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Elektrisches Meßgerät zur Messung oder zum Nachweis von Wechselströmen
oder Wechselspannungen . Das Drehspulgalvanometer für Gleichstrom .verdankt seine
hohe Empfindlichkeit dem Umstande, daß das auf die bewegliche Spule ausgeübte Drehmoment
proportional ist nicht nur dem kleinen Meßstrom, sondern auch dem in ausreichender
Größe bereitzustellenden Fremdfeld, welches vom Dauermagneten herrührt. Es lag nun
nahe, den Grundgedanken des Drehspulgalvanometers auch für die Messung kleinster
Wechselströme zu verwerten, indem man den Dauermagneten durch einen Elektromagneten
ersetzte. Man ließ den Meßstrom die bewegliche Spule eines Dynamometers durchfließen
und erzeugte mittels einer synchronen Spannungsquelle in den festen Spulen ein genügend
starkes frequenzgleiches Fremdfeld. Dann wird der Ausschlag a a-cJBcosyp, wobei
c eine unwesentliche Konstante, J und B die Höchstwerte des Meßstromes und der magnetischen
Induktion des Fremdfeldes und ip die Phasenverschiebung zwischen J und B ist.
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Diese Anordnung besitzt zwei Nachteile: i. die Abhängigkeit von zp.
Ist die Phasenlage von J zeitlich nicht oder nur langsam veränderlich, so kann man
mittels bekannter Vorrichtungen die Phasenlage von B derart nachregem, daß zp =
o oder cos -ii) .- i wird. Wenn aber die Phasenlage von J zeitlich rasch sich ändert,
so ist das Meßgerät ungeeignet. Insbesondere kann es nicht als Nullmeßgerät in Wechselstrombrücken
Verwendung finden, welche Induktivitäten oder Kapazitäten enthalten, da die Phasenlage
der am Galvanometer liegenden Spannung während des Abgleichvorganges fortgesetzt
sich ändert und daher ein Brückengleichgewicht vorgetäuscht werden kann, obgleich
die Spannung o und nur zufällig
geworden ist. 2. Man kann aus dem Ausschlag a nicht unmittelbar die Phasenlage von
J gegenüber einer bestimmten Ausgangsphase erkennen.
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Diese beiden Nachteile sollen durch die Erfindung vermieden werden,
ohne claß der Vorteil einer gleich hohen Empfindlichkeit wie beimD rehspulgalvanometer
p rei sgegeben wird. Der Erfindung liegt folgende Überlegung zugrunde Der Meßstrom
J durchfließt einen irgendwie geformten Leiter, etwa eine Spule, dessen Bewegungen
den Ausschlag liefern. Soll nun ein Ausschlag zustande kommen, der von unabhängig
ist oder jedenfalls für keinen Wert von ip verschwinden kann, wenn J - o, so muß
ein synchrones Fremdfeld b vorhanden sein, das an den einzelnen Stellen des Leiters
eine immer andere Phasenlage besitzt. Da nun an jeder Stelle des Leiters J den nämlichen
Wert, also die nämliche Phasenlage, b hingegen nach Voraussetzung eine andere Phasenlage
besitzt, so nimmt auch y und cos yr für jedes Leiterelement einen anderen Wert an,
'und es kann daher niemals der Fall eintreten, daß für alle Leiterelemente gleichzeitig
oder cos y - o wird. Durch geeignete Anordnung des Leiters und des
Fremdfeldes
müß sich ferner erreichen lassen, daß die Größe der auf den beweglichen Leiter insgesamt
ausgeübten resultierenden Kraft (bzw. des Kräftepaares) von der Phasenlage von J
(gegenüber einer willkürlich festgesetzten Ausgangsphasenlage) ganz unabhängig ist
und von dieser Phasenlage nur die räumliche Lage der Kraft beeinflußt wird. Die
Lagerung des von J durchflossenen in sich starren Leiters und die rückführende Kraft
müssen natürlich so vorgesehen werden, daß jede Krafteinwirkung unabhängig von deren
räumlicher Lage in einen ablesbaren Ausschlag v erwandeltwerden kann.
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Ein Feld, das der genannten Forderung einer von Ort zu Ort sich ändernden
Phasenlage Genüge leistet, ist z. B. das Drehfeld, wie es etwa im Ständer einer
Asynchronmaschine erzeugt wird. Die raumzeitliche Verteilung der vom Drehfeld herrührenden
magnetischen Induktion b genügt bekanntlich dem Gesetze b --- B sin
(co t -{- a),
wobei B der Höchstwert von b, co die Kreisfrequenz, t
die Zeit ist. wist der Zentriwinkel, gemessen auf dem Kreiszylinder, auf dein das
Drehfeld nutzbar gemacht wird, und zwar zwischen einer Ausgangsmantellinie (Erzeugenden)
und der ins Auge gefaßten Mantellinie.
