Messinstrumente Messtechnik

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1 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite 1 Kapitel 22 Repetitionsfragen Messinstrumente Messtechnik Verfasser: Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn Ausgabe: April 2009 Copy is right Die Autoren haftet nicht für irgendwelche mittelbaren oder unmittelbaren Schäden, die in Zusammenhang mit dem in dieser Publikation Gedruckten zu bringen sind. Die vorliegende Publikation ist nicht geschützt. Alle Rechte liegen beim Verwender. Kein Teil dieser Publikation darf verborgen bleiben. Der Autor wünscht, dass alles reproduziert wird. Vielen Dank für eine Rückmeldung, ihre Anregungen und Ergänzungen.

2 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Was heisst messen? Vergleichen zwischen einer bekannten und einer unbekannten Grösse Welche drei Messgeräte und Anzeigesysteme kennen Sie? 1) Zeigergerät mit analoger Anzeige 2) Schreibgeräte zum Registrieren 3) Zifferngeräte mit digitaler Anzeige Welche drei Analogen Messsysteme kennen Sie? Drehspulmesswerk Dreheisenmesswerk Elrktrodynamisches Messwerk Welche Grössen können mit dem Dreheisenmesswerk gemessen werde? Gleichstrom und Wechselstrom

3 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Welche Symbol hat das Drehspulmessinstrument? In welchem Skalenbereich muss bei analogen Messinstrumenten gemessen werden? Im letzten Drittel der Anzeige a Welche elektrotechnischen Grössen können mit Messgeräten bestimmt werden (5 Beispiele)? a) Grössen b) Instrumente c) Einheiten d) Schemazeichen a) b) d) c) Spannung Strom Volt-Meter V Ampere- Meter A V A Leistung- Watt-Meter W W b Welche elektrotechnischen Grössen können mit Messgeräten bestimmt werden (5 Beispiele)? a) Grössen b) Instrumente c) Einheiten d) Schemazeichen a) b) d) c) Widerstand Isolations- Widerstand Arbeit Ohm-Meter Ω Isolationsmesser Ω Zähler kwh kwh Ω

4 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite c Welche elektrotechnischen Grössen können mit Messgeräten bestimmt werden (5 Beispiele)? a) Grössen b) Instrumente c) Einheiten d) Schemazeichen a) b) d) c) Beleuchtungs stärke Frequenz Lux-Meter Lx Frequenzmesser Hz lx Phasen- cosϕ-meter cosϕ verschiebung Was bedeuten die untenstehenden Symbole? Prüfspannung 2000 V 4 Gebrauchslage Waagerecht 3 Genauigkeitsklasse 1% 2 Für Gleich- und Wechselgrössen 1 Drehspulmessinstrument mit Gleichrichter Wie kann der Messbereich beim Messen erweitert werden? a) Voltmeter b) Amperemeter a) Seriewiderstand b) Parallelwiderstand (Shunt) Zeichne ein Messbereichserweiterung bei der Strommessung! a) Schema b) Messgeräte c) Alle Teile bezeichnen U = U M = I Tot = 3 A R i = 0,48 Ω A M essgerät I M = 300 ma R Sh =? U L = R L =

5 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Berechnen Sie für ein Messgerät mit einem maximalen Strom von 300mA den notwendigenparallelwiderstand, wenn der Verbraucherstrom 3A beträgt und der Innenwiderstand des Messgerätes mit 0,48 Ohm angegeben wird! R Sh USh I M R = = I I I Sh M M 0, 3 0, 48 = = 0, 053Ω 3 0, Welche Grössen können mit dem Elektrodynamischen Messgerät gemessen werden? Spannungen Ströme Leistungen cosφ a) Welche Messgeräte kennen Sie bezüglich der Genauigkeitsklassen? b) Welche Klassenindexe werden diesen zwei Messgerätetypen zugeordnet? a) Messgeräte - Präzisions- oder Feinmessgeräte - Betriebsmessgeräte b) Klassenindexe - Präzisions- und Feinmessgeräte 0,1, 0,2, 0,5 - Betriebsmessgeräte 1,0, 1,5, 2,5, 5, Zeichnen Sie das Symbol eines Dreheisenmesswerkes.

