Bimetall-Meßwerk

Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei aufeinandergeschweißten Metallen mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten. Bei Erwärmung tritt daher eine Formänderung ein. Wenn der Streifen als Spirale ausgebildet wird, hat er bei geeigneter Konstruktion das Bestreben, sich durch die Erwärmung aufzurollen.

Das Bimetall-Meßwerk besteht im wesentlichen aus zwei gegensinnig gewickelten Bimetallspiralen, die innen an einer drehbaren Achse befestigt sind, und deren freies Ende fest eingespannt ist.

Bimetall-Messwerk
Abb. 1: Kombiniertes Bimetall-Dreheisen Messwerk (Fa. Gossen)

Die eine der Spiralen wird vom Meßstrom durchflossen, während die andere, gegen Wärmeleitung und Strahlung von der ersten geschützt, stromlos ist. Der Meßstrom erwärmt die Bimetallspirale, die sich dadurch aufrollt und die drehbare Achse verstellt. Die zweite gegensinnig gewickelte Spirale kompensiert den Einfluß einer schwankenden Raumtemperatur. An der Achse ist je nach Konstruktion des Meßinstrumentes entweder ein Zeiger befestigt, der seinerseits Schleppzeiger verstellt oder eine Schreibeinrichtung trägt, oder der Zeiger fehlt und ein Mitnehmer verstellt eine Schleppskala. Die in der Spirale entstehende Wärme ist dem Quadrat des Meßstromes proportional.

Das Meßwerk zeigt daher bei quadratischem Skalenverlauf den Effektivwert des Stromes an. Der entscheidende Unterschied gegenüber anderen Meßwerken liegt in der großen thermischen Trägheit der Anzeige. Die Endeinstellung des Zeigers ist nämlich erst dann erreicht, wenn zwischen der Wärmeenergie, die der Spirale durch den Strom zugeführt wird, und der Energie, die das System abgibt, Gleichgewicht herrscht. Die Zeit, die benötigt wird, um diesen Zustand praktisch zu erreichen, ist die Einstellzeit. Durch entsprechende Konstruktion des Meßwerkes kann die Dauer der Einstellzeit beeinflußt werden. Sie beträgt normalerweise 8 oder 15 Minuten.

Der Eigenart des Meßwerkes entsprechend ist eine besondere Rückstellkraft oder eine Dämpfung nicht erforderlich. Durch die thermische Trägheit wird erreicht, daß das Meßwerk einen mittleren Effektivwert der veränderlichen Meßgröße anzeigt. Kurzzeitige Strom- oder Spannungsspitzen ebenso wie Täler werden dabei unterdrückt, und zwar um so mehr, je größer die Einstellzeit ist. Sofern ein Schleppzeiger oder eine Schleppskala vorhanden sind, so halten diese einen mittleren Strom-Höchst- oder Niedrigstwert im Ablesezeitraum fest. Da die in der Bimetallspirale entstehende Wärme mit dem Quadrat des Stromes wächst, müssen größere, lang anhaltende Überlastungen vermieden oder Überströme durch einen Sättigungswandler vom Meßwerk ferngehalten werden.

Bimetallinstrumente werden vielfach mit einem zusätzlichen Dreheisen-Meßwerk für die Momentanwertanzeige des Stromes ausgerüstet (Abb. 1). Für Spannungsniedrigstwert-Messungen soll bei vollkommen ausbleibender Netzspannung der Zeiger nicht auf Null zurückgehen, da hierdurch die betriebsmäßige Niedrigstwertanzeige gestört wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß jede der beiden Bimetallspiralen an der Sekundärwicklung je eines Wandlers liegt, die primärseitig hintereinander geschaltet sind. Der eine der beiden Wandler ist ein Sättigungswandler. Beide sind so bemessen, daß bei Nennspannung die Ströme in den Bimetallspiralen gleich groß sind. Dadurch wirkt auf den Zeiger kein Verstellmoment. Da beim Sättigungswandler im Sättigungsbereich die Sekundärspannung trotz steigendem Erregerstrom nicht mehr wächst, durchfließt die eine der beiden Spiralen bei Überspannung, die andere bei Unterspannung ein größerer Strom, so daß das resultierende Drehmoment beider Spiralen entweder positiv oder negativ wird.


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