Versuch E01: Messbereiche von Strom- und Spannungsmessgeräten
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<strong>Versuch</strong> <strong>E01</strong>: <strong>Messbereiche</strong> <strong>von</strong> <strong>Strom</strong>- <strong>und</strong><br />
<strong>Spannungsmessgeräten</strong><br />
4. März 2010<br />
I<br />
Einleitung<br />
Um die Genauigkeit eines <strong>Strom</strong>- oder Spannungsinstrumentes optimal auszunutzen,<br />
soll der Zeigerausschlag möglichst im oberen Drittel der Skala liegen.<br />
Damit das bei verschiedenen Messwerten möglich ist, passt man den Messbereich<br />
dem zu messenden Wert an. Bei Voltmetern geschieht dies durch<br />
Vorwiderstände, bei Ampèremetern durch Parallelwiderstände. Der Wert<br />
dieser Widerstände richtet sich nach dem gewünschten Messbereich <strong>und</strong> den<br />
elektrischen Kenndaten des benutzten Messwerkes.<br />
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Fig.1: Schema des Drehspulmesswerkes<br />
Ma/La 07/’06<br />
In diesem Praktikumsversuch sollen zunächst die elektrischen Kenndaten<br />
(d.h. <strong>Strom</strong>fluss für Vollausschlag <strong>und</strong> Innenwiderstand) eines Drehspulmesswerkes<br />
nach Art der Figur 1 bestimmt werden. Danach wird das Messwerk<br />
mit Hilfe <strong>von</strong> Widerständen in seinen <strong>Messbereiche</strong>n als Voltmeter bzw.<br />
Ampèremeter erweitert <strong>und</strong> schließlich werden für je einen <strong>Strom</strong>- <strong>und</strong> Spannungsmessbereich<br />
die zugehörigen Kalibrierkurven aufgenommen.<br />
Man mache sich zuvor mit der Wirkungsweise <strong>und</strong> den Eigenschaften<br />
eines Drehspulmesswerkes vertraut. Es ist <strong>von</strong> Haus aus ein Galvanometer,<br />
d.h.: ursächlich bewirkt der elektrische <strong>Strom</strong> den Zeigerausschlag.<br />
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(Bemerkung: Demgegenüber bewirkt beim Elektrometer ursächlich die<br />
elektrische Spannung den Ausschlag). Der Zusammenhang zwischen dem<br />
Drehwinkel α der Drehspule <strong>und</strong> dem durch sie hindurchfließenden <strong>Strom</strong> I<br />
ist durch die Formel<br />
gegeben, wobei<br />
Magneten<br />
bedeuten.<br />
α= n·B·F<br />
D ∗ ·I<br />
n die Windungszahl der Drehspule<br />
B die magnetische Induktion im Luftspalt des<br />
F die Windungsfläche der Drehspule<br />
D ∗ die Winkelrichtgröße der Spiralfedern<br />
Das Drehspulmesswerk stellt ein wichtiges, in vielen Varianten vorkommendes<br />
elektrisches Messwerk dar. Seine Entwicklungsgeschichte reicht bis<br />
zum ØRSTEDT’schen <strong>Versuch</strong> aus dem Jahre 1820 zurück <strong>und</strong> enthält auch<br />
die berühmte SSinus-Tangentenbussole”<strong>von</strong> POUILLET (1837), mit der WE-<br />
BER (1840) erstmalig den elektrischen <strong>Strom</strong> in absoluten Einheiten maß.<br />
(Siehe Praktikumsversuch SSinus-Tangentenbussole ”)<br />
II<br />
Aufgaben<br />
II.1<br />
Bestimmung der elektrischen Eigenschaften des<br />
Drehspulmesswerkes<br />
Zunächst kontrolliere man den mechanischen Nullpunkt <strong>und</strong> stelle ggfs.<br />
nach.<br />
a) Nach der Schaltung <strong>von</strong> Figur 2 messe man den <strong>Strom</strong> I V für den<br />
Vollausschlag des Zeigers des Messwerkes MW.<br />
