Messinstrumente Messtechnik
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ES ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Kapitel 22 Messinstrumente Messtechnik Verfasser: Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn 055 - 654 12 87 Ausgabe: April 2009 Copy is right Die Autoren haftet nicht für irgendwelche mittelbaren oder unmittelbaren Schäden, die in Zusammenhang mit dem in dieser Publikation Gedruckten zu bringen sind. Die vorliegende Publikation ist nicht geschützt. Alle Rechte liegen beim Verwender. Kein Teil dieser Publikation darf verborgen bleiben. Der Autor wünscht, dass alles reproduziert wird. Vielen Dank für eine Rückmeldung, ihre Anregungen und Ergänzungen. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite 22-2 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 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 Digitale Messinstrumente 22.3.1 Digitale Messung 22.3.2 Anschluss und Anzeige digitale Multimeter 22.3.3 Messfehler digitaler Messinstrumente Widerstandsmessung 22.4.1 Die direkte Widerstandsmessung 22.4.2 Die indirekte Widerstandsmessung 22.4.3 Die Isolationsmessung Spezialmessgeräte 22.5.1 Bimetallmesswerk 22.5.2 Zangenamperemeter 22.5.3 Schreibende Messinstrumente Der Kathodenstrahl-Oszillograph 22.6.1 Aufbau des Kathodenstrahl-Oszillographen (KO) 22.6.2 Der Kathodenstrahl-Oszillograph 22.6.3 Oszilloskop und Digitalmultimeter Kurzschlussmessung 22.7.1 Netzformen der Niederspannung 22.7.2 Schleifenimpedanz im genullten Netz 22.7.3 Messung des Schleifenwiderstandes 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 22.2 22.3 22.4 22.5 22.6 22.7 22.8 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22 Messinstrumente, Messtechnik 22.1 Grundlagen 22-3 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 unbekannten Grösse 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) Zeigergerät Analog-Anzeige b) c) Schreibgerät Registrieren Zifferngerät Digitale-Anzeige Elektrische Messgeräte dienen dem Messen, d.h. dem zahlenmässigen Bestimmen elektrischer Grössen wie Spannung, Strom, Leistung und Frequenzen. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.1.2 Seite 22-4 Verwendung von Messgeräten Nachfolgende Tabelle zeigt eine Zusammenfassung gebräuchlicher elektrischer Messgeräte. Zur Messung von Spannung Instrument Messwerte Voltmeter mV, V, kV Strom Amperemeter mA, A, kA kleine Ströme Galvanometer pA, µA, mA Widerstand Ohmmeter Messbrücke mΩ, Ω, kΩ IsolationsWiderstand Isolationsmesser kΩ, MΩ Ω ErdungsWiderstand Erdungsmesser Ω Leistung Wattmeter mW, W, kW, MW Arbeit kWh-Zähler Wh, kWh, MWh, GWh Frequenz Frequenzmesser Hz, kHz, MHz, GHz Phasenverschiebung Phasenmeter cosϕ ϕ, ϕ Phasenfolge Drehrichtungs.an RST, RTS zeiger Beleuchtungsstärke Luxmeter Schemasymbol lx Die wichtigsten Messwerte sind hervorzuheben! 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.1.3 Seite 22-5 Abkürzungen Abkürzungen für grosse und kleine Einheiten. 1 000 000 000 000 1 000 000 000 1 000 000 1 000 100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,000 001 0,000 000 001 0,000 000 000 001 = = = = = = = = = = = = = = = 1012 109 106 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 = = = = = = Tera Giga Mega Kilo Hekto Deka T G (Gigant = Rise) M k h D = = = = = = = = Dezi Centi Milli Mikro Nano Piko Femto Atto d c m µ (mü) n (Nano = Zwerg) p f a Beispiele: = 103 m = 1000 m 1 GWh = 12 10 Wh = 1 000 000 000 Wh 1 MΩ = 106 Ω = 1 000 000 Ω 1 µA = -6 10 A = 0,000 001 A 1 mm = 10-3 m = 0,001 m 1 MW = 106 W = 1 000 000 W 1 kA = 103 A = 1 000 A 20 kV = 20x103 V = 20 000 V 1 kA = 103 A = 1 000 A 2 mΩ Ω = 2x10-3 Ω = 60 MW = 60x106 W = 0,002 Ω 60 000 kW 1 km 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.1.4 Seite 22-6 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 Leistungsbestimmung bei analogen Messgeräten: Schaltung bei grossen Widerständen Schaltung bei kleinen Widerständen Das Voltmeter zeigt eine dem Spannungsabfall im Amperemeter entsprechende zu grosse Spannung an. Das Amperemeter misst den zusätzlichen Verbrauch des Voltmeters. