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Meßinstrumente [4]

[436] Meßinstrumente , elektrotechnische. Während die in Bd. 6 beschriebenen Gleichstrominstrumente bereits so vollkommen waren, daß sie mit einer für alle technischen und wissenschaftlichen Meßmethoden ausreichenden Genauigkeit hergestellt werden konnten, war dies bei den Wechselstrominstrumenten noch nicht der Fall. Die Genauigkeit der letzteren wird einmal dadurch begrenzt, daß die beweglichen Teile der Instrumente infolge ihrer Trägheit der andauernden und schnellen Richtungsänderung des Wechselstromes nicht rasch genug folgen können [31, S. 180; 305], [36, S. 519], dann aber, besonders bei Wechselströmen sehr hoher Frequenz, auch durch die Beeinflussung der Meßresultate infolge Selbstinduktion, Hysteresis, Wirbelstrombildung, Skineffekt u.s.w., wodurch die gesetzmäßigen Beziehungen magnetischer und elektrischer Wechselwirkung, auf denen die Gleichstrommessungen beruhen, verschwinden. Bei der immer ausgedehnteren Verwendung ein- und mehrphasiger Wechselströme in Anlagen für Licht, Kraft, drahtlose Telegraphie u.s.w. störte das Fehlen von Meßinstrumenten, welche mit derselben Genauigkeit wie bei Gleichstrom verwandt werden konnten, immer mehr. Erst nach langjähriger Arbeit gelang es, auch hierfür geeignete Meßinstrumente, -apparate und -methoden zu erfinden, welche bei allen vorkommenden Periodenzahlen für die gebräuchlichen technischen und wissenschaftlichen Messungen ausreichen.

Galvanometer. Der wissenschaftliche Instrumentenbau erfuhr eine Bereicherung durch die Verwendung von Quarzfäden, die nach Bestelmeyer [17, S. 569] im Vakuum mittels Kathodenzerstäubung platiniert werden. Früher versilberte man die Fäden auf chemischem Wege, jedoch beeinflußte dies ihre Biegsamkeit und vergrößerte ihr Torsionsmoment. Völlig neue Gesichtspunkte für die Herstellung wissenschaftlicher Strommeßinstrumente brachte das von Einthoven erfundene Saitengalvanometer [1, S. 309], [35, S. 32], [36, S. 441], [39, S. 1059], [40, S. 182], [41, S. 20], [42, S. 483 u. 665], [62, S. 291]. Ein sehr dünner, durch Metallüberzug stromleitender Quarzfaden wird so in ein starkes magnetisches Feld gebracht, daß die Kraftlinien den Faden senkrecht schneiden. Beim Durchgang von Gleichstrom durch den ausgespannten Faden wird eine Ausweichung verursacht, welche mit einem mittelstarken Mikroskop gemessen und beobachtet werden kann. Im Gegensatz zu den bisherigen Galvanometern mit ihrer empfindlichen, umfangreichen und komplizierten Aufteilung verlangen diese Instrumente bei gleicher Empfindlichkeit weniger Raum und keine feste Montage, sind fast unabhängig von der Aufstellung und sind viel leichter zu behandeln als Spiegelgalvanometer. Mit einem 140 mm langen Quarzfaden von 10000 Ohm Widerstand, bei 600facher Vergrößerung, bei 0,1 mm Ausschlag und einer Einstellungsdauer von 1,5 Sekunden ist die Empfindlichkeit 2 × 10-¹¹ Ampère. Das Panzergalvanometer nach Du Bois-Rubens (Bd. 6, S. 375, Fig. 10); [35, S. 21] stellt das empfindlichste der damaligen Instrumente dar, bei 1 mm Ausschlag, 1 m Skalenabstand und einer Einstellungsdauer von ca. 10 Sekunden ist die größte erreichte Empfindlichkeit 2 × 10-¹¹ Ampere und 8 × 10-⁸ Volt. Fließt ein Wechselstrom durch das Saitengalvanometer, so gerät der Faden in Schwingungen (Vibrationen), deren Amplitude ein Maß für die gemessene Stromstärke oder Spannung ergibt. Die Schwingungen werden am größten, wenn sie mit den Schwingungen des zu messenden Wechselstromes in Resonanz [36, S. 252] sind, die Einstellung der Resonanz erfolgt durch Aenderung der Fadenspannung oder der Einspannungslänge des Fadens. Nach diesem Prinzip gebaute, für Wechselstrommessungen besonders geeignete Instrumente nennt man Resonanz- oder Vibrationsgalvanometer [1, S. 254], [3, S. 369], [4, S. 262], [5, S. 303], [7, S. 204], [8, S. 210], [36, S. 442]. Sie unterscheiden sich prinzipiell nicht von den Nadel- und Spulengalvanometern für Gleichstrom, sie haben nur eine viel kleinere Schwingungsdauer (sehr hohe Eigenfrequenz) und besitzen eine Vorrichtung zur leichten Veränderung der Eigenfrequenz[436] durch Abänderung der Richtkraft, es wird nicht nur ein dauernder Ausschlag sondern die Amplitude von Schwingungen gemessen. In Bd. 6, S. 383 zu Fig. 11 und S. 387 zu Fig. 28 sind Brückenmeßmethoden mit Wechselstrom angegeben, bei welchen ein Telephon zum Nachweis der Wechselspannungen benutzt wird. Die Empfindlichkeit des Telephons genügt für den Bereich von 50÷3000 Perioden in der Sekunde, das Ohr kann aber in vielen Fällen das Tonminimum nicht einwandfrei feststellen. Max Wien versuchte daher die Schwingungen der Telephonmembran durch einen reflektierten Lichtstrahl besser kenntlich zu machen (optisches Telephon) [36, S. 441], [55, S. 593], [56, S. 681]. Eine bessere Lösung ergaben die zuerst von Rubens [57, S. 27] und Max Wien [2, S. 270], [38, S. 439], [45, S. 939] angegebenen Eisennadelvibrationsgalvanometer. Sie sind jetzt schon so weit vervollkommnet worden, daß es möglich geworden ist, unter anderem sogar die Kompensationsmeßmethoden (Bd. 6, S. 384) für Wechselstrom mit derselben Genauigkeit wie für Gleichstrom ausführen zu können, bei Verwendung des irgendeinem beliebigen Wechselstromnetze entnommenen Stromes [3, S. 370], [5, S. 303]. Bei 1 mm Ausschlag, 1 m Skalenabstand und 50 Perioden werden Empfindlichkeiten bis 4 × 10-⁹ Ampère erreicht. Die verschiedenen Konstruktionen von Vibrationsgalvanometern lassen sich in folgende Gruppen sondern:

