschen Wechsel nicht zu folgen.

Drehspulmesswerke auch für Wechselstrom- und Wechselspannung

verwenden zu können, muss der Drehspule ein Gleichrichter

vorgeschaltet werden.

Gleichrichterschaltung

Symbol

Gleichrichter

Messwerk mit Drehspule

Vor- und Nachteile des Drehspulmessinstrumentes Vorteile: Nachteile:

Hohe Genauigkeit Bewegte Spule und Stromzu-fuhr

Geringer Eigenverbrauch Lageabhängig Fremdfeld unempfindlich Grösse Überlastempfindlich


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22.2.6.2 Dreheisen Messwerk Wird die Spule in der nebenstehenden Skizze er-regt, werden die zwei Weicheisenstifte gleichpolig magnetisiert und stossen sich gegenseitig ab;

dies ist sowohl bei Gleich- als auch

bei Wechselstrommagnetisierung der Fall.

Nach diesem Prinzip arbeitet das Dreheisenmess-werk.

Wird die Spule erregt werden die festen Weicheisenplätchen und der drehbare Weicheisenflügel gleichpolig magnetisiert und stossen sich ge-genseitig ab.

Dieses Messwerk funktioniert somit auch beim

Anschluss an Wechselspannung.

Je nach der Wicklung erhalten wir Volt- oder Am-peremeter.

Vor- und Nachteile des Dreheisenmessinstrumentes

Vorteile: Nachteile:

Robust, keine bewegliche Nicht sehr empfindlich Spule. Hoher Eigenverbrauch Hoch belastbar für Gleich- Fremdfeldempfindlich und Wechselspannung.


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22.2.6.3 Elektrodynamisches Messwerk Die Wirkungsweise ist dem Drehspulmesswerk ähnlich. Das Magnetfeld wird hier von einer festen stromdurchflossenen Spule erzeugt, die anstelle des Dau-ermagneten tritt. Im Innern ist die Drehspule angeordnet. Bei Voltmetern werden diese Spulen in Serie, bei Amperemetern z.T. auch parallel geschaltet. Da im Gegensatz zum Drehspulmesswerk das Magnetfeld schwach ist, können mit diesem Instrument kleine Ströme nicht gemessen werden. Ändert die Polari-tät der Leitungsanschlüsse, ändert das Magnetfeld in der festen und drehbaren Spule, so dass der Zeigerausschlag in gleicher Richtung erfolgt; somit ist dieses Messwerk auch für Wechselstrommessungen verwendbar.

Die meisten Wattmeter besitzen ein elektrodynamisches Messwerk. Während die feste Spule vom Strom durchflossen wird, wird an die Drehspule die Spannung angelegt wie an einem Voltmeter.

Aufbau des elektrodynamischen Messwerks ohne Eisenkern.

Eisengeschlossenes Messwerk. Die Spulen sind von Eisenkernen umgeben

Für die nebenstehenden Messungen wird ein elekt-rodynamisches Kreuzspu-lenmesswerk verwendet.


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22.2.6.4 Anschlüsse Analog-Messgeräte

1 Gemeinsamer Anschluss für alle Messbe-

reiche (Masse) 2 Anschluss für höchsten Strommessbe-

reich „+15 A“ 3 Anschluss für Widerstands- und Kapazi-

tätsmessung 4 Anschluss für höchsten Gleichspan-

nungsmessbereich +1000 V 5 Anschluss für alle Spannungsbereiche 6 Anschluss für alle Strombereiche 7 Anschluss für Strombereich 10A 8 Messbereichsschalter 9 Potentiometerdrehknopf für Einstellung

des Endausschlages 10 Mechanische Nullpunktskontrolle 11 Batterie eingebaut 12 Sicherungen eingebaut 13 Verwendungsangaben 14


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22.3 Digitale Messinstrumente Das digitale Instrument ist ein elektronisches Instrument mit Digitalanzeige. Der Kathodenstrahl-Oszylograph wird wegen seiner besonderen Bedeutung separat behandelt.

