Forum: HF, Funk und Felder Verstärker für hohe Impedanzen gesucht


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von Max K. (downtown)


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Hallo miteinander,
Ich hoffe, dass ich hier mit meiner Frage im richtigen Abschnitt 
gelandet bin. Ich arbeite im Moment an einem Versuchsstand für 
magnetische Wechselfelder und würde gerne über eine flache Spule mit 
einem Ferritkern ein Wechselfeld im Frequenzbereich von 100Hz bis ca. 
5kHz erzeugen.
Die verfügbare Spule ist mit 0,4mm Kupferlackdraht über 650 Windungen 
gewickelt worden und hat einen mittleren Durchmesser von 90mm. Die 
Impedanz verhält steigt nicht linear zwischen 80Ohm @100Hz bis auf 
600Ohm @1kHz.
Ich würde gerne kurzfristige Spitzenflussdichten von etwa 20mT - 100mT 
erreihen um ein stärkeres statisches Feld mit wechselanteilen zu 
modulieren. Bisher habe ich die Spule mangels Alternative über einen 
Akustikverstärker (Klasse A) mit Impedanzanpassung (Ausgangsüberträger) 
betrieben, was im niedrigen Frequenzbereich auch gut funktioniert hat, 
jedoch bricht die Leistung an den hohen Impedanzen natürlich ein 
und/oder gerät ins clipping, weswegen ich jetzt auf der Suche nach einem 
brauchbaren Verstärker für einen großen Impedanzbereich bin.
Kann mir jemand ein Gerät empfehlen oder kennt eine passende Schaltung?
Vielen Dank im Voraus!

von what (Gast)


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Max K. schrieb:
> Die
> Impedanz verhält steigt nicht linear

was meinst du damit?

von Max K. (downtown)


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Ich hatte die Impedanz der Spule vermessen um die Induktivität zu 
bestimmen. Die Induktivität fällt in dem Frequenzbereich zwischen 100Hz 
und 1kHz von 120mH auf 95mH, dementsprechend verhält sich die Impedanz. 
Das liegt vermutlich an der Spule selbst. Ich vermute, dass es der Kern 
oder vielleicht eine unsaubere Wicklung sein kann.

: Bearbeitet durch User
von Günter R. (guenter-dl7la) Benutzerseite


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Das dürfte eher der Einfluss der Materialkonstanten µ' und µ" des 
Ferritkerns sein, dass der Scheinwiderstand zu höheren Frequenzen hin 
abfällt. Erfahrungsgmäß fällt meist die Induktivität und die 
eingekoppelten ohmschen Verluste steigen.

 μ= μ' - j*μ“

Die frequenzabhängige Impedanz des Gebildes Wird  Z ~ jω * L ( μ' - j*μ“ 
) ~ jω  L  μ' - jω  L  j*μ“ . Man erkennt, dass der zweite Term 
wegen j * j = -1 nicht mehr imaginär ist, sondern reel; er bildet einen 
(zusätzlich zu den Drahtverlusten) >ohmschen Verlustwiderstand<.

Das obige gilt weiter nur bei kleiner Aussteuerung, nicht mehr, wenn die 
Grenzen der Hysterese-Eigenschaften berührt werden.

Dein jetziges Verstärkerkonzept ist plausibel. Wahrscheinlich wirst du 
leichter zum Ziel kommen, wenn du die Spulenparameter (sofern möglich) 
ändern kannst.

: Bearbeitet durch User
von Max K. (downtown)


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Vielen Dank für die Antwort,
anscheinend sind die Ummagnetisierungsverluste in diesem recht niedrigen 
Frequenzbereich doch höher als ich dachte.
Ich werde dann für höhere Frequenzen eine 2. Impedanzanpassung vornehmen 
und die Spule verändern.

Ich bin nicht an diese Spule gebunden, weder was die Geometrie angeht 
noch das Kernmaterial, lediglich geblechte Kerne fallen raus, da diese 
durch die Magnetostriktion stören würden (Ich möchte in einem 
Wasserbecken über ein Hydrophon die Bewegung superparamagnetischer 
Teilchen erkennen). Es wäre natürlich sehr vorteilhaft, wenn ich die 
Widerstände so gering wie möglich halten kann. Kannst du mir ein 
Kernmaterial mit geringen Verlusten bis 5kHz empfehlen?

von Elliot (Gast)


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Max K. schrieb:
> Ich würde gerne kurzfristige Spitzenflussdichten von etwa 20mT - 100mT
> erreihen um ein stärkeres statisches Feld mit wechselanteilen zu
> modulieren.