6 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Zeichne ein Messbereichserweiterung bei der Spannungsmessung! a) Schema b) Messgeräte c) Alle Teile bezeichnen U = 100 V U M = 10 V R i = 100 kω V Messgerät I V = 0,1 ma U V = 10 V R V = 900 kω Berechnen Sie für ein Messgerät mit einem maximalen Spannung von 10V den notwendigen Seriewiderstand, wenn der Verbraucherstrom 3A und die zu messende Spannung 100 V beträgt. Der Innenwiderstand des Messgerätes wird mit 100 kohm und der Messstrom mit 0,1mA angegeben! R V U V U UM = = = = k I I 00001, 900 Ω V M R V = Vorwiderstand Wie funktioniert ein Dreheisenmesswerk? Das Weicheisen wird sowohl bei Gleich- und Wechselgrössen magnetisiert. Dies hat in beiden fällen eine Abstossung zur Folge Erkläre und begründe die Reaktion des Zeigers am Wattmeter, wenn die Anschlüsse des Strompfades vertauscht werden! Der Zeiger schlägt in die entgegengesetzte Richtung aus.

7 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Zeichne die Messschaltung mit einem Wattmeter! Ein Prüfvoltmeter für 0 bis 600 V nimmt bei der Maximalspannung 1,1 ma auf. Berechnen Sie a) den Widerstand des Voltmeters, b) den Leistungsverbrauch im Voltmeter beim Anschluss an 600 V, c) den Leistungsverbrauch im Voltmeter beim Anschluss an 220 V. a) R= 545,454 kω b) P= 0,66 W c) P = 0,08873 W Ein Messinstrument hat beim 6-A-Bereich einen inneren Widerstand von 0,2 Ω. Berechen Sie den Spannungsverlust im Instrument beim Nennstrom. u V = 1,2 V Ein Schalttafel-Voltmeter für 0 bis 60 V hat einen inneren Widerstand von 9000 Ω. a) Berechnen Sie den erforderlichen Vorwiderstand, wenn der Messbereich auf 300 V erweitert werden soll. b) Zeichnen Sie ein Schema, und tragen Sie Strom und Spannungen ein. a) R V = 36 kω

8 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Ein Voltmeter mit 150 Skalenteilen und Anschlussklemen für 150 V, 300 V, und 600 V Messbereich liegt an der Spannung 138 V. Bestimmen Sie den Zeigerausschlag bei jedem Messbereich (Skalenteilstriche) , Ein Vielfach-Messinstrument mit 30 Skalenteilen hat folgende Messbereiche: a) b) c) d) 1,5 V 150 V 0,003 A 0,3 A 6 V 300 V 0,015 A 1,5 A 30 V 600 V 0,06 A 6 A Bestimmen Sie für jeden Bereich den angelegten Messwert. Der Zeigerausschlag beträgt jeweils 23,6 Skalenteile. Stellen Sie die Ergebnisse in einer Tabelle zusammen. a) b) c) d) 1,18 V 118 V 2,36 ma 0,236 A 4,72 V 236 V 11,8 ma 1,18 A 23,6 V 472 V 47,2 ma 4,72 A Ein altes Voltmeter für 0 bis 50 V nimmt bei 35 V 2,8 ma auf. Welcher Vorwiderstand ist erforderlich, wenn mit diesem Instrument Spannungen bis 250 V gemessen werden sollen? R M = 12,5 kω R V = 50 kω Der Spannungsabfall im 800-A-Shunt beträgt bei Nennstrom 60 mv. Berechnen Sie a) den Widerstand des Shunts, b) den Verlust im Shunt bei Nennstrom. R Sh = 75 µω P V = 48 W

9 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Ein Drehspulinstrument für 300 V hat die Genauigkeitsklasse 1,5. a) Anzeigefehler des Instruments in V? b) Zwischen welchen Werten kann die Spannung liegen, wenn das Gerät 75 V anzeigt? c) Wie viele % vom Messwert beträgt der max. Fehler, wenn das Instrument 45 V anzeigt? a) ± 4,5 V b) 70,5-79,5 V c) ± 10 % Ein Voltmeter der Klasse 2,5 (tolerierte Abweichung ± 2,5 % des Skalenendwertes) mit den Messbereichen 150 V, 300 V und 600 V ist an 126 V angeschlossen. a) Berechnen Sie für jeden Bereich den Anzeigefehler in V und den prozentualen Fehler für den Messwert 126 V. b) Wie gross wären dieselben Werte bei einem Instrument mit der Genauigkeitsklasse 1? a) Messbereich 150V 300V 600V Anzeigefehler ±3,75V ±7,5V ±15V Prozentualer Fehler ±2,98V b) Messbereich 150V 300V 600V Anzeigefehler ±1,5V ±3,0V ±6V Prozentualer Fehler ±1,19V Das an einen 150/5-A-Stromwandler angeschlossene Amperemeter zeigt 3,4 A an. Berechnen Sie den Strom in der Hauptleitung. I = 102 A Ein Amperemeter für 0 bis 6 A hat einen inneren Widerstand von 0,15Ω. a) Welchen Widerstand muss der Shunt aufweisen, wenn Ströme von 0 bis 30 A gemessen werden müssen? b) Zeichnen Sie ein Schema, und tragen Sie die Ströme ein. a) R Sh = 37,5 mω

