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Elektrotechnische Meßinstrumente

[692] Elektrotechnische Meßinstrumente (hierzu Tafel »Elektrotechnische Meßinstrumente I u. II«), Instrumente zur genauen Bestimmung der für die technische Verwendung der Elektrizität maßgebenden Größen, nämlich der durch Ampere gemessenen Stromstärke, der in Volt ausgedrückten Spannung und des in Ohm gegebenen Widerstandes. Alle drei Größen hängen durch das Ohmsche Gesetz zusammen, welches lautet: Stromstärke = Spannung/Widerstand, so daß man stets die dritte dieser Größen finden kann, wenn zwei bekannt sind. Zu ihnen kommt noch die in Watt gemessene elektrische Arbeit, die durch das Produkt aus Stromstärke in Spannung dargestellt wird. Die Messungen dieser vier Größenarten lassen sich stets auf Messungen von Stromstärken zurückführen.

1) Strommesser. Zur Messung von Stromstärken kann man a) die Ablenkung der Magnetnadel durch den Strom oder b) die einer vom Strom durchflossenen Spule durch einen Magneten oder endlich c) die gegenseitige Abstoßung zweier solcher Spulen benutzen. Die unter a) und b) angeführten Verfahrungsweisen Die unter a) und b) angeführten Verfahrungsweisen sind nur für Gleichströme brauchbar, weil durch Wechselströme die Ablenkung der Magnetnadel bei jeder Stromrichtung in entgegengesetztem Sinn erfolgt, diese Stromrichtungen aber in so rascher Folge wechseln, daß eine Ablenkung überhaupt nicht mehr eintritt; die unter c) angeführte dagegen ist ebensogut für Gleich- wie für Wechselströme zu gebrauchen. Aus der Ablenkung einer Magnetnadel aus ihrer Ruhelage im magnetischen Meridian, die im Mittelpunkt eines den Strom führenden kreisförmigen Kupferbügels aufgestellt ist, läßt die Tangentenbussole auf dessen Stärke schließen. Die Nadel spielt über einem Teilkreis, und man hat die trigonometrische Tangente des darauf abgelesenen Winkels nur mit einem durch Vergleichung mit einem Voltameter leicht zu erhaltenden Faktor zu multiplizieren, um die Stromstärke in Ampere zu erhalten. Die Ablenkung einer Spule durch einen Magneten benutzt das von Deprez und d'Arsonval angegebene Instrument, das in der ihm von Siemens u. Halske gegebenen Form Fig. 1 der Tafel I zeigt. Der zur Hälfte als abgebrochen gezeichnete Hufeisenmagnet hat die Form einer Ellipse und ist so aufgestellt, daß sich seine Pole oberhalb des Joches befinden. Durch angesetzte Polschuhe sind sie so weit verlängert, daß zwischen ihnen ein zylindrischer Raum bleibt, in dem ein massiver Eisenzylinder aufgestellt ist. In dem zwischen diesem und den Polschuhen bleibenden, ebenfalls zylindrischen Hohlraum kann sich eine aus sehr dünnem, isoliertem Kupferdraht gewickelte Spule um eine senkrechte, in Spitzen laufende Achse drehen, die einen Zeiger trägt[692] und durch zwei Spiralfedern in ihrer Ruhelage gehalten wird. In der Figur ist die eine Hälfte der Spule, die obere Feder und der an der Achse sitzende Teil des Zeigers sichtbar. Durchfließt nun ein Strom die Spule, so wird sie aus ihrer Ruhelage abgelenkt, und der Bau des Instruments bringt es mit sich, daß gleichen Stromstärken gleiche Ablenkungswinkel entsprechen. Es hat also keine Schwierigkeit, die Stromstärke in Ampere abzulesen, wenn man den Zeiger, wie dies Fig. 2 zeigt, über einer nach solchen geteilten Skala spielen läßt. Die Skala ist in 160 Grade geteilt, deren jeder 0,001 A angibt. Man kann somit direkt 0,15 A ablesen. Um den Meßbereich aber noch weiter, bis 1500 A, auszudehnen, werden dem Instrument Drahtwiderstände