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.1.5 Seite 22-7 Prinzipschaltung von Universalmessgeräten In der untenstehenden Schaltung ist vorallem der Schaltungsaufbau zur Spannungs- 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 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.1.6 Seite 22-8 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) Messgerät UM = 10 V Ri =RM= 100 kΩ Ω IV = IM= 0,1 mA U= 100 V UV = 10 V n = V RV = U −UV IM R V = R M ⋅ ( n − 1) RV = 900 kΩ Ω U n e u e r M e s s b e r e ic h = UM a lte r M e s s b e r e ic h 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22-9 22.1.6.2 Messbereichserweiterung für Strommessung (Shuntwiderstand, Parallelwiderstand oder Nebenwiderstand) I Tot = 3 A R Sh I = M RM I Sh Ri = 0 ,4 8 Ω UM = ? A RSh = RN = ? IM = 3 0 0 mA R Sh = M essgerät U = 100 V UL = 1 0 0 V R Sh = n = 07. Oktober 2010 www.ibn.ch I IM = IM ⋅ RM I Sh RL = 3 3 Ω 1 ⋅R (n − 1 ) M neuer Messbereic alter Messbereic h h Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.1.7 Seite 22-10 Messen mit Wandlern Dies sind speziell gebaute Trafo’s. Sie werden eingesetzt, sobald Direktmessung 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, erhältlich in den Güteklassen 0,1-0,2-0,5-1,0-1,5-2,5 und 5,0 %. Sie dürfen nicht überlastet werden durch den Anschluss zu vieler Messinstrumente (Zähler), ansonsten der Klassenfehler überschritten wird. Spannungswandler transformieren die zu messende Spannung auf meist 100 V. Solche Wandler sind in Wechselstromanlagen üblich, wenn die zu messende Spannung 600 V übersteigt. Bei diesen „Messtransformatoren“ ist der sekundäre Messkreis von der zu messenden Spannung galvanisch getrennt. Damit ein Durchschlag von der Primär- zur Sekundärwicklung keinen Personen- oder Sachschaden verursachen kann, wird die eine Sekundärklemme geerdet. Sicherung U Spannungswandlerschema u Sekundärseitig muss der nicht geerdete Leiter abgesichert werden. V Primärspannung v Sekundärspannung 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. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.1.7.2 Seite 22-11 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 Sekundärwicklung für die volle Betriebsspannung dimensioniert werden. Beim Nennstrom beträgt der Sekundärstrom 5 A oder 1 A. Stromwandlerschema Ringkernwandler mit Primärwicklung, bestehend aus durchgeführter Schiene (Stabwandler) Der Sekundärkreis von Stromwandlern darf im Betrieb nicht geöffnet werden: Der Grund ist, die zwischen den Klemmen K und L liegende Spannung wird herauftransformiert, was hohe Spannungen ergibt. Entsprechend dem Spannungsanstieg nimmt der magnetische Fluss im Eisenkern zu, was in der Folge zu unzulässiger Erhitzung des Eisenkerns führt. Auch bei ganz kurzzeitigen Unterbrüchen wird der Eisenkern vormagnetisiert, was zu Messfehlern führt. Werden die Instrumente ausgebaut, muss der Stromwandler vorgängig mit einer Kurzschlussvorrichtung sekundär überbrückt werden. Beim Anschliessen von Kontrollinstrumenten muss, auch beim Stromwandler, mit der Wandlerübersetzung multipliziert werden. Bei fest angeschlossenen Instrumenten ist die Skala der Übersetzung entsprechend beziffert, so dass der Primärstrom direkt ablesbar ist (Bezeichnung z.B. 120 A / 5 A). 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.1.8 Seite 22-12 Nicht sinusförmige Grössen messen Dabei sind auch Ströme und Spannungen gemeint, welche eine höhere Frequenz haben als die Grundschwingung ( f = 50 Hz ) 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 Gleichrichtwert (Mittelwert des Betrages) der Spannung messen und den Formfaktor für Sinus-Spannungen durch entsprechende Justierung der Spannungsteiler einbeziehen; 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. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.1.8.2 TRMS-Messgerät Es gibt mehrere elektronische Schaltungen zur Effektivwertbildung. Eine davon hat sich besonders bewährt und wird von mehreren Herstellern als integrierte Schaltung angeboten. Das Eingangssignal Ue oder Ie darf Gleich- und Wechselanteile enthalten. Der Ausgangsstrom Ia ist proportional zum Effektivwert des Eingangssignals, wobei sich die dazu notwendige zeitliche Mitteilung aus dem durch R2 und C2 gebildeten Tiefpass ergibt. (siehe Bild): Seite 22-13 Elektronische Schaltung zur EchtEffektivwertbildung Stromzange TRMS Multimeter TRMS Beim Kauf eines Messgerätes ist