a) Eisennadelvibrationsgalvanometer. Bei der Konstruktion der Firma Hartmann & Braun sind zwei U-förmige Polschuhe aus Eisen von 5 × 5 qmm Querschnitt zwischen den Polen eines U-förmigen Gleichstromelektromagneten angeordnet. Die Schenkel der Polschuhe tragen 4 Wechselstromwicklungen, die 4 Endflächen der etwas zugespitzten Polschuhe sind kreisförmig angeordnet. Zwischen die Polschuhe wird ein zylindrischer Einsatz gefleckt, in dem ein dünnes Eisenblättchen als Nadel an einer schwachen vertikal gespannten Saite befestigt ist; die Richtkraft der Nadel ist zu einem Teil durch die Torsionskraft der Saite, zum anderen Teil durch das Feld des Gleichstrommagneten gegeben, der das Eisenblättchen magnetisiert. Durchfließt ein Wechselstrom die Wicklungen der Polschuhe, so treten an zwei einem Nadelende gegenüberliegenden Polschuhenden schwache entgegengesetzte Magnetpole auf, welche im Tempo des Stromwechsels ihr Vorzeichen wechseln und die magnetisierte Nadel in Schwingungen versetzen. Durch Verändern der Gleichstromerregung hat man es in der Hand, die Richtkraft der Nadel so einzuregulieren, daß ihre Eigenfrequenz abgestimmt wird und die Empfindlichkeit des Instruments einen Höchstwert erreicht. Durch einen Kupferbolzen in der Nähe der Nadel läßt sich die gewünschte Dämpfung einstellen. Das Instrument eignet sich für Messungen mit Wechselströmen von 10÷160 Perioden [28, S. 410], [64, S. 1].

b) Drehspulvibrationsgalvanometer. Fig. 1 zeigt die Konstruktion eines solchen Instruments von Siemens & Halske. Eine schmale Drehspule hängt zwischen zwei Metallbändern in dem Felde eines Magneten. Die Schwingungen der Drehspule werden durch einen Lichtzeiger sichtbar gemacht. Zu diesem Zweck befindet sich an der Drehspule ein kleiner Spiegel, auf den ein von einem schmalen Spalt abgegrenztes Lichtbündel geworfen wird. Der vom Spiegel reflektierte Lichtstrahl beschreibt auf einer transparenten Ableseskala ein mehr oder weniger breites Lichtband, dessen Breite ein Maß für die Amplitude der Schwingungen der Drehspule gibt, beim Strome Null schrumpft das Lichtband in einen schmalen Streifen zusammen. Das abgebildete Vibrationsgalvanometer zeichnet sich durch seine kurze Einstellzeit, große Empfindlichkeit und Unempfindlichkeit gegen fremde Streufelder aus. Das Vibrationsgalvanometer wird in zwei Typen ausgeführt: Eine regulierbare Type für 15÷30, 25÷60 oder 50÷500 Perioden zur Verwendung in Laboratorien und eine nur gering regulierbare Type mit ± 2% Regulierbarkeit für die normalen Periodenzahlen 15, 25, 50, 60, 100 oder 500 zur Verwendung in technischen Betrieben und Fabriken. In den letzteren wird das Instrument z. ß. gebraucht bei der Bestimmung des Uebersetzungsverhältnisses und der Phasenabweichung von Meßstromwandlern, bei der Bestimmung von Eisenverlusten, bei der Untersuchung der Streuung an Transformatoren [2, S. 263], [3, S. 369].

c) Schleifentypvibrationsgalvanometer. Bei dem Instrument von Hartmann & Braun nach den Angaben von Schering und Schmidt schwingen zwei parallele Saiten als Stromschleife in einem konstanten Magnetfeld, wodurch ein auf die Saiten aufgeklebtes Spiegelchen sich oszillierend dreht. Die je 50 cm langen Saiten aus Kupferband 0,2 × 0,02 mm sind in einer ausgefrästen Messingschiene ausgespannt. In der Mitte der Schiene sind Polschuhe aus weichem Eisen angebracht und das ganze steckt in einem Magnetgestell, das aus mehreren ringförmigen permanenten Magneten aufgebaut ist. Die Eigenschwingungszahl des Instruments läßt sich durch Verschieben zweier Stege und Aenderung der Spannung der Saite in dem Bereich von 25÷125 Perioden abstimmen. Ein zweiter Einsatz mit Saiten aus Phosphorbronzedraht von 0,02 mm Durchmesser ermöglicht eine Abstimmung des Instruments für einen Meßbereich von 110 bis über 1000 Perioden. Die Empfindlichkeit des Instruments bei objektiver Ablesung und einer Bildverbreiterung von 1 mm ist bei 25 bezw. 125 Perioden 1 × 10-⁷ bezw. 2,8 × 10-⁷ Ampère [1, S. 254], [2, S. 270], [23, S. 1180].

d) Saitentypvibrationsgalvanometer. Dieses entspricht im wesentlichen dem Einshovenschen Vibrationsgalvanometer. Mit einem Instrument nach den Angaben von F.F. Martens, Berlin, wurde mit einem solchen Instrument, dessen Platindrahtsaite 90 mm lang ist und 6000 Ohm [437] Widerstand hat, bei 500facher Vergrößerung und 0,2 Sekunden Einstellungsdauer eine Empfindlichkeit von 2 × 10-¹¹ Ampere erreicht [1, S. 309], [25, S. 515].