beigegeben, die in durchlöcherten Blechkasten sich befinden, wie ein solcher in der Nebenfigur (Fig. 3) in verkleinertem Maßstab abgebildet ist. Stellt man ihn vor das Instrument, so passen die Bügel unter die Köpfe der Klemmschrauben, und es fließt nun, wenn man den Strom schließt, nur ein Bruchteil von ihm durch das Instrument. Da man die Größe dieses Widerstandes und den des Instruments genau kennt, so hat man nur die abgelesenen Ampere mit einer bestimmten Zahl zu multiplizieren, um auch größere Stromstärke zu erhalten. Die Größe beider Widerstände ist so gewählt, daß diese Zahlen 10 oder eine Potenz von 10 sind. Auch zu Spannungsmessungen kann der Apparat gebraucht werden. – Das Differentialgalvanometer erhält zwei gleiche, parallel gelegte Drahtrollen, die auf die Nadel keine Wirkung ausüben, wenn sie der nämliche Strom in entgegengesetzter Richtung durchläuft. Gehen in solcher Weise verschieden starke Ströme hindurch, so wirkt nur die Differenz beider auf die Nadel ein. Schaltet man also in die eine einen bekannten, aber veränderlichen metallischen Widerstand, in die andre einen zweiten, dessen Größe bestimmt werden soll, so hat man nur durch Verstellung des erstern die Nadel auf Null zu stellen, um an ihm die gesuchte Größe des letztern abzulesen. – Mit Hilfe der Ablenkung einer beweglichen durch eine feste Spule, die von dem nämlichen Strom durchflossen werden, läßt das von W. Weber angegebene Elektrodynamometer Stromstärken messen. Da in beiden eine Umkehr des Stromes alsdann gleichzeitig eintritt, die abstoßende Wirkung beider Ströme auseinander aber vom Stromwechsel unabhängig ist, so kann das Dynamometer ebensowohl zur Messung von Wechselströmen wie von Gleichströmen dienen. Es wird in der ihm von Siemens u. Halske gegebenen Form in Fig. 1 u. 2 (Tafel II) vorgeführt. Bei ihm erfolgt die Messung der Stromstärke nach einem von Werner Siemens ersonnenen Verfahren durch die Torsion eines Neusilberdrahtes, die der tordierenden Kraft proportional ist. Die bewegliche Spule wird aus einer einzigen Windung eines zum Rechteck geformten Kupferdrahtes hergestellt, dessen vordere Seite man ganz, dessen hintere Seite man durch die Öffnung der beiden festen Spulen zum Teil sieht. Seine beiden Enden liegen senkrecht übereinander und tauchen in zwei mit Quecksilber gefüllte Näpfchen, deren eines in der Grundplatte, deren andres in dem die beiden Tragsäulen verbindenden Querstück angebracht ist. Das Instrument hat zwei feste Spulen von verschieden großem Widerstand, deren eine Enden zu dem obern Quecksilbernäpfchen, deren andre zu den Klemmen 3 und 2 gehen, während das untere Quecksilbernäpfchen mit der Klemme 1 in Verbindung steht. Beide feste Spulen können also nach Bedarf mit der beweglichen zusammengeschaltet werden. Diese hängt an einem um den oben sichtbaren Wirbel gewundenen Kokonfaden, zugleich ist das Ende der an dem Knopf in der Mitte der Skala befestigten Spiralfeder mit der Befestigungsöse des Fadens am Drahtviereck verbunden. Lenkt nun ein Strom den vordern Teil des Drahtvierecks nach rechts ab, so stößt der an ihm befestigte Zeiger gegen ein Stiftchen auf der Skala, und die Ablenkung kann nicht beobachtet werden. Man führt den Zeiger dann durch Drehung des Knopfes und die dadurch bewirkte Torsion der Drahtspirale auf den Nullpunkt zurück. Die an dem mit dem Knopf zugleich gedrehten Zeiger gemachte Ablesung der Torsion läßt dann die Stromstärke finden. Die Einwirkung des Erdmagnetismus auf den Strom im Drahtviereck ist so gering, daß es