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Abb. z zeigt in Schnitt und Draufsicht ein Ausführungsbeispiel. D
ist ein ringförmiger Eisenkörper. Die an seiner Innenseite eingebettete Wicklung
W erzeugt ein radial nach dem Kern K gerichtetes zweipoliges Drehfeld. Die Drehfeldwicklung
ist im Grundriß - was an sich unwesentlich - als Zweiphasenwicklung angedeutet.
Beide Wicklungen sind räumlich um go° versetzt; zwischen den beiden Erregerströmen,
die durch ein mit dem Meßstrom synchrones Einphasen- oder Mehrphasennetz in bekannter
Weise geliefert werden, besteht eine zeitliche Phasenverschiebung von go°.
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In dem ringförmigen Luftspalt zwischen D und K befindet sich die Spule
S, die vom Meßstrom durchflossen wird. In der Ruhelage, also bei Stromlosigkeit,
liegt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Spulenebene waagerecht. Die Spule
ist in einem auf ihrer Achse oberhalb ihres Schwerpunktes liegenden Punkt an dem
Faden F aufgehängt oder auf Spitze gelagert.
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Wie schon bekannt und in Abb. 2 durch radiale Pfeile nochmals hervorgehoben,
herrscht an einem Leiterelement im Winkelabstand a von dem Ausgangsstrahl
0-A eine radial nach innen gerichtete magnetische Induktion b - B sin (co
t + a).
VG'ird nun die Spule von einem Strome mit dem Augenblickswerte
i:= J sin (co t + @) durchflossen, so wird auf das erwähnte Leiterelement von der
Länge ds eine Kraft ausgeübt, welche senkrecht zur Richtung der Induktion des Stromes
wirkt und dem Betrage nach gleich C # B # J sin (co
t -(- a) sin (w t -f - (p) ds (C - Konstante) ist. Da das Meßwerk
mechanisch träge, kommt es nur auf den zeitlichen Mittelwert dieser Kraft an, d.
i.
Dieser Mittelwert erreicht seinen positiven bzw. negativen Höchstwert, wenn
a - cp bzw. a = (p -}- n. wird, also an den Punkten a, b in Abb. 2. Demnach
ergibt sich durch das Zusammenwirken von Strom und Drehfeld die in Abb. 2 dargestellte
sinusförmige Kraftverteilung längs des Umfangs, wobei die mit bezeichneten Kräfte
nach unten, die mit bezeichneten nach oben wirken. Die ganze Spule wird daher um
die zum Strahl 0-a senkrecht stehende Achse c-d so weit gekippt werden, bis infolge
der Schwerpunktshebung oder der Wirkung elastischer Kräfte Gleichgewicht mit dem
rückführenden Drehmoment eingetreten ist.
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In Abb. r ist mit der Spule der Spiegel Sp verbunden. Die Lichtquelle
L, welche zweckmäßig über Transformator von der das Drehfeld erzeugenden Hilfsspannung
gespeist wird, entwirft über den Spiegel mittels nicht gezeichneter üblicher optischer
Einrichtung, gegebenenfalls mittels einer in den Strahlengang eingefügten undurchsichtigen
kleinen Kugel oder Scheibe, auf der Mattscheibe M den Punkt P. Die Mattscheibe ist
eben oder nach einer Kugelkalotte ausgebildet. Abb. 3 zeigt in Draufsicht den Lichtpunkt
P auf der Mattscheibe M. Der Abstand r vom Mittelpunkt liefert die Größe des zu
messenden Stromes unabhängig von seiner Phasenlage, T gibt die Phasenverschiebung
zwischen dem Strom und einer an sich willkürlichen Bezugsphase z. B. gegenüber der
benutzten Hilfsspannung an.
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Somit gilt mit früheren Bezeichnungen die Beziehung r-C'#B#J. Da aber
B proportional ist der das Drehfeld erzeugenden Hilfsspannung Uh, gilt auch r- C"#Uh#J
(I) (C', C" - Konstante).
