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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Leistungsmessung


Autor: Großes Fragezeichen (112)
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Hallo folgendes:

es geht darum den Leistungsverbrauch zweier ähnlicher Bauelemente zu 
testen. Es handelt sich um elektrisch schaltende Ventile.

Verwendung finden soll LabViewSignalExpress zusammen mit einer 
AD-Wandler-Box, 12Bit auf 8 Kanälen quasi gleichzeitig.

Die Schaltzeiten der Ventile liegen bei etwas mehr als 10ms, folglich 
müsste ich mit mindestens 200Hz abgetastet werden um den Schaltprozessen 
folgen zu können.

Die Idee ist nun, einen Shuntwiderstand zwischen Versorgung und Ventil 
einzubauen und dann zum einen stets die Versorgungsspannung zu messen 
und mithilfe der Shuntspannung und dem bekannten Widerstandswert auf den 
dabei geflossenen Strom zurückrechnen zu können.

Die Multiplikation dieser beiden Werte sollte den Leistungsverbrauch 
widergeben... sollte es eigentlich... tatsächlich ist mir aber nun 
aufgefallen, dass diese Vorgehensweise lediglich die Scheinleistung 
ergibt...

Welche Möglichkeit habe ich denn nun, um den Cos-Phi zwischen Strom und 
Spannung ermitteln zu können?

mfg

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Bei Gleichspannung gibt es keine Scheinleistung.

Autor: Floh (Gast)
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Du misst die Spannung und den Strom. Was erwartest du?
So als Denksport: Wie sehen die beiden Verläufe aus?
:-)

Autor: Großes Fragezeichen (112)
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sorry, hab das schaltbild deutlich zu stark vereinfacht. es ist nur für 
den einzelnen abgeschlossenen Moment gültig^^

...also die Spule befindet sich in Wahrheit in einer H-Brücke und erhält 
positive wie negative Stromimpulse um das Umschalten des Ventils zu 
ermöglichen...

folglich gilt das Schaltbild komplett für Wechselstrom...

Autor: U.R. Schmitt (Gast)
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Wie oft schaltet das Ventil denn? ständig oder nur ab und zu?

Autor: Großes Fragezeichen (112)
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Das Ventil erhält Schaltpulse von einer Dauer von 14ms. Dabei schaltet 
es insgeamt ca. 34 mal pro Sekunde, so dass es 14ms bestromt wird und 
dann 14ms stromlos ist. Danach komm der umgekehrte Stromimpuls von 
wiederum 14ms gefolgt von einer weiteren Pause von 14ms.

also als Folge von jeweils 14ms Strömen: "+" "0" "-" "0" "+" "0" "-" ... 
usw.

Autor: U.R. Schmitt (Gast)
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Versteh ich nicht so ganz. Warum negativer Stromimpuls. Ist das dem 
Ventil nicht völlig egal? Ein Relais hat ja auch nicht Plus und Minus.
Auf jeden Fall behaupte ich mal daß du das Ventil nicht wie eine Spule 
betrachten kannst. Im Anzugmoment wird ja eine gehörige Portion Arbeit 
verrichtet, die muß irgendwo herkommen. Also wird eine 'resultierende' 
Induktivität in dem Schaltzeitraum deutlich niedriger sein, als im 
stationären angezogenen Zeitraum.
Wenn du das halbwegs genau messen willst musst du entweder eine 
Referenzmessung für eine Auslösung machen und dann nur noch die Anzahl 
der Auslösungen zählen, oder mit (ich sage einfach aus dem Bauch raus) 
mindestens 10 Messwerte pro Schaltzeit (also pro 10ms) messen, und zwar 
Strom und Spannung.
Was anderes, wenn du alle 28ms das Teil aktivierst, wie lange ist dann 
die Gesamtlebensdauer des Systems? Wier reden doch von einem 
mechanischen bewegten System, oder?

Autor: Philipp (Gast)
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das ventil ist quasi bistabil. zum zurückfallen braucht es einen 
negativen stromimpuls

Autor: Großes Fragezeichen (112)
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Es ist ein bistabiles Ventil, welches elektrisch in die jeweils andere 
stabile Position gebracht wird.

