Hallo!
Kann mit jemand erklären, warum ein Dreheisenmeßwerk einen höheren Eigenverbrauch hat als ein Drehspulmeßwerk hat? Ich habe eine Vorstellung, weiß aber nicht, wie ich es begründen soll.
Vielen Dank schon mal im vorraus.
Gruß
Michael
Hi Michael,
bei elektromagnetischen Messinstrumenten ziehen sich zwei Magnete bzw. Magnetfelder an. Beim Drehspulinstrument ist das die vom Strom durchflossene Spule mit einem sehr schwachen Feld und ein Festmagnet, der sehr stark sein kann. Je stärker der Magnet, desto empfindlicher das Messgerät.
Beim Dreheiseninstrument werden beide Magnetfelder durch den Messstrom erzeugt. Da wird natürlich viel mehr Leistung benötigt.
Dafür ist das Drehspulmessgerät polaritätsabhängig (also nur für Gleichstrom; mit Gleichrichter zeigt es den Mittelwert an).
Das Dreheiseninstrument ist polaritätsunabhängig, macht (im Prinzip) einen quadratischen Ausschlag und kann daher ohne Gleichrichter Wechselspannung und den echten Effektifwert anzeigen.
Grüße
Uwe
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Hallo Uwe
bei elektromagnetischen Messinstrumenten ziehen sich zwei
Magnete bzw. Magnetfelder an. Beim Drehspulinstrument ist das
die vom Strom durchflossene Spule mit einem sehr schwachen
Feld und ein Festmagnet, der sehr stark sein kann. Je stärker
der Magnet, desto empfindlicher das Messgerät.Beim Dreheiseninstrument werden beide Magnetfelder durch den
Messstrom erzeugt. Da wird natürlich viel mehr Leistung
benötigt.
Soo pauschal kann man das sicher nicht sagen. Die meiste Leistung wird für das ungenutzte Streufeld verbraucht. Prinzipiell ist das ja eine Gegenüberstellung eines elektromagnetischen mit einem elektrodynamischen Antrieb. Von der technisch erzielbaren Effizienz her sind die elektromagnetischen Antriebe (Dreheisen) den elektrodynamischen (Drehspule) weit überlegen ( wenn ich mich nicht irre, etwa um den Faktor 40 ). Die Effizienz des elektromagn. Antriebes nimmt aber wegen der quadratischen Kennlinie nach unten hin schneller ab als die des elektrodyn. Antriebes.
Es müßte also möglich sein, ein abgewandeltes Dreheiseninstrument zu bauen, das bei Vollausschlag wesentlich weniger Leistung verbraucht als ein gleichgroßes Drehspulinstrument.
Daß reale Dreheiseninstrumente tatsächlich wesentlich schlechter sind, liegt nur an der primitiven Bauart. Das Magnetfeld wird i.d.R. von einer Luftspule ohne magn. Rückfluß erzeugt. Die erreichbaren Feldstärken liegen dann weit unterhalb des optimalen Arbeitspunktes ( ca. 1 Tesla ) was einen entsprechend schlechten Wirkungsgrad zur Folge hat.
Würde man den magn. Rückfluß über ein hochpermeables weichmagnetisches Material gewährleisten und den Luftspalt auf ein Minimum reduzieren, sähen die Werte des Dreheiseninstrumentes wesentlich besser aus.
Jörg
Hallo Jörg,
Du bist offensichtlich deutlich fitter auf diesem Gebiet als ich. Deine Ausführungen haben wohl Hand und Fuß, aber da gibt es ein paar Dinge die ich noch als unplausibel empfinde, so dass sich mir ein paar einfache Fragen bzw. Widersprüche dazu aufdrängen.
Soo pauschal kann man das sicher nicht sagen. Die meiste
Leistung wird für das ungenutzte Streufeld verbraucht.
Das nehme ich erst einmal so hin.
