Forum

Hallo liebes Forum,

ich brauche etwas Nachhilfe beim Verständnis der Induktivität.

Situation:
Ich habe eine bewegte Spule. Diee ist ähnlich wie die Schwingspule bei einem Tietonlautsprecher. Sie besitzt 2 Lagen, die untere/innere mit 23 Windungen und die darüberliegnde 22 Windungen. Dies ist der Herstellung in punkto Mechanik geschuldet. Diese Spule, hergestellt aus 0,2mm Backlackdraht (brutto ca. 0,22mm) bewegt sich in einem Magnetfeld, angetreiben durch ein Sinussiganl von 100 bis 2000Hz. Die Induktivität liegt gemessen bei ca. 70µH bis 80 µH. Gemessen mit mehrern Messgeräten und bei über 100 Spulen. Der DC-Widerstand liegt bei ~2,0 Ohm. (1,8 bis 2,3)

Frage:
Nun möchte ich zum Schutz der Spule im laufenden Betrieb die Temperatur der Spule/des Lackdrahtes messen. Aus Versuchen weiß ich, dass bei einer Temperatur von ca. 180°C sich der DC Widerstand gegenüber der Raumtemperatur (23°C)etwa verdoppelt.
Nun stellt sich mir lediglich die Frage, wie wirkt sich das messtechnisch aus. Ich kann die Frequenz während der Messung nicht unterbrechen. Die Einheit läuft bis zu 72 Stunden am Stück ununterbrochen.

Mein erster Gedanke war, einfach nur eine Messung des Stroms, wenn der sich halbiert und die Spannung gleich bleibt, dann könnte ich daraus ja die Temperatur von 180°C ableiten.

Nun kommt aber das physikalische Verhalten der Spule zum Tragen. Strom eilt der Spannung bis 90° nach und bei Wechselspannung ist ja nicht der DC-Widerstand, sondern das Z (Blind-/Wechselstromwiderstand) ausschlaggebend. Und hier habe ich den "Hänger". Wie, bzw. auf welchen, wirkt sich der veränderte DC-Widerstand auf einen messbaren Parameter aus.

Kann mir da mal jemand helfen? Zusätzliche Strom und Spannungsmessungen sind kein Problem. Räumlicher Zugang zur der Spule mit einem Thermometer schon.

VG,
hw-schrauber

Die Wirkleistung zu messen wäre kein Problem, aber die wird ja nicht nur verheizt, sondern auch in mechanische Arbeit umgesetzt. Gibts denn eine Vorstellung wie viel das sein könnte?

» Hallo liebes Forum,
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» ich brauche etwas Nachhilfe beim Verständnis der Induktivität.
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» Situation:
» Ich habe eine bewegte Spule. Diee ist ähnlich wie die Schwingspule bei
» einem Tietonlautsprecher. Sie besitzt 2 Lagen, die untere/innere mit 23
» Windungen und die darüberliegnde 22 Windungen. Dies ist der Herstellung in
» punkto Mechanik geschuldet. Diese Spule, hergestellt aus 0,2mm
» Backlackdraht (brutto ca. 0,22mm) bewegt sich in einem Magnetfeld,
» angetreiben durch ein Sinussiganl von 100 bis 2000Hz. Die Induktivität
» liegt gemessen bei ca. 70µH bis 80 µH. Gemessen mit mehrern Messgeräten und
» bei über 100 Spulen. Der DC-Widerstand liegt bei ~2,0 Ohm. (1,8 bis 2,3)
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» Frage:
» Nun möchte ich zum Schutz der Spule im laufenden Betrieb die Temperatur der
» Spule/des Lackdrahtes messen. Aus Versuchen weiß ich, dass bei einer
» Temperatur von ca. 180°C sich der DC Widerstand gegenüber der
» Raumtemperatur (23°C)etwa verdoppelt.
» Nun stellt sich mir lediglich die Frage, wie wirkt sich das messtechnisch
» aus. Ich kann die Frequenz während der Messung nicht unterbrechen. Die
» Einheit läuft bis zu 72 Stunden am Stück ununterbrochen.
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» Mein erster Gedanke war, einfach nur eine Messung des Stroms, wenn der sich
» halbiert und die Spannung gleich bleibt, dann könnte ich daraus ja die
» Temperatur von 180°C ableiten.
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» Nun kommt aber das physikalische Verhalten der Spule zum Tragen. Strom eilt
» der Spannung bis 90° nach und bei Wechselspannung ist ja nicht der
» DC-Widerstand, sondern das Z (Blind-/Wechselstromwiderstand)
» ausschlaggebend. Und hier habe ich den "Hänger". Wie, bzw. auf welchen,
» wirkt sich der veränderte DC-Widerstand auf einen messbaren Parameter aus.
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» Kann mir da mal jemand helfen? Zusätzliche Strom und Spannungsmessungen
» sind kein Problem. Räumlicher Zugang zur der Spule mit einem Thermometer
» schon.
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» VG,
» hw-schrauber
Hallo,
vielleicht gibt es die Möglichkeit, zusätzlich einen kleinen
konstanten Gleichstrom einzuspeisen und den Spannungsabfall
über der Spule zu messen. Es ist zwar ein erheblicher
Aufwand, die Wechselspannung auszufiltern, aber es müsste
machbar sein.
Grüße
Altgeselle

