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Dreheisenmesswerk

Wie das Dreheisenmesswerk mit zwei abstoßenden Eisenplättchen Gleich- und Wechselstrom misst, warum es den Effektivwert zeigt und wo es eingesetzt wird.

4 Min. LesezeitDreheisenmesswerkWeicheisenEffektivwertSchalttafelinstrument

Das Dreheisenmesswerk ist das robuste Arbeitstier unter den Zeigerinstrumenten. Du findest es vor allem als Einbauinstrument in Schaltschränken und Verteilungen, wo es Spannung und Strom des Netzes anzeigt. Es kommt ohne Dauermagnet und ohne bewegliche Stromzuführung aus, verträgt kurze Überlasten und misst Gleich- wie Wechselstrom – und zwar den Effektivwert.

Aufbau

Eine feststehende Spule ist mit vielen Windungen gewickelt. In ihrem Inneren sitzen zwei Plättchen aus Weicheisen: ein festes Eisen, das am Spulenkörper befestigt ist, und ein bewegliches Eisen, das auf der drehbaren Achse sitzt. Auf derselben Achse stecken der Zeiger und eine Spiralfeder für das Rückstellmoment. Eine kleine Luftkammer mit Flügel oder eine Wirbelstrombremse dämpft die Bewegung.

Prinzip des Dreheisenmesswerks mit Spule, festem und beweglichem Eisen
Dreheisenmesswerk: Beide Eisen werden gleichsinnig magnetisiert und stoßen sich ab.

Weil der Strom nur durch die feststehende Spule fließt, kann man sie mit dickem Draht für große Ströme wickeln. Amperemeter bis etwa 100 A lassen sich direkt bauen, für größere Ströme setzt man Stromwandler vor.

Funktionsweise

Fließt Strom durch die Spule, entsteht in ihrem Inneren ein Magnetfeld. Es magnetisiert beide Eisenplättchen in gleicher Richtung: Beide bekommen oben einen Nordpol und unten einen Südpol – oder umgekehrt. Gleichnamige Pole stoßen sich ab, also drückt das feste Eisen das bewegliche weg, und der Zeiger dreht sich.

Zwei Spulen mit je einem festen und einem beweglichen Eisenplättchen; links beide oben Nordpol, rechts bei umgekehrtem Strom beide oben Südpol
Egal in welche Richtung der Strom fließt: Beide Eisen werden gleich gepolt und stoßen sich ab.

Entscheidend: Kehrt sich die Stromrichtung um, kehrt sich auch die Magnetisierung beider Eisen um. Sie stoßen sich weiterhin ab. Das Drehmoment hängt deshalb nicht vom Vorzeichen des Stroms ab. Die Abstoßungskraft wächst mit dem Produkt der beiden Magnetisierungen, die jede für sich proportional zum Strom sind:

M ∼ I2

Das Messwerk bildet also den zeitlichen Mittelwert von I2. Genau so ist der Effektivwert definiert – ein Dreheisenmesswerk zeigt ihn deshalb auch bei nicht sinusförmigen Strömen richtig an, solange die Frequenz nicht zu hoch ist.

Diagramm: Drehmoment über Strom als Parabel, bei 20 % Strom nur 4 % Moment
Das Drehmoment wächst mit dem Quadrat des Stroms: Bei einem Fünftel des Stroms entsteht nur ein Fünfundzwanzigstel des Moments.

Die nichtlineare Skala

Aus M ∼ I2 folgt eine quadratische Skala: Am Anfang liegen die Teilstriche eng beieinander, nach oben werden sie immer weiter. Durch geschickte Formgebung der Eisenbleche lässt sich die Teilung im oberen Bereich weitgehend linearisieren, doch die ersten 10 bis 20 % der Skala bleiben gedrängt und schwer ablesbar. Dort ist auf der Skala oft ein Punkt markiert, ab dem die Genauigkeitsklasse gilt.

Vergleich einer linearen Skala mit einer gedrängten Dreheisen-Skala
Oben die gleichmäßige Drehspulskala, unten die am Anfang gedrängte Dreheisenskala.
Quadratisches Schalttafel-Amperemeter 0 bis 20 A mit am Anfang gedrängter Skala, Zeiger bei 15 A
Ein typisches Schalttafelinstrument mit Dreheisenmesswerk: Die Teilstriche liegen am Skalenanfang dicht beieinander.

Stärken und Schwächen

EigenschaftDreheisenzum Vergleich: Drehspule
StromartGleich- und Wechselstromnur Gleichstrom
Anzeige bei WechselstromEffektivwertGleichrichtwert (mit Gleichrichter)
Skalanichtlinearlinear
Eigenverbrauchhoch (bis einige Watt)sehr gering
Überlastfestigkeitgutempfindlich
Frequenzbereichbis einige hundert Hzmit Gleichrichter bis einige kHz

Der hohe Eigenverbrauch kommt daher, dass das Magnetfeld ohne Dauermagnet allein vom Messstrom aufgebaut werden muss. Für Elektronik-Schaltungen mit kleinen Strömen ist das Dreheisenmesswerk deshalb ungeeignet; an Netz- und Motorstromkreisen spielt dieser Verbrauch dagegen keine Rolle.

Bei höheren Frequenzen machen sich Induktivität der Spule und Wirbelströme in den Eisen bemerkbar; die Anzeige wird zu klein. Für Signale aus der Elektronik, etwa Schaltnetzteile oder Audio, greifst du daher zu einem digitalen Messgerät mit True RMS oder zum Oszilloskop.

Selbsttest

Warum schlägt ein Dreheisenmesswerk auch bei umgepoltem Gleichstrom in dieselbe Richtung aus?

Beide Eisen werden immer gleichsinnig magnetisiert und stoßen sich ab – unabhängig von der Stromrichtung.

Warum ist die Skala am Anfang gedrängt?

Das Drehmoment wächst mit dem Quadrat des Stroms; kleine Ströme ergeben nur sehr kleine Ausschläge.

Welchen Wert zeigt ein Dreheisenmesswerk bei Wechselstrom?

Den Effektivwert – auch bei nicht sinusförmigen Signalen, solange die Frequenz niedrig genug ist.