Prinzipiell ist das ja eine Gegenüberstellung eines
elektromagnetischen mit einem elektrodynamischen Antrieb. Von
der technisch erzielbaren Effizienz her sind die
elektromagnetischen Antriebe (Dreheisen) den
elektrodynamischen (Drehspule) weit überlegen ( wenn ich mich
nicht irre, etwa um den Faktor 40 ).
Das sehe ich nicht ein. Ein permanent erregter Elektromotor kann Wirkungsgrad weit über 80 oder 90% haben - dafür muss er nicht mal sehr groß sein. Da ist eine Steigerung im Wirkungsgrad nicht mehr 'drin - schon garnicht um den Faktor 40.
Oder meinst Du mit „Antrieb“ ein Messwerk? Genau dann wäre diese Aussage m. E. nicht einsehbar (weil die Zusammenhänge einfach zu offensichtlich sind, s. u.) und durch die Praxis auch eher widerlegt!
Die Effizienz des
elektromagn. Antriebes nimmt aber wegen der quadratischen
Kennlinie nach unten hin schneller ab als die des elektrodyn.
Antriebes.
Sehe ich genauso. Dreheiseninstrumente schlagen bei Werten in der Nähe ihres Nullpunktes garnicht erst aus.
Es müßte also möglich sein, ein abgewandeltes
Dreheiseninstrument zu bauen, das bei Vollausschlag wesentlich
weniger Leistung verbraucht als ein gleichgroßes
Drehspulinstrument.
Wäre das nicht eher eine Konsequenz Deiner ersten Aussage, nicht der vorhergehenden?
Daß reale Dreheiseninstrumente tatsächlich wesentlich
schlechter sind, liegt nur an der primitiven Bauart.
Hm… Ich sehe nicht ein, dass selbst teure Dreheiseninstrumente primitiv gebaut sein sollen…
Das
Magnetfeld wird i.d.R. von einer Luftspule ohne magn. Rückfluß
erzeugt. Die erreichbaren Feldstärken liegen dann weit
unterhalb des optimalen Arbeitspunktes ( ca. 1 Tesla ) was
einen entsprechend schlechten Wirkungsgrad zur Folge hat.
Was ist der „optimale Arbeitspunkt“? Um den Zeiger zum Ausschlag zu bringen, braucht man Kraft, und die wächst proportional zu jedem der beiden Magnetfelder. Je mehr Magnetfeld, desto besser, und wenn dem Opa der Herzschrittmacher aus der Brust gerissen wird. Niemals - und das ist meine Kernaussage - wird ein Magnetfeld mit derartiger Stärke durch einen Strom aus dem Messignal generiert werden können, das so stark ist wie das, was ein einfacher Permanentmagnet erzeugen kann, und das bei wenigen uW Verlustleistung (Supraleittechnik ausgeschlossen)!!!
Würde man den magn. Rückfluß über ein hochpermeables
weichmagnetisches Material gewährleisten und den Luftspalt auf
ein Minimum reduzieren, sähen die Werte des
Dreheiseninstrumentes wesentlich besser aus.
Hm… Und warum tut man’s nicht? Die Instrumente sind teuer genug (gewesen, falls es nicht noch welche gibt). Es drängt sich mir der Verdacht auf, als ob alle technischen Möglichkeiten schon ausgereizt sind, als ob einfach nichts mehr 'drin ist.
Leider kenne ich nur das Prinzip eines Dreheiseninstrumentes, nicht aber den praktischen Aufbau. Vielleicht könnte ich dann besser argumentieren. Mindestens naheliegend wäre, den Permanentmagneten durch den Elektromagneten zu ersetzen, und ansonsten den Aufbau wie beim Drehspulinstrument zu lassen. Dann wäre der Rückfluss bei beiden Instrumenten identisch und daher genauso optimal.
Drehspulinstrumente habe ich schon oft genug zerlegt, und ich verstehe sie gut.
Bin gespannt, und glaube bald mehr zu verstehen.