» Hallo,
» vielleicht gibt es die Möglichkeit, zusätzlich einen kleinen
» konstanten Gleichstrom einzuspeisen und den Spannungsabfall
» über der Spule zu messen. Es ist zwar ein erheblicher
» Aufwand, die Wechselspannung auszufiltern, aber es müsste
» machbar sein.
» Grüße
» Altgeselle


@Altgeselle

Das mit dem konstanten Gleichstrom habe ich auch schon überlegt, da ist mir nur nicht ganz klar, wie die Zusammenhänge sind. Ich verschiebe ja "nur" das Magnetfeld bzw. die Spule auf dem Kern, alles andere bleibt ja gleich.

Selbst wenn es so klappen könnte, dann hätte das ja zur Folge, dass die Position der Spule mit sich ändernder Temperatur auch ändert. Bei der Anwendung sprechen wir von wenigen µm Hub! - Gut, das könnte man über die Regelung einer konstanten Wirkleistung lösen und dann die geänderten Werte für Strom und Spannung als Grundlage für die Temperaturberechnung heranziehen.

Aber wie sollten denn die Filter aussehen, wenn man z.B. 100 Hz so ausfiltern will, dass der verursachte Messfehler im Bereich von wegigen Prozenten liegt?


@xy

Wirkleistung bei Wechselstrom in Induktivitäten kein Problem? Hmm, das habe ich irgendwie anders in Erinnerung. Aber zur mechanischen Arbeit. Diese ist im Sonderfall annährungsweise 0, da, wenn die Einheit zwar angetrieben wird aber nicht im mechanischen Einsatz ist, nur die Spule und die haltende Feder Kräfte Abgeben/Aufnehmen und in Wärme umwandeln.

» Wirkleistung bei Wechselstrom in Induktivitäten kein Problem? Hmm, das habe
» ich irgendwie anders in Erinnerung.

Du hast einen der allereinfachsten Fälle: Sinus. Spannung und Strom zu messen ist ja eh keine Problem, und die Phase erledigt jeder kleine uC auch noch mit.

» Ich habe eine bewegte Spule. Diee ist ähnlich wie die Schwingspule bei
» einem Tietonlautsprecher. Sie besitzt 2 Lagen, die untere/innere mit 23
» Windungen und die darüberliegnde 22 Windungen. Dies ist der Herstellung in
» punkto Mechanik geschuldet.
Habt ihr schon mal darüber nachgedacht, ein Stück Widerstandsdraht als Temperaturfühler mit einzuwickeln?
Bzw. solche Folienthermometer: http://www.telemeter.info/main.php?action=articles&gid=30000000.300060.306010.362020.0

Oder habt ihr jetzt "nur" die fertigen Spulen und müsst zusehen, wie ihr klar kommt?

» Und hier habe ich den "Hänger". Wie, bzw. auf welchen, wirkt sich der veränderte DC-Widerstand auf einen messbaren Parameter aus.
Na auch die Phasenverschiebung.

