Drehspulmesswerk

Das Drehspulmesswerk ist das klassische Herz analoger Messgeräte. Fast jedes Zeigermultimeter, viele Panelmeter und alte Aussteuerungsanzeigen arbeiten damit. Es ist sehr empfindlich – schon wenige Mikroampere reichen für Vollausschlag –, hat eine gleichmäßig geteilte Skala und zeigt sogar an, in welche Richtung der Strom fließt. Dafür misst es ohne Hilfe nur Gleichstrom.

Aufbau

Ein kräftiger Dauermagnet mit zwei Polschuhen umschließt einen feststehenden Weicheisenkern. Im schmalen Luftspalt dazwischen entsteht ein gleichmäßiges, radial gerichtetes Magnetfeld. In diesem Spalt sitzt drehbar gelagert eine kleine rechteckige Drehspule aus sehr dünnem Kupferdraht, gewickelt auf einen Aluminiumrahmen. An der Spule ist der Zeiger befestigt. Zwei Spiralfedern – gegensinnig gewickelt – erzeugen das Rückstellmoment und führen gleichzeitig den Strom in die Spule.

Hochwertige Instrumente verwenden statt Spitzenlagern ein Spannband: ein dünnes, gespanntes Metallband, das Lagerung, Rückstellfeder und Stromzuführung zugleich ist und praktisch reibungsfrei arbeitet.

So entsteht der Ausschlag

Fließt Strom durch die Drehspule, wirkt auf jeden Leiter im Magnetfeld eine Kraft – die Lorentzkraft aus dem Elektromagnetismus. Weil die Ströme auf den beiden Spulenseiten entgegengesetzt fließen, ergeben die Kräfte ein Drehmoment:

Die Spiralfeder hält mit einem Moment dagegen, das proportional zum Drehwinkel wächst. Der Zeiger bleibt stehen, wo beide Momente gleich groß sind. Da B, A und N konstant sind, ist der Ausschlag direkt proportional zum Strom – die Skala ist linear, also gleichmäßig geteilt.

Dämpfung und Polarität

Ohne Dämpfung würde der Zeiger lange um den Endwert pendeln. Der Aluminiumrahmen der Spule bildet eine kurzgeschlossene Windung: Bewegt er sich im Magnetfeld, entstehen darin Wirbelströme, die die Bewegung bremsen. So kommt der Zeiger schnell und ohne Überschwingen zur Ruhe.

Weil das Drehmoment vom Vorzeichen des Stroms abhängt, ist das Messwerk polaritätsabhängig. Die Anschlüsse sind mit + und − gekennzeichnet; bei falscher Polung schlägt der Zeiger gegen den linken Anschlag. Wechselstrom von 50 Hz kann die träge Spule nicht folgen – sie zeigt dessen Mittelwert, also null.

Wechselstrom messen mit Gleichrichter

Damit ein Drehspulgerät auch Wechselspannung anzeigt, schaltet man einen Brückengleichrichter vor. Das Messwerk bildet dann den Mittelwert des gleichgerichteten Stroms, den Gleichrichtwert. Die Skala ist so beschriftet, dass sie bei Sinus den Effektivwert zeigt – dazu wird mit dem Formfaktor 1,11 umgerechnet.

Empfindlichkeit und Kennwiderstand

Ein typisches Drehspulmesswerk braucht für Vollausschlag zwischen 10 µA und 1 mA und hat einen Innenwiderstand von einigen hundert bis einigen tausend Ohm. Weil so wenig Strom genügt, ist der Eigenverbrauch gering – meist nur Mikrowatt –, und dank des gleichmäßigen Feldes und der linearen Skala erreichen Drehspulinstrumente die besten Genauigkeitsklassen unter den Zeigergeräten, als Feinmessinstrumente bis Klasse 0,1. Für größere Ströme schaltet man einen Nebenwiderstand (Shunt) parallel, für Spannungen einen Vorwiderstand in Reihe – das ist die Messbereichserweiterung.

Bei Analogvoltmetern ist der Kennwiderstand in Ω/V angegeben. Er ist der Kehrwert des Vollausschlagstroms:

Selbsttest