Messwandler

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Gemäß der für die Messtechnik grundlegenden Norm DIN 1319 ist ein Messumformer ein Messmittel (Messgerät, Messeinrichtung, … ), das eine Eingangsgröße entsprechend einer festen Beziehung in eine Ausgangsgröße umformt. Speziell als Messwandler werden solche Messumformer bezeichnet, die am Eingang und am Ausgang dieselbe physikalische Größe aufweisen und ohne Hilfsenergie arbeiten.[1]

Mittelspannungs-Messwandler (Spannungswandler) 30 kV/100 V 50 Hz

Sie werden eingesetzt, wenn eine elektrische Stromstärke oder elektrische Spannung zu groß ist, um mit den üblichen Geräten direkt gemessen werden zu können. Beispielsweise ermöglichen Messwandler die galvanische Trennung von gefährlich hoher Spannung, ehe ein gut verarbeitbares elektrisches Signal einem Strommesser, Spannungsmesser, Energiezähler, Messgerät für Wirkleistung u.s.w. zugeführt wird.

Als Bestandteil einer Messeinrichtung müssen Messwandler auf kleine Fehlergrenzen ausgelegt sein.

Wechselstromwandler[Bearbeiten]

Messwandler für Wechselgrößen kommen in erster Linie im Stromnetz als ortsfeste speziell ausgelegte Transformatoren zum Einsatz und zwar sowohl in Ausführungen für Messzwecke als auch für Schutzzwecke. Sie werden unter den Stichworten Stromwandler und Spannungswandler behandelt. Ferner gibt es sie als Laborgeräte sowie kombiniert mit einem anzeigenden Messgerät unter der Bezeichnung Zangenstrommesser.

Stromwandler für Laboranwendung mit mehreren Messbereichen
Durchsteck-Strommesswandler an drei Leitungen für Dreiphasenwechselstrom

Besonders in Mittelspannungsschaltanlagen werden vermehrt sogenannte Kleinsignalwandler mit Rogowskispulen verwendet, die am Ausgang anstelle eines dem Eingangsstrom proportionalen Stromes eine (ebenfalls dem Eingangsstrom proportionale) Spannung ausgeben. Aufgrund ihrer geringen Baugröße gewinnen diese immer mehr an Verbreitung. Sie sind aber keine Messwandler im oben angegebenen Sinn, sondern Messumformer; sie benötigen elektronische Unterstützung und für das Ausgangssignal eine andere Messschaltung.

Gleichstromwandler[Bearbeiten]

Schema des Gleichstromwandlers

Für Ströme mit einem Gleichanteil sind sogenannte Gleichstromwandler vorhanden. Nebenstehendes Bild zeigt einen möglichen Aufbau. Er enthält wie ein Wechselstromwandler einen magnetischen Kreis, der zwei Wicklungen umschließt: Eine dickdrähtige mit wenigen Windungen für den zu messenden Laststrom und eine zweite dünndrähtige mit hoher Windungszahl zu einer Kompensation.

Im Gegensatz zum Wechselstromwandler benötigt der Gleichstromwandler einen kleinen Luftspalt zur Aufnahme eines magnetischen Sensors. Dazu werden Hallsonden oder Feldplatten benutzt. Die Spannung des Sensors wird einem Regelverstärker zugeführt. Sein Ausgangssignal wird so auf die Messwicklung geschaltet, dass es das Feld des Laststromes kompensiert und so der Arbeitspunkt des magnetischen Kreises und damit auch des Sensors konstant bleibt. In diesem Stromkreis befindet sich noch ein relativ niederohmiger Messwiderstand (100 Ohm) an dem das Lastromabbild abgegriffen werden kann.

Diese Messmethode ist über einen weiten Frequenzbereich einsetzbar. Die Wechselanteile des Stromes (bis weit in den Tonfrequenzbereich), die vom Lastkreis eingeprägt werden, werden durch die Induktion in den Sekundärkreis übertragen. Die niederfrequenten Komponenten und der Gleichanteil werden durch den Regelverstärker (fast) fehlerfrei bereitgestellt. Diese Anordnung ist prinzipbedingt auf deutlich tiefere Arbeitfrequenzen beschränkt, weil dann durch die Streuung des magnetischen Kreises induktive Widerstände wirksam werden.

Sonderformen[Bearbeiten]

Für hochfrequente Wechselströme sind Messwandler mit Spulen wegen ihrer Induktivität ungeeignet, und man verwendet häufig Thermoumformer. Wegen ihrer thermischen Trägheit messen sie nicht den Augenblickswert von Spannung oder Strom, sondern erzeugen eine Spannung, die der vom Sensor im Mittel aufgenommenen Leistung proportional ist.

Daneben wurden in den letzten Jahren Messwandler entwickelt, die nach optoelektronischen Prinzipien funktionieren, welche sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom einsetzbar sind. Diese Geräte werden – trotz kleinerer Abmessungen – wegen ihres hohen Anschaffungspreises eher selten verwendet. Für einfachen Anwendungen lassen sich auch Optokoppler verwenden.

Literatur[Bearbeiten]

  • Kurt Bergmann: Elektrische Messtechnik. Springer, 6. Aufl. 2008
  • Melchior Stöckl: Elektrische Meßtechnik. Springer, 8. Aufl. 1987
  • Karl Küpfmüller, Gerhard Kohn: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik: Eine Einführung. Springer, 15. Aufl. 2000
  •  J. (Isaak) Goldstein: Die Messwandler. Ihre Theorie und Praxis. 2. Auflage. Birkhäuser, Basel 1952 (1. Aufl. Springer, Berlin 1928; russisch: Ismeritelnye transformatory. Gostech, Moskau 1930).

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. DIN 1319-2:2005-10: Grundlagen der Messtechnik – Teil 2: Begriffe für Messmittel