Elektrodynamisches Messwerk

Das elektrodynamische Messwerk sieht auf den ersten Blick aus wie ein Drehspulmesswerk – nur fehlt der Dauermagnet. An seine Stelle tritt eine zweite, feststehende Spule. Dieser kleine Unterschied hat eine große Wirkung: Das Messwerk multipliziert zwei Ströme miteinander. Genau das braucht man, um elektrische Leistung zu messen, und deshalb ist es das klassische Messwerk im analogen Leistungsmesser.

Aufbau

Eine feststehende Feldspule – meist aus zwei Hälften – erzeugt ein Magnetfeld. Darin dreht sich eine leichte Drehspule, auf deren Achse Zeiger und Rückstellfedern sitzen. Die Federn führen der Drehspule wie beim Drehspulmesswerk den Strom zu.

Es gibt zwei Bauformen:

• eisenlos: Beide Spulen sind ohne Eisen aufgebaut. Das ist sehr genau, weil es keine Ummagnetisierungsverluste und keine Sättigung gibt, braucht aber einen hohen Strom für ein ausreichendes Feld und ist empfindlich gegen äußere Magnetfelder. Solche Instrumente werden vor allem als Präzisions- und Laborgeräte gebaut.
• eisengeschlossen: Ein geblechter Eisenkreis bündelt das Feld der Feldspule. Das Messwerk wird kräftiger und unempfindlicher gegen Fremdfelder, aber etwas ungenauer und stärker frequenzabhängig.

Wie das Drehmoment entsteht

Der Strom I₁ in der Feldspule erzeugt eine Flussdichte B, die proportional zu I₁ ist. Auf die stromdurchflossene Drehspule wirkt in diesem Feld – genau wie beim Drehspulmesswerk – ein Drehmoment proportional zu B und zum Drehspulstrom I₂. Zusammen ergibt sich:

Kehren sich beide Ströme gleichzeitig um, wie bei Wechselstrom gleicher Frequenz, bleibt das Vorzeichen des Moments erhalten. Das Messwerk funktioniert also bei Gleich- und Wechselstrom. Bei Wechselstrom bildet es den Mittelwert des Produkts der Augenblickswerte. Sind die beiden Ströme um den Winkel φ gegeneinander verschoben, gilt:

Schickst du denselben Strom durch beide Spulen (I₁ = I₂ = I), wird M ∼ I² – das Messwerk zeigt dann wie ein Dreheisenmesswerk den Effektivwert, mit quadratischer Skala.

Als Leistungsmesser geschaltet

Für die Leistungsmessung erhalten die Spulen zwei Aufgaben:

• Die Feldspule ist der Strompfad: wenige Windungen dicken Drahts, in Reihe mit dem Verbraucher. Durch sie fließt der Laststrom I.
• Die Drehspule ist mit einem hochohmigen Vorwiderstand der Spannungspfad: Er liegt parallel zum Verbraucher, sein Strom ist proportional zur Spannung U.

Das Moment ist dann proportional zu U · I · cos φ – also zur Wirkleistung. Blindleistung, bei der Strom und Spannung um 90° verschoben sind, erzeugt im Mittel kein Moment und wird nicht angezeigt. Weil das Produkt linear in P ist, hat der Leistungsmesser eine weitgehend lineare Skala.

Grenzen und Fehlerquellen

Weil das Feld nicht von einem Dauermagneten kommt, sondern vom Messstrom selbst aufgebaut werden muss, hat das Messwerk einen hohen Eigenverbrauch und ist entsprechend wenig empfindlich – für kleine Ströme in Elektronikschaltungen taugt es nicht. Der fehlende Dauermagnet hat aber auch einen Vorteil: Es gibt nichts, was mit den Jahren an Magnetisierung verliert, das Messwerk altert kaum und bleibt lange kalibriert.

Beim Leistungsmesser misst du an zwei Stellen gleichzeitig, deshalb gibt es zwei Möglichkeiten, den Spannungspfad anzuschließen – vor oder hinter dem Strompfad. Je nachdem misst das Gerät den Eigenverbrauch des Strom- oder des Spannungspfads mit. Das Prinzip ist dasselbe wie beim strom- und spannungsrichtigen Messen.

Wichtig ist außerdem: Die Skala zeigt die Leistung, aber nicht, ob Strom- oder Spannungspfad überlastet sind. Bei kleinem cos φ kann der Strompfad bereits überlastet sein, während der Zeiger noch harmlos niedrig steht. Gute Leistungsmesser geben deshalb Nennstrom und Nennspannung getrennt an.

Heute werden elektrodynamische Messwerke kaum noch gebaut; digitale Leistungsmesser tasten Spannung und Strom ab und multiplizieren die Werte rechnerisch. Das Prinzip – Momentanwerte multiplizieren und mitteln – ist aber dasselbe geblieben. Mehr dazu unter Leistung messen.

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