genau darauf zu achten, ob eine TRMS-Messung gewünscht wird. Oszilloslop 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22-14 22.1.8.3 Verbraucher mit nicht sinusförmigen Strömen Immer mehr werden elektronische Geräte am Netz betrieben. Diese Geräte verursachen nicht sinusförmige Ströme, welche die Leitungen belasten und unter umständen diese thermisch überlasten. Phasenanschnittsteuerung (Dimmer) Der größte Nachteil von Phasenanschnittsteuerungen (und Phasenabschnittsteuerung) ist der nichtsinusförmige Verlauf des Stromes. Der Strom fließt ja nur in einem Teil jeder Halbwelle. Diese nicht-sinusformige Belastung ruft im Netz Störungen hervor. - Energiesparlampen (Elektronische Last) Praktisch keine Blindleistung in der Grundschwingung ( f = 50 Hz ), sehr wohl durch den nichtlinearen Gleichrichter des EVG Verzerrungsblindleistung in den Oberschwingungen verursachen. - Elektronischer Trafo Aufgrund des Schaltbetriebs mit hohen Frequenzen sind aufwendige Maßnahmen zur Verbesserung des EMVVerhaltens (Störemission) erforderlich. Verformung des Netzstroms (Stromimpulse) aufgrund der Ladevorgänge der eingangsseitigen Elkos. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22-15 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 Messgrösse 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 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Teile an Messinstrumenten und deren Benennung Skala: Messwert Anzeige Zeiger: Messwertübertrager Spule: Messwerteingabe Eisenkern: Leiten die Magnetfelder Luftkammer und Flügel: Stabilisiert den Zeigerausschlag (Dämpfer) Spiralfeder: Vergleichs- oder Gegenkrafterzeugung Lagerung: Spitzen- oder Bandlagerung (geringe Reibung) Messwerk: Besteht aus beweglichen Teilen, Zeiger und Skala Messinstrument: Messwerk, Anschlüsse und Gehäuse Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.2.2 Seite 22-16 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 diesbezügliche Kennzeichnung erfolgt durch den Klassenindex. Geräteart Klassenindex Zulässiger Fehler [ % ] ∗ Genauigkeitsklassen von Messgeräten Präzisions- oder FeinBetriebsmessgeräte messgerät 0,1 0,2 0,5 ±0.1 ±0,2 ±0,5 1,0 1,5 2,5 5,0 ±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 meistens der Eigenverbrauch des Instruments. Hohe Empfindlichkeit bedeutet nicht ohne weiteres hohe Genauigkeit. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Zunahme der Messfehler im unteren Messbereich (Instrumenten Güteklasse 2,5). Bei -2,5% Fehler erhält man eine spiegelbildliche Kurve. Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.2.4 Seite 22-17 Messfehler analoger Messinstrumente 22.2.4.1 Absoluter Fehler Der relative Fehler ist der prozentuale Fehler der Messung und wird wie folgt berechnet. ∆M a = ± M E ⋅k 100% 22.2.4.2 ∆M r = ± ∆M a M 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Für M kann jede beliebige Grösse eines Messgerätes eingesetz werden. ∆M a Absoluter Messfehler [*] ME k Endausschlag Messbereich Klassenindex (Fehler) [*] [%] * Alle Einheiten möglich Relativer Fehler Für M kann jede beliebige Grösse eines Messgerätes eingesetz werden. Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22-18 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? 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.2.5 Seite 22-19 Aufschriften bei analogen Messinstrumenten Ausser der Skalenbeschriftung (Messbereich) ist ein Messgerät noch durch folgende Angaben zu kennzeichnen: Art des Messwerks (Symbole) Stromart, Spannungsart Prüfspannung Herstellerfirma Genauigkeitsklasse Gebrauchslage Fabrikmarke Einheit der Messgrösse Nachfolgend dargestellte Symbole (Sinnbilder) werden für Aufschriften verwendet: Messwerke Arbeitsweise des Messwerkes Stromartzeichen Sinnbild Stromart Drehspulmesswerk Gleichstrom Drehspulmesswerk mit Gleichrichter Wechselstrom Drehspulmesswerk mit Thermoumformer Gleich- und Wechselstrom DrehspulQuotientenmesswerk Lagezeichen Dreheisenmesswerk Gebrauchslage Elektrostatische Messwerk senkrechte Gebrauchslage Hitzdrahtmesswerk waagrechte Gebrauchslage Elektrodynamisches Messwerk schräge Gebrauchslage Neigungswinkel z.B. 60° Eisengeschlossenes elektrodynamisches Messwerk Sinnbild Prüfspannungszeichen Induktionsmesswerk Prüfspannung