Du möchtest also vor allem die Flußdichte einstellen? Da wäre die 
direkte Steuerung des Spulenstromes wohl besser geeignet als die 
Spannungssteuerung. Was du jetzt machst, ist die indirekte Steuerung des 
Stromes (und damit der Flußdichte) über die angelegte Spannung. Dabei 
bestimmt der Impedanzverlauf den Strom der sich aus der angelegten 
Spannung ergibt. Mit Stromsteuerung fällt der Impedanzverlauf heraus.

von Günter R. (guenter-dl7la) Benutzerseite


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100 mT AC ist schon ein Haufen Holz. Wie ist denn jetzt dein 
geometrischer Aufbau, also soll das statische Feld mit über denselben 
Ferritkern erzeugt werden?

Ich kenne die Vorgaben des Experimentes zu wenig. Da wäre z.B. die 
Frage, ob der resultierende Fluss halbwegs sinusförmig dem Gleichfeld 
additiv überlagerten Verlauf haben muss. Den geringsten Eisen-Verlusten 
mit Pulverkernen steht deren vergleichsweise niedrige Permeabilität mit 
der Folgen hoher Windungszahlen und Kupferverlusten entgegen.

Kannst du mal was über die Geometrie andeuten?

von S. K. (hauspapa)


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Ich habs nicht so mit Phi und Psi aber kannst du mal was zu den realen 
Grössen von Strom und Spannug schreiben auf die du mit dieser Spule etwa 
kommen müsstest?

Das Verstärkerchen neben mir drückt 50kW (in die Spule kVA, kurzzeitig 
mehr, bis 600V/144A RMS, hat 11HE und Wasswerkühlung. Kostet richtig 
Geld, ist ziemlich schwer und braucht eine DICKE Steckdose. Geben tut es 
sowas also.

Ich denke aber das du mit ein paar Nummern kleiner auch davon kommst. 
Nur ein paar Zahlen würde beim Tipps geben helfen.

viel Erfolg
hauspapa

von Günter Lenz (Gast)


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von Max K. schrieb:
>was im niedrigen Frequenzbereich auch gut funktioniert hat,
>jedoch bricht die Leistung an den hohen Impedanzen natürlich ein

Dann mach doch die Spule einfach mit Anzapfungen.
Und schalte der Spule Kondensatoren parallel um auf
Resonanz zu kommen, dann wird der Verstärker nicht
mit Blindstrom belastet. Je höher die Frequenz um so
weniger Windungen bis zur Anzapfung.

von Günter R. (guenter-dl7la) Benutzerseite


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Das hätte weiter den Vorteil, dass bei Serienresonanz die Spannung am 
Verstärkerausgang sehr viel kleiner ist.

Eine brauchbare Materialübersicht findet sich bei Fair-Rite
https://www.fair-rite.com/materials/
Die FAQs sind IMHO aussagekräfter als z.B. bei Amidon, zumal Amidon 
offenbar bei Fair-Rite bezieht.

Als ersten Ansatz scheinen mir MnZn-Material 98, 78 oder 95  geeignet, 
hohe Aussteuerbarkeit (mit welchen Leistungen arbeitest du eigentlich 
bei deiner Audio-Endstufe?) und noch ausreichende Güten. Hängt von 
deiner mechanisch benötigten Bauform ab, ob in den Sorten verfügbar.

: Bearbeitet durch User
von nachtmix (Gast)


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Max K. schrieb:
> Die Induktivität fällt in dem Frequenzbereich zwischen 100Hz
> und 1kHz von 120mH auf 95mH, dementsprechend verhält sich die Impedanz.
> Das liegt vermutlich an der Spule selbst. Ich vermute, dass es der Kern
> oder vielleicht eine unsaubere Wicklung sein kann.