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Die zeitlichePhasenlage desDrehfeldes kann
mit einem
der bekannten Mittel verstellt werden, oder man kann den EisenkörperD mit der Wicklung
oder die Mattscheibe 11-T verdrehen. Werden nacheinander zwei Wechselstromgrößen,
etwa Spannung und Strom, gemessen, deren gegenseitige Phasenverschiebung man kennen
will, so wird man bei der Messung der ersten Größe durch Verdrehung tp
= o
einstellen. Dann liefert das Meßgerät beide Größen nach Betrag und gegenseitiger
Phasenverschiebung in der geläufigen Vektordarstellung.
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Wenn nötig, kann noch eine besondere Dämpfungsvorrichtung angebracht
werden. Sie besteht in dem gezeigten Beispiel (Abb. i) aus einem Dauermagneten
na, der als Rotationskörper in Form eines Topfmagneten ausgebildet und magnetisiert
ist, und einem mit der Spule fest verbundenen und mit ihrer Achse koaxialen (ebenfalls
rotationssymmetrischen) Reifen R aus unmagnetischem Metall, der bei einer Neigung
der Spule nach irgendeiner Richtung auf der einen Seite stärker in das radiale Feld
des Dauermagneten eintaucht, auf der anderen Seite mehr heraustritt und hierdurch
die Spulenbewegung dämpft.
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Bei hochempfindlichen Meßgeräten zur Messung kleinster Wechselspannungen
kann sich infolge des geringen Kurzschlußkreiswiderstandes für die Spule die folgende
störende Erscheinung zeigen: Wird infolge eines Meßstromes die Spule gemäß Abb.
z um die waagerechte Achse c-d verdreht, so wird von ihr infolge der Schräglage
ein Fluß umfaßt. Dieser Fluß erregt in der Spule eine Spannung, die einen mit der
Spannung ungefähr phasengleichen Strom zur Folge hat. Der Strom erzeugt Verstellkräfte,
die ihren positiven bzw. negativen Höchstwert an den Punkten c bzw. d aufweisen
und nun die Spule auch um die Achse a-b etwas verkanten.
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Der Abstand r des Lichtpunktes vom Nullpunkt (Abb._3) ist zwar auch
jetzt nur von der Größe, nicht aber von der Phasenlage des Meßstromes abhängig.
Dagegen wird die Phasenlage des Stromes.. infolge der Verkantung fehlerhaft gemessen.
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Bei besonders empfindlichen Meßgeräten kann sogar schon bei völliger
Abwesenheit eines Meßstrotnes und bei genügend kleinem äußerem Widerstande infolge
einer anfänglichen Störung durch Erschütterung gewissermaßen durch fortgesetzte
Verkantung eine beständige Taumelbewegung der Spule auftreten, derart, daß das auf
der- Spulebene errichtete Mittellot die Mantelfläche eines Kreiskegels mit senkrechter
Achse bestreicht. Diese Taumelbewegung mag für elektromotorischen Spezialantrieb
verwertbar sein, für das Meßgerät ist sie sehr unerwünscht. Um die geschilderten
Erscheinungen völlig zu beseitigen, müssen die zu der Verkantung oder gar zu der
Taumelbewegung führenden Kräfte durch entgegengesetzte Kräfte aufgehoben werden.
Dies kann dadurch erreicht werden, daß man auf eine zweite mit der Meßspule fest
verbundene und koaxiale, in sich kurzgeschlossene Spule ein Drehfeld einwirken läßt,
welches den umgekehrten Um-Laufsinn besitzt wie das auf die Spule einwirkende Drehfeld.
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Abb. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel. S ist die vom Meßstrom durchflossene
Spule, die wie bisher der Einwirkung des in D erzeugten Drehfeldes unterliegt. Koaxial
und fest verbunden mit ihr ist die Hilfsspule H, die sich in umgekehrt umlaufendem,
in D' erzeugtem Drehfeld befindet. Die ausgleichende Wirkung der Hilfsspule muß
den Dämpfungsverhältnissen der Meßspule, also deren Kurzschlußkreiswiderstand und
dem in D erzeugten Drehfeld angepaßt werden. Dies kann erreicht werden, indem man
entweder die Stärke des in D' erzeugten Drehfeldes regelt oder aber die beiden Enden
von H herausführt und über einen regelbaren-Widerstand kurzschließt. In letzterem
Falle lassen sich die Wicklungen von D und D' teilweise vereinigen.
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Der Grundgedanke der Erfindung läßt noch eine Reihe anderer Ausführungsformen
zu, als in Abb. i öder 4 dargestellt. Das Drehfeld kann durch verteilte Wicklung,
wie in Abb. i und 4 gezeichnet, oder aber auch durch ausgeprägte Pole erzeugt werden.