Vibrationsmesswerk Prüfspannung 500 V Sinnbild Prüfspannug höher als 500 V z.B. 2000 V Bimetallmesswerk Beispiel 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Sinnbild Achtung Gebrauchsanweisung beachten Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.2.6 Seite 22-20 Aufbau und Funktionsprinzip Zeigermessgeräte Die meisten Messwerke eignen sich für Ampere- und Voltmeter. Während die wenig Ampéremeter eine Spule mit Windungen eines Drahtes besitzen, haben die Spulen des Voltmeters eines sehr dünnen viele Drahtes und besitzen somit einen dicken Windungen hohen Widerstand. Gleichartige Messwerkausführungen benötigen die gleiche Durchflutung (Θ = I ⋅ N). 22.2.6.1 Drehspulmesswerk Im homogenen Magnetfeld eines kräftigen Dauermagneten Magnetpol Spule 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 Richtung abgelenkt wird. Aufbau des Drehspulmesswerkes 07. Oktober 2010 www.ibn.ch 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 Richtung abgelenkt wird. Damit der Luftspalt klein wird, werden die Weicheisenpole entsprechend geformt. Im Spulenholraum wird eine Eisenwalze eingesetzt, die von aussen fixiert ist. Die Stromzu- und fortführung zur Drehspule erfolgt über Bronzespiralen oder Spannband, die auch zur Erzeugung des Gegendrehmomentes dient. Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Wird die Polarität erfolgt der Ausschlag in Seite 22-21 an den Instrumentenklemmen geändert, 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 Geringer Eigenverbrauch Fremdfeld unempfindlich Bewegte Spule und Stromzufuhr Lageabhängig Grösse Überlastempfindlich 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.2.6.2 Seite 22-22 Dreheisen Messwerk (Weicheiseninstrument) Wird die Spule in der nebenstehenden Skizze erregt, werden die zwei Weicheisenstifte gleichpolig magnetisiert und stossen sich gegenseitig ab; dies ist sowohl bei Gleichals auch bei Wechselstrommagnetisierung der Fall. Nach diesem Prinzip arbeitet das Dreheisenmesswerk. Wird die Spule erregt werden die festen Weicheisenplätchen und der drehbare Weicheisenflügel gleichpolig magnetisiert und stossen sich gegenseitig ab. Dieses Messwerk funktioniert somit auch beim Anschluss an Wechselspannung. Je nach der Wicklung erhalten wir Volt- oder Amperemeter. Vor- und Nachteile des Dreheisenmessinstrumentes Vorteile: Nachteile: Robust, keine bewegliche Spule. Hoch belastbar für Gleichund Wechselspannung. Nicht sehr empfindlich Hoher Eigenverbrauch Fremdfeldempfindlich 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22-23 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 Dauermagneten 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 Polarität 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 elektrodynamisches Kreuzspulenmesswerk verwendet. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.2.6.4 Seite Anschlüsse Analog-Messgeräte 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 07. Oktober 2010 www.ibn.ch 22-24 Gemeinsamer Anschluss für alle Messbereiche (Masse) Anschluss für höchsten Strommessbereich „+15 A“ Anschluss für Widerstands- und Kapazitätsmessung Anschluss für höchsten Gleichspannungsmessbereich +1000 V Anschluss für alle Spannungsbereiche Anschluss für alle Strombereiche Anschluss für Strombereich 10A Messbereichsschalter Potentiometerdrehknopf für Einstellung des Endausschlages Mechanische Nullpunktskontrolle Batterie eingebaut Sicherungen eingebaut Verwendungsangaben Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.3 Seite 22-25 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 Mit Zifffernanzeige Analoganzeige Digitalanzeige (analog = entsprechend, gleichwertig) (digital = ziffernmässig) Prinzip Die Messgrösse wird: Die Messgrösse wird: Mittels elektronischem Mittels elektronischem Verstärker verarbeitet Verstärker verarbeitet, in und analog angezeigt digitale Form gewandelt (siehe Analoginstrumente) und digitale angezeigt 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22-26 Die bis jetzt behandelten Messinstrumente zeigen den Messwert analog an. Bei den digitalen Anzeigen wird der Messwert direkt in Ziffern, fast allgemein in Dezimalzahlen, 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 Wandlung nötig. Denn: Jede Messgrösse