Messinstrumente Messtechnik

ES
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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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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.
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Der Autor wünscht, dass alles reproduziert wird.
Vielen Dank für eine Rückmeldung, ihre Anregungen und Ergänzungen.
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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:
Beispiele für Vergleiche von:
Es werden drei Arten von Messwert-Anzeigen unterschieden:
a)
b)
c)
Elektrische Messgeräte dienen dem Messen, d.h. dem zahlenmässigen Bestimmen elektrischer Grössen wie Spannung, Strom, Leistung und Frequenzen.
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
Schemasymbol
Strom
kleine Ströme
Widerstand
IsolationsWiderstand
ErdungsWiderstand
Leistung
Arbeit
Frequenz
Phasenverschiebung
Phasenfolge
Beleuchtungsstärke
Die wichtigsten Messwerte sind hervorzuheben!
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
1 km
=
1 GWh
=
=
1 MΩ
=
=
1 µA
=
=
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=
=
10-3 m
=
=
106 W
=
=
103 A
=
=
20x103 V
=
1000 m
=
=
1 000 A
=
=
=
=
0,002 Ω
60 000 kW
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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.
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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
Prinzipielles Vorgehen bei der Benutzung von Messgeräten:
1
2
3
4
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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)
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK
Seite
22-9
22.1.6.2 Messbereichserweiterung für Strommessung
(Shuntwiderstand, Parallelwiderstand oder Nebenwiderstand)
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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.
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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).
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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
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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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
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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.
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
Teile an Messinstrumenten und deren Benennung
Skala:
Zeiger:
Spule:
Eisenkern:
Luftkammer
und Flügel:
Stabilisiert den Zeigerausschlag (Dämpfer)
Spiralfeder:
Vergleichs- oder Gegenkrafterzeugung
Lagerung:
Spitzen- oder Bandlagerung (geringe Reibung)
Messwerk:
Messinstrument:
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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
Genauigkeitsklassen von Messgeräten
Präzisions- oder FeinBetriebsmessgeräte
messgerät
Klassenindex
Zulässiger Fehler [ % ] ∗
∗ 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.
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Zunahme der Messfehler im unteren Messbereich (Instrumenten Güteklasse 2,5). Bei -2,5%
Fehler erhält man eine spiegelbildliche Kurve.
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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.
Für M kann jede beliebige Grösse eines Messgerätes eingesetz werden.
22.2.4.2
∆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.
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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?
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22
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22.2.5
Seite
22-19
Aufschriften bei analogen Messinstrumenten
Ausser der Skalenbeschriftung (Messbereich) ist ein Messgerät noch durch folgende Angaben zu kennzeichnen:
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
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Sinnbild
Achtung
Gebrauchsanweisung beachten
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK
22.2.6
Seite
22-20
Aufbau und Funktionsprinzip Zeigermessgeräte
Die meisten Messwerke eignen sich für Ampere- und Voltmeter. Während die
Ampéremeter eine Spule mit
Windungen eines
Drahtes besitzen, haben die Spulen des Voltmeters
eines sehr
Windungen
Drahtes und besitzen somit einen
Widerstand. Gleichartige Messwerkausführungen benötigen die gleiche
Durchflutung (Θ = I ⋅ N).
22.2.6.1
Drehspulmesswerk
Im homogenen Magnetfeld eines kräftigen
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
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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.
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK
Wird die
Seite
22-21
an den Instrumentenklemmen geändert,
erfolgt der Ausschlag in
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
vorgeschaltet werden.
Gleichrichterschaltung
Symbol
Vor- und Nachteile des Drehspulmessinstrumentes
Vorteile:
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Nachteile:
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22.2.6.2
Seite
22-22
Dreheisen Messwerk
Wird die Spule in der nebenstehenden Skizze erregt, werden die zwei Weicheisenstifte gleichpolig
magnetisiert und stossen sich gegenseitig ab;
dies ist sowohl bei
als auch
bei
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
Je nach der Wicklung erhalten wir Volt- oder Amperemeter.
Vor- und Nachteile des Dreheisenmessinstrumentes
Vorteile:
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Nachteile:
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
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.
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22.2.6.4
Seite
Anschlüsse Analog-Messgeräte
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
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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
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
(analog = entsprechend,
gleichwertig)
(digital = ziffernmässig)
Prinzip
Die Messgrösse wird:
Die Messgrösse wird:
(siehe Analoginstrumente)
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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:
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
Form auf!
Die Wandlung erfolgt mittels elektronischer Analog-Digital-Wandlern.
(analog-digital-converter)
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK
Seite
22-27
22.3.1.3 Elektronische Wandlung
Ein messtechnisches Problem stellt sich, da die Werterfassung bei
Messgrössen durchgeführt
werden muss.
Die Wandlung erfolgt in gewissen, zeitlichen Abständen. Es entsteht eine
Messwertanzeige die sich
(flackern).