Die Drehfeldwicklung kann außerhalb, wie gezeichnet, oder auch innerhalb. der Spule
angeordnet werden. Sie kann ferner für Messung bei sehr hohen Frequenzen auch eisenlos
ausgeführt werden, so daß also D bzwD' und die Kerne in Abb. i oder q. fortfallen.
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Die bewegliche Spule braucht nicht, wie gezeichnet, an einem Faden
aufgehängt oder, wie schon erwähnt, auf Spitze gelagert zu werden.
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Sie kann vielmehr auch an zwei gespannten Fäden befestigt werden,
welche von oben und von unten kommend an zwei mit der Spule fest verbundenen und
auf deren Achse sitzenden Punkten angreifen, die einen gewissen Abstand voneinander
aufweisen (Spannbandaufhängung).. Die Spule kann auch mit einem im Mittellot ihrer
Ebene befindlichen elastischen Stab starr verbunden werden, dessen freies Ende fest
gelagert ist, so daß eine pilzähnliche Anordnung entsteht. Ebenso kann die Spule
an einer Schraubenfeder befestigt werden, deren Achse mit der Achse des Meßgeräts
zusammenfällt. Sie kann schließlich mit einem in der Achse des Meßgeräts befindlichen
festen Punkte durch mindestens
drei elastische Drähte verbunden
sein, die in einer Spulenebene liegen und nach Art von Radspeichen mit .gleichem
Winkelabstand voneinander angeordnet sind.
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Es kommt eben immer nur darauf an, daß bei der Neigung der Spule um
eine waagerechte Achse ein rückführendes Drehmoment wachgerufen wird, dessen Betrag
nur vom Neigungswinkel, nicht aber von rp (Abb. a) abhängt.
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Die genannten Tragorgane übernehmen in bekannter Weise, soweit sie
aus Metall gefertigt sind, zugleich die Aufgabe einer Stromzuführung oder auch beider,
falls sie sich in zwei voneinander isolierten Teilen ausführen lassen, wie etwa
bei der Speichenanordnung.
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Der Strahlengang von der Lichtquelle zum Spiegel oder vom Spiegel
zur Mattscheibe kann in bekannter Weise durch festen Spiegel oder Prisma umgelenkt
werden, falls etwa Lichtquelle oder Mattscheibe an anderer Stelle Platz finden sollen
als in Abb..i.
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Der Lichtzeiger kann schließlich bei unempfindlicheren Meßgeräten
durch einen materiellen Zeiger ersetzt werden, der an seinem Ende eine durch die
Matt- oder Glasscheibe hindurch sichtbare Scheibe oder Kugel trägt.
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Es kann vorkommen, daß nur der Betrag, aber nicht die Phasenlage des
Stromes von Interesse ist, aber trotzdem - auch bei größeren Strömen - das hier
beschriebene Meßgerät wegen der von Anfang an proportionalen Teilung benötigt wird.
In diesem Falle kann bei Anwendung des materiellen Zeigers der Radiusvektor r (Abb.
3) durch Faden-und Umleitrolle in eine lineare Verschiebung abgebildet werden, so
daß nur mehr der Betrag des Stromes, nicht mehr aber seine Phasenlage zur Feststellung
gelangt.
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Das allgemeine Anwendungsgebiet des hier beschriebenen Meßgeräts ist
schon gekennzeichnet worden: Messung von Wechselstrom und -spannung bis herab zu
kleinsten Beträgen nach Größe und Phasenlage gegenüber einer bestimmten Ausgangsphase.
Hier sollen noch einige besondere Anwendungen erwähnt werden: I. Die Hilfsspannung
zur Erzeugung des Drehfeldes und die Spannung des zu untersuchenden Wechselstromkreises
besitzen ein bestimmtes unveränderliches Größenverhältnis und eine bestimmte unveränderliche
Phasenlage zueinander.
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i. Messung des Verbraucherstromes nach Größe und Phase. Man stellt
ein für allemal auf irgendeine Weise, z. B. durch rein Ohmsche Belastung, fest,
welchem Strahl auf der Mattscheibe der Spannungsvektör entspricht, und verdreht
so lange (vgl. vorher), bis der Lichtpunkt auf einem bestimmten Ausgangsstrahl,
z. B. #q - o in Abb. 3, sich befindet. Dann liefert das Meßgerät bei
der eigentlichen Messung den Strom nach Größe und Phasenverschiebung gegenüber der
Spannung.