» » Ich habe eine bewegte Spule. Diee ist ähnlich wie die Schwingspule bei
» » einem Tietonlautsprecher. Sie besitzt 2 Lagen, die untere/innere mit 23
» » Windungen und die darüberliegnde 22 Windungen. Dies ist der Herstellung
» in
» » punkto Mechanik geschuldet.
» Habt ihr schon mal darüber nachgedacht, ein Stück Widerstandsdraht als
» Temperaturfühler mit einzuwickeln?
» Bzw. solche Folienthermometer:
» http://www.telemeter.info/main.php?action=articles&gid=30000000.300060.306010.362020.0
»
» Oder habt ihr jetzt "nur" die fertigen Spulen und müsst zusehen, wie ihr
» klar kommt?
»
» » Und hier habe ich den "Hänger". Wie, bzw. auf welchen, wirkt sich der
» veränderte DC-Widerstand auf einen messbaren Parameter aus.
» Na auch die Phasenverschiebung.

Also, es geht um zukünftiges. Es gibt bereits viele Spulen im Einsatz, aber wennd es mit der Temp.-Messung erst mit später produzierten Spulen geht, wäre das kein Problem.
Eine Modifizierung dahingehend, dass noch etwas angebaut wird, ist völlig ausgeschlossen, da wir überlegen, wie wir den Aufbau der Spule noch weiter in Punkto Gewicht reduzieren können. Daher auch der Ansatz mit der Temp.-Messung. Es gibt nämlich die Überlegung den Drahtdurchmesser zu verringern.

@XY
@Offroad GTI

Wenn das alles so einfach ist?
Spannung, Strom, Phasenverschiebung. Natürlich sind mir diese physikalischen Eigenschaften bekannt und ich weiß auch wie ich die mit einem µC messen und auswerten kann. Nur wie wirkt sich eine Veränderung des DC-Widerstandes des Kupferdrahtes auf die Wechselstromwirkung aus?
Als Beispiel, wenn ich die gleiche Spule mit einem anderen (dicker oder dünner) Draht wickle, dann ist zumindest nach Messgerät die Induktivität immer die gleiche, der DC-Widerstand aber ein anderer. Dass die Induktivität gleich bleibt (zumindest annäherungsweise) sollte auch klar sein, da in der Formel zur Berechnung der Induktivität ein DC-Widerstand nicht auftaucht. Strom, Spannung und Phasenverschiebung sind aber nach meinem Wissen lediglich von der Induktivität bzw. der Impedanz abhängig. Daher auch meine Frage, an welcher Stelle wirkt sich der DC-Widerstand als messbarer Parameter aus? Es geht also nicht um theoretische Werte die sich maginal verschieben, nur weil durch die Erwärmung des Kupferdrahtes sich die mechanische Ausdehnung derart ändert, dass dies einen Einfluß auf die Induktivität hat.

Hat da noch jemand einen Ansatz? Eventuell mit einer Idee es umzusetzen, bzw. einer Einschätzung der Größenordnung(en)?

