Anz.	Bezeichnung	Datenblatt
1	Batterie/Spannungsquelle 9V
1	Widerstand 1,0 Ohm
1	Widerstand 470 Ohm
1	Widerstand 100 kOhm
1	Trimmpotentiometer 10 kOhm
1	Drehspulmesswerk 100µA
1	Standard-Leuchtdiode 3mm oder 5mm	3mm, 5mm
1	Multimeter

In vielen Geräten sind Zeigermesswerke zu finden. Sei es nun bei einem Multimeter, bei einer Temperaturanzeige oder auch bei der heimischen HiFi-Anlage, die eine Aussteuerungsanzeige mit Zeigermesswerken besitzt.

Gegenüber digitaler Anzeigen, haben Messwerke einige Vorteile. Zum einen wäre da die Estätik. Ein Gerät mit Zeigern wirkt hochwertiger. Zum anderen ist dort die Eigenschaft, dass man die Änderung eines Signals sofort verfolgen und auch von weiterer Entfernung ungefähr die Stärke eines Signals ablesen kann, ohne die Skala des Messwerkes genau zu erkennen.

Wenn wir nun ein Messwerk in einem Gerät einsetzen muss, muss man erst einmal wissen, welche Messwerke für welche Anwendungen geeignet sind. Für die meisten Anwendungen sind 2 große Messwerkfamilien Interessant.

Drehspulmesswerke besitzen einen kleinen Dauermagneten und eine drehbar gelagerte Spule. Wird nun diese Spule mit einem Strom versorgt, stößt sie sich von dem Magneten ab und dreht sich somit. Eine genau geeichte Feder sorgt dafür, dass sich die Spule, je nach Höhe des Stromes, nur einen bestimmten Winkel dreht. An der Spule ist ein kleiner Zeiger angebracht der auf einer Skala die Ausschlagsstärke und somit den Messwert anzeigt.

Bedingt dadurch dass der Dauermagnet eine bestimmte magnetische Polung besitzt, darf die Spule auch nur in einer bestimmten Richtung mit Strom durchflossen werden. Somit sind Drehspulmesswerke nur für Gleichspannungen/Gleichströme geeignet.

Möchte man Wechselspannungen oder Wechselströme anzeigen oder ist die Polarität des zu messenden Signals nicht eindeutig, so werden Dreheisenmesswerke eingesetzt.

Hier wird ein kleiner Eisenanker durch eine Strom durchflossene Spule angezogen. Auch hier wird die Drehbewegung durch eine Feder begrenzt. Im Gegenteil zum Drehspulmesswerk ist es dem Eisenanker egal, welche Polarität das Magnetfeld besitzt. Somit sind im Grunde alle Spannungsarten für dieses Messwerk geeignet.

Diese beiden Messwerktypen sind am häufigsten zu finden. Es gibt aber noch eine ganze Reihe anderer Messwerke, die hier einmal kurz aufgeführt werden sollen.

Möchte man eine bestimmte Frequenz überwachen, kann man dazu den Zungenfrequenzmesser verwenden. Dieser besteht aus mehreren eisenhaltigen Metallzungen die mit Hilfe von Spulen zur Schwingung angeregt werden. Jede Zunge besitzt eine bestimmte Resonanzfrequenz und wenn diese durch das Magnetfeld der Spulen erreicht wird, vibrieren diese und zeigen somit eine bestimmte Frequenz an.

Muss man große Ströme messen, kann man unter anderem ein Hitzdrahtmesswerk nehmen. Das Prinzip dieses Messwerk besteht aus einem Draht, welcher gespannt ist und in der Mitte mit einem kleinen Gewicht belastet wird. An diesem Gewicht befindet sich auch der Zeiger. Wird nun durch den Draht ein Strom geschickt, dehnt sich dieser aus, wird der Draht von dem Gewicht nach unten gezogen und der Zeiger schlägt entsprechend aus.

Nachteil dieser Messmethode ist nur, dass dieses Messwerk schnelle Änderungen des Stromes nicht registriert. Es ist also eher für Ströme geeignet, die sich langsam ändern oder wo man nur den Durchschnitt des aktuellen Stromes benötigt.

Ähnlich wie das Hitzdrahtmesswerk arbeitet das Bimetallmesswerk auch durch Erwärmung. Hier wird aber der Strom durch ein Bimetall geschickt, welcher sich dann erwärmt und sich dadurch verformt.

Beim Induktionsmesswerk, wird in eine drehbar gelagerte Scheibe durch Spulen eine Spannung induziert. Dadurch entsteht in der Scheibe eine entgegen gerichtetes Magnetfeld. Hierdurch beginnt sich die Scheibe zu drehen. Ein, an der Induktionsscheibe angeschlossenes Zählwerk, ermöglicht die Zählung der elektrischen Energie.