22.3.1 Digitale Messung

22.3.1.1 Mess- und Anzeigeprinzip Unterscheidung der elektronischen Messinstrumente: Elektronische

Instrumente

Mit Zeigeranzeige

Analoganzeige

(analog = entsprechend, gleichwertig)

Mit Zifffernanzeige

Digitalanzeige

(digital = ziffernmässig)

Prinzip

Die Messgrösse wird:

Mittels elektronischem

Verstärker verarbeitet

und analog angezeigt

(siehe Analoginstrumente)

Die Messgrösse wird:

Mittels elektronischem

Verstärker verarbeitet, in

digitale Form gewandelt

und digitale angezeigt


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Die bis jetzt behandelten Messinstrumente zeigen den Messwert analog an. Bei den digitalen Anzeigen wird der Messwert direkt in Ziffern, fast allgemein in De-zimalzahlen, angezeigt (Digit = Finger zum Zählen). Die digitalen Messinstrumente haben gegenüber den analogen Instrumenten folgende verbesserte Eigenschaften: Ablesung, Genauigkeit, Empfindlichkeit Grösserer Umfang der Messbereiche Automatischer Betrieb (z.B. Bereichswahl) Datenspeicherung möglich Weiterverarbeitung der Messdaten (z.B. PC, Regler)

22.3.1.2 Wandlung von Analog zu Digital Zur digitalen oder ziffernmässigen Erfassung einer Messgrösse ist eine Wand-lung nötig.

Denn: Jede Messgrösse trift in analoger Form auf!

Analoger Messwert Anzahl Impulse

Die Wandlung erfolgt mittels elektronischer Analog-Digital-Wandlern.

(analog-digital-converter) AD-Wandler, AD-Umsetzer, ADC

Messwert

ANALOG

Messwert

DIGITAL


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22.3.1.3 Elektronische Wandlung Ein messtechnisches Problem stellt sich, da die Werterfassung bei

zeitlich (periodisch) sich ändernden Messgrössen durchgeführt

werden muss.

Die Wandlung erfolgt in gewissen, zeitlichen Abständen. Es entsteht eine

Messwertanzeige die sich dauernd ändert (flackern).

Deshalb:

Erfassen des Mittelwertes (Bei Gleich- und Wechselspannung)

Methoden: Filterungung (Glättung) des Messsignals Wandlungsverfahren Elektronische Mittelwertbildner (Effektivwert)

22.3.1.4 Wandlungsverfahren Zur AD-Wandlung stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Die Haupt-sächlich verwendeten Verfahren sind:

Sägezahnverfahren Rampenwandler

Dual-Slope-Verfahren Doppelrampenwandler

Mittelwert

Wandlung

UM Messwert


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22.3.1.5 Wirkungsweise des einfachen Rampenwandlers

Blockschema

Zeigerdiagramm:

Die Zeit Wandlungszeit ττττ ist proportional der Messung UM !

Also ist Anzahl Impulse Mass für Messspannung

Doppelrampenwandler aufwendiger, grössere Genauigkeit

Eingang Ausgang

Komparator (Vergleicher)

UND-Gatter

Impulsgenerator

Sägezahn-generator (Integrierer)

t t

U3

U3

US

U2

U1

UM

UM

US

U1

U2

U3

Wandlungszeit


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22.3.1.6 Digitalvoltmeter, DVM

Blockschema:

Wirkungsweise:

Die vom AD-Wandler erzeugte, der Messspannung proportionale

Impulsreihe wird vom Zähler ausgezählt. Sein Stand wird auf einen

Zwischenspeicher überschrieben; die anstehende Zahl ist binär-dezimal

ist verschlüsselt (binary-code-decimal BCD).

Der nachfolgende Decoder besorgt die Entschlüsselung Dezimalzahl

diese wird angezeigt Anzeige ( z.B.: LED, LC, Glühfaden,7-Segment) Zum Zweck einer Weiterverarbeitung lässt sich der Speicherstand auslesen

Ausgang, digitaler Messwert

22.3.1.7 Anzeige

Bei Gleichspannung Linearer Mittelwert

Bei Wechselspannung (sinusförmig) Effektivwert

UM Verstärker, Abschwächer Ausgang

(BCD)

Spannungsteiler AD-Wandler Zähler

Zwischenspeicher (Latch)

Decoder

Anzeige


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22.3.2 Anschluss und Anzeige digitale Multimeter 22.3.2.1 Anschlüsse Analog-Multimeter

1 Ein/Aus-Schalte 2 Messbereichsschalter 3 Buchse für Netzadapter 4 Flüssigkeitskristallanzeige (LCD) 5 Batteriefachdeckel 6 Anschlussbuchse „+10 A“ für

höchsten Strombereich 7 Schmelzsicherung für Messkreis 8 Anschlussbuchse für alle

Messbereich ausser Bereich 10 A 9 Anschlussbuchse für alle

Messbereiche 10 Öse für Tragriemenbefestigung

Merke: Beim digitalen Ampéremeter wird der gemessene Strom in eine Spannung umgewandelt. Also ist im Inneren eines Multime-ters eigentlich nur ein digitales Voltmeter.

