Das Drehspulinstrument ist eines der bekanntesten analogen Messgeräte und wird hauptsächlich zur Messung von Gleichstrom verwendet. Es basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, wo eine stromdurchflossene Drahtspule in einem Magnetfeld bewegt wird. Hier ist eine detailliertere Beschreibung:
Aufbau eines Drehspulinstruments
- Spule: Eine Drahtspule wird in das Feld eines Dauermagneten (mit Nord- und Südpol) eingesetzt. Die Spule ist frei drehbar gelagert und wird vom zu messenden Strom durchflossen.
- Dauermagnet: Erzeugt ein konstantes Magnetfeld, das die Drahtspule beeinflusst. Dieses Magnetfeld ist entscheidend, da die Wechselwirkung zwischen dem Strom in der Spule und dem Magnetfeld die Spule zum Drehen bringt.
- Zeiger: Die Spule ist mechanisch mit einem Zeiger verbunden. Der Zeiger zeigt die Messgröße (z.B. Strom) auf einer Skala an.
- Skala: Auf der Skala sind Messwerte markiert, die der Zeiger bei unterschiedlicher Stromstärke erreicht.
- Rückstellfeder: Um den Zeiger in seine Ausgangsposition zurückzuführen und ihn zu stabilisieren, wird eine Spiralfeder verwendet. Diese Feder sorgt für einen Gegenzug zur magnetischen Anziehungskraft, sodass der Zeiger nicht sofort zum Anschlag bewegt wird, wenn Strom durch die Spule fließt.
Funktionsweise des Drehspulinstruments
- Stromfluss: Wenn Strom durch die Spule fließt, wird die Spule zu einem Elektromagneten und erzeugt ein eigenes Magnetfeld.
- Kraftwirkung: Dieses Magnetfeld der Spule interagiert mit dem Magnetfeld des Dauermagneten. Durch die Anziehung bzw. Abstoßung zwischen den Polen wird die Spule in eine Richtung gedreht.
- Zeigerbewegung: Die Spule bewegt sich proportional zur Stärke des Stroms, was den an den Zeiger gekoppelten Mechanismus in Bewegung setzt. Dadurch zeigt der Zeiger auf der Skala den entsprechenden Messwert an.
- Gegenspannung: Die Rückstellfeder erzeugt eine Rückstellkraft, die das Drehmoment der Spule ausgleicht, sodass sich der Zeiger stabil bei einem bestimmten Wert auf der Skala einpendelt.
- Gleichgewichtszustand: Sobald die Kraft durch den Stromfluss und die Rückstellkraft der Feder im Gleichgewicht sind, bleibt der Zeiger an der entsprechenden Stelle stehen. Der Punkt, an dem der Zeiger anhält, entspricht dem gemessenen Stromwert.
Eigenschaften des Drehspulinstruments
- Linearität: Bei idealen Bedingungen ist die Beziehung zwischen dem Stromfluss durch die Spule und der Zeigerposition linear. Das bedeutet, dass doppelt so viel Strom den Zeiger auch doppelt so weit bewegt.
- Energieverbrauch: Das Gerät verbraucht beim Messen eine geringe Menge an Energie, da der Strom durch die Spule fließt und die Bewegung des Zeigers bewirkt.
- Begrenzungen: Da die Spule aus dünnem Draht besteht, darf nur eine begrenzte Strommenge durch sie fließen. Zu hohe Ströme können die Spule überhitzen und das Gerät beschädigen. Aus diesem Grund beginnt man immer mit dem größten Messbereich des Geräts, bevor man auf kleinere Messbereiche umschaltet.
Nachteile des Drehspulinstruments
- Empfindlich gegenüber Stößen und Vibrationen: Aufgrund der mechanischen Teile wie Zeiger und Spule kann das Gerät bei Erschütterungen ungenaue Werte anzeigen oder beschädigt werden.
- Langsame Reaktionszeit: Da der Zeiger mechanisch bewegt wird, reagiert das Instrument langsamer auf Veränderungen der Messgröße als elektronische oder digitale Messgeräte. Es braucht Zeit, bis der Zeiger in den Gleichgewichtszustand gelangt (Einschwingzeit).
- Parallaxenfehler: Beim Ablesen der Werte kann es zu Abweichungen kommen, wenn man nicht genau senkrecht auf die Skala blickt. Dies kann zu falschen Messwerten führen.
Messfehler beim Drehspulinstrument
- Anzeigefehler: Diese Fehler entstehen durch mechanische Ungenauigkeiten wie Lagerreibung, Fertigungstoleranzen oder ungenaue Skalenmontage. Sie sind prozentual auf den Skalenendwert bezogen. Ein Anzeigefehler von 2,5% bedeutet z.B., dass der tatsächliche Wert um ±2,5% vom angezeigten Wert abweichen kann.
- Parallaxenfehler: Dieser Fehler tritt auf, wenn der Betrachter den Zeiger nicht exakt senkrecht zur Skala betrachtet. Um dies zu vermeiden, verfügen viele Drehspulinstrumente über einen Spiegel auf der Skala, damit man den Zeiger und sein Spiegelbild exakt übereinander bringen kann.
Anwendungen des Drehspulinstruments
Drehspulinstrumente werden häufig in Amperemetern, Voltmessgeräten und Ohmmetern verwendet, um Gleichstrom oder Gleichspannung zu messen. Sie sind sehr robust und zuverlässig für einfache Anwendungen, haben jedoch in der modernen Messtechnik durch digitale Messgeräte an Bedeutung verloren, die präziser und schneller sind.