10 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Ein Wattmeter mit einem Strommessbereich von 0 bis 5 A und zwei Spannungsmessbereichen für 0 bis 150 V und 0 bis 300 V hat eine Skala mit 150 Teilstrichen. a) Welche Leistungen können mit dem Wattmeter gemessen werden? b) Welcher Leistung entspricht jeweils ein Skalen-Teil [W/ST] (Instrumentenkonstante c)? a) P = 750 W bis 1500 W b) c = 5 W/ST bis 10 W/ST Was zeigen die Messinstrumente an beim Anschluss eines Heizkissens 40W/ 220V an 220 V Netzspannung a) bei der Schaltung 1 A b) bei der Schaltung 2 A R L = 1210 Ω U L = 218,91 V I L = 0,18092 A I V = 0,055 A I = 0,23592 A P L = 39,606 W U V = 220 V V Voltmeter 0 bis 250 V R V = 4000 Ω R L V Amperemeter 0 bis 0,3 A R A = 6 Ω R L R T = 934,98 Ω U A = 1,4209 V U L = 218,58 V I L = 0,18064 A I V = 0,05464 A I = I A = 0,23682 A P L = 39,485 W U V = 218,58 V Beschreibe den Aufbau des Prüfstiftes anhand einer Skizze! (Phasenprüfer) Kontaktspitze Schutzwiderstand Glimmlampe Bild Schutzisolation Spannfeder Kontrollfenster Beschreibe den Stromkreis, wenn mit dem Prüfstift gemessen wird (Skizze)! Der Stromkreis ist geschlossen über: Transformator (EVU) Polleiter Prüfstift Mensch Erde (Potentialausgleichsleiter) PEN-Leiter zum Trafo

11 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Warum leuchtet der Prüfstift auch beim Berühren des unterbrochenen Neutralleiters auf? Weil der Strom über die Erde abfliessen kann! Zähle 6 wichtige Punkte auf, die beim Kauf eines Vielfachinstrumentes für den täglichen Gebrauch des Elektromonteurs wichtig sind! Preis Gute machanische Festigkeit Prüfklasse Voltmeter Amperemeter Ohmmeter Einfache Bedienung Digitalanzeige Aus welchen Gründen soll der Zeiger beim Messen im letzten Drittel der Skala stehen? Weil dort der Messfehler am kleinsten ist! Mit welcher Schalterstellung beendigt man eine Messung mit einem Vielfachmessinstrument? Stellung auf maximalen AC- Spannungswert

12 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Aus welchen Gründen misst man mit Drehspulinstrumenten falsch, wenn die Messgrösse nicht sinusförmig sind? Das Messsystem ist für Sinusstrom 50Hz geeicht Auf welchem Prinzip funktioniert das Zangen-A- Meter? Induktion der Ruhe Transformation Schema eines Zangenamperemeters mit analogem Messsystem Welche elektrischen Grössen muss der Elektromonteur mit Messgeräten messen können? (Nenne sechs) 1. Spannung 2. Strom 3. Widerstand 4. Frequenz 5. Kosinus 6. Scheinleistung 7. Wirkleistung 8. Blindleistung Nenne die Messgerätenamen der sechs obengenannten Messgrössen! 1. Voltmeter 2. Amperemeter 3. Ohm-Meter 4. Frequenzmesser 5. Kosinus-Phi-Meter 6. Spannung und Strommessung mit Volt- und Ampermeter 7. Wattmeter 8. Berechnung aus Scheinleistung und Wirkleistung