Anzeige:


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22.3.2.2 Anschlüsse Analog-Multimeter

Merke: Beim digitalen Ampéremeter wird der gemessene Strom in eine Spannung umgewandelt. Also ist im Inneren eines Multimeters eigentlich nur ein digitales Voltmeter.

1 Gemeinsamer Anschluss für alle Messbereiche (Masse) 2 Anschluss für höchsten Strommessbereich „+15 A“ 3 Anschluss für Widerstands- und Kapazitätsmessung 4 Anschluss für höchsten Gleichspannungsmessbereich 5 Anschluss für alle Spannungsbereiche 6 Anschluss für alle Strombereiche 7 Anschluss für Strombereich 10A 8 Messbereichsschalter 9 Batterie eingebaut

10 Sicherungen eingebaut 11 LCD-Anzeige


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22.3.3 Messfehler digitaler Messinstrumente

22.3.3.1 Relativer Fehler

22.3.3.2 Absoluter Fehler


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22.4 Widerstandsmessung (Ohmmeter)

22.4.1 Die direkte Widerstandsmessung Schaltung:

V RX=1000Ω

UV UX

U0=20V

+ -

RV

Berechnung und Dar-stellung der Abhängig-keit Rx:

X

V

X

V

R

R

U

U=

V

XVX

U

URR ⋅=

1−⋅V

VU

UR

Ein Drehspul-Messwerk wird in Serie zu dem zu messenden Widerstand ge-schaltet.

Je kleiner die Spannung am Voltmeter ist, umso grösser der

der zu messende Widerstand.

Dadurch entsteht eine direkte Abhängigkeit zwischen Voltmeterausschlag und zu messender Widerstand.

Die Skala des Voltmeters wird nach Ohm geeicht

Zu beachten sind die Skalaposition 0 Ohm und ∞∞∞∞ Ohm:

0 Ohm : Der Widerstand ist sehr klein

∞∞∞∞ Ohm : Der Widerstand ist sehr gross


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22.4.2 Die indirekte Widerstandsmessung (Whaetston´sche Messbrücke)

Diese Messbrücke gestattet Widerstandsmessungen. Das Messprinzip beruht auf einer Vergleichsmessung mit einem bekannten Widerstand. Die Genauigkeit ist dabei grösser als bei einer Berechnung nach dem Ohmschen Gesetz (R = U/I).

Modell:

Es ist ersichtlich, dass im Querkanal keine Strömung auftritt, wenn die Strömungswiderstände im oberen und unteren Kanal verhältnisgleich

sind. Die Inseln bzw. der Flusslauf kann durch Hahnen ersetzt werden. Dabei verhalten sich die Widerstände wie die Wasserströmungen.

Herrscht im Punkt C und D der gleiche Was-serdruck, hört die Strömung in diesem Verbin-dungsrohr auf. Bilddarstellung Welche Massnahmen könnte man ergreifen, damit die Querströmung eingestellt wird:

Verschmälern des Wasserlaufes im Kanal b Verschmälern des Wasserlaufes im Kanal c Verbreitern des Wasserlaufes im Kanal a Verbreitern des Wasserlaufes im Kanal d


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Mit Hilfe der bildlichen Darstellung des Flussverlaufes kann man auch eine elekt-rische Schaltung aufbauen; die sogenannte: Brückenschaltung: Nach diesem Prinzip arbeitet die Whe-atstonsche Brücke. An Stelle der Hah-nen treten Widerstände, die so lange ferändert werden, bis das Ampereme-ter (Galvanometer) keinen Strom mehr anzeigt. Zur Widerstandsmessung nach Whe-atston werden die Widerstände R1 und R2 konstant und gleichgross gehalten.

Muss nun der unbekannte Widerstand RX bestimmt werden, so wird Rb solange einreguliert, bis die Brücke (µA-Meter) stromlos ist. In diesem Zustand fliesst ein Teil des Stromes über R1 und R2 der andere Teil über Rb und RX .

Das heisst auch: 21 RR = , Xb RR =

Ist im µA-Meter = 0A so sagt man auch:

DIE BRÜCKE IST ABGEGLICHEN

Darstellung der Verhältnisse:

U

U

U

U

R

R

R

R

X

b

X

b

= ⇒ =1

2

1

2

R RR

RX b= ⋅

1

2


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22.4.3 Die Isolationsmessung Die Isolationsmessung wird mit einem speziallen Ohmmeter, welches eine hohe Messspannung und hochohmige Messbereiche aufweist, gemessen.