So ein Messwerk hat jeder in seinem Haus. Es ist der Stromzähler.

Hiermit haben wir die wichtigsten Typen von Messwerken behandelt. Es existieren noch weitere Arten, die aber eher ein Nischendasein fristen. Für unsere weiteren Versuche werden wir uns Grundsätzlich auf ein Drehspulmesswerk mit einem Maximalmesswert von 100µA stützen. Da so ein Messwerk doch einiges kostet, ist es auch möglich die Versuche mit einem Multimeter mit 200µA-Bereich (300µA, 400µA sind auch möglich) durchzuführen.

Drehspulmesswerke

Ein Messwerk anzusteuern ist nicht sonderlich schwierig. Man kann sich so ein Messwerk als Widerstand vorstellen. Das Messwerk was wir hier verwenden, besitzt eine Impedanz von 1,0 kOhm. Messwerke anderer Hersteller können von diesem Wert leicht abweichen, welches aber für die Versuche hier, eine nicht sonderlich große Rolle spielt. Auch Multimeter mit einem Messbereich von 200µA (oder auch 300µA oder 400µA) besitzen in diesem Bereich eine ähnliche Impedanz. Man sollte hier nur noch wissen, dass Drehspulmesswerke gepolt sind und auf diese Polung strikt zu achten ist. Andernfalls kann es zu Schäden des Messwerks kommen. Die Anschlüsse von den meisten handelsüblichen Messwerken sind kleine Lötösen die mit einer Schraube an den Kontakten des Messwerks angebracht werden. Oft findet man neben den Anschlusskontakten für das Messwerk noch weitere Anschlüsse für eine Skalenbeleuchtung oder einer 'Überlaufanzeige', die man dann ansteuern kann, wenn ein Wert überschritten wird.

Wie in der Einleitung bereits erwähnt, ist ein Messwerk im Grunde ein Widerstand. Wenn wir nun ein Multimeter nehmen und mit dessen Hilfe den Widerstandswert ermitteln, werden wir feststellen, dass sich dieser Wert bei unserem 100µA Messwerk bei ca. 1,0 kOhm bewegt. Bemühen wir nun das ohmsche Gesetz und berechnen die maximal mögliche Spannung, wenn wir durch das Messgerät den größtmöglichen Strom fließen lassen, bekommen wir eine Spannung von 0,1 V. Hiermit haben wir im Grunde alle Daten, die wir für den Einsatz dieses Messwerkes brauchen um es problemlos zu betreiben.

Aber es gibt noch weitere Daten, die man über ein Messwerk wissen sollte, wenn man es einsetzt. Ein ganz wichtiger Faktor ist die Klasse des Messwerks. Man kann auch sagen, die Toleranz. Handelsübliche Messwerke besitzen eine Klasse zwischen 1,5 und 2,5. Nun muss man beachten, dass diese Toleranz nicht relativ ist sondern absolut zum Endwert. Was bedeutet dies?

Nehmen wir einmal an, wir steuern unser 100µA Messwerk so an, dass es voll ausschlägt. Nun kann der wirkliche Strom 101,5µA oder auch nur 98,5µA sein, wenn wir eine Klasse von 1,5 haben. Also ±1,5µA. Steuern wir jetzt aber das Gerät so an, dass es 10µA anzeigt, kann es hier auch wiederum um ±1,5µA schwanken. Also kann der wirkliche Wert zwischen 11,5µA und 8,5µA liegen. Dies ist dann schon eine Fehlertoleranz von 15%. Daher sollte man versuchen, das zu messenden Signal immer im letzten Drittel der Anzeige zu bekommen. Nehmen wir mal als Beispiel eine Anzeige von 65µA, und rechnen hier wieder unsere Toleranz hinein, kommen wir auf einen Wert zwischen 66,5µA und 63,5µA. Dies ergibt dann eine absolute Fehlertoleranz von 2,3%. Je geringer unser Anzeigewert ist, desto ungenauer wird die Anzeige. Im unteren Drittel kann man das Messwerk im Grunde nur noch als 'Schätzeisen' nehmen.

Ein weiteres Kriterium, worauf wir beim Betrieb eines Messwerkes achten sollten, ist die nötige Einbaulage. Während bei Drehspul- und Dreheisenmesswerken die Einbaulage nicht allzu kritisch ist, kann es bei anderen Messwerktypen zu massiven Fehlern oder gar zum Ausfall des Messwerks kommen. Wem ist es nicht schon aufgefallen, dass Stromzähler immer hängend angebracht sind und selbst so genannte Baustromzähler min. auf eine Holztafel angeschraubt sind.