13 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Was versteht man unter den Bezeichnungen: a) Analoges Messgerät? b) Digitales Messgerät? a) Zeigeranzeige b) Ziffernanzeige Jedes analoge Messgerät hat am unteren Rand der Skala eine Reihe von Zeichen. a) Welche? b) Was bedeuten Sie? a) Messgerätetyp Spannungs- bzw Stromform Gebrauchslage Genauigkeitsklasse Prüfspannung b) Verwendung und Einsatz des Messinstrumentes Was heisst Genauigkeitsklasse 2,5? Messfehler bei Endausschlag ±2,5% Erkläre den Unterschied im Aufbau und in der Wirkungsweise eines: a) Drehspulmesswerks und eines b) Dreheisenmesswerks a) Die Drehspule befindet sich in einem permanenten Magnetfeld und kann daher nur gleichsinnigen Strom in der Spule in eine Ablenkung umwandeln. b) Da die Spule sowohl bei Wechsel- wie auch bei Gleichstromgrössen das Eisen Magnetisiert bzw. ummagnetisiert kann immer ein Messwert angezeigt werden.

14 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Ein Messwerk mit einem Messbereich von 100 mv hat einen inneren Widerstand von 100 Ω. Berechne die Vorwiderstände für die Messbereiche: a) 150 V b) 300 V c) 600 V ,9 kω kω ,9 kω Durch ein Drehspulmesswerk mit R M =1,5 Ω darf höchstens ein Strom von 40 ma fliessen. Durch Shunten soll der Messbereich auf 1A und 4A erweitert werden. Berechne die Nebenwiderstände! 1. 1A Rsh=0,0625 Ω 2. 4A Rsh=0,1615 Ω UM Erkläre das Prinzip der analog-digitalen Signalumwandlung! Sägezahngenerator Komperator (Vergleicher) UND-Gatter Eingang UM US U2 U3 Ausgang t Impulsgenerator U1 U3 t Nenne die Vorteile eines DVM (Digital-Voltmeter)! Einfachere Ablesung Gebrauchslage Weiterverarbeitung der Messwerte

15 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Welche elektrischen Grössen können mit den Vielfachmessgeräten im Praktikum gemessen werden? Widerstand Spannung Strom Durchgang Auf welche Punkte ist der Reihe nach zu achten, bevor mit Vielfachmessgeräten Messungen durchgeführt werden? Höchste Stufe Gleich-der Wechsel Strom oder Spannung Messwert ablesen Das elektrodynamische Messgerät wird meist als Wattmeter eingesetzt. Es besteht im Wesentlichen aus zwei Spulen. a) Wie heissen diese Spulen? b) Wie sind sie geschaltet? c) Welches sind ihre äusseren Merkmale? a) Drehspule, feste Spule b) U parallel, I serie c) Widerstand Wie können elektrische Leistungen gemessen werden? Wattmeter U,I-Messung Zähler, Stoppuhr

16 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Zeichne eine Messschaltung mit einem Verbraucher, an dem die Spannung, der Strom und die Leistung gemessen werden können! Zeichne das Schema zur Widerstandsmessung mit dem Ohmmeter! Zeichne den Aufbau einer Widerstandsmessbrücke! Wann werden Widerstandsmessbrücken eingesetzt? Bei sehr kleinen Widerständen.

17 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Wie sind Isolationsmessungen durchzuführen? Welche Messwerte sind bei der ISO-Messung einzuhalten? Neuanlage und U< 500v; 500'000 Ω Worin besteht der Hauptunterschied zwischen: a) Analog-Messgeräten b) Digital-Messgeräten und c) Kathodenstrahl-Oszillograph? a) Zeiger b) Ziffer c) Linien Bestimmen Sie die Skalenbeschriftungen: 0,5

18 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Bestimmen Sie die Skalenbeschriftungen: Bestimmen Sie die Skalenbeschriftungen: 2, Bestimmen Sie die Skalenbeschriftungen: 0, Wie gross können die Anzeigefehler sein bei einem Messgerät a) der Klasse 0,5 für einen Messbereich von 250 V? b) der Klasse 1,5 für einen Messbereich von 500 V? a) 1,25 V b) 7,5 V

19 ES ERWEITERTE SYSTEMTECHNIK LÖSUNGSSATZ Seite Wie gross können a) der Anzeigefehler in V und in % eines Spannungsmessers der Klasse 0,5 mit einem Messbereich von 300V sein? b) der Anzeigefehler in V und % des gleichen Messgerätes bei einer Messung von 150 V und einer von 250 V? Wie wird eine Fehlerrechnung mit einem Digtalen messgerät ausgeführt? Welchen Wert zeigt ein Messgerät bei der Spannungsmessung an? Effektivwerte