Die Isolatiosprüfung wird mit Gleichspannung durchgeführt.

Laut SN SEV 1000:2005 müssen die Isolationswiderstände bei Neuanlagen fol-genden Werten entsprechen, wenn die Geräte nicht angeschlossen sind:

bestehende Anlagen

(6.1.3.3.3 B+E)

Neuanlagen (6.1.3.3.2)

Stromkreis-Nennspannung

Prüfgleich-spannung

Isolations-widerstand

Stromkreis-Nennspannung

Prüfgleich-spannung

Isolations-widerstand

[ V ] [ V ] [ Ω ] [ V ] [ V ] [ Ω ]

≤ 300 V

Trocken und feuchte Räume 1) ≥ 250´000 SELV und PELV 250 ≥ 250´000

gegen Erde Nassse und korrosive Räume

2) ≥ 50´000 50 V - ≤ 500 V 500 ≥ 500´000

> 300 V

Trocken und feuchte Räume 1) ≥ 500´000

> 500 V 1000 ≥ 1´000´000 gegen Erde Nassse und

korrosive Räume 2)

≥ 250´000

1) Prüfen mit Nennspannung der Anlage 2) Prüfen mit mindestens 100 VDC

SELV: Sicherheitskleinspannung PELV: Schutzkleinspannung FELV: Funktionskleinspannung Vorgehen bei der Isolationsmessung: Ist die Isolationsmessung zu gering ist ein gruppenweises Messen notwendig und der Fehler ist dabei einzugrenzen. 1. Messgerät Prüfen (Batterie) und Eichen (Nullabgleich) 2. Kunden Avisieren (wenn notwendig) 3. Sicherungen Entfernen (ausschalten), sichern 4. Spannungslosigkeit Feststellen 5. Neutralleitertrenner Öffnen 6. Messung (Reihenfolge) Brücken einlegen (Polleiter – PE, Neutralleiter – PE) Schaltung der Isolations-Messung siehe auch NIN Kapitel 17 „Prüfen und Messen“


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Schema der Isolationsmessung Aufgabe Zeichnen Sie ein detailiertes Schema eines Hausan-schlusskastens in welchem die zwei zusammentreffenden Nullungen (TN-Systeme) und alle richtigen Farben und Kennzeichnungen ersichtlich sind. Es ist das Isolationsmessgerät richtig anzuschliessen und der Anschluss ist zu begründen.

Isolationsmessgerät


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22.5 Spezialmessgeräte

22.5.1 Bimetallmesswerk Das Hitzedrahtmesswerk, wo die Verlängerung eines stromdurchflossenen Edelmetalldrahtes auf einen Zeiger übertragen wird, ist heute kaum mehr in An-wendung. Bimetallmesswerke haben für Spezialzwecke Eingang gefunden. Eine Bimetall-spirale wird vom zu messenden Strom durchflossen. Durch die Erwärmung biegt sich die Spirale durch, was auf den Zeiger übertragen wird. Der aufzuheizenden Bimetallmasse entsprechend, dauert es mehrere, meist 15 Minuten, bis der Zei-ger den Nennwert des Stromes anzeigt. Während die üblichen Messwerke den Stromschwankungen (Anlaufströme von Motoren usw.) rasch folgen können, zei-gen diese Instrumente den durchschnitt-lichen Strom während 15 Minuten an.

Dies ist wichtig bei der Belastungs-messung von Transformatoren usw. Nicht kurzzeitig hohe Stromspitzen erwärmen die Anlage, sondern der Mittelwert des Stromes während ei-ner längeren Zeit.

Da das Drehmoment dieses Messwerkes gross ist, wird meist zusätzlich ein Schleppzeiger montiert, der vom Bimetallzeiger mitgeschleppt wird. Dieser Schleppzeiger zeigt uns den maximalen Strom an, der von Ablesung zu Able-sung geflossen ist und zwar den Strom der länger als 15 Minuten diesen Mittel-wert erreicht hatte. Mit dem Drehknopf wird der Schleppzeiger wieder auf Null zurückgestellt.


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22.5.2 Zangenamperemeter Zangenamperemeter sind Stromwandler mit einem Kern, der wie eine Zange geöffnet werden kann. Bei der Messung wird der Lei-ter mit der „Zange“ umfasst und der Kern ge-schlossen. Die Sekundärwicklung steht in Verbindung mit dem Messinstrument. Hier kann sowohl ein digitales wie auch analoges Messsystem verwendet werden. Ist der zu messende Strom klein, so kann der Leiter mehrmals um den Kern geschlungen werden. Dabei ist das neue Übersetzungs-verhältnis zu berücksichtigen.