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Fig.2: Schaltung zur Messung <strong>von</strong> I V<br />
b) Zur Bestimmung des Innenwiderstandes R i des Messwerkes MW<br />
schalte man parallel zu letzterem eine Widerstandsdekade <strong>und</strong> stelle<br />
sie so ein, bis das Messwerk genau den halben Ausschlag anzeigt. Man<br />
achte dabei streng darauf, dass der durch das Vergleichsinstrument<br />
angezeigte <strong>Strom</strong> I V konstant bleibt <strong>und</strong> stelle ggfs. nach. Wie lässt<br />
sich aus dem abgelesenen Widerstandswert der Innenwiderstand R i<br />
berechnen?<br />
c) Aus R i <strong>und</strong> I V berechne man den Spannungsabfall U V über<br />
dem Messwerk bei Vollausschlag des Zeigers.<br />
d) Man berechne die vom Drehspulmesswerk verbrauchte Leistung bei Vollausschlag<br />
<strong>und</strong> bei halbem Ausschlag des Zeigers.<br />
II.2<br />
Erweiterung der <strong>Messbereiche</strong> des Drehspulmesswerkes<br />
Für die folgenden Aufgaben unter a) <strong>und</strong> b) berechne man zunächst mit Hilfe<br />
des OHM’schen Gesetzes <strong>und</strong> der KIRCHHOFF’schen Gestze der <strong>Strom</strong>verzweigung<br />
die Widerstände, die die Widerstandsdekade in den verschiedenen <strong>Messbereiche</strong>n<br />
theoretisch annehmen sollte <strong>und</strong> vergleiche diese Werte nachher mit<br />
den auf der Widerstandsdekade abgelesenen Werten des Experimentes.<br />
a) Man stelle den Messbereich des Messwerkes mit Hilfe des Vielfachinstrumentes<br />
<strong>und</strong> der Widerstandsdekade auf den Spannungsbereich <strong>von</strong><br />
zunächst 5 V <strong>und</strong> dann <strong>von</strong> 10 V ein. Wie groß sind die eingestellten<br />
Vorwiderstände R V ?<br />
4
) Man stelle den Messbereich des Messwerkes mit Hilfe des Vielfachinstrumentes<br />
<strong>und</strong> der Widerstandsdekade auf den <strong>Strom</strong>bereich <strong>von</strong> zunächst<br />
5 mA <strong>und</strong> dann <strong>von</strong> 25 mA ein. Wie groß sind die eingestellten Parallelwiderstände<br />
R p ?<br />
II.3<br />
Kalibrierung für zwei <strong>Messbereiche</strong><br />
Man kalibriere mit höchstmöglicher Ableseschärfe das jeweils auf den 5 mA-<br />
Bereich <strong>und</strong> den 5 V-Bereich eingestellte Messwerk, fertige eine Präzisionsgrafik<br />
in DIN A4-Format an, die den Zusammenhang zwischen Messwert <strong>und</strong> Zeigerausschlag<br />
wiedergibt <strong>und</strong> prüfe so die Annahme unter Punkt 2.1 b), wonach<br />
zu ”halbem Vollausschlag”genau der ”halbe <strong>Strom</strong> für Vollauschlag”gehört.<br />
Lassen sich Abweichungen feststellen?<br />
III<br />
Hinweise zur <strong>Versuch</strong>sdurchführung<br />
1.) Man lese die Instrumente stets sorgfältig mit Hilfe der Spiegelskalen ab<br />
<strong>und</strong> beachte, dass zu den verschiedenen <strong>Messbereiche</strong>n des Vielfachinstrumentes<br />
verschiedene Skalen gehören.<br />
2.) Um Leitungswiderstände <strong>und</strong> Kontaktwiderstände vernachlässigbar klein<br />
zu halten, benutze man insbesondere bei einzustellenden kleinen Werten<br />
der Widerstandsdekade die kurzen Kabel mit relativ starkem Querschnitt<br />
<strong>und</strong> Polschuhen.<br />
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