Grüße
Uwe
Hallo Uwe,
Du bist offensichtlich deutlich fitter auf diesem Gebiet als
ich. Deine Ausführungen haben wohl Hand und Fuß, aber da gibt
es ein paar Dinge die ich noch als unplausibel empfinde, so
dass sich mir ein paar einfache Fragen bzw. Widersprüche dazu
aufdrängen.Soo pauschal kann man das sicher nicht sagen. Die meiste
Leistung wird für das ungenutzte Streufeld verbraucht.Das nehme ich erst einmal so hin.
Prinzipiell ist das ja eine Gegenüberstellung eines
elektromagnetischen mit einem elektrodynamischen Antrieb. Von
der technisch erzielbaren Effizienz her sind die
elektromagnetischen Antriebe (Dreheisen) den
elektrodynamischen (Drehspule) weit überlegen ( wenn ich mich
nicht irre, etwa um den Faktor 40 ).Das sehe ich nicht ein. Ein permanent erregter Elektromotor
kann Wirkungsgrad weit über 80 oder 90% haben - dafür muss er
nicht mal sehr groß sein. Da ist eine Steigerung im
Wirkungsgrad nicht mehr 'drin - schon garnicht um den Faktor
40.
Vielleicht habe ich mich da etwas ungünstig ausgedrückt. Ich habe extra das Wort Wirkungsgrad vermieden. Mit technischer Effizienz meine ich natürlich die erzielbare Antriebskraft pro Bauvolumen. Die ist bei elektromagn. Antrieben ca. 40 mal so groß wie bei elektrodynamischen Systemen gleicher Größe.
Oder meinst Du mit „Antrieb“ ein Messwerk? Genau dann wäre
diese Aussage m. E. nicht einsehbar (weil die Zusammenhänge
einfach zu offensichtlich sind, s. u.) und durch die Praxis
auch eher widerlegt!
Ich meine, daß der elektromagn. Antrieb eines Dreheiseninstrumentes, wenn er technisch voll ausgereizt wäre, wesentlich kleiner ausfallen könnte als ein Drehspulensystem. Da die max. Antriebskraft pro Bauvolumen durch die kühlende Oberfläche begrenzt wird, ist bei einem kleineren elektromagnetischen Antrieb auch eine geringere Antriebsleistung erforderlich.
Es müßte also möglich sein, ein abgewandeltes
Dreheiseninstrument zu bauen, das bei Vollausschlag wesentlich
weniger Leistung verbraucht als ein gleichgroßes
Drehspulinstrument.Wäre das nicht eher eine Konsequenz Deiner ersten Aussage,
nicht der vorhergehenden?
Das ist nur eine Konsequenz aus der geringeren Baugröße im Falle einer Ausreizung der technischen Möglichkeiten, wie oben erklärt
Daß reale Dreheiseninstrumente tatsächlich wesentlich
schlechter sind, liegt nur an der primitiven Bauart.Hm… Ich sehe nicht ein, dass selbst teure
Dreheiseninstrumente primitiv gebaut sein sollen…
ich weiss nicht, wie teuer die Dinger waren, die ich mal aufgeschraubt habe. Bei allen war jedenfalls viel Luft, die vom magn. Feld durchflutet werden mußte. Hohe Feldstärken in Luft kosten immer viel Energie.
Das
Magnetfeld wird i.d.R. von einer Luftspule ohne magn. Rückfluß
erzeugt. Die erreichbaren Feldstärken liegen dann weit
unterhalb des optimalen Arbeitspunktes ( ca. 1 Tesla ) was
einen entsprechend schlechten Wirkungsgrad zur Folge hat.Was ist der „optimale Arbeitspunkt“?
Optimal ist, wenn das Eisen gerade nicht in die Sättigung kommt. Genau dann erzielt man die größtmögliche Kraft bei geringstmöglichen Bauvolumen. Bei Eisen ist das nunmal ca. 1 Tesla. Der Begriff Wirkungsgrad ist hier sowieso fehl am Platz. Schließlich setzt ein Meßwerk bei konstanter Anzeige ja keine elektrische in mechanische Leistung um.