Schema eines Zangenamperemeters mit analogem Messsystem

Bei Kabeln mit Mehrfachleitern ist eine Strommessung nicht möglich, da die Summe der in den Leitern hin- und zurückfliessenden Ströme stets Null ist.

Bild 22.11.02.01

Werden dem Mess-werk Vorwiderstände vorgeschaltet, sind an separaten Klemmen zusätzlich auch Span-nungsmessungen möglich.


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22.5.3 Schreibende Messinstrumente Um bei Versuchen die Messwerte nicht dauernd notieren zu müssen oder in Fabriken, Kraftwerken usw. die Messwerte dauernd festzuhalten, werden schrei-bende Instrumente verwendet. Da der Zeiger eine Bogenbewegung ausführt, das ablaufende Papierband jedoch rechtwinklige Koordinaten besitzt, muss mit einer Geradführung die Bogenbewegung in eine geradlinige Bewegung umge-wandelt werden. Ein Uhrwerk oder ein Synchronmotor sorgt für den Vorschub des Registrierpapier. Vorschub meist 2 cm pro Stunde. (Für Überwachungszwe-cke in Kraftwerken; für Labormessungen z.T. auch wesentlich rascherer Papier-lauf.)

Punktschreiber Mehrfach-Punktschreiber zur Aufzeichnung verschiedener Messwerte in zeitlich kurzen Abstände (Siemens)

Linienschreiber


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22.6 Der Kathodenstrahl-Oszillograph (Braun’sche Röhre)

22.6.1 Aufbau des Kathodenstrahl-Oszillographen (KO)

Das Elektronenstrahl-Oszilloskop (Schwingungsseher)

dient zum Messen und zur bildlichen Darstellung der gegenseitigen Abhängigkeit zweier Grössen, z.B. einer Wechselspannung abhän-gig von der Zeit.

5 4 3 2 1

f

f

K

W a1 a2

P1

P2

P3

P4

Karl Ferdinand Braun

Deutscher Physiker

1850 - 1918

Heizung (Katode) Messwert-

anschlüsse Ablenk- platten

Beschleunigung

Helligkeits- steuerung Strahlen-

bündelung Leucht- schirm

Licht

Luftleere Röhre (Vakuum)


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22.6.1.1 Funktionsweise Aus dem Heizwendel treten Elektronen in die Luftleere Röhre ein. Mit der Hel-ligkeitssteuerung (mehr oder weniger Elektronendurchlass) und Strahlbünde-lung (Linse) werden die Elektronen beschleunigt. Den Ablenkplatten werden Messwerte zugeführt. Dadurch wird der Elektronenstrahl horizontal und vertikal abgelenkt. Anschliessent trift der Elektronenstrahl auf den Leuchtschirm auf.

22.6.1.2 Unterschied zu den Zeiger-Messgeräten

Die Messergebnisse entstehen in Diagrammform 2 Messgrössen werden gleichzeitig angezeigt Äusserst reaktionsschnell, da keine Masse

22.6.1.3 Typische KO-Bilder

X1

X2

Y3

Y4

- +

Gleichspannung an

X-Platte

Punktablenkung

seitwerts (rechts)

X1

X2

Y3

Y4

-

+

Gleichspannung an

Y-Platte

Punktablenkung

nach unten

X1

X2

Y3

Y4

- +

Sägezahnspannung an

X-Platte

Strich horizontal


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X1

X2

Y3

Y4

∼∼∼∼

∼∼∼∼

Wechselspannung ab

Y-Platte

Strich senkrecht

X1

X2

Y3

Y4

∼∼∼∼

∼∼∼∼

Wechselspannung ab

Y-Platte

Sägezahn an X-Platte

Sinuskurve

Aufgabe: An der Y-Platte eines KO wird eine Gleichspannung angelegt und an der X-Platte ein Sähezahn. Welches Bild ist auf dem KO ersichtlich? Es entsteht eine Gleichspannung welche auf der Y- Achse nach unten oder nach oben verschoben ist. Die Verschiebung ist von der Polarität abhängig.

22.6.1.4 Anwendung des Kathodenstrahl-Oszillographen (KO) Es können praktisch sämtliche physikalischen Grössen: a) Elektrisch b) Mechanisch c) Optisch d) Akustisch mit entsprechenden Messwandlern am KO sichtbar und somit messbar gemacht werden.