Elektrometer. Besonders hervorzuheben ist, daß diese Instrumente mit Gleichstrom geeicht [36, S. 625] und für die genauesten und zuverlässigsten Wechselstrommessungen benutzt werden können [1, S. 95], [2, S. 263], [19, S. 435 u. 466], [36, S. 612], [37, S. 92 u. 99], [51, S. 33], [59, S. 97], [62, S. 65]. Die in Bd. 6, S. 380 beschriebenen Elektrometer beruhen auf der anziehenden und abstoßenden Wirkung von elektrisch geladenen Flächen. Als niedrigste zulässige Spannung ist beim Multizellularvoltmeter 60 Volt angegeben, bei einer Empfindlichkeit von ca. 1 Volt [31, S. 360]. Eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit wurde durch die Ein- und Zweifadeninstrumente erreicht, bei welchen die elektrisch geladenen Flächen durch sehr seine Metalldrähte oder metallisierte Quarzfäden ersetzt wurden. Bei dem von Reiniger, Gebbert & Schall, A.-G., Erlangen, nach den Angaben von Dr. Szillard gelieferten Spiralelektrometer (Eindrahtelektrometer) zur Messung und Untersuchung von radioaktiven Präparaten u.s.w. [36, S. 656] ist die Empfindlichkeit bei mikroskopischer Ablesung 0,05 Volt bei einem Meßbereich von ca. 45 Volt [24, S. 537]. Fig. 2 zeigt das Meßsystem für dieses Instrument. Das kreisbogenförmig gebogene Drahtstück A kann sich in einen Quadranten S hineinbewegen, der aus je zwei konzentrisch parallel übereinander angeordneten Kreisbogen besteht. Das Gegendrehmoment für die Nadel liefert eine äußerst seine Spiralfeder R, deren Spannung durch die Klemme V reguliert werden kann. Die Aufladung des Quadranten S erfolgt durch den isoliert durch die Wand des Instrumentengehäuses geführten Stab C. Die zu messende Substanz wird in den unteren Teil des Instruments eingeführt, die als Ionisierungskammer [36, S. 658] ausgebildet ist und in eine Zerstreuungssonde ragt, die mit dem Quadranten S verbunden ist.

Das Wulfsche Elektrometer [50, S. 780], [53, S. 250] hat zwei feine Quarzfäden, welche durch eine dünne Platinschicht an der Oberfläche leitend gemacht, an beiden Enden aneinander beteiligt und am unteren Ende durch ein seines Quarzfederchen gespannt sind. Wird das Elektrometer geladen, so spreizen sich die beiden Fäden, die Ausspreizung in der Mitte gilt als Maß für die angelegte Spannung. Das Ablesen erfolgt durch ein mittelstarkes Mikroskop. Auch im ungeladenen Zustand erscheinen die beiden Fäden als zwei getrennte senkrechte Striche. Nach H. Greinacher [1, S. 471], [22, S. 721], [47, S. 388] kann ein derartiges Elektrometer auch als Vibrationselektrometer für dieselben Wechselstrommessungen wie das Vibrationsgalvanometer benutzt werden. Wird eine Wechselstromspannung angelegt, so ergeben sich genau dieselben Vibrationen der Fäden. Die Empfindlichkeit des Instruments kann durch Zwischenschaltung eines Transformators [1, S. 472], [7, S. 203] fast beliebig weit getrieben werden. Bei einem angegebenen Versuche [1, S. 473] wurden Spannungsunterschiede von 10-⁴ Volt noch mit Leichtigkeit festgestellt. Das Vibrationselektrometer von Siemens & Halske nach den Angaben von Greinacher hat einen Platindraht, welcher einer Metalleiste gegenüber steht, wodurch die Verwendung der sehr empfindlichen Quarzfäden vermieden ist. Wegen der Trägheit des beweglichen Systems ist dieses Instrument nur bis zu einer Frequenz von 100 zu gebrauchen. Bei dem Vibrationselektrometer von Curtis [26, S. 460], [44, S. 535], welches sich besonders zur Messung sehr schwacher Ströme von ca. 50 Frequenz eignet, war eine Stromstärke von 10-¹¹ Ampère noch zu erkennen. Nach Peukert [21, S. 362] kann man ein Spiegelgalvanometer nach Deprez-d'Arsonval (s. Bd. 6, S. 377) auch als Elektrometer zu Spannungsmessungen verwenden, wenn man die Spule des Galvanometers als »Nadel«, das Magnetsystem als »Quadranten« des Elektrometers auffaßt und dementsprechend die Spannungspole anlegt. In die zweckmäßigste Anfangslage wird die Spule durch einen hindurchgeleiteten Gleichstrom gebracht.

Hitzdrahtinstrumente. Die nach den in Bd. 6, S. 379, angegebenen Grundsätzen gebauten Voltmeter zeigten sich für Gleichstrom und Wechselstrom beliebiger Periodenzahl und Kurvenform als gleich gut brauchbar, nur die Ampèremeter zeigten bei der Messung von Hochfrequenzströmen Fehler bis zu 30%. Die Fehlerquellen lagen an der unsymmetrischen Anbringung der Stromzuführung, der gegenseitigen Induktion der Heizdrähte bezw. Heizbänder und bei größeren Stromstärken an der auf alle Instrumententeile ungünstig einwirkenden Hitzeentwicklung [25, S. 92], [43, S. 92]. Diese Fehlerquellen sind z.B. bei der Konstruktion von Hartmann & Braun vermieden [21, S. 1134]. Der Gesamtstrom wird durch eine Anzahl zylindrisch um die Zuleitungsbolzen gelagerte 3 cm lange Bänder aus Platiniridium geleitet, welche mit Rücklicht auf rasche Wärmeableitung in massive Kupferblöcke eingespannt lind. Nur ein Band ist an das Zeigersystem angeschlossen, die Zeigereinstellung erfolgt etwas langsamer als bei den gewöhnlichen Hitzdrahtampèremetern.[438]

Fig. 3 zeigt eine Konstruktion der Paul Meyer-A.-G., Berlin, zum Schütze der Hitzdrahtvolt- und Amperemeter gegen Durchbrennen in der Weise, daß bei 10÷15% Ueberlastung der Hitzdraht kurzgeschlossen wird. Der Zeiger bewegt sich dann ungefähr bis auf die Mitte der Skala, wo er bis zum Eintritt normaler Verhältnisse stehen bleibt.

R. Bauch hat die Konstruktion eines Hitzdrahtwattmeters angegeben, bei welchem zwei Hitzdrähte benutzt werden [13, S. 530], [58, S. 501].

