Amperemeter – Wikipedia

Posted on by

Gerät zum Messen von elektrischem Strom

Vorführmodell eines Dreheisen-Amperemeters. Wenn der Strom durch die Spule zunimmt, wird der Kolben weiter in die Spule hineingezogen und der Zeiger schwenkt nach rechts aus.

Ein Amperemeter (Abkürzung von Amperemeter) ist ein Messgerät zum Messen des Stroms in einem Stromkreis. Elektrische Ströme werden in Ampere (A) gemessen, daher der Name. Das Amperemeter wird normalerweise in Reihe mit dem Stromkreis geschaltet, in dem der Strom gemessen werden soll. Ein Amperemeter hat normalerweise einen niedrigen Widerstand, damit es keinen signifikanten Spannungsabfall im gemessenen Stromkreis verursacht.

Geräte zur Messung kleinerer Ströme im Milliampere- oder Mikroampere-Bereich werden bezeichnet als Millimeter oder Mikroamperemeter. Frühe Amperemeter waren Laborinstrumente, die für den Betrieb auf das Erdmagnetfeld angewiesen waren. Ende des 19. Jahrhunderts wurden verbesserte Instrumente entwickelt, die in jeder Position montiert werden konnten und genaue Messungen in elektrischen Energiesystemen ermöglichten. Es wird im Allgemeinen durch den Buchstaben „A“ in einer Schaltung dargestellt.

Amperemeter vom Physik-Department der University of Dundee

Geschichte[edit]

Der Zusammenhang zwischen elektrischem Strom, Magnetfeldern und physikalischen Kräften wurde erstmals 1820 von Hans Christian Ørsted festgestellt, der beobachtete, dass eine Kompassnadel von der Nordrichtung abgelenkt wurde, wenn ein Strom in einem benachbarten Draht floss. Das Tangentialgalvanometer wurde verwendet, um Ströme mit diesem Effekt zu messen, wobei die Rückstellkraft, die den Zeiger in die Nullposition zurückführte, durch das Erdmagnetfeld bereitgestellt wurde. Dies machte diese Instrumente nur verwendbar, wenn sie auf das Erdfeld ausgerichtet waren. Die Empfindlichkeit des Instruments wurde durch zusätzliche Drahtwindungen erhöht, um den Effekt zu vervielfachen – die Instrumente wurden “Multiplikatoren” genannt.[1]

Das Wort Rheoskop als Detektor für elektrische Ströme wurde um 1840 von Sir Charles Wheatstone geprägt, wird aber nicht mehr zur Beschreibung elektrischer Instrumente verwendet. Das Wort Make-up ähnelt dem von Rheostat (auch von Wheatstone geprägt), die ein Gerät war, das verwendet wurde, um den Strom in einem Stromkreis einzustellen. Rheostat ist ein historischer Begriff für einen variablen Widerstand, der jedoch im Gegensatz zu Rheoskopen immer noch vorkommen kann.[2][3]

Einige Instrumente sind Panel-Meter, soll auf einer Art Bedienfeld montiert werden. Von diesen wird der flache, horizontale oder vertikale Typ oft als an . bezeichnet Kantenmesser.

Drehspule[edit]

Zu messender Leitungsstrom.
Feder mit Rückstellkraft
Diese Illustration ist konzeptionell; in einem praktischen Meter ist der Eisenkern stationär, und vordere und hintere Spiralfedern führen Strom zur Spule, die auf einem rechteckigen Spulenkörper getragen wird. Außerdem sind die Pole des Permanentmagneten Kreisbögen.

Das D’Arsonval Galvanometer ist ein Drehspul-Amperemeter. Es verwendet magnetische Ablenkung, bei der ein Strom, der durch eine Spule fließt, die sich im Magnetfeld eines Permanentmagneten befindet, eine Bewegung der Spule bewirkt. Die moderne Form dieses Instruments wurde von Edward Weston entwickelt und verwendet zwei Spiralfedern, um die Rückstellkraft bereitzustellen. Der gleichmäßige Luftspalt zwischen dem Eisenkern und den Permanentmagnetpolen macht die Auslenkung des Zählers linear proportional zum Strom. Diese Messgeräte haben lineare Skalen. Grundlegende Zählerbewegungen können eine Vollauslenkung für Ströme von etwa 25 Mikroampere bis 10 Milliampere aufweisen.[4]

Da das Magnetfeld polarisiert ist, wirkt die Messnadel für jede Stromrichtung in entgegengesetzte Richtungen. Ein Gleichstrom-Amperemeter ist daher empfindlich auf die Polarität, in der es angeschlossen ist; die meisten sind mit einem Pluspol gekennzeichnet, aber einige haben Mitte-Null-Mechanismen[note 1] und kann Ströme in beide Richtungen anzeigen. Ein Drehspulmesser zeigt den Durchschnitt (Mittelwert) eines sich ändernden Stroms an,[note 2] was null für AC ist. Aus diesem Grund sind Drehspulzähler nur für Gleichstrom direkt verwendbar, nicht für Wechselstrom.