nicht notwendig ist, das Instrument (wie z. B. die Tangentenbussole, s. d.) in dem Meridian aufzustellen. – Auf der Erwärmung, die ein Strom in einem Drahte hervorbringt, beruhen die Hitzdrahtinstrumente, die Cardew zuerst angewendet hat. Ihre Einrichtung ist aus Fig. 6 (Tafel I) zu erkennen. Zwischen den Klemmen a a ist ein aus Silber oder einer Silberlegierung bestehender Draht ausgespannt, in dessen Mitte der Faden b befestigt ist. Er ist um die Rolle d geschlungen, so daß er die in g befestigte Feder f spannt, und dann am Stifte c fest gelegt. Dehnt nun die durch einen Strom im Draht hervorgerufene Wärme diesen aus, so dreht die Feder, in ihrem Bestreben sich zu entspannen, die Rolle d herum und bewegt den Zeiger über das Zifferblatt z, auf dem die Ampere verzeichnet sind. Die Rolle d nimmt dann die Scheibe h aus weichem Eisen mit, die zur Erzielung einer sanften Bewegung des Zeigers sich zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten drehen muß. – Der Wechselstrommesser der Allgemeinen Elektrizitäts-Gesellschaft, den die Fig. 4 u. 5 (Tafel II) erklären sollen, besteht wie das Elektrodynamometer aus zwei festen Spulen F, F und einer den Zeiger Z tragenden beweglichen Spule B, deren Drehung die beiden Spiralfedern S entgegenwirken. Beide Spulen befinden sich innerhalb des Eisenkörpers E, der aus einzelnen Blechen zusammengesetzt ist und durch die Spule F magnetisiert wird. Den Verlauf seiner Kraftlinien zeigen die punktierten Linien. Sie liegen an der Stelle, an der sich die Spule B bewegt, parallel, wodurch diese Bewegung zu einer sehr regelmäßigen wird. Zur Dämpfung der Bewegung dient der eigentümlich geformte Aluminiumflügel R, der sich zwischen den einander sehr genäherten Polen der beiden Stahlmagnete D, D bewegt. Bei der Bewegung der Platte R zwischen den Polen hindurch entstehen Wirbelströme, welche die Pole abstoßen und sie mit der von ihnen durchlaufenen Platte stets in ihre frühere Lage zurücktreiben. Sie hemmen also die Bewegung der Platte; da sie aber außerhalb des Feldes liegen, das die Spule in E erregt, wird ihre Kraft nicht durch die Wirkung des Stromes geschwächt.

2) Spannungsmesser. Ein jeder Strommesser kann als Spannungsmesser dienen, wenn man ihn mit einem genügend großen Widerstand in einen Draht einschaltet, der von den zwei Punkten eines Stromkreises, zwischen denen der Spannungsunterschied gemessen werden soll, z. B. den Polen einer Dynamomaschine, abgezweigt wird. Dies ist durch Fig. 9 (Tafel I) veranschaulicht, wo a und b die Abzweigpunkte, S den Strommesser und W den Widerstand darstellen. Der letztere muß so groß sein, daß die Stromstärke zwischen a und b durch den den Stromzweig[693] durchfließenden Strom nicht merklich geändert wird. Der Strommesser liefert dann die Stromstärke im Stromzweig, während der Widerstand W von vornherein bekannt ist. Daraus läßt sich die Spannung, die zwischen a und b herrscht, nach dem Ohmschen Gesetz berechnen. Verbindet man den Widerstand dauernd mit dem Strommesser, so wird dieser zum Spannungsmesser, dessen Skala nach Volt geeicht werden kann. Bei den mit zwei beweglichen Spulen versehenen Instrumenten wird man die eine dieser Spulen mit Vorschaltwiderständen in den Nebenschluß legen, und so läßt sich, wie ihn Fig. 3 auf Tafel II mit abgenommenem Deckel zeigt, der Strommesser der Allgemeinen Elektrizitäts-Gesellschaft in einfachster Weise zum Spannungsmesser umgestalten. Die in Fig. 4 und 5 der Tafel II angegebenen Teile lassen sich leicht an ihm wiederfinden.

