Messsysteme
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1 2 Drehspulinstrument: Leiter im Magnetfeld Magnet N 2 Messsysteme Leiter 2.1 Die klassischen Messgeräte 2.1.1 Drehspulinstrument 2.1.2 Elektrodynamisches Instrument 2.1.3 Dreheiseninstrument 2.2 Modell für moderne Messsysteme I F l B Lorentzkraft: r r r F =e v×B ( ) Kraft auf stromdurchflossenen Leiter, senkrecht zum Magnetfeld: F = I ⋅ B ⋅l B: Betrag der magnetischen Flussdichte I : Strom l : Länge S 3 4 Drehspulinstrument Länge l Windungsanzahl n α B N Permanentmagnet Luftspalt S r i Feder (trägt Spule, führt Strom zu) Spule auf Spulenrahmen Drehspulinstrument • Feststehender Dauermagnet • Radiales Magnetfeld in Luftspalt • Drehbar gelagerte Spule um Weicheisenkern (hohe Permeabilität, keine permanente Magnetisierung) • Spule mit rechteckigem Spulenrahmen • Breite: 2r • Höhe: l • Windungszahl: N Länge l Windungsanzahl n α B N Permanentmagnet Luftspalt S r i Feder (trägt Spule, führt Strom zu) Spule auf Spulenrahmen 5 6 Drehspulinstrument Drehspulmeßwerk Elektromagnetisch bedingtes Drehmoment der Spule Me N: Wicklungen r: Hebellänge M e = N I B l 2r Dem entgegengesetzt: Drehmoment der Rückstellfeder Mg D: Federkonstante α: Winkel M g = - Dα Symbol Aus Gleichgewichtsbedingung Me + M g ⇒ α= ∩ = 0 N B l 2r I D ⇒ α~I • α ist proportional zum Strom und abhängig von Stromrichtung • Wechselstrom z.B. 50 Hz : kein Ausschlag 7 8 Galvanometer: Spiegelgalvanometer Spiegel N S Schleifengalvanometer, besonders geringe Masse, bis zu Permanentes fg = 20 kHz Magnetfeld Elektrodynamisches Messwerk α ~ I1 ⋅ I 2 feststehende Spule Symbol Spule I1 Zugfeder Lichtstrahl I2 Weicheisenkern Drehspule hochpermeabler Weicheisenkern 9 Elektrodynamisches Messwerk 10 Dreheiseninstrument: Prinzip • Ähnlich wie Drehspulinstrument: Bewegliche, vom Messstrom durchflossene Drehspule • Magnetfeld wird von zweiter, feststehender Spule, der sog. Feldspule erzeugt • Magnetische Flussdichte ist proportional zum Strom I1 • Ausschlag ist wie beim Drehspulinstrument proportional zu B (B ~ I1) und I2 • ⇒ Ausschlagwinkel α α ~ I1 ⋅ I 2 • Multiplizierendes Instrument • Haupteinsatzgebiet: Leistungsmessung Spule drehbar gelagertes Weicheisen feststehendes Weicheisen 11 Dreheiseninstrument α ~ I² Symbol 1 2 3 4 Feldspule Bewegliche Eisenplatte Feststehende Eisenplatte Flügel zu Luftdämpfung 12 Dreheiseninstrument • Feststehende Spule • Im Feld der Spule werden Eisenplatten gleichsinnig magnetisiert • Magnetisierte Platten stoßen sich ab • Kraft ist proportional zum Quadrat der von der Spule erzeugten magnetischen Induktion • Magnetische Induktion ist proportional zum Strom durch die Spule • Linearisierung durch geeignete Form der Bleche möglich • Geeignet für Gleich- und Wechselstrom 13 14 Verstärker/ Filter Analoges Signal Analoges Signal AnalogDigital Umsetzer Digitales Signal Zeit: Kontinuierlich Amplitude: Kontinuierlich Zeit Zeit: Kontinuierlich Amplitude: Diskret (Quantisiert) Zeit Zeit: Diskret (Abgetastet) Amplitude: Kontinuierlich Zeit Abtastung Messwert Sensor Datenanalyse / Anzeige (z.B. PC) Messwert Messgröße (Physikalische Größe) Quantisierun g Messwert Messobjekt Messwert Analoge und Digitale Signale Modell eines modernen Messsystems Zeit: Diskret (abgetastet) Amplitude: Diskret (Quantisiert) Zeit
