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.
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.
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:
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.
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.
Stärken und Schwächen
| Eigenschaft | Dreheisen | zum Vergleich: Drehspule |
|---|---|---|
| Stromart | Gleich- und Wechselstrom | nur Gleichstrom |
| Anzeige bei Wechselstrom | Effektivwert | Gleichrichtwert (mit Gleichrichter) |
| Skala | nichtlinear | linear |
| Eigenverbrauch | hoch (bis einige Watt) | sehr gering |
| Überlastfestigkeit | gut | empfindlich |
| Frequenzbereich | bis einige hundert Hz | mit 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.