Kann sehr gut auch an der Eigenkapazität der Wicklung und des Aufbaus 
liegen.
Deren Einfluß hat nämlich das umgekehrte  Vorzeichen, und wenn du die 
Frequenz weiter erhöhst, nimmt die gemessene Induktivität weiter ab, bis 
sie bei der Resonanzfrequenz ganz verschwindet und nur ein reeller 
(Verlust-)Widerstand übrig bleibt.
Jenseits der Resonanzfrequenz misst du dann nur noch eine mit der 
Frequenz steigende Kapazität.

von Hp M. (nachtmix)


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Max K. schrieb:
> lediglich geblechte Kerne fallen raus, da diese
> durch die Magnetostriktion stören würden

Ferrite zeigen allerdings auch Magnetostriktion, und sogar Luftspulen 
vibrieren, weil sie versuchen ihre Länge zu verkürzen und den 
Dürchmesser zu vergrößern. Im Extremfall explodieren sie.
Wenn dich mechanische Schwingungen also stören, wirst du sie irgendwie 
isolieren müssen.
Wasser ist übrigens diamagnetisch, und der Effekt ist stark genug, dass 
man u.U. über dem wasserbedeckten Pol eines NdFeB-Magneten eine Beule in 
der Wasseroberfläche sehen kann.

von Günter Lenz (Gast)


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von Max K. schrieb:
>Die Induktivität fällt in dem Frequenzbereich zwischen 100Hz
>und 1kHz von 120mH auf 95mH, dementsprechend verhält sich die Impedanz.
>Das liegt vermutlich an der Spule selbst. Ich vermute, dass es der Kern
>oder vielleicht eine unsaubere Wicklung sein kann.

Wie sieht denn die Spule genau aus, was für ein Kern
hast du benutzt, Durchmesser Länge des Kerns?
Und wie lang ist die Spule auf diesen Kern.
Ich bestimme die Induktivität immer mit der Resonanzmethode.
Bekannte Kapazität, bekannte Frequenz und mit der
Thomsonschen Schwingungsformel berechne ich dann die
Induktivität. Ein Fehler könnte durch die parasitäre
Kapazität der Spule entstehen, aber dann müßte die
Induktivität scheinbar mit zunehmender Frequenz
größer werden.

von Hp M. (nachtmix)


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Günter Lenz schrieb:
> Ein Fehler könnte durch die parasitäre
> Kapazität der Spule entstehen, aber dann müßte die
> Induktivität scheinbar mit zunehmender Frequenz
> größer werden.

Oben habe ich das Gegenteil beschrieben.

Worauf wollen wir uns einigen?

von Achim S. (Gast)


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Hp M. schrieb:
> Oben habe ich das Gegenteil beschrieben.
> Worauf wollen wir uns einigen?

indem du günter Lenz zustimmst. es handelt sich um eine 
Parallelresonanz, die leitwerte kompensieren sich, die Blindwiderstände 
gehen gegen unendlich, L müsste mit steigender Frequenz größer werden

von Hp M. (nachtmix)


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Achim S. schrieb:
> es handelt sich um eine
> Parallelresonanz,

Davon weiss die Induktivitätsmesskiste aber nichts.
Sie sieht nur eine induktive Phasenverschiebung, die mit steigender 
Frequenz immer kleiner wird und beim Passieren der Resonanzfrequen 
negativ, d.h. kapazitiv wird.
Im weiteren Verlauf konvergiert der Messwert gegen den Wert der 
Schaltungskapazität.
Dementsprechend wird der korrekte Induktivitätswert nur bei sehr 
niedriger Messfrequenz angezeigt.

von Achim S. (Gast)


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Hp M. schrieb:
> Dementsprechend wird der korrekte Induktivitätswert nur bei sehr
> niedriger Messfrequenz angezeigt.

je näher man der Resonanzfrequenz kommt desto stärker wird die 
"wirksame" Induktivität gegenüber dem ungestörten Wert verfälscht - 
soweit hat du Recht.

Hp M. schrieb:
> Im weiteren Verlauf konvergiert der Messwert gegen den Wert der
> Schaltungskapazität

oberhalb der Resonanzfrequenz konvergiert es gegen den Wert der 
Wicklungskapazität - auch richtig.

Hp M. schrieb:
> Sie sieht nur eine induktive Phasenverschiebung, die mit steigender
> Frequenz immer kleiner wird

dass die Phasenverschiebung immer kleiner wird passt auch. das führt 
dazu, dass die Güte der Spüle abnimmt wenn man näher zu f_res kommt.

aber der induktive Blindwiderstand nimmt trotzdem zu, wenn man sich 
f_res nähert.