Deshalb:
(Bei Gleich- und Wechselspannung)
Methoden:
22.3.1.4 Wandlungsverfahren
Zur AD-Wandlung stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Die Hauptsächlich verwendeten Verfahren sind:
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK
22.3.1.5
Seite
22-28
Wirkungsweise des einfachen Rampenwandlers
Blockschema
Zeigerdiagramm:
Die Zeit Wandlungszeit τ ist
der Messung UM !
Also ist
Doppelrampenwandler
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK
22.3.1.6
Seite
22-29
Digitalvoltmeter, DVM
Blockschema:
Wirkungsweise:
Die vom AD-Wandler erzeugte, der Messspannung
wird vom Zähler ausgezählt. Sein Stand wird auf einen
Zwischenspeicher überschrieben; die anstehende Zahl ist
ist verschlüsselt (binary-code-decimal BCD).
Der nachfolgende Decoder besorgt die
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)
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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.
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1
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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
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK
22.3.3
Messfehler digitaler Messinstrumente
22.3.3.1
Relativer Fehler
22.3.3.2
Absoluter Fehler
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Seite
22-32
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK
22.4
Seite
22-33
Widerstandsmessung
(Ohmmeter)
22.4.1
Die direkte Widerstandsmessung
Schaltung:
Berechnung und Darstellung der Abhängigkeit Rx:
Ein Drehspul-Messwerk wird in Serie zu dem zu messenden Widerstand geschaltet.
Je kleiner die Spannung am Voltmeter ist, umso
der
der zu messende Widerstand.
Dadurch entsteht eine direkte Abhängigkeit zwischen Voltmeterausschlag und
zu messender Widerstand.
Die Skala des Voltmeters wird nach
Zu beachten sind die Skalaposition 0 Ohm und ∞ Ohm:
0 Ohm :
∞ Ohm :
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK
22.4.2
Seite
22-34
Die indirekte Widerstandsmessung
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
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:
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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:
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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.
Laut SN SEV 1000:2005 müssen die Isolationswiderstände bei Neuanlagen folgenden Werten entsprechen, wenn die Geräte nicht angeschlossen sind:
bestehende
Anlagen
Neuanlagen
(6.1.3.3.2)
(6.1.3.3.3 B+E)
StromkreisNennspannung
[V]
≤ 300 V
gegen Erde
Prüfgleichspannung
Isolationswiderstand
[V]
[Ω]
Trocken und
feuchte Räume 1)
Prüfgleichspannung
[V]
[V]
Isolationswiderstand
[Ω]
SELV und PELV
Nassse und
korrosive Räume
50 V - ≤ 500 V
2)
> 300 V
gegen Erde
StromkreisNennspannung
Trocken und
feuchte Räume 1)
> 500 V
Nassse und
korrosive Räume
2)
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.
2.
3.
4.
5.
6.
Messgerät
Kunden
Sicherungen
Spannungslosigkeit
Neutralleitertrenner
Messung (Reihenfolge)
Schaltung der Isolations-Messung siehe auch NIN Kapitel 17 „Prüfen und Messen“
07. Oktober 2010
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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.
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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.
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
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4
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK
Seite
22.6
Der Kathodenstrahl-Oszillograph
22.6.1
Aufbau des Kathodenstrahl-Oszillographen (KO)
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
22-41
Karl Ferdinand
Braun
Deutscher
Physiker
1850 - 1918
5
4
P3
P2
K
f
P1
f
W
a1
a2
P4
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
22.6.1.3
Typische KO-Bilder
Y3
X2
-
X1
+
Y4
Y3
X2
X1
+
Y4
Y3
X2
-
X1
+
Y4
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK
Y3
Seite
22-43
∼
X2
X1
Y4
∼
Y3
∼
X2
X1
Y4
∼
Aufgabe:
An der Y-Platte eines KO wird eine Gleichspannung angelegt und an der XPlatte ein Sähezahn. Welches Bild ist auf dem KO ersichtlich?
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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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK
22.6.2
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Seite
22-44
Der Kathodenstrahl-Oszillograph
Version
4
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
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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
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK
TN-S-Netz Nullung
Seite
T
N
S
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
Nullung
C-S Kombination aus TN-S und TN-C
IT-Netz
Isoliertes Netz
I
T
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22-47
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
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22
ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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.
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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.
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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.
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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).
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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.
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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).
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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.
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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.
n
t
P
C
Umdrehungen der Ankerscheibe
Zeit für n Umdrehungen in s
Leistung in kW
Umdrehungen pro kWh
Beispiel
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
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EST
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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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
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MESSINSTRUMENTE, MESSTECHNIK
22.8.4
07. Oktober 2010
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Seite 22-60
Energiemessung in NS-Anlagen mit Stromwandlern
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