3) Arbeitsmesser. Derselbe Apparat ist aber auch als Arbeitsmesser zu verwenden. Denn da die beiden Spulen mit einer Kraft auseinander wirken, die im Verhältnis des Produkts der in ihnen herrschenden Stromstärken zu- und abnimmt, so braucht man nur durch die eine aus dickem Drahte den Hauptstrom, durch die andre aus dünnem Drahte mit vorgeschaltetem Widerstande den die Spannung liefernden Zweigstrom gehen zu lassen, um eine den verbrauchten Watt proportionale Ablenkung zu erhalten. Dabei kann das Instrument sowohl für Gleichstrom als für Wechselstrom dienen und durch verschiedene Schaltungsweisen einen sehr weiten Meßbereich erhalten. Die dazu getroffene Einrichtung ergibt sich aus Fig. 11 der Tafel I. Die feste Spule von geringem Widerstand ist mit dicken, die bewegliche von großem Widerstand mit dünnen Linien gezeichnet. Die erstere ist in zwei Teile zerlegt, deren vier Enden zu den isolierten Teilen einer kleinen, vor dem Instrument angebrachten Schalttafel gehen, welche die Hauptklemmen H, H trägt. Neben ihr sind auf der einen Seite die Klemmen N., auf der andern diejenigen N₂ und N₃ angebracht. Die Löcher 1, 2, 3 u. 4 können durch Einsetzen von Metallstöpseln mit isolierten Handgriffen geschlossen und so die benachbarten Metallplatten in leitende Verbindung gebracht werden. In dem Zuleitungsdraht der Spannungsspule können ein oder zwei Widerstände eingeschaltet werden, je nachdem man N₂ oder N₃ an die Hauptklemme anschließt. Stöpfelt man nun 3, so sind die beiden Teile der festen Spule hintereinander geschaltet, ihr Widerstand ist verhältnismäßig groß, stöpselt man dagegen 1 und 4, während alle übrigen offen bleiben, so sind beide Teile nebeneinander geschaltet, und ihr Widerstand ist dadurch bedeutend verringert. Stöpselt man 1, so ist der Apparat aus dem Stromkreis ausgeschaltet. Zum Einschalten der beweglichen Spule dient der Haken, der an N, gelegt werden kann. Je nachdem man dann N₂ oder N₃ an den Hauptstromkreis anschließt, erhält man auch zwei Meßbereiche für Spannungen.

4) Widerstandsmessung. Widerstände werden durch Vergleiche mit bekannten Widerständen bestimmt, die ihrerseits durch Vergleichung mit einem Quecksilberfaden von 0° C, 1 mm Querschnitt und 1,068 m Länge in Ohm ausgedrückt worden sind (vgl. Elektrische Maßeinheiten, S. 641). Mit Ausnahme ganz kleiner Widerstande von 0,1 Ω bis 0,001 Ω, die mit der Thomsonschen Doppelbrücke gemessen werden können, bedient man sich dazu der als Wheatstonesche Brücke bekannten Drahtverbindung, die Fig. 10 (Tafel I) erläutert. Das Drahtviereck besteht aus den drei bekannten Widerständen R₁, R₂ und R₃ und dem zu untersuchenden Widerstande X. An zwei Eckpunkte des Vierecks E A F J werden die Poldrähte eines galvanischen Elements K gelegt, die beiden andern mit den Klemmen eines Strommessers S verbunden. Den Widerstand R₃ verändert man nun so lange, bis der Strommesser keinen Strom mehr anzeigt, dann besteht die Beziehung X:R₃ = R₂:R₁, also für R₂ = R₁x = R₃, für R₂ = 10 R₁, 100 R₁ etc., x = 10 R₃, 100 R₃ etc. Der Wheatstoneschen Brücke hat F. Kohlrausch die bequeme Form gegeben, deren Äußeres Fig. 8, deren Einrichtung Fig. 7 auf Tafel I zeigen. Auf einem Fußbrett sind die Drähte zwischen Klemmen ausgespannt. Widerstände von 1, 10, 100 und 1000 Ω, deren