Wie funktioniert das mit der Messbereichserweiterung beim Ampere- \ Voltmeter? (Physik)
Mir steht ein Physiktest zum Thema Widerstände bevor. Jedoch fällt es mir schwer die Messbereichserweiterungen zu verstehen.
Meine Fragen sind:
Wofür benötigt man eine Messbereichserweiterung genau?
Wie kann ich den benötigten Wert berechnen wenn zB. der Messbereich verzehnfacht werden soll?
Worin liegt der Unterschied bei der Verwendung einer Messbereichserweiterung bei einem Ampere - bzw. Voltmeter?
Wie muss ich eine Messbereichserweiterung im Schaltkreis platzieren?
Was sind Stromfehler - und Spannungsfehlerschaltungen?
Ich bedanke mich im Vorhinein bei jedem der sich die Zeit nimmt meine Fragen zu beantworten.
MfG
3 Antworten
die messbereichstrweiterung für Spannung ist im wesentlichen eine Kette aus Widerständen, bei der das Messgerät zwischen den Widertänden seinen Wert abgreift...
die von dir geforderten 10:1 würden sich z.b. aus einem Widerstand von 2,7 kOhm und 0,3 kOhm zusammensetzen.... zusammen ergeben diese beiden Widerstände einen Wert von 3 kOhm...
wenn du hier jetzt eine Spannung von 240 Volt anlegst, dann fällt zwischen dem Ende des Stromkreises, an dem der 0,3 k Wideerstand angeschlossen ist und dem Knotenpunkt zwischen den beiden Widerständen eine Spannung von 24 Volt ab...
um den Messbereich eines Messgerätes für Strom (amperemeter) zu erweitern muss ein wenig anders vorgegangen werden. für gleichströme wird hier auf den sogenannten Shunt zurückgegriffen. das ist ein Widerstand im Stromkreis.
je mehr strom durch den Widerstand fließt, desto mehr Spannung fällt an diesem widerstand ab. gehen wir mal von einem Widerstand mit 00,1 Ohm aus. wenn du jetzt da 5 Ampere rüber schickst, fällt nach dem Ohmschen Gesetz eine Spannung von 0,05 Volt (U = R * I) d.h. du musst mit dem Mesgerät also spannungen messen und das gegebenenfalls auf einen Strom umrechenn, oder ein Messgerät verwenden, das über eine entsprechende skala verfügt...
was die platzierung angeht, so muss der shuntwiederstand in reihe in den stromkreis eingeflochten werden, vorne und hinten am Shuntwiderstand wird das Messgerät parallel zu den lastleitungen angeschlossen...
für die Messung der Spannung wird die Spannungsteilerkette zwischen Plus und Minuspol der Stromquelle parallel zu den Verbrauchern angeschlossen. das Messgerät entsprechend am Knotenpuntt des spannungsteilers...
zu deiner frage, was strom und spannungsfehlerschaltungen sind, ist es einfach so: um die Leistung zu messen, müssen strom und spannung ausgewertet werden...
beim messen des stromes (siehe oben) geht immer ein kleinweig spannung verloren, während beim Messen der Spannung immer etwas strom fließt....
d.h. man muss sich überlegen, ob man nun den spannungsmesspfad vor den stromshunt setzt, oder dahinter....
gererell würde ich zur stromfehlersschaltung tendiren, das heißt, den Spannungsmesspfad hinter den Stromshunt platzieren, wenn du nämlich, wie in den meisten applikationen obligatorisch. eine relativ konstante spannung hast, dann bleibt auch der strom duch den messpfad relativ konstant, und kann rechnerisch kompensiert werden....
lg, Anna
Wofür benötigt man eine Messbereichserweiterung genau?
Immer genau dann, wenn man höhere Werte messen will als das Meßgerät kann und/oder um niedrigere Ströme genauer messen zu können (mehr Nachkommastellen). In einem gewöhnlichen Multimeter sitzt ein IC drin, der nur -199mV bis +199mV messen kann und diesen Wertebereich direkt auf dem Display anzeigt. Alle anderen Meßbereiche als der 200mV Meßbereich müssen durch Meßbereichserweiterungen hinzugefügt werden, passend dazu werden dann Komas eingeblendet. Der Meßbereich des Chips selber kann nicht verändert werden.
Wie kann ich den benötigten Wert berechnen wenn zB. der Messbereich verzehnfacht werden soll? Worin liegt der Unterschied bei der Verwendung einer Messbereichserweiterung bei einem Ampere - bzw. Voltmeter?
Kommt drauf an was das für ein Meßgerät ist. Digitale Anzeigen können nur Spannungen messen (Eingangsspannung wird intern mit selst erzeugten Spannungen verglichen), analoge Anzeigen nur Ströme (Strom erzeugt ein Magnetfeld das den Zeiger bewegt).
Je nachdem braucht man:
- Spannungsteiler um eine hohe Spannung für ein Voltmeter passend herunter zu teilen
- Stromteiler um einen hohen Strom pasend für ein Amperemeter herunter zu teilen
- Wandler um einen Strom in eine Spannung für ein Voltmeter umzuwandeln, im einfachsten Fall einen Widerstand, auch "Shunt" genannt.