trift in analoger Form auf! Analoger Messwert Anzahl Impulse Die Wandlung erfolgt mittels elektronischer Analog-Digital-Wandlern. (analog-digital-converter) 07. Oktober 2010 www.ibn.ch AD-Wandler, AD-Umsetzer, ADC Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22-27 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 Hauptsächlich verwendeten Verfahren sind: Sägezahnverfahren Dual-Slope-Verfahren 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Rampenwandler Doppelrampenwandler Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.3.1.5 Seite 22-28 Wirkungsweise des einfachen Rampenwandlers Blockschema Zeigerdiagramm: Die Zeit Wandlungszeit τ ist Also ist der Messung UM ! Anzahl Impulse Mass für Messspannung Doppelrampenwandler 07. Oktober 2010 www.ibn.ch proportional aufwendiger, grössere Genauigkeit Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.3.1.6 Seite 22-29 Digitalvoltmeter, DVM Blockschema: Wirkungsweise: Die vom AD-Wandler erzeugte, der Messspannung Impulsreihe proportionale 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 22.3.1.7 Anzeige Bei Gleichspannung Bei Wechselspannung (sinusförmig) 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Ausgang, digitaler Messwert Linearer Mittelwert Effektivwert Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22.3.2 Anschluss und Anzeige digitale Multimeter 22.3.2.1 Anschlüsse Analog-Multimeter 22-30 Merke: Beim digitalen Ampéremeter wird der gemessene Strom in eine Spannung umgewandelt. Also ist im Inneren eines Multimeters eigentlich nur ein digitales Voltmeter. Anzeige: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ein/Aus-Schalte Messbereichsschalter Buchse für Netzadapter Flüssigkeitskristallanzeige (LCD) Batteriefachdeckel Anschlussbuchse „+10 A“ für höchsten Strombereich Schmelzsicherung für Messkreis Anschlussbuchse für alle Messbereich ausser Bereich 10 A Anschlussbuchse für alle Messbereiche Öse für Tragriemenbefestigung 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.3.2.2 22-31 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. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Seite 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Gemeinsamer Anschluss für alle Messbereiche (Masse) Anschluss für höchsten Strommessbereich „+15 A“ Anschluss für Widerstands- und Kapazitätsmessung Anschluss für höchsten Gleichspannungsmessbereich Anschluss für alle Spannungsbereiche Anschluss für alle Strombereiche Anschluss für Strombereich 10A Messbereichsschalter Batterie eingebaut Sicherungen eingebaut LCD-Anzeige Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.3.3 Messfehler digitaler Messinstrumente 22.3.3.1 Relativer Fehler 22.3.3.2 Absoluter Fehler 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Seite 22-32 Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.4 Seite 22-33 Widerstandsmessung (Ohmmeter) 22.4.1 Die direkte Widerstandsmessung Schaltung: Berechnung und Darstellung der Abhängigkeit Rx: RV RX =1 0 0 0 Ω V UV UV R = V UX RX UX R X = RV ⋅ + - RV ⋅ U 0 =2 0 V UX UV U −1 UV Ein Drehspul-Messwerk wird in Serie zu dem zu messenden Widerstand geschaltet. 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 ∞ Ohm : 07. Oktober 2010 www.ibn.ch klein Der Widerstand ist sehr gross Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.4.2 Seite 22-34 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 Wasserdruck, hört die Strömung in diesem Verbindungsrohr 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 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22-35 Mit Hilfe der bildlichen Darstellung des Flussverlaufes kann man auch eine elektrische Schaltung aufbauen; die sogenannte: Brückenschaltung: Nach diesem Prinzip arbeitet die Wheatstonsche Brücke. An Stelle der Hahnen treten Widerstände, die so lange ferändert werden, bis das Amperemeter (Galvanometer) keinen Strom mehr anzeigt. Zur Widerstandsmessung nach Wheatston 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: Ist im µA-Meter = 0A so sagt man auch: Darstellung der Verhältnisse: 07. Oktober 2010 www.ibn.ch R1 = R2 , Rb = R X DIE BRÜCKE IST ABGEGLICHEN U X U1 RX R1 = ⇒ = Ub U2 Rb R2 R RX = Rb ⋅ 1 R2 Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.4.3 Seite 22-36 