Für die eigentliche Hochfrequenz, d.h. für Ströme von 50000 bis zu einigen Millionen Perioden baut die Hartmann & Braun-A.-G., Frankfurt a.M., hochempfindliche Hitzdrahtwattzeiger mit einem Meßbereich von 0÷0,1 Watt, Hitzdrahtmilliampèremeter von 0÷40 bezw. 0÷150 Milliampère und aperiodische Hitzdrahtinstrumente mit Spiegelablesung (Bd. 6, S. 374), 1 mm Ausschlag bei 2 m Skalenabstand = ca. 0,00158 Ampère [60, S. 10].

Thermoinstrumente. Diese Instrumente beruhen wie die Hitzdrahtinstrumente auf der Wärmewirkung des elektrischen Stromes [16, S. 467], [36, S. 440], [38, S. 714], [49, S. 463], [55, S. 416], [63, S. 69]. Ein vom zu messenden Strom durchflossener Heizdraht ist dicht um die Lötstelle eines Thermoelements [31, S. 149], [36, S. 163] geführt, es kann weder ein Teil des zu messenden Stromes in das Thermoelement gelangen, noch ein Thermostrom seinen Weg in die äußere Zuleitung finden. Der vom Thermoelement gelieferte Strom wird mit einem empfindlichen Galvanometer oder die Spannung des Thermoelements nach einem der bekannten Kompensationsverfahren gemessen. Diese Instrumente haben den Vorteil, daß sie bei äußerst geringem Energieverbrauch sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom von beliebiger Kurvenform und Periodenzahl gleich gut verwendbar sind und durch fremde magnetische und elektrische Felder nicht beeinflußt werden.

Bei dem Spiegelthermogalvanometer von Duddel [17, S. 571], [24, S. 244], [36, S. 440] ist das Thermoelement an einer aus einer einzigen Windung bestehenden Drehspule aufgehängt, welche sich zwischen den Polen eines kräftigen permanenten Magneten bewegt.

Nach Bruno Thieme, Berlin [1, S. 309], [23, S. 722], sind der Heizdraht und das Thermoelement zu einem bequemen, handlichen Apparat vereinigt, die Spannung des Thermoelements wird mit einem Millivoltmeter oder Kompensationsapparat bestimmt. Der Apparat eignet sich besonders zur Bestimmung sehr schwacher Gleich- und Wechselströme. So wird z.B. ein Strom von 10-¹⁵ Ampère, der mit einem gewöhnlichen Galvanometer unbemerkbar bleibt, nach höchstens 60 Sekunden angezeigt. Das Vorhandensein eines Stromes wird schon nach 20 Sekunden durch das Ansteigen des angelegten Millivoltmeters erkannt.

Von Siegfr. Guggenheimer, Nürnberg [20, S. 143], [22, S. 73], wird ein aperiodisches Präzisionsmillivoltmeter für Gleich- und Wechselstrom geliefert. Ein Drehspulzeigergalvanometer ist an zwei gegenüberliegenden Punkten einer Wheatstone-Brücke angeschlossen, deren vier Zweige aus Thermoelementen bestehen (Fig. 4). Die beiden anderen Punkte der Brücke sind mit den beiden Anschlußklemmen des Instruments verbunden, so daß der zu messende Gleich- oder Wechselstrom die Thermoelemente direkt durchfließt und gemäß dem Jouleschen Gesetz also auch direkt erwärmt. Die Thermoelemente sind in den beiden von den Anlagepunkten des Zeigerinstrumentes seitlich liegenden Zweigen hintereinander geschaltet und an diesen Anlagestellen parallel miteinander verbunden, so daß das Zeigerinstrument zum Ausschlag gebracht wird durch den Thermostrom zweier paralleler Gruppen von hintereinander geschalteten Thermoelementen. Durch geeignet angebrachte Ausgleichswiderstände sind die Brückenzweige so Justiert, daß der Thermostrom nur in das Instrument fließt. Als besondere Vorzüge dieses Instruments seien erwähnt: Vollkommenste Uebereinstimmung der Skalen für Gleich- und Wechselstrom und Verwendbarkeit für alle Stromstärken auch bei Wechselstrom durch Nebenschlußwiderstände (Bd. 6, S. 376, Fig. 12).

Dynamometer (Bd. 6, S. 378) [31, S. 361], [32, S. 359], [35, S. 149], [36, S. 433]. Abgesehen von den vielen Neuerungen zur Verbesserung der Empfindlichkeit, Skaleneinteilung, Fabrikation u.s.w. ist das Bestreben darauf gerichtet, in derselben Weise wie das Drehspulinstrument für Strom- und Spannungsmessung bei Gleichstrom (Bd. 6, S. 376) benutzt wird, auch das Dynamometer zu einwandsfreien Messungen von Wechselströmen jeder Kurvenform und Periodenzahl brauchbar zu machen. Unter den vielen geeigneten Ausführungen seien zwei Instrumente von Th. Horn, Leipzig, herausgegriffen, deren Skala durch diagonale Lage beträchtlich erweitert ist. Die Voltmeter (Fig. 5) haben bis zu vier durch Drehschalter einzuschaltende Meßbereiche, z.B. 60,[439] 120, 240, 600 Volt, deren Vorschaltwiderstände im Instrument untergebracht sind. Die Ampèremeter eignen sich nur für Wechselstrom, die Erweiterung der Meßbereiche geschieht durch Stromwandler. Bei den Zeigerelektrodynamometern von Hartmann & Braun nach Bruger [14, S. 822], [31, S. 352], [65, S. 209, 221 u. 236] wird durch besonders geformte flache Stromspulen erreicht, daß auch bei Strom- und Spannungsmessern der Verlauf der Skala von etwa 3 bis 4% ihres Höchstwertes an durchweg gleichmäßig wird. Zum Schütze gegen magnetische Störungen und den Einfluß des Erdmagnetismus dienen die asiatischen Elektrodynamometer [35, S. 152], [36, S. 385], [46, S. 876],