Nochmal: der wesentliche punkt ist, dass L und C_wickl parallel liegen. 
bei der Parallelschaltung addieren sich die (Blind)Leitwerte, nicht die 
(Blind)widerstände.

die beiden Blindleitwerte heben sich bei f-res gegenseitig auf, der 
Imaginärteil von Y hat einen Nulldurchgang. aber wenn Im(Y) gegen Null 
geht, dann geht Im(Z) gegen unendlich - weil Y=1/Z ist.

der Blindwiderstand wird also kurz vor f_res sehr groß. und damit wird 
das wirksame L sehr groß.

oder anders ausgedrückt: der Parallelschwingkreis ist ein Sperrkreis.

von Kurt (Gast)


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Achim S. schrieb:

> oder anders ausgedrückt: der Parallelschwingkreis ist ein Sperrkreis.

Er ist ja auch in Serie zum Messgerät geschaltet.

 Kurt

von Günter R. (guenter-dl7la) Benutzerseite


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Mensch, Kurt, he levvet noch... YMMD

Herzlich willkommen auch in diesem Thread.

: Bearbeitet durch User
von Kurt (Gast)


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Günter R. schrieb:
> Mensch, Kurt, he levvet noch... YMMD
>

Ein bisserl schon.

> Herzlich willkommen auch in diesem Thread.

Naja, da bist du aber wohl ziemlich alleine damit.

Ein Wort zum Schwingkreis.
Es wird immer zwischen Parr und Ser-Schwingkreis unterschieden.
Da besteht aber kein Unterschied.

 Kurt

von Max K. (downtown)


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Elliot schrieb:
> Da wäre die
> direkte Steuerung des Spulenstromes wohl besser geeignet als die
> Spannungssteuerung.

Richtig, ich will natürlich den Strom haben. Ich weiß auch dass es 
Diskussionen über Konstantstromverstärker im Hifi Bereich für 
Hörgeräteträger gibt. Eines dieser Geräte wäre ideal. Der alte 
Akustikverstärker war in unserem Labor vorhanden (2x65W @4Ohm)und auch 
wegen der begrenzten Leistung nicht meine erste Wahl, allerdings wird er 
noch etwas dafür herhalten müssen. Da ich wahrscheinlich irgendwann noch 
etwas Forschungsgeld bekommen werde, würde ich auch einen Verstärker und 
eine kaufen wollen und eine neue Spule anfertigen (lassen).

Günter R. schrieb:
> Wie ist denn jetzt dein
> geometrischer Aufbau, also soll das statische Feld mit über denselben
> Ferritkern erzeugt werden?

Es ist eine flache Spule, da ich mir ursprünglich eine große 
Öffnungsfläche gewünscht hatte.
Innendurchmesser: 60mm
Außendurchmesser: 120mm
n=650
Drahtdurchmesser: 0,4mm (400mA dauerbelastbar)
Höhe: 7,1mm
Öffnungsfläche: 8482,3mm²

Der Kern ist zylindrisch und füllt die Spule mit einem Durchmesser von 
56mm aus. Die herausragende Spitze ist konisch zulaufend. Er wurde 
ursprünglich aus einem größeren Ferrit Stück herausgedreht um die 
Flussdichte möglichst punktförmig zu konzentrieren.

Bisher moduliere ich ein statisches Feld (15mT), welches von einem 
Helmholtzspulenpaar erzeugt wird. Ein homogenes Feld ist mir dabei 
garnicht so wichtig, es kann auch gerne einen Gradienten geben, an 
welchem die Partikel sich ausrichten. Insofern wäre es auch eine gute 
Lösung, wenn das statische Feld über dieselbe Spule erzeugt wird. Mit 
einem anderen Verstärker der den Gleichanteil verstärkt und einer Spule 
aus dickerem Draht würde ich diese Methode gerne verwenden.

Hp M. schrieb:
> Wenn dich mechanische Schwingungen also stören, wirst du sie irgendwie
> isolieren müssen.

Das Wasser wird sich in einem geschlossenen Akrylbehälter befinden, 
jedoch möchte ich jeden Lärm vermeiden, wenn ich kann.