Die Isolationsmessung Die Isolationsmessung wird mit einem speziallen Ohmmeter, welches eine hohe Messspannung und hochohmige Messbereiche aufweist, gemessen. Die Isolatiosprüfung wird mit durchgeführt. Gleichspannung Laut SN SEV 1000:2005 müssen die Isolationswiderstände bei Neuanlagen folgenden Werten entsprechen, wenn die Geräte nicht angeschlossen sind: Neuanlagen bestehende Anlagen (6.1.3.3.2) (6.1.3.3.3 B+E) StromkreisNennspannung [V] ≤ 300 V gegen Erde Prüfgleichspannung Isolationswiderstand Isolationswiderstand [Ω] [V] [V] [Ω] Trocken und feuchte Räume 1) ≥ 250´000 SELV und PELV 250 ≥ 250´000 ≥ 50´000 50 V - ≤ 500 V 500 ≥ 500´000 > 500 V 1000 ≥ 1´000´000 Nassse und korrosive Räume Trocken und feuchte Räume 1) Nassse und korrosive Räume 2) 1) Prüfgleichspannung [V] 2) > 300 V gegen Erde StromkreisNennspannung Prüfen mit Nennspannung der Anlage ≥ 500´000 ≥ 250´000 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. 2. 3. 4. 5. 6. Messgerät Kunden Sicherungen Spannungslosigkeit Neutralleitertrenner Messung (Reihenfolge) Prüfen (Batterie) und Eichen (Nullabgleich) Avisieren (wenn notwendig) Entfernen (ausschalten) Feststellen Öffnen Brücken einlegen (Polleiter – PE, Neutralleiter – PE) Schaltung der Isolations-Messung siehe auch NIN Kapitel 17 „Prüfen und Messen“ 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22-37 Schema der Isolationsmessung Isolationsmessgerät Aufgabe Zeichnen Sie ein detailiertes Schema eines Hausanschlusskastens 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. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.5 Spezialmessgeräte 22.5.1 Bimetallmesswerk Seite 22-38 Das Hitzedrahtmesswerk, wo die Verlängerung eines stromdurchflossenen Edelmetalldrahtes auf einen Zeiger übertragen wird, ist heute kaum mehr in Anwendung. Bimetallmesswerke haben für Spezialzwecke Eingang gefunden. Eine Bimetallspirale 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 Zeiger den Nennwert des Stromes anzeigt. Während die üblichen Messwerke den Stromschwankungen (Anlaufströme von Motoren usw.) rasch folgen können, zeigen diese Instrumente den durchschnittlichen Strom während 15 Minuten an. Dies ist wichtig bei der Belastungsmessung von Transformatoren usw. Nicht kurzzeitig hohe Stromspitzen erwärmen die Anlage, sondern der Mittelwert des Stromes während einer 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 Ablesung geflossen ist und zwar den Strom der länger als 15 Minuten diesen Mittelwert erreicht hatte. Mit dem Drehknopf wird der Schleppzeiger wieder auf Null zurückgestellt. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.5.2 Seite 22-39 Zangenamperemeter Zangenamperemeter sind Stromwandler mit einem Kern, der wie eine Zange geöffnet werden kann. Bei der Messung wird der Leiter mit der „Zange“ umfasst und der Kern geschlossen. 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 Übersetzungsverhältnis 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. Werden dem Messwerk Vorwiderstände vorgeschaltet, sind an separaten Klemmen zusätzlich auch Spannungsmessungen möglich. Bild 22.11.02.01 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.5.3 Seite 22-40 Schreibende Messinstrumente Um bei Versuchen die Messwerte nicht dauernd notieren zu müssen oder in Fabriken, Kraftwerken usw. die Messwerte dauernd festzuhalten, werden schreibende 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 umgewandelt werden. Ein Uhrwerk oder ein Synchronmotor sorgt für den Vorschub des Registrierpapier. Vorschub meist 2 cm pro Stunde. (Für Überwachungszwecke in Kraftwerken; für Labormessungen z.T. auch wesentlich rascherer Papierlauf.) Punktschreiber Mehrfach-Punktschreiber zur Aufzeichnung verschiedener Messwerte in zeitlich kurzen Abstände (Siemens) Linienschreiber 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.6 Seite 22-41 Der Kathodenstrahl-Oszillograph (Braun’sche Röhre) 22.6.1 Aufbau des Kathodenstrahl-Oszillographen (KO) (Schwingungsseher) Das Elektronenstrahl-Oszilloskop dient zum Messen und zur bildlichen Darstellung der gegenseitigen Abhängigkeit zweier Grössen, z.B. einer Wechselspannung abhängig von der Zeit. 1 2 3 Karl Ferdinand Braun Deutscher Physiker 1850 - 1918 5 4 P3 P2 K f P1 f W a1 a2 P4 