Wechselinduktions-, Drehfeld- und Ferraris-Instrumente [10, S. 182], [11, S. 657], [34, S. 183], [35, S. 157], Diese nur für Wechselstrom als Ampere-, Volt- und Wattmeter brauchbaren Instrumente beruhen auf der Ferrarisschen Entdeckung der Bildung eines Drehfeldes: sie zeichnen sich durch große Konstanz der Angaben, großes Drehmoment und verhältnismäßige Unempfindlichkeit gegen Ueberlastung und Störungen durch fremde Magnetfelder aus und werden daher besonders als Schalttafel- und Registrierinstrument viel gebraucht. Bei der Ausführung von Siemens & Halske (Fig. 6) wird durch zwei in der Phase verschobene Wechselströme in einem feststehenden Eisensystem ein Drehfeld erzeugt, welches in einer beweglich angeordneten Aluminiumtrommel Induktionsströme induziert; es bildet sich ein Drehmoment, welches die Trommel im Sinne des Drehfeldes zu drehen sucht. Durch eine besondere Federanordnung wird die erforderliche Gegenkraft gebildet und von etwa ¹/₅ des Meßbereichs an eine nahezu proportionale Skaleneinteilung erreicht. Bei der Ausführung der Allgemeinen Elektrizitäts-Gesellschaft [10, S. 82] bewegt sich eine Aluminiumscheibe im Feld eines Wechselstrommagneten, dessen Polflächen Metallkappen tragen. Die Scheibe sucht sich so zu drehen, daß die Wirbelstromarbeit in der Scheibe und den Metallkappen ein Minimum ist.

Frequenzmesser. Diese Instrumente dienen zum Anzeigen der Perioden- bezw. Polwechselzahl von Wechselströmen und indirekt als Ferntourenzähler durch Messung der Periodenzahl einer von der zu kontrollierenden Welle angetriebenen Wechselstromdynamo. Die verschiedenen Konstruktionen lassen sich in zwei Gruppen zusammenfassen [36, S. 575]:

a) Zungen- oder Resonanzfrequenzmesser [34, S. 187], [35, S. 160]. Sie haben einen Meßbereich bis ca. 100 Perioden und werden wie ein Voltmeter angeschlossen (Fig. 7). In dem Steg eines Zungenkamms (Fig. 8) ist eine Reihe von mit weißen Fähnchen versehenen, abgestimmten Sendern oder Zungen skalenartig[440] montiert, welche durch den zu untersuchenden periodischen Strom elektromagnetisch oder mechanisch in Schwingungen versetzt werden. Diejenige Zunge, deren Eigenschwingungszahl mit der Frequenz der Impulse übereinstimmt, zeigt ihre Resonanz durch ein deutlich sichtbares Schwingungsbild an. Beim System Frahm (Siemens & Halske) [15, S, 264], [16, S. 557], [21, S. 576], [61, S. 320] wird der ganze Zungenkamm am einen Ende durch einen kleinen Elektromagneten erschüttert, beim System Hartmann-Kempf (Hartmann & Braun, Fig. 9) [11, S. 9], [14, S. 44], [15, S. 386], [21, S. 576], [52, S. 1183] wird die ganze Stahlzungenreihe in ihrer ganzen Breite unmittelbar durch einen Elektromagneten erregt und beim System Lux Rheinische Apparatebau-Gesellschaft m. b. H. [21, S. 700] liegen die Stahlzungen im Innern eines Solenoids.

b) Zeigerfrequenzmesser sind aus dem Bedürfnis entstanden, die zu messende Periodenzahl an einem Zeiger auf einer Skala ablesen zu können. Diese Konstruktionen eignen sich daher auch für registrierende Instrumente. Ein Voltmeter wird unter Verwendung von Drosselspule und Kapazität so angeschlossen, daß seine Klemmenspannung nahezu proportional mit der Periodenzahl steigt [20, S. 204], [21, S. 105 u. 474], [24, S. 39], [26, S. 271]. Nach den Angaben von Peukert [26, S. 45] baut Siemens & Halske Frequenzmesser, bei welchen die Erscheinung verwertet wird, daß der effektive und induktive Widerstand einer Eisendrahtspule bei unveränderlichem Strom nur von der Frequenz des Wechselstromes abhängt, so daß die mit einem Voltmeter gemessene proportionale Spulenspannung ein Maß für die Periodenzahl ergibt. Die Zeigerfrequenzmesser lassen sich für mehr als 1200 Perioden ausführen.

Schalttafelmeßinstrumente [22, S. 1115 u. 1147], [23, S. 467], [34, S. 182]. Sie sollen dauernd den jeweiligen Stand der Belastung, Spannung, Stromstärke, Frequenz u.s.w. anzeigen, um die zur Ingangsetzung, Betriebskontrolle, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit einer elektrischen Anlage notwendigen Angaben zu liefern. Man verlangt daher von ihnen besonders bequem und zuverlässig abzulesende deutliche Skalen, aperiodische Einteilung und große Meßgenauigkeit. Am häufigsten werden elektromagnetische, dynamometrische und Hitzdrahtsysteme verwandt. Die ursprüngliche Instrumentenform, welche sich bis heute weitaus überwiegend erhalten hat, ist die Dosenform zur Montage auf der Schalttafel (Fig. 10). Zum versenkten Einbau in der Schalttafel werden Flanschinstrumente (Fig. 11) verwendet. Zum direkten Einbau in die Hochspannungsleitung werden Strommesser in entsprechender Entfernung hinter der Schalttafel angeordnet (Fig. 12). An der Schalttafel wird eine Aussparung vorgesehen, in welche ein[441] gußeisernes Frontschild mit Doppelglasscheibe eingelassen wird. Auf diese Weise ist das Instrument der Berührung entzogen, die Skala bleibt von vorn gut sichtbar. Um größere Skalen verwenden zu können, hat Weston zuerst Gehäuse in Fächer- oder Sektorform ausgeführt, die besonders als Einzel- und Doppelinstrument (Fig. 13) Verwendung finden. Um an Platz zu sparen, werden horizontale und vertikale Profilinstrumente benutzt (Fig. 14 Und 15). Schwenkbare Profilinstrumente (Fig. 16) haben den Vorteil, daß man denjenigen Bereich der Skala, welcher der normalen Netzspannung oder Belastung entspricht, unabhängig von der Höhe oder der Lage, in der das Instrument montiert ist, stets gut sichtbar einstellen kann [14, S. 218]. Die vorgehenden Figuren, mit Ausnahme von Fig. 11, sind Konstruktionen von Dr. Paul Meyer, A.-G., Berlin [20, S. 1116]; sie stimmen im allgemeinen aber auch mit den Ausführungen der anderen Instrumentenfirmen überein. Ein Nachteil der erwähnten Profilinstrumente ist die Krümmung der Skala, wodurch das Ablesen der Skala sehr erschwert wird. Die beste Ablesbarkeit wurde durch das Flachprofilinstrument (Fig. 17) von Siemens & Halske erreicht, bei welchem die Drehbewegung des Meßsystems durch einen Ellipsenlenkermechanismus (Fig. 18) auf der geraden Skala angezeigt wird. Diese neuen Flachprofilinstrumente sind für sämtliche vorkommenden Messungen sowohl bei Gleich- als auch bei Wechselstrom durchgebildet worden; sie eignen sich ganz besonders zum übersichtlichen und eleganten Aufbau von Schalttafeln und Schaltpulten [25, S. 28], [35, S. 42].