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22.6.2 Der Kathodenstrahl-Oszillograph

22.6.3 Oszilloskop und Digitalmultimeter Wichtiges:

- Menügeführte Bedienungsoberfläche - Immer eine stabile Bilddarstellung dank interner Elkektronik - Diverse Messfunktionen einprogrammiert im Oszilloskop wie auch DMM zur Messung von • Spannung, Zeit, Frequenz, Temperatur • Widerstand, Tastverhältnis, Phase, Kapazität - Manuelle interne und externe Triggersteuerung vorhanden - Bandbreit 20 MHz - Genauigkeitsklasse 0,5% - RS232-Schnittstelle für externe Analyse

Beispiel eines Oszilloskop- DMM-Messgerätes

Typ Fluke 123 SCOPMETER


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22.7 Kurzschlussmessung Zur Überprüfung der Überstromschutzorgane muss in einer Anlage der mini-malste Fehlerstrom (Kurzschlussstrom) gemessen werden. Der vorhandene Kurzschlussstrom bzw. Erdschlussstrom ist stark von der Netzform abhängig. In den verschiedenen Netzen sind die Erdübergangswiderstände massgeblich für die Grösse der Fehlerströme.

22.7.1 Netzformen der Niederspannung Das Niederspannungs-Verteilnetz und die daran angeschlossenen Installationen sind in den meisten Fällen genullt (TN-Netze).

TT-Netz Schutzerdung T Betriebserdung in der Transformatoren-

station (T = „terre“ = Erde) T Körper des Verbrauchers direkt und

unabhängig bestehender Erdungen des Verteilnetzes geerdet

TN-C-Netz Nullung N Körper des Verbrauchers direkt mit der Erdung des Verteilnetzes verbunden

C PE- und N-Leiter kombiniert zun PEN-Leiter


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TN-S-Netz Nullung T Betriebserdung in der Transformatoren-

station (T = „terre“ = Erde) N Körper des Verbrauchers direkt mit der

Erdung des Verteilnetzes verbunden S PE- und N-Leiter separate Leiter

TN-C-S Nullung C-S Kombination aus TN-S und TN-C

IT-Netz Isoliertes Netz I Entweder Isolierung aller aktiven Teile von

Erde oder Verbindung eines Netzpunktes mit Erde über einen hochohmige Impe

T Körper des Verbrauchers direkt mit der Erdung des Verteilnetzes verbunden


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22.7.2 Schleifenimpedanz im genullten Netz

22.7.3 Messung des Schleifenwiderstandes

Messprinzip bei der Messung des Schleifenwiderstandes

Prinzipschaltung des Schleifen-impedanzprüfers UNI-AZ2 von Zettler


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22.8 Messen von Leistung und Arbeit Wenn die Energiemessung betrachtet wird, so muss prinzipiell die Leis-tungsmessung betrachtet werden und daraus kann die Energiemessung ab-leitet werden.

22.8.1 Leistungsmessung Zum Verständnis der Messungen für Leistung und Energie muss man drei Prinzipien der Messung betrachten und verstehen: Leistungsmessung mit einem Wattmeter Leistungsmessung mit Zwei-Wattmeter-Methode Leistungsmessung mit Drei-Wattmeter-Methode Drehstromleitungen besitzen drei Polleiter und Niederspannungsleitungen meist zusätzlich einen Neutralleiter.

22.8.1.1 Leistungsmessung mit einem Wattmeter Bei genau symmetrischer Belastung von Verbrauchern mit Neutralleiter (je-der Leiter führt dieselbe Leistung zum Verbraucher) genügt ein Wattmeter. Die Gesamtleistung ist dann dreimal so gross wie die Angabe des Wattme-ters.

P

N

L3

L2

L1

Drehstrom-Leistungsmessung bei symmetrischer Belastung mit Neutralleiter

P Ptot = ⋅3


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22.8.1.2 Leistungsmessung mit Zwei-Wattmeter-Methode (Aronschaltung)

Es handelt sich hier um eine einfache, aber geniale Schaltung für Leistungs-messung ohne Neutralleiter. Wie bei einer zweidrähtigen Leitung ist bei einer Drehstromanlage die Sum-me der zu- und wegfliessenden Ströme in jedem Moment null Ampére. Dar-aus kann abgeleitet werden:

Gl. 1) 0321 =++ LLL III (Prinzip Summenstromwandler im FI)