Der Spuleninnenwiderstand liegt bei ca. 10 Ohm.

Durch die H-Brückenschaltung ist es möglich, trotz angelegter 
Gleichspannung Strom mit wechselnden Vorzeichen durch eine Spule 
fliessen zu lassen.

Ich habe dies soeben "extern" erprobt, indem ich die entsprechenden 
kabelenden einer Batterie abwechselnd an die unterschiedlichen Pole 
einer Batterie geklemmt habe.

Dabei habe ich keine Phasenverschiebung feststellen können... das 
verwundert mich nun doch sehr... Die wechselnden Pulse sind natürlich 
lahm wie ich bin, aber ich hätte dennoch für jeden einzelnen Puls eine 
Verspätung des Stromes erwartet, getreu dem motto: an Induktivitäten tun 
Ströme sich verspäten...gilt dies nicht für einzelne Stromimpulse?

mfg

Autor: U.R. Schmitt (Gast)
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Großes Fragezeichen schrieb:
> Dabei habe ich keine Phasenverschiebung feststellen können...

Das hatte ich vermutet. Ich hatte ja schon geschrieben es verhält sich 
nicht wie eine Spule mkt konstanter Induktivität. Da muss ja einiges an 
Arbeit verrichtet werden beim Umsteuern, der Kern wird ja in der Spule 
bewegt. Diese Arbeit muss irgendwo herkommen, nämlich von einem 
entsprechend starken Stromimpuls.

Autor: Erich (Gast)
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Soll das eine einmalige Messung werden, zwecks Vergleich 
Leistungsverbrauch?
Wenn ja, dann lass' doch die beiden Varianten je 1 Stunden laufen, und 
häng' einen Energiemonitor davor ("Stromzähler").
Die Differenz ist der Mehrverbrauch (näherungsweise).

Autor: Großes Fragezeichen (112)
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...aber wenn ich nun eine einfache Spule nehmen würde, würde ich dann 
bereits bei einzelnen Impulsen eine Verspätung feststellen?

Autor: Großes Fragezeichen (112)
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ja es soll der Strom- bzw. Leistungsverbrauch der Ventile gemessen 
werden... Problem ist, dass die Dinger nur so kurzzeitig Energie 
verbrauchen und dann relativ lange "nix" tun als ihre Stellung zu 
halten...

Autor: U.R. Schmitt (Gast)
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Erich schrieb:
> Wenn ja, dann lass' doch die beiden Varianten je 1 Stunden laufen, und
> häng' einen Energiemonitor davor ("Stromzähler").
Genau, der misst bei nichtlinearen Impulsen im ms Bereich bestimmt noch 
genau...

Großes Fragezeichen schrieb:
> roblem ist, dass die Dinger nur so kurzzeitig Energie
> verbrauchen und dann relativ lange "nix" tun als ihre Stellung zu
> halten...
Hatte ich doch oben schon gesagt. Einmal genau und hochauflösend einen 
Impuls messen und dann nur noch die Anzahl der Impulse mit dem Verbrauch 
von einem Schaltvorgang multiplizieren. Oder aber hochauflösend 
(mindestens 1x pro ms) Strom UND Spannung messen.

Autor: Erich (Gast)
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>Erich schrieb:
>> Wenn ja, dann lass' doch die beiden Varianten je 1 Stunden laufen, und
>> häng' einen Energiemonitor davor ("Stromzähler").
>Genau, der misst bei nichtlinearen Impulsen im ms Bereich bestimmt noch
>genau...


Ja, GENAU das tut der Stromzähler.
Weil die in den Millisekunden nötige Energie auch irgendwoher kommen 
muss.
Kommt aus den Kondensatoren der Schaltung oder der Stromversorgung.
Und diese laden sich dann anschliessend wieder auf.
Denn es ist ja kein Hamsterrad drin.

Also beide Varianten je eine Stunde laufen lassen, dann wird man den 
Unterschied sehen, vorausgesetzt es gibt einen.