Zum Schütze der Schalttafelinstrumente gegen das Schadhaftwerden durch heftige Stromstöße oder Kurzschlüsse baut Siemens & Halske nach den Angaben von Schell [30, S. 80] ein Schutzrelais. Beim Ueberschreiten des für das betreffende Instrument zulässigen Höchststromes wird durch diesen Strom selbst ein zweiter, parallel zum Instrument liegender Stromkreis geschlossen. – Im Anschluß sei noch erwähnt, daß durch die immer umfangreicher gewordenen Schaltanlagen es notwendig geworden ist, auch die Meßstromkreise mit Rücksicht auf die Betriebssicherheit der Anlage nach besonderen Gesichtspunkten zu verlegen [30, S. 85].

Spezialinstrumente. Zur bequemen und präzisen Ausführung häufig vorkommender Messungen außer dem Hause durch ungeschultes Personal u.s.w. haben die meisten Firmen Spezialkonstruktionen geschaffen, von denen die nachfolgenden herausgegriffen seien:

a) Isolationsmesser mit Kurbelinduktor. Fig. 19 veranschaulicht einen solchen Apparat der Allgemeinen Elektrizitäts-Gesellschaft, Berlin; derselbe kann sowohl zu Messungen von Gleichstromspannungen bis 440 Volt als auch zu Isolationsmessungen an Maschinen und Leitungsanlagen Verwendung finden. Der Induktor, eine kleine magnetelektrische Maschine mit Handkurbelantrieb, liegt nach Fig. 20[442] an den Klemmen A und B, das Drehspulvoltmeter z.B. an B und 220 Volt. Beim Niederdrücken des Tasters wird die leitende Verbindung zwischen dem Voltmeter und dem Induktor hergestellt, so daß dessen Spannung auf der Skala abgelesen werden kann. Das Instrument besitzt außerdem eine Ohmskala zur direkten Ablesung des gemessenen Widerstandes.

b) Universalgalvanometer von Siemens & Halske kann außer zu der in Bd. 6, S. 384, angegebenen Widerstandsmessung auch zu Isolationsmessungen von Leitungsnetzen, Strom- und Spannungsmessungen benutzt werden.

c) Universalinstrument der Deuta-Werke, G.m.b.H., Berlin-Wilmersdorf (Fig. 21). Das Instrument gestattet die Ausführung folgender Messungen: Strommessungen bis zu den höchsten Meßbereichen durch Anlegen besonderer Nebenschlußwiderstände; Spannungsmessungen bis 1200 Volt; Isolationsmessungen mit der eingebauten Batterie bis 1 Megohm; Isolationsmessungen mit beliebigen Fremdspannungen; Widerstandsmessungen mit der eingebauten Meßbrücke oder nach der Isolationsmethode mit der eingebauten Batterie; Fehlerortsbestimmung an Kabeln u.s.w.; Elementprüfungen; Blitzableiterprüfungen; Leitungsmessungen [20, S. 1026].

d) Phasophon (Stephenson-Apparat) der Deuta-Werke, G.m.b.H., Berlin-Wilmersdorf. Es ist dafür bestimmt, Hochspannungsanlagen im Betrieb auf ihren Isolationszustand zu untersuchen; es meldet sofort jeden für die Anlage gefahrbringenden Isolationsfehler an Freileitungen oder Apparaten. Das Phasophon besteht in der Hauptsache aus einem durchschlagsicheren Glimmerkondensator, einem induktionsfreien Widerstand, einem Spezialhörtelephon und einem Funkenmikrometer [21, S. 914].

e) Elementenprüfer. Das sind Voltmeter mit besonderen Kontaktspitzen zum Messen der Spannung von Akkumulatorenelementen (Fig. 22) [33, S. 161], oder Voltmeter mit einem durch Druckknopf einzuschaltenden Widerstand zur Kontrolle der bekannten Taschenlampenbatterien entsprechend den Verbandsnormalien [16, S. 489], [29, S. 19].

f) Kabelmeßeinrichtungen zur Ausführung von Isolations-, Kapazitäts- und Widerstandsmessungen sowie zur genauen Fehlerortsbestimmung an Kabeln, elektrischen Leitungen und Apparaten [20, S. 435, 663, 737], [21, S. 777], [23, S. 972], [24, S. 51, 282], [29, S. 211].

Meßtransformatoren. Strom- und Spannungstransformatoren dienen wie die Nebenschlußwiderstände von Gleichstrominstrumenten (s. Bd. 6, S. 376) zur Erweiterung des Meßbereichs der Wechselstrominstrumente. Sie bieten den großen Vorteil, daß sie an passender Stelle, unter Umständen weit von der Schalttafel entfernt, aufgestellt werden können. Der Anschluß an die Instrumente erfolgt in einfacher und gefahrloser Weise durch Leitungen von mäßigem Querschnitt und geringer Spannung. In Hochspannungsanlagen brauchen die Instrumente, Relais u.s.w. nicht an lebensgefährliche Spannungen angeschlossen zu werden, sondern an 110 Volt max. Niederspannung, hohe Stromstärken werden auf gewöhnlich 5 Ampere transformiert [2, S. 209 u. 263], [16, S, 208], [19, S. 435], [22, S. 270], [24, S. 854], [26, S. 147], [29, S. 550], [34, S. 185], [35, S. 161].

Fig. 23 zeigt einen Spannungswandler von Siemens & Halske für eine Betriebsspannung von 10000 Volt, die sekundäre Spannung beträgt 110 Volt. Die Spannungswandler können[443] sekundär mit dem Instrument verbunden oder offen sein, wenn sie primär unter Spannung stehen.