Diese Art der Zählerbewegung ist sowohl bei Amperemetern als auch bei anderen davon abgeleiteten Messgeräten wie Voltmetern und Ohmmetern sehr verbreitet.

Beweglicher Magnet[edit]

Drehmagnet-Amperemeter funktionieren im Wesentlichen nach dem gleichen Prinzip wie Drehspulen, außer dass die Spule im Messgerätgehäuse montiert ist und ein Permanentmagnet die Nadel bewegt. Drehmagnet-Amperemeter können größere Ströme als Drehspulinstrumente führen, oft mehrere zehn Ampere, da die Spule aus dickerem Draht hergestellt werden kann und der Strom nicht von den Spiralfedern getragen werden muss. Tatsächlich haben einige Amperemeter dieser Art überhaupt keine Spiralfedern, sondern verwenden einen festen Permanentmagneten, um die Rückstellkraft bereitzustellen.

Elektrodynamik[edit]

Ein elektrodynamisches Amperemeter verwendet einen Elektromagneten anstelle des Permanentmagneten des d’Arsonval-Uhrwerks. Dieses Instrument kann sowohl auf Wechsel- als auch auf Gleichstrom reagieren[4] und zeigt auch den wahren Effektivwert für AC an. Siehe Wattmeter für eine alternative Verwendung für dieses Instrument.

Dreheisen[edit]

Gesicht eines älteren Dreheisen-Amperemeters mit seiner charakteristischen nichtlinearen Skala. Das Amperemeter-Symbol aus Dreheisen befindet sich in der unteren linken Ecke des Messgeräts.

Dreheisen-Amperemeter verwenden ein Stück Eisen, das sich bewegt, wenn es von der elektromagnetischen Kraft einer festen Drahtspule einwirkt. Der Dreheisenzähler wurde 1884 vom österreichischen Ingenieur Friedrich Drexler erfunden.[5] Dieser Zählertyp reagiert sowohl auf Gleich- als auch auf Wechselstrom (im Gegensatz zum Drehspul-Amperemeter, das nur mit Gleichstrom arbeitet). Das Eisenelement besteht aus einem beweglichen Flügel, der an einem Zeiger befestigt ist, und einem feststehenden Flügel, der von einer Spule umgeben ist. Wenn Wechsel- oder Gleichstrom durch die Spule fließt und in beiden Flügeln ein Magnetfeld induziert, stoßen sich die Flügel ab und der bewegliche Flügel lenkt gegen die Rückstellkraft der feinen Schraubenfedern aus.[4] Die Auslenkung eines Dreheisenzählers ist proportional zum Quadrat des Stroms. Folglich haben solche Messgeräte normalerweise eine nichtlineare Skala, aber die Eisenteile werden normalerweise in ihrer Form modifiziert, um die Skala über den größten Teil ihres Bereichs ziemlich linear zu machen. Dreheiseninstrumente zeigen den Effektivwert jeder angelegten AC-Wellenform an. Dreheisen-Amperemeter werden häufig verwendet, um den Strom in Wechselstromkreisen mit industrieller Frequenz zu messen.

Heißdraht[edit]

In einem Hitzdraht-Amperemeter fließt ein Strom durch einen Draht, der sich bei Erwärmung ausdehnt. Obwohl diese Instrumente eine langsame Reaktionszeit und eine geringe Genauigkeit aufweisen, wurden sie manchmal bei der Messung von Hochfrequenzstrom verwendet.[4] Diese messen auch den wahren Effektivwert für einen angelegten Wechselstrom.

Digital[edit]

Ähnlich wie das analoge Amperemeter die Grundlage für eine Vielzahl von abgeleiteten Messgeräten, einschließlich Voltmetern, bildete, ist der grundlegende Mechanismus für ein digitales Messgerät ein digitaler Voltmeter-Mechanismus, und andere Arten von Messgeräten sind darauf aufgebaut.