Um den Zeiger zum
Ausschlag zu bringen, braucht man Kraft, und die wächst
proportional zu jedem der beiden Magnetfelder. Je mehr
Magnetfeld, desto besser, und wenn dem Opa der
Herzschrittmacher aus der Brust gerissen wird.
Permanente Feldstärken deutlich über 1 T sind aber nur noch mit supraleitenden Luftspulen erreichbar, also für normale technische Anwendungen kein Thema.
Niemals - und
das ist meine Kernaussage - wird ein Magnetfeld mit derartiger
Stärke durch einen Strom aus dem Messignal generiert werden
können, das so stark ist wie das, was ein einfacher
Permanentmagnet erzeugen kann, und das bei wenigen uW
Verlustleistung (Supraleittechnik ausgeschlossen)!!!
Hier mußt Du unterscheiden zwischen Feldenergie und Feldstärke. Auch mit wenigen uW ließe sich eine Feldstärke von 1 T erzeugen, natürlich nur bei sehr geringem Luftspaltvolumen
Würde man den magn. Rückfluß über ein hochpermeables
weichmagnetisches Material gewährleisten und den Luftspalt auf
ein Minimum reduzieren, sähen die Werte des
Dreheiseninstrumentes wesentlich besser aus.Hm… Und warum tut man’s nicht? Die Instrumente sind teuer
genug (gewesen, falls es nicht noch welche gibt).
vermutlich wären sie dann noch wesentlich teurer. Schließlich müßte der optimale Antrieb für so geringe Leistungen einen winzigen Luftspalt haben und der minimale Hub müßte mechanisch auf einen großen Zeigerausschlag übersetzt werden.
Es drängt
sich mir der Verdacht auf, als ob alle technischen
Möglichkeiten schon ausgereizt sind, als ob einfach nichts
mehr 'drin ist.
glaube ich nicht. Es hat nie einen driftigen Grund gegeben, diese Meßwerke derart zu optimieren. Dafür gab es schon früher einfachere und billigere Lösungen, z.B. Röhrenvoltmeter. Dreheiseninstrumente kenne ich eigentlich nur aus Anwendungen, wo es überhaupt nicht auf Sensibilität und Genauigkeit ankommt. Die sind also mehr was fürs „Grobe“.
Leider kenne ich nur das Prinzip eines Dreheiseninstrumentes,
nicht aber den praktischen Aufbau.
Der ist der Prinzipzeichnung sehr ähnlich. Es befinden sich zwei parallele Eisenplättchen im Inneren einer Luftspule. Eins ist fest und das andere am Zeiger befestigt. Im Magnetfeld der Spule stossen die sich dann ab.
Vielleicht könnte ich dann
besser argumentieren. Mindestens naheliegend wäre, den
Permanentmagneten durch den Elektromagneten zu ersetzen, und
ansonsten den Aufbau wie beim Drehspulinstrument zu lassen.
Dann wäre der Rückfluss bei beiden Instrumenten identisch und
daher genauso optimal.
Das wäre vielleicht günstiger aber noch nicht optimal. Um den gesamten Luftspalt der Drehspulinstrumentes auf eine Feldstärke von 1 T zu bringen, ist schon ein bischen Leistung nötig. Im günstigsten Fall kommen ich dann aber auch gerade nur auf die Kraft pro Volumen, eines elektrodyn. Antriebes, weil es eben vom Prinzip her immer noch ein elektrodyn. System wäre. Das geht mit einem Permanentmagnet besser.
Beim Dreheiseninstrument käme es wirklich nur darauf an, den Luftspalt so klein zu machen, daß ich mit minimaler Leistung auf 1 T Feldstärke komme
Drehspulinstrumente habe ich schon oft genug zerlegt, und ich
verstehe sie gut.Bin gespannt, und glaube bald mehr zu verstehen.
das hoffe ich doch 
Jörg
H,hallo Jörg,
danke für die ausführliche Antwort. Sie hat mir gut gefallen. Wie vermutet, sind mir jetzt einige Grundlagen doch deutlich klarer.