Der Anleger von Dietze (Hartmann & Braun [12, S. 843], [21, S. 35], [26, S. 236]) ist ein Stromwandler, welcher rasch und bequem geöffnet und an beliebiger Stelle über eine Leitung geschoben werden kann, um mit einem Amperemeter die Stromstärke messen oder mit einem Telephon die Leitung abhorchen zu können. Er ermöglicht die zuverlässige Feststellung von Isolationsfehlern in Leitungen, elektrischen Maschinen, Transformatoren, Bestimmung der Schlüpfung von Schleifringankermotoren, Untersuchung von Sicherungen u.s.w.

Die Prüfeinrichtung zur Prüfung von Ankerwicklungen und Spulen auf Kurzschluß und Isolation von Siemens & Halske zeigt Fig. 24. Die Prüfeinrichtung besteht aus einem Elektromagneten mit einem U-förmigen, lamellierten Eisenkern, dessen Pole der Ankerform angepaßt sind, einer Induktionsspule mit U-förmigem Eisenkern und einem, an jener angeschlossenen Telephon (Fig. 25). Zur Prüfung auf Kurzschluß wird der zu prüfende Anker auf den Elektromagneten gelegt und dieser mit Wechselstrom erregt. Es wird dadurch im Anker ein Wechselfeld erzeugt. Der Anker wird langsam um seine Achse gedreht und dabei der vor die Erregerspule des Elektromagneten geschaltete Strommesser beobachtet. Zeigt dieser einen größeren Strom an, so ist hieraus auf das Vorhandensein eines Kurzschlusses zu schließen. Zum Auffinden der Kurzschlußwindungen wird die Induktionsspule (Fig. 25) so auf den Anker gelegt, daß ihr U-förmiger Eisenkern eine Ankernute überbrückt. Ergibt sich bei der Drehung des Ankers in dem sonst lautlosen Telephon ein Tönen, so ist diejenige Nut erreicht, in welcher sich der Kurzschluß befindet.

Ohmmeter [31, S. 399], [35, S. 81]. Dieses Instrument dient zur raschen und direkten Bestimmung von Widerständen, z.B. beim Abgleichen von Glühlampenfäden, zum Messen der Drahtspulen für Mikrophone, Telephone, Meßinstrumente u.s.w., durch Zeigerausschlag auf einer in Ohm, Kiloohm, Mikroohm u.s.w. eingeteilten Skala. Die meisten Ohmmeter beruhen auf dem Prinzip, daß bei konstanter Gleichstromspannung (Meßbatterie) die Angaben eines Präzisionsinstruments dem Widerstand des Stromkreises umgekehrt proportional sind. Das hat den Nachteil, daß die Skala ungleichmäßig geteilt ist.

Nach Bruger baut Hartmann & Braun Ohmmeter mit Drehspuldifferentialgalvanometer, welche unabhängig von der Spannung richtig anzeigen. Um eine gleichmäßige Skala zu erhalten, ist das magnetische Feld nicht homogen, sondern die Polschuhe haben die in Fig. 26 gezeichnete Form. Die Schaltung des Instruments zeigt Fig. 27 [13, S. 665], [31, S. 400], [34, S. 195].

Phasometer, Phasenindikatoren oder Leistungsfaktorzeiger zeigen die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung an. Sie werden z.B. benutzt zur Feststellung, ob ein Synchronmotor unter den günstigsten Betriebsbedingungen, d.h. ohne jegliche Phasenverschiebung, arbeitet; zur Ueberwachung von mehreren parallel arbeitenden Generatoren, ob sie mit gleicher oder verschiedener Phasenverschiebung auf das Netz arbeiten, u.s.w.

Phasometer von Dolivo-Dobrowolski (Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft) [8, S. 350]. Eine Hauptstromspule und eine senkrecht dazu angeordnete Spannungsspule üben auf eine in Spitzen gelagerte drehbare Eisenscheibe ein Drehmoment aus. Bei konstanter Spannung und Frequenz sind die Zeigerausschläge dem wattlosen Strom proportional.[444]

Phasometer von Bruger (Hartmann & Braun, Fig. 28). Eine Spannungsspule ist drehbar in Spitzen gelagert und wird von vier Hauptstromspulen in einem vierpoligen Magnetgehäuse umgeben. Zwei feststehende Hauptstromspulen wirken auf eine in Spitzen drehbare Spannungsspule. Diese besteht aus vier halbkreisförmigen Spulen, die sich zu zwei senkrecht aufeinander stehenden Kreisen ergänzen. Je zwei um 90° gegeneinander versetzte Spulen sind mit einem induktionsfreien bezw. induktiven Widerstand hintereinander und die beiden Spulengruppen parallel geschaltet. Für eine bestimmte Frequenz gibt das Instrument den Phasenverschiebungswinkel unabhängig von Meßstrom und Meßspannung an [48, S. 881].

Phasometer von Weston [22, S. 1116] beruht auf dynamometrischem Prinzip. Das bewegliche System besteht aus zwei beweglichen Spulen, die an diametral gegenüberliegenden Stellen Lage um Lage genau rechtwinklig so zueinander gewickelt sind, daß ihre magnetischen Momente vollkommen gleich sind. Das feste System besteht aus zwei Spulen.