Digitale Amperemeter-Designs verwenden einen Shunt-Widerstand, um eine kalibrierte Spannung proportional zum fließenden Strom zu erzeugen. Diese Spannung wird dann von einem digitalen Voltmeter unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) gemessen; die Digitalanzeige ist kalibriert, um den Strom durch den Shunt anzuzeigen. Solche Instrumente werden oft kalibriert, um nur den RMS-Wert für eine Sinuswelle anzuzeigen, aber viele Designs zeigen den wahren RMS innerhalb der Grenzen des Wellenscheitelfaktors an.

Integrieren[edit]

Ein integrierender Stromzähler, kalibriert in Amperestunden oder Ladung

Es gibt auch eine Reihe von Geräten, die als integrierende Amperemeter bezeichnet werden.[6][7] Bei diesen Amperemetern wird der Strom über die Zeit summiert, was das Produkt aus Strom und Zeit ergibt; die proportional zu der mit diesem Strom übertragenen elektrischen Ladung ist. Diese können verwendet werden, um Energie zu messen (die Ladung muss mit der Spannung multipliziert werden, um Energie zu ergeben) oder um die Ladung einer Batterie oder eines Kondensators abzuschätzen.

Picoamperemeter[edit]

Ein Pikoamperemeter oder Pikoamperemeter misst sehr niedrige elektrische Ströme, normalerweise vom Pikoampere-Bereich am unteren Ende bis zum Milliampere-Bereich am oberen Ende. Pico-Amperemeter werden verwendet, wenn der gemessene Strom unter den Empfindlichkeitsgrenzen anderer Geräte, wie z. B. Multimetern, liegt.

Die meisten Pikoamperemeter verwenden eine “virtuelle kurze” Technik und haben mehrere verschiedene Messbereiche, zwischen denen umgeschaltet werden muss, um mehrere Messdekaden abzudecken. Andere moderne Pikoamperemeter verwenden eine Logkompression und eine “Stromsenken”-Methode, die eine Bereichsumschaltung und damit verbundene Spannungsspitzen eliminiert.[8] Spezielle Design- und Verwendungsüberlegungen müssen beachtet werden, um Leckströme zu reduzieren, die Messungen überschwemmen können, wie z. B. spezielle Isolatoren und angetriebene Abschirmungen. Triaxialkabel werden häufig für Sondenverbindungen verwendet.

Anwendung[edit]

Die meisten Amperemeter sind entweder in Reihe mit dem Stromkreis geschaltet, der den zu messenden Strom führt (für kleine Bruchteile von Ampere) oder ihre Shunt-Widerstände sind in ähnlicher Weise in Reihe geschaltet. In beiden Fällen fließt der Strom durch das Messgerät oder (meistens) durch seinen Shunt. Amperemeter dürfen nicht direkt an einer Spannungsquelle angeschlossen werden, da ihr Innenwiderstand sehr gering ist und ein Überstrom fließen würde. Amperemeter sind für einen geringen Spannungsabfall an ihren Anschlüssen ausgelegt, viel weniger als ein Volt; die vom Amperemeter erzeugten zusätzlichen Stromkreisverluste werden als seine “Last” auf dem gemessenen Stromkreis bezeichnet.

Gewöhnliche Weston-Meterwerke können höchstens Milliampere messen, da die Federn und praktischen Spulen nur begrenzte Ströme führen können. Um größere Ströme zu messen, wird ein Widerstand namens a Shunt wird parallel zum Zähler platziert. Die Widerstände von Shunts liegen im Bereich von ganzzahligen bis zu Bruchteilen von Milliohm. Fast der gesamte Strom fließt durch den Shunt und nur ein kleiner Teil fließt durch das Messgerät. Dadurch kann das Messgerät große Ströme messen. Herkömmlicherweise hat das mit einem Shunt verwendete Messgerät einen Vollausschlag (FSD) von 50 mV, daher sind Shunts normalerweise so ausgelegt, dass sie einen Spannungsabfall von . erzeugen 50 mV wenn sie ihren vollen Nennstrom führen.

Ayrton-Shunt-Schaltprinzip

Um ein Mehrbereichs-Amperemeter herzustellen, kann ein Wahlschalter verwendet werden, um einen von mehreren Shunts über das Messgerät zu schalten. Es muss ein Trennschalter sein, um beim Umschalten der Bereiche schädliche Stromstöße durch die Zählerbewegung zu vermeiden.