An zwei Aussagen reibe ich mich noch:
Hier mußt Du unterscheiden zwischen Feldenergie und
Feldstärke. Auch mit wenigen uW ließe sich eine Feldstärke von
1 T erzeugen, natürlich nur bei sehr geringem Luftspaltvolumen
Theoretisch ja, aber praktisch scheint mir diese Aussage doch wertlos: Der Luftspalt wird doch benötigt, damit sich eine Spule darin bewegen kann. Die soll möglichst hohe Kraft bei wenig Verlusten erzeugen, daraus folgt: Niederiger Innenwiderstand -> viel Kupfer -> möglichst große Luftspalt und ein Magnet, der auch den großen Luftspalt mit 1 T „fluten“ kann!? Was würde ein 1 um Luftspalt in einem extrem permeablen Material noch nutzen sollen?
glaube ich nicht. Es hat nie einen triftigen Grund gegeben,
diese Meßwerke derart zu optimieren. Dafür gab es schon früher
einfachere und billigere Lösungen, z.B. Röhrenvoltmeter.
Dreheiseninstrumente kenne ich eigentlich nur aus Anwendungen,
wo es überhaupt nicht auf Sensibilität und Genauigkeit
ankommt. Die sind also mehr was fürs „Grobe“.
Zwei entscheidende Vorteile fallen mir ein: 1. direkte Wechselstrommessungen und noch wichtiger: 2. echte Effektivwertmessung (gab’s früher nur mit viel Aufwand). Also mehr als „nur“ billig.
Dass z. B. analoge Multimeter in Wechselbereichen nur den Mittelwert ermitteln, der Effektivwert aber angezeigt werden soll, ist ein lausiger Kompromiss, der dazu führt dass nur noch Sinussignale korrekt angezeigt werden und ein glänzender Grund, ein Messwerk mit echter Effektivwertmessung einzusetzen bzw. zu entwickeln. (Ist aber zu unempfindlich!)
Es bleibt meine Kernaussage: ein Drehspulinstrument verwendet einen große Magneten um einen großen Luftspalt zu „versorgen“. Je kleiner der Luftspalt, desto weniger Kupfer auf der Spule und desto unempfindlicher das Instrument.
Aus dem Messsignal lässt sich aber niemals eine vergleichbares Feld aufbauen! (Mein empfindlichstes Analoges hat ein 10 uA / 100 mV-Messwerk, das sind 1 uW!!!)
Hoffentlich gibt’s keinen Ärger wegen unserer Privatdiskussion 
!
Grüße
Uwe
Hallo Uwe,
An zwei Aussagen reibe ich mich noch:
Hier mußt Du unterscheiden zwischen Feldenergie und
Feldstärke. Auch mit wenigen uW ließe sich eine Feldstärke von
1 T erzeugen, natürlich nur bei sehr geringem LuftspaltvolumenTheoretisch ja, aber praktisch scheint mir diese Aussage doch
wertlos: Der Luftspalt wird doch benötigt, damit sich eine
Spule darin bewegen kann.
Nur beim elektrodynamischen Antrieb !!!
Die soll möglichst hohe Kraft bei
wenig Verlusten erzeugen, daraus folgt: Niederiger
Innenwiderstand -> viel Kupfer -> möglichst große
Luftspalt und ein Magnet, der auch den großen Luftspalt mit 1
T „fluten“ kann!? Was würde ein 1 um Luftspalt in einem extrem
permeablen Material noch nutzen sollen?
In einem elektrodynamischen System würde es natürlich nichts bringen, weil sich in dem Feld die Spule bewegen muß.