Hat man ein analoges Anzeigegerät, so misst es meistens 100mA (gibt auch Meßwerke für µA). Möchte man eine Spannung messen, muß man den Widerstand der Meßspule kennen. Durch vorschalten eines Widerstandes bildet man zusammen mit dem Meßwerk einen Spannungsteiler durch den ein bestimmter Strom fließt. Möchte man bis 100V messen, braucht man einen Vorwiderstand der dafür sorgt, dass bei 100V genau 100mA durch das Meßwerk fließen. Die Skala bleibt gleich, nur das mA muß durch V ersetzt werden. Man kann das auch für "krumme" Maximalwerte machen, z.B. 30V, dann muß man aber die Skala anders einteilen, der Endausschlag liegt aber immer noch bei den originalen 100mA. Durch parallelschalten eines Widerstandes der bei Strommessungen "Shunt" genannt wird bildet man einen Stromteiler. Der Hauptstrom fließt durch den Shunt und der Nebenstrom durch das Meßgerät bedient den Zeiger. Hier mu0 man ebenfalls den Widerstand des Meßwerkes kennen und dafür sorgen, dass bei maximalstrom genau der Maximalstrom für das Meßwerk fließt, Als im Beispiel für 100A muß man dafür sorgen, dass 99,9A durch den Shunt fließen, 0,1A durch das Meßwerk.
Hat man ein digitales Anzeigegerät, so kann das nur SPannungen messen. Der verbreitetste PanelmeterIC misst zwischen -199mV und +199mV. Die Einteilung kann im Gegensatz zu den analogen Anzeigegeräten nicht verändert werden, dafür fließt fast kein Meßstrom. Um Spannungen zu messen muß man nur einen Spannungsteiler vorschalten, bei einfachen Messungen reicht es diesen als völlig unbelastet anzunehmen. Möchte man 100V messen, muß der Teiler einfach nur 1:1000 teilen, das Panelmeter zeigt dann bei 100V genau 100(mV) an, kann tatsächlich auch 199V messen und anzeigen. Daher bei Multimetern immer 2V, 20V, 200V Bereiche. Das der letzte meistens nur 500V oder 700V hat liegt nicht am Verfahren sondern an der Isolation, mehr darf man nicht ohne zu riskieren, dass es zu einem Überschlag, also Lichtbogen kommt oder der Benutzer an den Strippen bzw. am Gehäuse einen Stromschlag kriegt. Die alten Metex konnten in trockener Umgebung (Silikageltütchen eingebaut) problemlos auch 1999V anzeigen, nur durfte man die auf keinen Fall in der Hand haben! Mikrocontroller messen meistens zwischen 0 und 5V, wie man das berechnet ist das gleiche, nur der Meßbereich der "Anzeige" ist anders. Um Ströme zu messen schaltet man einen Widerstand parallel, da fließt der gesamte Strom durch den man misst, es fällt dazu proportional eine Spannung ab die das Panelmeter anzeigt. Möchte man 100A messen, müssen am Widerstand dabei 100mV abfallen um das auf einem Panelmeter anzeigen zu können.
Wie muss ich eine Messbereichserweiterung im Schaltkreis platzieren?
Wie schon beschrieben vorgeschaltet oder parallel geschaltet. Bei stärkeren Strömen und Hochspannung macht es aber sinn, an der Meßstelle die Erweiterung zu platzieren, dann kann man das Anzeigegerät mit dünnen, normal isolierten Leitungen anschließen. Möchte man im Auto die Batterieströme während der Fahrt messen, macht es keinen Sinn ein Fingerdickes Kabel von der Batterie ins Armaturenbrett und zurück in den Motorraum zu legen. Hier baut man den Shunt nahe der Batterie ein und kann eine dünne zweidrahtleitung verwenden um das Instrument im Armaturenbrett anzuschließen.
Möchte man Strom und Spannung messen, z.B. als dazwischen gechaltetes Gerät, hat man zwei Möglichkeiten:
- Spannungsmesser parallel zum Eingang
- Spannungsmesser parallel zum Ausgang
Der Strommesser ist immer in Reihe zwischen Ein- und AUsgang,
Bei 1) zeigt das Voltmeter immer genau die Eingangsspannung an, aber die Ausgangsspannung kann wegen dem Spannungsfall am Shunt niedriger werden.
Bei 2) Zeigt das System zwar immer die korrekte Spannung an, aber der STrom durch das Voltmeter wird am Amperemeter mit angezeigt!
Bei analogen Messgeräten ein großes Problem, braucht das Voltmeter bei maximalspannung 100mA, werden die bei 2) gleich mit angezeigt, das kann bei kleinen zu messenden Strömen sogar mehr sein als der Verbraucher zieht den man messen will. Der Strom wird also fehlerhaft angezeigt.
Bei 1) kann aber der Shunt einen heftigen Spannungsfall erzeugen der dann am Voltmeter falsch angezeigt wird, bei kleinen Spannungen kann der Spannungsfall durch starke Ströme leicht die Hälfte oder gar mehr ausmachen.
Also muß man beachten was man genauer gemessen haben will bzw. sich überlegen welche Art einen schlimmeren Fehler erzeugt.
Bei digitalen Anzeigen ist der Strom den die Dinger zum messen brauchen verschwindend gering. Hier nimmt man lieber die Stromfehlerschaltung, denn das Voltmeter erzeugt kaum einen nennenswerten Fehler. Außernatürlich man möchte extrem kleine Ströme messen, dann muß man sich wieder überlegen was schlimmer ist.
Ein Messgerät misst im Grundzustand z.B. bis 200 mV. Etwas zu klein für normale Messungen, oder? Dafür braucht man eine Messerweiterung. Damit man auch Spannungen über 200 mV messen kann.
Wie man den Wert berechnet: Schau mal unter "Spannungsteiler" im Internet nach.
Die restlichen Fragen kannst Du in Fachbüchern nachlesen. Das würde hier zu weit führen.