Enden an die Metallklötze K₁, K₂, K₃, K₄, K₅ gelegt worden sind, können durch Ziehen der zwischen ihnen befindlichen Metallstöpfel eingeschaltet werden, der zu untersuchende Draht wird an E und D angeklemmt, durch Drehung der Kurbel S um A und Schließen des Kontakts a kann die in Fig. 8 angegebene und mit denselben Buchstaben bezeichnete Verbindung hergestellt werden, wobei nur zu bemerken ist, daß der Widerstand zwischen D und A so klein ist, daß man ihn vernachlässigen kann. Der eingeschaltete Teil des Meßdrahtes E F aus Neusilber kann durch Verstellung des Schiebers J auf B E verlängert oder verkürzt werden. Er ist auf eine Papierskala gelegt, auf welcher der zu ermittelnde Widerstand sogleich abgelesen werden kann, wenn der Stöpsel zwischen K₁ und K₂ gezogen und durch Verschiebung von J der Zeiger des Strommessers auf 0 gebracht ist. Ist einer der folgenden Stöpsel gezogen, so muß die so gefundene Zahl noch mit 10,100 oder 1000 multipliziert werden. Auch der Widerstand von Flüssigkeiten läßt sich mit der Meßbrücke untersuchen, nur muß man zur Vermeidung von Polarisation Wechselströme hindurch schicken und dann den Strommesser G durch das Telephon T ersetzen. Die Wechselströme liefert der Induktionsapparat C, durch dessen primäre Spule nach Stellung der Kurbel S auf a₁ der Strom des Elements geschickt wird, während der sekundäre Strom bei J und K in die Brücke tritt. Das durch ihn im Telephon hervorgerufene Geräusch verstummt, wenn J so geschoben wird, daß X = R₃ (oder 10 R₃ etc.) geworden ist.

5) Das Universalgalvanometer von Siemens u. Halske, das Fig. 6 im Grundriß, Fig. 7 (Tafel II) schematisch darstellt, gestattet, nach Bedürfnis Widerstände, Spannungen und Stromstärken zu bestimmen. Es ist ebenfalls nach dem Prinzip der Wheatstoneschen Brücke gebaut, besitzt aber einen Strommesser in Gestalt eines Kupferrahmens im magnetischen Feld mit Zeiger, der über der innern Skala spielt. Der Strommesser ist auf einer Schieferplatte aufgestellt, um deren Rand in einer halbzylindrischen Rinne der Meßdraht X gelegt ist. Den Schieber der Kohlrauschschen Meßbrücke ersetzt ein Platinröllchen, das nebst dem Nonius n der drehbare Arm D trägt, und das durch eine Feder gegen den Draht gedrückt wird. Die Schieferplatte trägt oberhalb des Drahtes eine Teilung, die auf den beiden Hälften der Platte A und B sich von 0 bis 150° erstreckt. Au ihren Endpunkten befinden sich die Klemmen. Die Widerstände, die durch Stöpselung ausgeschaltet werden können, liegen unterhalb der Schieferplatte und lassen mit dem Widerstand des Strommessers von 1 Ω, 10, 100 und 1000 Ω einschalten. Zwischen ihnen trägt das Instrument an Messingklötzen I bis V die Klemmschrauben zum Anschalten der Drähte.[694] III und IV können durch einen Stöpsel, II und V durch den federnden Taster T in leitende Verbindung gebracht werden. Diese Einrichtung hat den Vorteil, daß man den Strom stets nur ganz kurze Zeit zu schließen braucht und so eine Gefährdung der seinen Drähte vermeidet. Um Widerstände zu bestimmen, legt man den zu untersuchenden Draht an II und III, die Pole der Meßbatterie an I und V, stöpselt das Loch zwischen III und IV und schiebt g so lange auf dem Meßdraht hin und her, bis der Zeiger des Strommessers auf 0 zu stehen kommt. Der Apparat wirkt