Vg, hw-schrauber

» » » Ich habe eine bewegte Spule. Diee ist ähnlich wie die Schwingspule bei
» » » einem Tietonlautsprecher. Sie besitzt 2 Lagen, die untere/innere mit
» 23
» » » Windungen und die darüberliegnde 22 Windungen. Dies ist der
» Herstellung
» » in
» » » punkto Mechanik geschuldet.
» » Habt ihr schon mal darüber nachgedacht, ein Stück Widerstandsdraht als
» » Temperaturfühler mit einzuwickeln?
» » Bzw. solche Folienthermometer:
» »
» http://www.telemeter.info/main.php?action=articles&gid=30000000.300060.306010.362020.0
» »
» » Oder habt ihr jetzt "nur" die fertigen Spulen und müsst zusehen, wie ihr
» » klar kommt?
» »
» » » Und hier habe ich den "Hänger". Wie, bzw. auf welchen, wirkt sich der
» » veränderte DC-Widerstand auf einen messbaren Parameter aus.
» » Na auch die Phasenverschiebung.
»
» Also, es geht um zukünftiges. Es gibt bereits viele Spulen im Einsatz, aber
» wennd es mit der Temp.-Messung erst mit später produzierten Spulen geht,
» wäre das kein Problem.
» Eine Modifizierung dahingehend, dass noch etwas angebaut wird, ist völlig
» ausgeschlossen, da wir überlegen, wie wir den Aufbau der Spule noch weiter
» in Punkto Gewicht reduzieren können. Daher auch der Ansatz mit der
» Temp.-Messung. Es gibt nämlich die Überlegung den Drahtdurchmesser zu
» verringern.
»
» @XY
» @Offroad GTI
»
» Wenn das alles so einfach ist?
» Spannung, Strom, Phasenverschiebung. Natürlich sind mir diese
» physikalischen Eigenschaften bekannt und ich weiß auch wie ich die mit
» einem µC messen und auswerten kann. Nur wie wirkt sich eine Veränderung des
» DC-Widerstandes des Kupferdrahtes auf die Wechselstromwirkung aus?
» Als Beispiel, wenn ich die gleiche Spule mit einem anderen (dicker oder
» dünner) Draht wickle, dann ist zumindest nach Messgerät die Induktivität
» immer die gleiche, der DC-Widerstand aber ein anderer. Dass die
» Induktivität gleich bleibt (zumindest annäherungsweise) sollte auch klar
» sein, da in der Formel zur Berechnung der Induktivität ein DC-Widerstand
» nicht auftaucht. Strom, Spannung und Phasenverschiebung sind aber nach
» meinem Wissen lediglich von der Induktivität bzw. der Impedanz abhängig.
» Daher auch meine Frage, an welcher Stelle wirkt sich der DC-Widerstand als
» messbarer Parameter aus? Es geht also nicht um theoretische Werte die sich
» maginal verschieben, nur weil durch die Erwärmung des Kupferdrahtes sich
» die mechanische Ausdehnung derart ändert, dass dies einen Einfluß auf die
» Induktivität hat.
»
» Hat da noch jemand einen Ansatz? Eventuell mit einer Idee es umzusetzen,
» bzw. einer Einschätzung der Größenordnung(en)?
»
» Vg, hw-schrauber

Wie wäre denn eine Temperaturmessung mit einem Pyrometer? Also berührungslos. Auch Strahlungsthermometer genannt.

Außerdem würde ich, mal rein interessenhalber, gerne wissen was das für eine Anlage ist. Oder darfst du darüber nichts sagen?

Gruß Andi

» Wie wäre denn eine Temperaturmessung mit einem Pyrometer? Also
» berührungslos. Auch Strahlungsthermometer genannt.
»
» Außerdem würde ich, mal rein interessenhalber, gerne wissen was das für
» eine Anlage ist. Oder darfst du darüber nichts sagen?
»
» Gruß Andi

Hallo Andi,

danke dass du dich gedanklich auch mit meinem Anliegen beschäftigst. Die Messung mit einem Pyrometer ist theoretisch gut, praktisch leider nicht umsetzbar. Der Zugang und die Trägheit des Systems wäre für die Anwendung nicht praktikabel. Es gab bereits eine Thermometermessung im Magnetkern der Spule. Das geht zwar mit hinreichender Genauigkeit, aber der Zeitfaktor geht gar nicht.Der Zugang zur Spule ist auch, ähnlich wie bei einem Lautsprecher, total verdeckt. Und ich muss binnen weniger Schwingungen einen schon gut passenden Näherungswert der Temperatur erhalten. Bei 100 Hz und ein paar Schwingungen sind für das Messergebnis nur wenige 100 ms zur Verfügung. Das Problem wird allerdings bei 2kHz noch etwas brisanter.

Daher auch der Ansatz, direkt die Temperatur vom Leitwert bzw. DC Widerstand des Kupfers abzuleiten. Die bis jetzt praktikabelste Lösung ist eine zusätzliche, bifilar gewickelte Windung (einmal rum). Das Klappt schon recht gut, widerspricht aber dem Gedanken, Gewicht einzusparen. Hinzu kommt, dass das auch nur eine Hilfsmessung ist. Sprich, es könnte die Temperatur in der Arbeitswicklung ansteigen ohne das die Messwindung überhaupt etwas davon mitbekommt.

Worum es geht? Es ist ein Kundenauftrag bei dem das Endprodukt mit Patentrechten belegt ist. Drum meine Zurückhaltung worum es wirklich geht. Der Vergleich mit einem Lautsprecher kommt dem ganzen aber schon recht nahe.