In einem elektromagnetischen System ist aber die Feldenergie direkt am Antrieb beteiligt. Deswegen kann der Luftspalt im Vollausschlag bis auf null reduziert werden. Man könnte den Antrieb z.B. als Feldspule mit Eisenkern und beweglichem Anker ausführen, wie man es auch Relais oder Zugmagneten kennt. Wegen der großen Kräfte bei Feldern im Bereich von 1 T ( ca. 40 N/cm2 ) könnte der Luftspalt bzw. der Hub, sowie der Magnet selbst winzig klein sein. Ein max. Luftspalt im Bereich von um, der sich dann bei 1 T gerade auf null reduziert wäre durchaus denkbar. Allerdings müßte der winzige Hub des Magnetantriebes mit einem feinmechanischen Getriebe in den großen Zeigerausschlag übersetzt werden. Sowas Ähnliches kennt man von Meßuhren. Ein weiteres Problem wäre die Abhängigkeit der Feldstärke von der Luftspaltlänge, die die Empfindlichkeit des Systems bei hohen Strömen zusätzlich erhöhen würde. Um die Signalleistung optimal nutzen zu können und damit die Anzeige nicht zu extrem nichtlinear ist, müßte die Übersetzung mit kleiner werdendem Luftspalt immer größer werden, damit die Rückstellkraft des Ankers überproportional ansteigt.
glaube ich nicht. Es hat nie einen triftigen Grund gegeben,
diese Meßwerke derart zu optimieren. Dafür gab es schon früher
einfachere und billigere Lösungen, z.B. Röhrenvoltmeter.
Dreheiseninstrumente kenne ich eigentlich nur aus Anwendungen,
wo es überhaupt nicht auf Sensibilität und Genauigkeit
ankommt. Die sind also mehr was fürs „Grobe“.Zwei entscheidende Vorteile fallen mir ein: 1. direkte
Wechselstrommessungen und noch wichtiger: 2. echte
Effektivwertmessung (gab’s früher nur mit viel Aufwand). Also
mehr als „nur“ billig.
Soo viel Aufwand war es auch nicht. Auch die Empfindlichkeit eines Dreheiseninstrumentes konnte man schon früher einfach mit einem Röhrenverstärker beliebig erhöhen. Die Notwendigkeit eines hochsensiblen Dreheiseninstrumentes bestand also nicht unbedingt.
Außerdem ging es noch einfacher mit einem Hitzdrahtinstrument.
Dass z. B. analoge Multimeter in Wechselbereichen nur den
Mittelwert ermitteln, der Effektivwert aber angezeigt werden
soll, ist ein lausiger Kompromiss, der dazu führt dass nur
noch Sinussignale korrekt angezeigt werden
Natürlich, aber in über 90 % aller Fälle dürfte der Meßfehler kaum ins Gewicht fallen
und ein glänzender
Grund, ein Messwerk mit echter Effektivwertmessung einzusetzen
bzw. zu entwickeln. (Ist aber zu unempfindlich!)
und außerdem stark nichtlinear, was den Einsatz in Multimetern erschweren würde.
Wie gesagt, an der Empfindlichkeit könnte man noch viel verbessern.
Es bleibt meine Kernaussage: ein Drehspulinstrument verwendet
einen große Magneten um einen großen Luftspalt zu „versorgen“.
Je kleiner der Luftspalt, desto weniger Kupfer auf der Spule
und desto unempfindlicher das Instrument.
Jetzt bist Du wieder beim elektrodynamischen Antrieb. Das ist was völlig anderes als der elektromagnetische Antrieb, auf den sich meine Aussagen bezogen.
Aus dem Messsignal lässt sich aber niemals eine vergleichbares
Feld aufbauen! (Mein empfindlichstes Analoges hat ein 10 uA /
100 mV-Messwerk, das sind 1 uW!!!)
Nein, natürlich nicht, das ist ja auch nicht nötig. Wie ich bereits erwähnte, brauchst Du beim elektromagn. Antrieb nur ein minimalen Luftspalt durchfluten und kannst damit ca. die 40-fache Kraft pro Fläche erzeugen wie bei einem elektrodyn. Antrieb.
Hoffentlich gibt’s keinen Ärger wegen unserer Privatdiskussion
Solange wir sachlich und beim Thema bleiben, sollte es kein Problem sein. Das nennt sich ja schließlich Diskussionsforum
Jörg