Mit dem Wissen, dass ein Messwerk im Prinzip einen Widerstand darstellt, können wir den Messbreich erweitern. In unserem Fall darf dieser 'Widerstand' höchstens mit einem Strom von 100µA belastet werden und es darf max. 0,1V an ihm anliegen. Wenn wir nun unser Messgerät für die Messung von einer Spannung von 0-10V einsetzen wollen, müssen wir dafür sorgen, dass die Restspannung an einem weiteren Widerstand abfällt. Wir schalten also diesen Widerstand in Reihe zum Messwerk. Wir wissen, dass, wenn wir bei 10V einen Vollausschlag haben wollen, wir einen Strom von 100µA haben und dann am Messwerk eine Spannung von 0,1V anliegt. Demnach müssen die restlichen 9,9V am Vorwiderstand abfallen. Dank des ohmschen Gesetzes ist nun die Berechnung des Vorwiderstandes kein Problem mehr.

Wer nun den Wert errechnet hat, wird auf einen Ergebnis von 99 kOhm kommen. Da wir keinen 99 kOhm-Widerstand haben, greifen wir auf 100 kOhm zurück. Der Fehler der dadurch entsteht ist, mit 1%, vernachlässigbar. Wird hier nun die Batterie angeschlossen, schlägt der Zeiger bis auf ca. 90µA aus. Da wir als Skalenendwert 10V festgelegt haben, zeigt uns jetzt das Gerät eine Spannung von ca. 9V an.

Wenn wir hier nun mal die Spannung am Messwerk überprüfen, kommen wir auf den Wert von ca. 0,09V. Dies ist doch eine sehr geringe Spannung. Das ist auch gut so. Später lernen wir noch eine Anwendung kennen, wo eine größere Spannung nicht gebraucht werden kann.

Für diejenigen, die einmal die Genauigkeit ihres Messwerkes testen möchten, ist die nebenstehende Schaltung abgebildet. Hier kann man, mit Hilfe des Trimmpotentiometers P1, dem Messwerk eine Spannung von 0V bis 9V zuführen und so die unterschiedlichsten Spannungen anzeigen lassen.

Um zu überprüfen, ob das Messwerk die richtige Spannung anzeigt, schaltet man einfach ein Multimeter im Spannungsbereich parallel. Wer ein qualitativ gutes Messwerk besitzt, wird selbst im unteren Drittel der Anzeige noch recht genaue Werte ablesen können.

Neben der Spannungsmessung kann man mit einem Messwerk natürlich auch Ströme messen. Das hier verwendete Gerät ist 'von Natur aus' in der Lage, Ströme bis maximal 100µA zu messen. In der Regel hat man aber erheblich größere Ströme. Was kann man da machen?

Wie wir wissen, benötigt das Messwerk bei Vollausschlag eine Spannung von 0,1V. Nun müssen wir nur, mit Hilfe eines weiteren Widerstandes, dafür sorgen, dass diese Spannung, bei dem gewünschten Maximalstrom, anliegt. Bei einem Strom von max. 0,1A benötigen wir dann einen Widerstand von 1,0 Ohm. Die 100µA des Messwerkes bzw. den Widerstand von 1,0 kOhm können wir hierbei ebenso vernachlässigen.

Parallel zum Widerstand R1 schalten wir nun unser Messwerk und wenn wir diese Schaltung in Betrieb nehmen, leuchtet die Leuchtdiode D1 auf und der Zeiger des Messwerkes geht auf ca. 15µA. Da wir hier für den Höchststrom 100mA festgelegt haben, müssen wir wieder den Anzeigewert umrechnen und erhalten dann einen Strom von 15mA.

Um diesen Wert auch noch einmal zu überprüfen, schalten wir in der Schaltung noch einmal unser Multimeter im Strombereich ein und können dann wieder den Anzeigewert mit dem Messwert unseres Multimeters überprüfen. Soll das Gerät andere Ströme messen, muss nur der Widerstand R1 ausgetauscht werden. Bei Strommessungen bis 1A müsste hier dann ein Wert von 0,1 Ohm eingesetzt werden. Bei 10A ist ein Widerstand von 10 mOhm nötig usw. So ein Widerstand, der nur dazu dient um Ströme messen zu können, wird im allgemeinen Shunt oder auch Nebenwiderstand genannt. Es gibt schon etliche Widerstände, die genau für diesen Zweck ausgelegt sind. Auch ganze Widerstandsnetzwerke, welche gleich für mehrere Bereiche vorgesehen sind, sind erhältlich. Man muss diese dann nur noch mit einem Umschalter versehen.

Wer Messwerke verwenden möchte, wo von vornherein der Messbereich feststeht, für den sind auf dem Markt schon komplette Geräte erhältlich, die für entsprechende Messbereiche ausgelegt sind. Z.B. gibt es Messwerke für Spannungsmessungen von 10V, 15V, 30V usw. Ebenso kann man auch welche bekommen, die direkt bestimmte Ströme messen können, wie z.B. 100mA, 1A, 3A usw.