VG, hw-schrauber

Hallo,

wenn Du das Signal über eine Stromendstufe einspeist, kannst Du direkt aus dem Strom und der anliegenden Spannung den Widerstand berechnen. Nun ist nur das Problem, das sich die Induktivität auch ein wenig ändert!

--
MfG
Peter

Hi,
einen Ansatz könntest Du noch versuchen.
1. Phasenwinkel betrachten ( vergleich des Stromverlaufes mit einem idealen konstanten Phasenversatz z.B. eines Kondensators bei gleicher Frequenz betrieben) (= 180Grad)
Aus der differenz der beiden Ströme - (oder der gemessenen und normierten Spannungen) läßt sich der Einfluss des Wirk- und Bindanteils und damit auch des temperaturabhängigen Widerstandes bestimmen.

2. Dieses Differenzsignal abtasten und quantisieren.
Mit Hilfe eines Steuerrechners (ATMEGA-uC) kann dann die verrichtete Arbeit und die eingetragene Leistung daraus als Modelltemperatur gebildet werden.

- Wenn die vom System abgegebene Wirkleistung für eine 2. Differenz einigermaßen erfasst werden kann, sollte dieses Vorgehen funktionieren.
- Wenn sich der über die Differenz ergebende Phasenwinkel ändert, dann ändert sich der R-Anteil und die abgegebene Wirkeistung.

cu
st

@PeterGrz
@tts

Danke ür eure Denkanstöße. Dein Vorschlag, tts, war auch mal eine Überlegung, habe ich aber verworfen, da das zuviel Aufwand und unterm Strich doch zu ungenau (Sampling, Zeitversatz) ist.

Dein Vorschlag, Peter, den hatte ich auch schon, wusste aber bis zum letzten Wochenende nicht so genau, wie ich das umsetzen sollte. Schließlich handelt es sich ja um ein Spektrum von 100 - 2000 Hz.

Mein Vorhaben ist ja, dass ich den Temperaturdrift kompensieren möchte um immer eine gleichmäßige mechanische Bewegung zu haben.

Nach langen Recherchen und Überlegungen habe ich mich jetzt zu felgender Lösung entschlossen. Ich messe die Ausgangsleistung der "Endstufe" und regle die Ausgangsleistung auf immer den gleichen Wert. Dies resultiert aus folgender Überlegung. Wenn ich einem Lautsprecher eine Leistung zuführe, dann macht dieser einen Hub und bewegt aus diesem Grund ein Luftvolumen. Nehme ich einen zweiten Lautsprecher gleichen Typs und führe dem die gleiche Lesitung zu, dann macht der ebenfalls den gleichen Hub. Daraus ergibt sich, dass bei Verdoppelung der Leistung sich auch der Hub verdoppelt. Somit ist der Zusammenhang klar, dass ich nicht den Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung stabil halten muss, sondern die Ausgangsleistung. Wenn ich also die Ausgangsleistung ins Verghältnis zur Eingangsspannung setze, dann stelle ich mit der Eingansgspannung eine Ausgangsleistung ein. Wenn sich nun der Ausgangsstrom auf Grund veränderter Widerstände ändert, wird die Ausgangsleistung quasi ohne Zeitversatz (nur Regelverzögerung) angepasst. Hieraus ergibt sich zwar eine Mitkopplung, die man aber derart im Griff halten kann, dass der maximale Faktor für die automatische Regelung so begrenzt wird, dass die Ausgangsstufe nicht zuweit aussteuert. Das ist aber Hausarbeit für einen Elektroniker.

Danke an alle, die sich an dem Tehma beteiligt haben. Da ihr euch dafür interessiert habt, habe ich euch mal meine Lösung vorgestellt.

VG, hw-schrauber

Hier kannst auch mal zwischendurch reingucken,
falls das für dich interessant wäre:
http://www.femm.info/wiki/HomePage

finite - magnetic Simulation

ist nur mal als Gedankenstütze gedacht, bevor Material gehobelt wird.



Wieviel Provision für eine Patententwicklung läßt dein Kunde los?


Grüße
Gerald
----

--
...und täglich grüßt der PC:
"Drück' ENTER! Feigling!"