Gl. 2) 312 LLL III −−= Leistungsberechnung:

Gl. 3) 332211 LLLLLL IUIUIUP ⋅+⋅+⋅= Einsetzen der Gl. 2) in Gl. 3):

( ) 3331211 LLLLLLL IUIIUIUP ⋅+−−+⋅=

33321211 LLLLLLLL IUIUIUIUP ⋅+⋅−⋅−⋅=

)()( 233211 LLLLLL UUIUUIP +⋅+−⋅=

21 PPP += Wir benötigen zwei Wattmeter, deren Messwerte addiert die Leistungsauf-nahme des Drehstromverbrauchers ergeben. Bei ohmischer Belastung zei-gen beide Wattmeter bei symmetrischer Belastung (Strom in jedem Leiter gleich gross) gleich viel an.


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Wird ein Motor angeschlossen, zeigen uns die Wattmeter verschiedene Wer-te an. Wird der Leistungsfaktor cosϕ=0,5 unterschritten, macht das eine Messgerät einen negativen Ausschlag.

L3

P1

L2

L1

P2

Drehstrom-Leistungsmessung ohne Neutralleiter

P P Ptot = +1 2

Um die Ablesung der zwei Wattmeter nicht addieren zu müssen, können wir die zwei Drehspulen der Messwerke auf eine gemeinsame Achse montieren. Jedes Messwerk gibt das Produkt:

P U I= ⋅ ⋅ cosϕ

an, und die Drehmomente addieren sich zum Gesamtdrehmoment.


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Für die Energiemessung in Hochspannungsanlagen findet die Zwei-Wattmeter-Methode allgemein Anwendung. Für die Speisung des Span-nungs- und Strompfades sind Wandler notwendig.

Energiemessung Leistungsmessung

v u v u

V U V U l k

L K

k

L K

L3

L2

L1

l

K = Kraftwerkseite L = Verbraucherseite Leistungsmessung bzw. Energiemessung in Hochspannungsanlagen mit Messwandlern nach der für diesen Zweck allgemein üblichen Zwei-Wattmeter-Methode. Die Spannungswandler bilden eine „V-Schaltung“; einen Teil einer ∆-Schaltung.


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22.8.1.3 Leistungsmessung mit Drei-Wattmeter-Methode Die Leistungsmessung mit drei Wattmetern ist erforderlich, wenn der Neutral-leiter nachgeführt wird, was in Niederspannungsnetzen der Fall ist.

L2

L3

P1

L1

P3

P2

N

Drehstrom-Leistungsmessung mit Neutralleiter

P P P Ptot = + +1 2 3

Für die Energiemessung in Niederspannungsanlagen findet die Drei-Wattmeter-Methode allgemein Anwendung. Für die Speisung des Strompfa-des sind bei grösseren Strömen Wandler notwendig (Funktionsweise siehe Transformatoren).


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22.8.2 Der Energie-Zähler Bei der näheren Betrachtung des Energie-Zählers kann man wie folgt unter-teilen: - Aufbau und Funktionsweise der Energie-Zähler - Anschluss der Energie-Zähler Die Energie wird gehandelt und daher mit amtlich beglaubigten Instrumenten gemessen nach der Gesetzmässigkeit:

Energie Leistung Zeit= ⋅

W P t= ⋅

W U I t= ⋅ ⋅ ⋅cosϕ

22.8.2.1 Aufbau und Funktion analoger Zähler (Ferrariszähler) Für Messzwecke kann ein Elektromotor so konstruiert werden, dass seine Ankerumdrehungen direkt einem Mass des durchfliessenden Stromes, der angelegten Spannung und der Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Grössen, d.h. der angeschlossenen Leistung, entsprechen. Zum Beispiel 100 Umdrehungen je Minute = 1 kWh. Die Umdrehungen wer-den in einer Minute ausgeführt, sie entsprechen einer Energiemenge von 1/60 kWh. Es ist nun noch eine mechanische Übersetzung zwischen Motor-anker und Zähler einzufügen, das in einer Stunde 60 mal diese 100 Umdre-hungen auf dem Zählwerk als Einheit, 1 kWh, überträgt. Auf dem Leistungs-schild des Zählers ist die Zählerkonstante angegeben, die aussagt, nach wieviel Ankerumdrehungen 1 kWh Energie verbraucht wurde.