(Einfacher) Versuch macht klug.

Autor: Elektroniker (Gast)
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Guck dir die Spannungen über Spule und Shunt doch mal für einen Zyklus 
mit einem DSO an, damit du siehst, was passiert. Dort kannst du dir dann 
als Produkt auch gleich die Leistung über die Zeit anzeigen lassen.

Autor: U.R. Schmitt (Gast)
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Erich schrieb:
> Ja, GENAU das tut der Stromzähler.
> Weil die in den Millisekunden nötige Energie auch irgendwoher kommen
> muss.

Ach so du meinst nicht direkt an das Ventil, sondern vor die gesamte 
Elektronik incl. Netzteil.
Wird bestimmt ziemlich genau.
Veleicht linear geregeltes Netzteil, andere Verbraucher etc.

Erich schrieb:
> Versuch macht klug
Schon, aber nur wenn man weiß was passiert.

Autor: Einer (Gast)
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> vor die gesamte Elektronik incl. Netzteil
 > Wird bestimmt ziemlich genau.

Das macht Sinn, den anderen Mist mitzumessen!

Autor: Denker (Gast)
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@Großes Fragezeichen
 > ...abwechselnd an die unterschiedlichen Poleeiner Batterie geklemmt 
habe.

 > Dabei habe ich keine Phasenverschiebung feststellen können.

Womit hast du das festgestellt, gemessen, gehört...?

Autor: Erich (Gast)
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>Das macht Sinn, den anderen Mist mitzumessen!

Besser aufpassen in Physik, Freunde !

Differenz =
( <anderer Mist> + <Variante_1> )  -  ( <anderer Mist> + Variante_2 )

... na, dämmerts ?

Autor: Einer (Gast)
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Eben weil mir gedämmert ist, ist diese Methode nicht zu empfehlen.
Es ist alleine
 > der Leistungsverbrauch zweier ähnlicher Bauelemente zu testen.
und keine Differenz zu bilden.
Er muss zwangsläufig direkt an jedem einzelnen Objekt messen.

Autor: Elizar (Gast)
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Hallo Fragezeichen,

eine Leistungsmessung an schnellen Schaltvorgängen ist immer etwas 
hakelig.

Der statische Leistungsverbrauch sobald das Ventil seine Endstellung 
erreicht hat, ist erstmal leicht als U * I zu messen. Weil dann in der 
Regel ein konstanter Strom durch die Spule fließt, sieht man auch keinen 
Phasenwinkel mehr.

Anders beim Ein- und Ausschalten der Spule. Wenn du hier etwas 
verläßliches messen willst, mußt du U und I wirklich gleichzeitig 
messen. Das ist nötig, damit du zu jedem Zeitpunkt U*I berechnen kannst.

Mit mehrkanaligen A/D-Wandlern ist das aber oft schon nicht mehr so 
einfach. Behelfsweise kann man die Abtastrate deutlich erhöhen. Du 
bekommst dann zwei Meßreihen, die man mal übereinander plotten kann. Im 
Schaltmoment müßte man den Phasenwinkel deutlich sehen können.

Die benötigte Schaltleistung ist dann die Summe aus U*I*dT über alle 
Meßpunkte (=das Integral) - du mußt also etwas rechnen (lassen).

Und bitte nicht vergessen, daß auch beim Abschalten des Spulenstroms 
nochmal interessante Dinge passieren ,-)

Viel Erfolg

   Elizar

Autor: Elektroniker (Gast)
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Elizar schrieb:
> Die benötigte Schaltleistung ist dann die Summe aus U*I*dT über alle
> Meßpunkte (=das Integral) - du mußt also etwas rechnen (lassen).

Die Leistung wird immer noch U*I sein.

Was du vermutlich meinst, ist die mittlere Leistung,
d.h. Integral (U*I dt) / T

Autor: Einer (Gast)
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Was gibt es denn, was mit einer Mechanik so schnell umgeschaltet wird?
Viel Masse darf da nicht dranhängen, bei so kurzen Zeiten.

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