Magnetische Meßinstrumente. Außer den in Bd. 6, S. 390, angegebenen Apparaten zur magnetischen Eisenuntersuchung werden seit einigen Jahren noch die folgenden magnetischen Instrumente viel benutzt: a) Magnetisierungsapparat von Koepsel (Siemens & Halske) zur Aufnahme von Magnetisierungskurven [31, S. 464], [68, S. 39]. Fig. 29 zeigt den Apparat ohne äußeren Mantel und Skala. Die Enden des Probestabes sind zur Erzielung eines guten magnetischen Schlusses durch zwei Klemmbacken in die Schenkel eines halbkreisförmigen Eisenjoches J festgeklemmt. Der Stab steckt in einer Magnetspule S, welche so abgeglichen ist, daß ihr Feld gleich dem Hundertfachen des in Ampère gemessenen Magnetisierungsstromes m ist, H = 100 m. Ein Umschalter U führt den Strom m der Spule S zu. Das Joch J ist in seiner Mitte von einem Zylinderraum durchschnitten. In diesem Luftraum kann sich eine Spule s aus einigen Windungen seinen Drahtes drehen. Außerdem befinden sich auf dem Joch noch zwei Spulen von einigen Windungen, die dazu bestimmt sind, die Wirkung, welche die Spule S an und für sich auf das Joch ausübt, zu kompensieren und so die Induktion im Eisenstabe allein in den Angaben des Apparates zum Ausdruck kommen zu lassen. Sie sind in den Stromkreis des magnetisierenden Stromes geschaltet und wirken magnetisch der Spule S entgegen. Schickt man durch die Spule S, welche durch Spiralfedern in ihrer Nulllage festgehalten ist, einen Hilfsstrom h, so wird jeder im Probestab erzeugte und das Joch durchsetzende Magnetismus eine Drehung der Spule s bewirken und zwar proportional der Zahl der Kraftlinien; man mißt also hier mit dem konstanten Hilfsstrom h das variable Feld, d.h. die Induktion im Stabe. Es ist in diesem Meßinstrument das umgekehrte Prinzip zur Grundlage der Konstruktion gemacht worden, wie in den Präzisionsinstrumenten (Bd. 6, S. 376), in denen der variable Strom im konstanten Felde durch die Drehung einer Spule gemessen wird. Auf der Skala ist eine positive (+) und negative (–) Richtung der Induktion und am Umschalter eine positive und negative Richtung des Feldes unterschieden. Das beschriebene Instrument ist zusammen mit den zur Regulierung der Meßströme nötigen Widerstände u.s.w. zur sogenannten Magnetisierungsschaltung vereinigt.

b) Magnetischer Spannungsmesser von Rogowski (Siemens & Halske). Er besteht aus einer biegsamen oder festen Spule von überall gleichmäßigem Querschnitt und überall gleichmäßiger dichter Bewickelung, s. Fig. 30 [1, S. 141]. Die Theorie lehrt, daß für eine solche Spule der Fluß ihrer Windungsfläche proportional der magnetischen Spannung zwischen ihrem Anfang und Ende ist. Zum. Meilen des Flusses bezw. der infolge der Flußänderung in den Windungen des magnetischen Spannungsmessers auftretenden elektrischen Ströme wird der Spannungsmesser an ein Galvanometer oder sonstiges empfindliches Meßinstrument angeschlossen. Anwendungsgebiete des magnetischen Spannungsmessers sind: Feldmessungen an Maschinen und Apparaten zur Ermittlung der aufgewandten bezw. verlorenen Ampèrewindungen in den Magnetschenkeln, Jochen, Luftspalten u.s.w. Prüfung von Stoßfugen bei Transformatoren, Maschinen[445] und Apparaten [1, S. 511]. Bestimmung der Magnetisierbarkeit von Eisen und Stahl. Die Messung kann an stabförmigen Proben oder an fertigen Gußstücken, z.B. Dynamogehäusen, vorgenommen werden [2, S. 303]. Messung von hohen, Stromstärken und Kurzschlußströmen bei Gleich- und Wechselstrom, wenn aus mechanischen oder technischen Gründen der zu messende Stromkreis zur Zwischenschaltung eines Strommessers nicht unterbrochen werden kann (z.B. in Sammelschienen, in Kurzschlußstäben, in Induktionsöfen u.s.w.).

Literatur: [1] Archiv für Elektrotechnik, I. Bd. – [2] Ebend., II. Bd. – [3] Ebend., III. Bd. – [4] Ebend., IV. Bd. – [5] Ebend., V. Bd. – [6] Ebend., VI. Bd. – [7] Ebend., VII. Bd. – [8] Ebend., VIII. Bd. – [9] Elektrotechn. Zeitschr. 1894. – [10] Ebend. 1899. – [11] Ebend. 1901. – [12] Ebend. 1902. – [13] Ebend. 1903. – [14] Ebend. 1904. – [15] Ebend. 1905. – [16] Ebend. 1906. – [17] Ebend. 1907. – [18] Ebend. 1908. – [19] Ebend. 1909. – [20] Ebend. 1910. – [21] Ebend. 1911. – [22] Ebend. 1912. – [23] Ebend. 1913. – [24] Ebend. 1914. – [25] Ebend. 1915. – [26] Ebend. 1916. – [27] Ebend. 1917. – [28] Ebend. 1918. – [29] Ebend. 1919. – [30] Ebend. 1920. – [31] Holzt, Schule des Elektrotechnikers, 2. Aufl., Leipzig 1915, I. Bd. – [32] Ebend., II. Bd. – [33] Ebend., III. Bd. – [34] Ebend., IV. Bd. – [35] Eversheim, Angewandte Elektrizitätslehre, Berlin 1916. – [36] Kohlrausch, Lehrbuch der Praktischen Physik, 12. Aufl., Leipzig 1914. – [37] Petersen, Hochspannungstechnik. – [38] Annalen der Physik, Bd. IV. – 39 Ebend., Bd. XII. – [40] Ebend., Bd. XIV. – [41] Ebend., Bd. XVI. – [42] Ebend., Bd. XXI. – 43 Bull. Bur. of Stand., Bd. X. – [44] Ebend., Bd. XL – [45] Electrician, Bd. LXIX., 1912. – 46 Phys. Zeitschr. 1901. – [47] Ebend. 1902. – [48] Ebend. 1903. – [49] Ebend., Bd. 1906. – [50] Ebend. 1907. – [51] Ebend. 1909. – [52] Ebend. 1910. – [53] Ebend. 1914. – [54] Wiedemanns Annalen, Bd. XLI. – [55] Ebend., Bd. XLII. – [56] Ebend., Bd. XLIV. – [57] Ebend., Bd. LVI. – [58] Zeitschr. f. Elektr. u. Masch., Wien 1907. – [59] Zeitschr. f. Instrumentenkunde, 1903. – [60] Ebend. 1905. – [61] Ebend. 1906. – [62] Ebend. 1907. – [63] Ebend. 1912. – [64] Ebend. 1918. – [65] Schweiz. Elektr. Zeitschr. 1906.

Leigh.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5.

Fig. 6.

Fig. 7., Fig. 8.

Fig. 9.

Fig. 10.

Fig. 11.

Fig. 12., Fig. 13.

Fig. 14., Fig. 15., Fig. 16.

Fig. 17., Fig. 18.

Fig. 19., Fig. 21.

Fig. 20.

Fig. 22.

Fig. 23.

Fig. 24.

Fig. 25.

Fig. 26.

Fig. 27.

Fig. 28., Fig. 29.

Fig. 30.