Eine bessere Anordnung ist der von William E. Ayrton erfundene Ayrton-Shunt oder Universal-Shunt, der keinen Unterbrechungsschalter benötigt. Es vermeidet auch jede Ungenauigkeit aufgrund des Kontaktwiderstands. In der Abbildung wären die Widerstandswerte unter der Annahme eines Uhrwerks mit einer Endwertspannung von 50 mV und gewünschten Strombereichen von 10 mA, 100 mA und 1 A: R1=4,5 Ohm, R2=0,45 Ohm, R3 = 0,05 Ohm. Und wenn der Bewegungswiderstand beispielsweise 1000 Ohm beträgt, muss R1 auf 4,525 Ohm eingestellt werden.

Geschaltete Shunts werden selten für Ströme über 10 Ampere verwendet.

Null-Mitten-Amperemeter werden für Anwendungen verwendet, bei denen der Strom mit beiden Polaritäten gemessen werden muss, was in wissenschaftlichen und industriellen Geräten üblich ist. Null-Mitten-Amperemeter werden häufig auch in Reihe mit einer Batterie geschaltet. Bei dieser Anwendung lenkt das Aufladen des Akkus die Nadel auf eine Seite der Skala (normalerweise die rechte Seite) und das Entladen des Akkus lenkt die Nadel auf die andere Seite. Ein spezieller Typ von Null-Mitten-Amperemeter zum Testen hoher Ströme in Pkw und Lkw verfügt über einen schwenkbaren Stabmagneten, der den Zeiger bewegt, und einen feststehenden Stabmagneten, um den Zeiger stromlos zentriert zu halten. Das Magnetfeld um den zu messenden stromdurchflossenen Draht lenkt den beweglichen Magneten ab.

Da der Amperemeter-Shunt einen sehr geringen Widerstand hat, führt eine versehentliche Parallelschaltung des Amperemeters mit einer Spannungsquelle zu einem Kurzschluss, der bestenfalls eine Sicherung durchbrennt, das Instrument und die Verkabelung möglicherweise beschädigt und einen Beobachter verletzen kann.

In Wechselstromkreisen wandelt ein Stromwandler das Magnetfeld um einen Leiter in einen kleinen Wechselstrom um, typischerweise entweder 1 A oder 5 A bei vollem Nennstrom, der mit einem Meter gut abgelesen werden kann. Auf ähnliche Weise wurden genaue berührungslose AC/DC-Amperemeter unter Verwendung von Hall-Effekt-Magnetfeldsensoren konstruiert. Ein tragbares handgehaltenes Strommesszange ist ein gängiges Werkzeug für die Wartung von industriellen und gewerblichen elektrischen Geräten, das vorübergehend über einen Draht geklemmt wird, um den Strom zu messen. Einige neuere Typen haben ein paralleles Paar weichmagnetischer Sonden, die auf beiden Seiten des Leiters angeordnet sind.

Siehe auch[edit]

  1. ^ Die Ruheposition der Nadel befindet sich in der Mitte der Skala und die Rückstellfeder kann in beide Richtungen gleich gut wirken.
  2. ^ vorausgesetzt, seine Frequenz ist schneller als das Messgerät reagieren kann

Verweise[edit]

  1. ^ LA Geddes, Rückblick: Wie sich die Messung von elektrischem Strom im Laufe der Zeit verbessert hat, IEEE-Potenziale, Feb./März 1996, Seiten 40-42
  2. ^ Brian Bowers (Hrsg.), Sir Charles Wheatstone FRS: 1802-1875, IET, 2001 ISBN 0-85296-103-0 S.104-105
  3. ^ ῥέος, αι. Liddell, Henry George; Scott, Robert; Ein griechisch-englisches Lexikon beim Perseus-Projekt.
  4. ^ ein B C D Frank Spitzer und Barry Howarth, Principles of Modern Instrumentation, Holt, Rinehart und Winston, New York, 1972, ISBN 0-03-080208-3 Kapitel 11
  5. ^ “Fragebogen aus der Personenmappe Friedrich Drexler (1858 – 1945)”. Technisches Museum Wien. Archiviert aus dem Original am 29.10.2013. Abgerufen 2013-07-10.
  6. ^ http://www-project.slac.stanford.edu/lc/local/notes/dr/Wiggler/Wigrad_BK.pdf
  7. ^ “Archivierte Kopie” (PDF). Archiviert von das Original (PDF) am 2011-07-20. Abgerufen 2009-12-02.CS1-Wartung: archivierte Kopie als Titel (Link)
  8. ^ Ix Innovationen, LLC. “PocketPico Amperemeter Theorie der Operation” (PDF). Abgerufen 2014-07-11.

Externe Links[edit]