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2. Insbesondere können auf diese Weise auch Verbraucher untersucht
werden, die bei fester Spannung einen nach Größe und Phase zeitlich verhältnismäßig
langsam sich ändernden Strom aufnehmen, z. B. anlaufende Wechselstrommotoren. Dann
beschreibt die Bahn des Lichtpunkts unmittelbar die sogenannte Ortskurve, welche
mittels Kamera oder eines an Stelle der Mattscheibe eingefügten lichtempfindlichen
Papiers photographisch festgehalten werden kann. Die zu den einzelnen Kurvenpunkten
gehörigen Zeiten lassen sich ebenfalls abbilden, wenn man in den Strahlengang des
Lichtes eine umlaufende oder pendelnde Blende einfügt, so daß die in Lichtschrift
geschriebene Kurve nach bestimmten Zeitabschnitten. jeweils eine kurze Unterbrechung
erleidet.
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3. Ebenso ist die Messung der Schein-, Wirk- und Blindleistung möglich,
da die Hilfsspannung Ult in Gleichung (i) nach Voraussetzung der Meßspannung proportional.
Der Abstand r des Lichtpunktes vom Nullpunkt (Abb. 3) liefert die Scheinleistung,
die Projektion auf zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen die Wirk- und Blind=-leistung.
Zweckmäßig wird bei dieser Anwendungsart die Mattscheibe statt oder nebenden Polarkoordinaten
auch eine Einteilung in kartesischen Koordinaten erhalten. -q.. Verwendung als Asymmeter.
Verbindet. man die drei Leiter eines Drehstromnetzes,. aus dem nach Voraussetzung
zugleich die Hilfsspannung gewonnen wird, über drei gleiche Widerstände mit einem
Sternpunkt und diesen über das Meßgerät mit Erde, so zeigt dieses, wie leicht zu
beweisen, genau nach Größe und Phase die sogenannte Nullpunktsspannung, d.h. den
Potentialunterschied zwischen dem Schwerpunkt des aus den verketteten Spannungen
gebildeten Dreiecks und der Erde.
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II. Die synchrone Hilfsspannung und die zu untersuchende Wechselstromgröße
stehen in keiner unveränderlichen Beziehung zueinander, oder die Beziehung ist nicht
bekannt. Dieser Fall ist z. B. gegeben bei allen Brükkenmessungen, wo die zur Speisung
der Meßspule dienende Diagonalspannung je nach der Einstellung der Regelorgane im
allgemeinen jede beliebige Phasenlage annehmen kann, oder aber bei der Messung zusammengehöriger
Werte
von Strom und Spannung bei kleinen Impedanzen, die vom Netz etwa über regelbare
Vorwiderstände gespeist werden.
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5. Nullabgleichung inWechselstrombrücken. Der Vorteil gegenüber den
heute, gebräuchlichen Resonanzinstrumenten besteht in der Frequenzünempfindlichkeit,
der höheren Meßempfindlichkeit sowie in einer Beschleunigung des Verfahrens, weil
man im allgemeinen aus der Winkellage des Vektors der Diagonalspannung ersehen kann,
welches der Regelorgane in der Brücke zu verstellen ist, um den Abgleich zu bewirken.
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6. Brückenmessungen nach der Ausschlagsmethode. Hier handelt es sich
meistens um von vornherein schon nahezu abgeglichene Brükken, z. B. bei der laufenden
Messung gleichgebauter Kondensatoren oder Spulen, für die die Abweichung der elektrischen
Eigenschaften vom Sollwert rasch festgestellt werden soll, oder bei der Prüfung
von Meßwandlern, wo Übersetzungsfehler und Fehlwinkel festzustellen sind. Die Komponenten
der Diagonalspannung nach zwei aufeinander senkrecht stehenden Achsen liefern dann,
wie leicht zu beweisen, die Abweichung des Betrags bzw. des Phasenwinkels der zu
untersuchenden Impedanz von ihrem Sollwerte oder bei Wandlern Übersetzungsfehler
und Fehlwinkel oder deren. Abweichung von einem Sollwerte.
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7. Messung von zusammengehörigen Werten von Spannung und Strom an
kleinen Impedanzen. Das Meßgerät wird zunächst zur Spannungsmessung an die stromdurchflossene
Impedanz gelegt, sodann verdreht, bis der Lichtpunkt auf einem Anfangsstrahl, etwa
fp - o in Abb. 3, liegt; sodann wird etwa durch Abgriff an einem mit der Impedanz
in Reihe geschalteten Normalwiderstand der Strom und seine Phasenverschiebung gegenüber
der Spannung gemessen.