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22-42 22.6.1.1 Funktionsweise Aus dem Heizwendel treten Elektronen in die Luftleere Röhre ein. Mit der Helligkeitssteuerung (mehr oder weniger Elektronendurchlass) und Strahlbündelung (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 Gleichspannung an Y3 X2 - X1 + X-Platte Punktablenkung Y4 seitwerts (rechts) Y3 Gleichspannung an X2 Y-Platte X1 Punktablenkung + Y4 nach unten Sägezahnspannung an Y3 X2 - X1 + X-Platte Strich horizontal Y4 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Y3 ∼ Seite 22-43 Wechselspannung ab X2 Y-Platte X1 Y4 Strich senkrecht ∼ Y3 ∼ Wechselspannung ab X2 Y-Platte X1 Sägezahn an X-Platte Y4 ∼ Sinuskurve Aufgabe: An der Y-Platte eines KO wird eine Gleichspannung angelegt und an der XPlatte ein Sähezahn. Welches Bild ist auf dem KO ersichtlich? Es entsteht eine Gleichspannung welche auf der YAchse 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. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.6.2 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Seite 22-44 Der Kathodenstrahl-Oszillograph Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.6.3 Seite 22-45 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 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.7 Seite 22-46 Kurzschlussmessung Zur Überprüfung der Überstromschutzorgane muss in einer Anlage der minimalste 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 T TN-C-Netz Nullung N C 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Betriebserdung in der Transformatorenstation (T = „terre“ = Erde) Körper des Verbrauchers direkt und unabhängig bestehender Erdungen des Verteilnetzes geerdet Körper des Verbrauchers direkt mit der Erdung des Verteilnetzes verbunden PE- und N-Leiter kombiniert zun PEN-Leiter Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK TN-S-Netz Nullung T N S Nullung C-S Kombination aus TN-S und TN-C IT-Netz Isoliertes Netz I 07. Oktober 2010 www.ibn.ch 22-47 Betriebserdung in der Transformatorenstation (T = „terre“ = Erde) Körper des Verbrauchers direkt mit der Erdung des Verteilnetzes verbunden PE- und N-Leiter separate Leiter TN-C-S T Seite Entweder Isolierung aller aktiven Teile von Erde oder Verbindung eines Netzpunktes mit Erde über einen hochohmige Impe Körper des Verbrauchers direkt mit der Erdung des Verteilnetzes verbunden Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22.7.2 Schleifenimpedanz im genullten Netz 22.7.3 Messung des Schleifenwiderstandes 22-48 Messprinzip bei der Messung des Schleifenwiderstandes Prinzipschaltung des Schleifenimpedanzprüfers UNI-AZ2 von Zettler 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.8 Seite 22-49 Messen von Leistung und Arbeit Wenn die Energiemessung betrachtet wird, so muss prinzipiell die Leistungsmessung betrachtet werden und daraus kann die Energiemessung ableitet 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 (jeder Leiter führt dieselbe Leistung zum Verbraucher) genügt ein Wattmeter. Die Gesamtleistung ist dann dreimal so gross wie die Angabe des Wattmeters. L1 L2 L3 P Drehstrom-Leistungsmessung bei symmetrischer Belastung mit Neutralleiter Ptot = 3⋅ P N 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.8.1.2 Seite 22-50 Leistungsmessung mit Zwei-Wattmeter-Methode (Aronschaltung) Es handelt sich hier um eine einfache, aber geniale Schaltung für Leistungsmessung ohne Neutralleiter. Wie bei einer zweidrähtigen Leitung ist bei einer Drehstromanlage die Summe der zu- und wegfliessenden Ströme in jedem Moment null Ampére. Daraus kann abgeleitet werden: Gl. 1) I L1 + I L 2 + I L 3 = 0 Gl. 2) I L 2 = − I L1 − I L 3 (Prinzip Summenstromwandler im FI) Leistungsberechnung: Gl. 3) P = U L1 ⋅ I L1 + U L 2 ⋅ I L 2 + U L 3 ⋅ I L 3 Einsetzen der Gl. 2) in Gl. 3): P = U L1 ⋅ I L1 + U L 2 (− I L1 − I L 3 ) + U L 3 ⋅ I L 3 P = U L1 ⋅ I L1 − U L 2 ⋅ I L1 − U L 2 ⋅ I L 3 + U L3 ⋅ I L 3 P = I L1 ⋅ (U L1 − U L 2 ) + I L 3 ⋅ (U L 3 + U L 2 ) P = P1 + P2 Wir benötigen zwei Wattmeter, deren Messwerte addiert die Leistungsaufnahme des Drehstromverbrauchers ergeben. Bei ohmischer Belastung zeigen beide Wattmeter bei symmetrischer Belastung (Strom in jedem Leiter gleich gross) gleich viel an. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22-51 Wird ein Motor angeschlossen, zeigen uns die Wattmeter verschiedene Werte an. Wird der Leistungsfaktor cosϕ=0,5 unterschritten, macht das eine Messgerät einen negativen Ausschlag. P1 L1 Drehstrom-Leistungsmessung ohne Neutralleiter Ptot = P1 + P2 L2 L3 P2 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. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22-52 Für die Energiemessung in Hochspannungsanlagen findet die Zwei-WattmeterMethode allgemein Anwendung. Für die Speisung des Spannungs- und Strompfades sind Wandler notwendig. K L1 k L l L2 L K L3 U k V u U v u l V v Energiemessung Leistungsmessung K = Kraftwerkseite L = Verbraucherseite Leistungsmessung bzw. Energiemessung in Hochspannungsanlagen mit Messwandlern nach der für diesen Zweck allgemein üblichen Zwei-WattmeterMethode. Die Spannungswandler bilden eine „V-Schaltung“; einen Teil einer ∆Schaltung. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.8.1.3 Seite 22-53 Leistungsmessung mit Drei-Wattmeter-Methode Die Leistungsmessung mit drei Wattmetern ist erforderlich, wenn der Neutralleiter nachgeführt wird, was in Niederspannungsnetzen der Fall ist. L1 P1 Drehstrom-Leistungsmessung mit Neutralleiter Ptot = P1 + P2 + P3 L2 P2 L3 P3 N Für die Energiemessung in Niederspannungsanlagen findet die Drei-WattmeterMethode allgemein Anwendung. Für die Speisung des Strompfades sind bei grösseren Strömen Wandler notwendig (Funktionsweise siehe Transformatoren). 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.8.2 Seite 22-54 Der Energie-Zähler Bei der näheren Betrachtung des Energie-Zählers kann man wie folgt unterteilen: - 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 ⋅ cosϕ ⋅ t 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 werden in einer Minute ausgeführt, sie entsprechen einer Energiemenge von 1/60 kWh. Es ist nun noch eine mechanische Übersetzung zwischen Motoranker und Zähler einzufügen, das in einer Stunde 60 mal diese 100 Umdrehungen auf dem Zählwerk als Einheit, 1 kWh, überträgt. Auf dem Leistungsschild des Zählers ist die Zählerkonstante angegeben, die aussagt, nach wieviel Ankerumdrehungen 1 kWh Energie verbraucht wurde. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK Seite 22-55 Für Energiemessungen in Wechselstromanlagen findet heute noch am meisten das Induktionsmesswerk Anwendung, die nach dem Ferrarisprinzip arbeiten. Diese haben den Vorteil, dass zum rotierenden Teil -einer Aluminiumscheibekeine 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 genannt) 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 deren 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 Einphasenzählers. Unter der Aluminiumscheibe sind die Stromspulen und darüber liegt die Spannungsspule. Der Dauermagnet wirkt als Wirbelstrombremse Bild Vierleiterzählers: Montiert sind drei Aluminiumscheiben auf gemeinsamer Welle. Die Strom und Spannugsspulen sind in Kunstharz eingegossen (Doppeltarifzähler). 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.8.2.2 Seite 22-56 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. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.8.2.3 Seite 22-57 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. 3600 ⋅ n P= C ⋅t n t P C Umdrehungen der Ankerscheibe Zeit für n Umdrehungen in s Leistung in kW Umdrehungen pro kWh Beispiel 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.8.3 Seite 22-58 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) 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.8.3.2 Seite 22-59 Anschlussprinzip kVArh-Zähler Messprinzip der Blindarbeit, welche bei induktiven Verbrauchern entsteht. Bei „verschalteten Messwerken“ kann die Blindleistung in Drehstromanlagen gemessen werden. Der Neutralleiter wird durchgeführt. Es muss in jedem Messwerk eine Phasenverschiebung von 90° erreicht werden. (Der angezeigte Wert ist mal zu gross) 3 Dieser Faktor wird bei analogen Messystemen über die Skalenbeschriftung und bei digitalen Messsystemen über Anzeige korrigiert. 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Version 4 EST 22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK 22.8.4 07. Oktober 2010 www.ibn.ch Seite 22-60 Energiemessung in NS-Anlagen mit Stromwandlern Version 4