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Für Energiemessungen in Wechselstromanlagen findet heute noch am meis-ten das Induktionsmesswerk Anwendung, die nach dem Ferrarisprinzip arbei-ten. Diese haben den Vorteil, dass zum rotierenden Teil -einer Aluminium-scheibe- keine Stromzuführung erforderlich ist. Das magnetische Feld einer Strom- und einer Spannungsspule wirkt auf die Aluminiumscheibe ein, wodurch in der Scheibe Spannungen entstehen (durch Induktion der Ruhe), die grössere Ströme (auch Wirbelströme ge-nannt) erzeugen, die ein Magnetfeld aufbauen. Die Magnetfelder der festen Spule und dasjenige der drehbaren Aluminiumscheibe erteilen dieser ein Drehmoment, das proportional der Leistung ist. Ein auf die Aluminiumscheibe einwirkender Dauermagnet erzeugt ein Gegendrehmoment und begrenzt de-ren Drehzahl (Wirbelstrombremse). Ein Schneckenrad an der Achse greift in ein Zahnrad, das über ein Getriebe die Zählerrollen antreibt. Nach je einer Umdrehung der Zählerrolle wird die linksliegende um eine Ziffer weiterbewegt (10er Übertragung). Erfolgt eine mechanische Kupplung auf mehrere Zählwerke durch ein Relais, können verschiedene Tarife verrechnet werden (z.B. Hoch- oder Niedertarif).

Prinzipieller Aufbau eines Einpha-senzählers. Unter der Aluminium-scheibe sind die Stromspulen und darüber liegt die Spannungsspule. Der Dauermagnet wirkt als Wir-belstrombremse

Bild Vierleiterzählers: Montiert sind drei Aluminiumscheiben auf gemeinsamer Welle. Die Strom und Spannugsspulen sind in Kunstharz eingegossen (Doppeltarifzähler).


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22.8.2.2 Aufbau und Funktionsweise elektronischer Zähler Aufgabe Es ist ein Prinzipschema eines elektronischen Zählers zu beschaffen und auf diese Seite einzukleben. Die Funktion und die Leistungsbestimmung mit dem elektronischen Zähler sind in Kurzform zu beschreiben.


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22.8.2.3 Leistungsbestimmung mit Energiezählern Mit der auf dem Leistungsschild des Zählers angegebenen Zählerkonstanten C kann man die Leistung der angeschlossenen Apparate bestimmen, wenn die Ankerumdrehungen pro Zeiteinheit gemessen werden.

n Umdrehungen der Ankerscheibe t Zeit für n Umdrehungen in s P Leistung in kW C Umdrehungen pro kWh

Beispiel Eine Beleuchtungsanlage mit 14 Fluoreszenzlampen zu 1,2 m Länge liegt an 230 V. Die Anker-scheibe des Wirkstromzählers mit der Zählerkonstante c = 600 1/kWh benötigt für 4 Umdrehun-gen 35 s. Beim zugehörigen Blindenergiezähler mit c= 1000 1/kvarh macht der Zähleranker 12 Umdrehungen in 40 s. Berechnen Sie a) die Wirkleistung, b) die Blindleistung, c) die Scheinleistungsaufnahme, d) den Leistungsfaktor ϕcos der Anlage, e) den Strom. f) Zeichnen Sie das Vektordiagramm.


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22.8.3 Anschluss der Energie-Zähler Grundsätzlich werden die Zähler gleich angeschlossen wie die Wattmeter. Es werden folgende Anschlüsse unterschieden: - Anschlussprinzip kWh-Zähler - Anschlussprinzip kVar-Zähler - Energiemessung in einer Mittelspannungsanlage - Energiemessung in einer NS-Anlage ohne Stromwandler - Energiemessung in einer NS-Anlage mit Stromwandlern

22.8.3.1 Anschlussprinzip kWh-Zähler Einphasenzähler Drehstromzähler

(Zweiwattmeter-Methode)

Drehstromzähler (Vierleiterzähler)


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22.8.3.2 Anschlussprinzip kVArh-Zähler Messprinzip der Blindarbeit, welche bei induktiven Verbrauchern entsteht.

Bei „verschalteten Messwerken“ kann die Blindleistung in Dreh-stromanlagen gemessen werden. Der Neutralleiter wird durchgeführt. Es muss in jedem Messwerk eine Phasenverschiebung von 90° er-reicht werden.

(Der angezeigte Wert ist 3 mal zu gross) Dieser Faktor wird bei analogen Messystemen über die Skalenbe-schriftung und bei digitalen Mess-systemen über Anzeige korrigiert.


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22.8.4 Energiemessung in NS-Anlagen mit Stromwandlern

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