dann, wie sich aus Fig. 7 ergibt, nach Art der Wheatstoneschen Brücke. Zur Spannungsmessung stöpselt man Loch 1 und y und zieht den Stöpsel zwischen III und IV. y schaltet einen Nebenschluß zum Galvanometer von großem Widerstand ein. Die Drähte, deren Spannungsdifferenz gemessen werden soll, werden an die Enden eines zu diesem Zwecke dem Instrumente beigegebenen Verbindungsbügels gelegt und diese mit den Klemmschrauben II und IV verbunden. Um Stromstärken zu messen, bleiben III und IV ebenfalls getrennt, während alle übrigen Löcher gestöpselt werden. II und IV werden durch den Bügel verbunden. Für größere Stromstärken muß anstatt des Verbindungsbügels ein Widerstand benutzt werden. Die Telephonmeßbrücke zur Prüfung von Blitzableitern von Siemens u. Halske unterscheidet sich von der Kohlrauschschen nicht nur durch ihre leichtere Transportierfähigkeit, sondern auch namentlich dadurch, daß sie intermittierende statt der Wechselströme benutzt. Sie stellt Fig. 4 (Tafel I) mit zurückgeschlagenem Deckel in perspektivischer Ansicht dar, ihre Einrichtung zeigt schematisch Fig. 5. Dem Umstand, daß der immerhin empfindliche Induktionsapparat wegfällt, verdankt die Meßbrücke ihre bequemere Handhabung und größere Dauerhaftigkeit, während er ihrer Brauchbarkeit in keiner Weise Abbruch tut. Den Strom liefern zwei Trockenelemente E, die unten im Kasten, der mittels eines Tragriemens umgehängt werden kann, angebracht sind. Durch Drehung des exzentrischen Messingknopfes B, des sogen. Batterieschlüssels, können sie mit einer auf den Zähnen des Kontaktrades K schleifenden Messingfeder F in leitende Verbindung gebracht werden. Jedesmal, wenn ein Zahn von K gegen die Feder F drückt, wird deren Strom geschlossen und geht nun zu dem drehbaren Arm A, der das aus Platin hergestellte Kontaktröllchen R trägt. Von diesem kann er einerseits in den um eine Schieferplatte gelegten Meßdraht M und von diesem zu der unter der Schieferplatte angebrachten Vergleichsrolle V geleitet werden, anderseits durch das an die Klemmen T mit Hilfe beweglicher Schnüre angelegte Telephon P und den zu bestimmenden Widerstand X, zur Batterie zurückgehen. Durch Drehung der in Fig. 4 sichtbaren Kurbel, die auf beiden Seiten an den Kasten aufgesteckt werden kann, setzt man sowohl das Rad K als auch den Arm A in Drehung und hält still, wenn das Geräusch in dem aus Ohr gehaltenen Telephon entweder ganz verstummt oder doch möglichst leise wird. An der auf der Schieferplatte angebrachten Papierskala, die bis 500 Ω geht, liest man dann den Widerstand von X in Ohm ab. Den Übergangswiderstand der Endplatte des Blitzableiters erhält man, indem man an die eine der Klemmen X die Blitzableiterleitung legt, an die andre einen Draht, der zu einer zusammenlegbaren Kupferplatte, die dem Apparat beigegeben ist, führt Unterbricht man den Strom der Elemente nach jeder Beobachtung, so halten sie mehrere Jahre lang aus. Zur Prüfung der Richtigkeit des Apparates ist ihm in besonderm Futteral ein Widerstand von 10 Ω beigegeben, den man auch zuschaltet, wenn kleine Widerstände zu messen sind; diesen Betrag muß man alsdann von dem durch die Messung erhaltenen abziehen. Vgl. Biscan, Die elektrischen Meßinstrumente (Leipz. 1897); Zacharias, Elektrische Verbrauchsmesser der Neuzeit (Halle 1901).