Günter Lenz schrieb:
> Je höher die Frequenz um so
> weniger Windungen bis zur Anzapfung.

Die Idee finde ich richtig gut, gerade bei dem anvisierten 
Frequenzbereich bräuchte ich etwas Flexibilität. In welchen Abständen 
würdest du die Anzapfungen setzen?
Die Parallelresonanz wär die eleganteste Methode um mit meinem aktuellen 
Verstärkerkonzept zurecht zu kommen, da habt ihr recht. Mein erster 
Gedanke war auch, die Anpassung über einen Netzwerkanalysator 
vorzunehmen, allerdings wollte der von dem niedrigen Frequenzbereich (ab 
100Hz)  garnichts wissen.
Ich würde jetzt eine längere Spule entwerfen mit den empfohlenen MnZn 
Ferriten und mehreren Anzapfungen um gegen 5kHz eine Resonanz zu 
erzeugen.
Danke bisher für die vielen hilfreichen Antworten

von Günter R. (guenter-dl7la) Benutzerseite


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Wenn du so einen Verstärker mit niederohmigem Ausgang hast, wäre mMn die 
Serienresonanz als Anregung günstiger. Der Nachteil ist allenfalls die 
dann an Spule und Kondensator auftretenden sehr hohen Teilspannungen. 
Beim Kondensator sind sie beherrschbar, bei einer neu zu entwickelnden 
Spule kann die Konstruktion das berücksichtigen. Man spart sich dabei 
den Transformator auf die hohe Spannung des Parallelkreises. Auch der 
Einfluss des Frequenzgangs des Hoch-Tranformators und seine Verluste 
würden entfallen.

: Bearbeitet durch User
von Günter R. (guenter-dl7la) Benutzerseite


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Wenn ich noch sehe, dass es ein Verstärker 2 x 65 W ist, bekommt mit je 
dem halben Kondensatorwert pro Kanal auch die Entkopplung der beiden 
Kanäle in den Griff, falls die Endstufen nicht direkt 
parallelschaltfähig sind. Die Spule würde auch in der alten Form erst 
einmal ausreichen. Sie hält jetzt ja auch die Spannung aus.

von Hp M. (nachtmix)


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Achim S. schrieb:
> aber der induktive Blindwiderstand nimmt trotzdem zu, wenn man sich
> f_res näher

Nur leider kann man den, -oder den induktiven Blindleitwert-, separat 
leider nicht messen, sondern immer nur die Parallelschaltung von L mit 
den parasitären C. (Die Verluste, ob als niederohmiger Serienwiderstand 
oder hochohmiger Parallelwiderstand modelliert, können wir gerne mal 
aussen vorlassen).

Achim S. schrieb:
> aber der induktive Blindwiderstand nimmt trotzdem zu, wenn man sich
> f_res nähert.
Ja, aber nur gemächlich, gemäß wL. Hat mit einer etwaigen Resonanz 
eigentlich nichts zu tun.
L bleibt überhaupt konstant, sondern nur das, was die Messkiste sich aus 
der Phasenverschiebung zusammenreimt ändert sich mit der Frequenz: Der 
angezeigte Wert, aka Meßwert, für L.
Und dieser Meßwert -nichts anders hat der TE ja bestimmt-, sinkt mit der 
Frequenz bis zur Resonanz.
Wen du es nicht glaubst, schau es dir mal auf dem VNA an.


Achim S. schrieb:
> anders ausgedrückt: der Parallelschwingkreis ist ein Sperrkreis.

Kommt darauf an, wie er in der Schaltung verwendet wird.
Wenn er in Reihe mit dem Sugnal liegt ist es ein Sperrkreis. Aber wohl 
noch öfter wird seine Eigenschaft als Bandpass oder die 
Resonanzüberhöhung des Signals benutzt, wenn man ihn parallel zum Signal 
legt.

von Hp M. (nachtmix)


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Max K. schrieb:
> Bisher moduliere ich ein statisches Feld (15mT), welches von einem
> Helmholtzspulenpaar erzeugt wird.

Um eine Bewegung der Teilchen mit 2f zu vermeiden?

Das statische Feld erreichst du aber wahrscheinlich einfacher mit 
Permanentmagneten.

Hast du mal abgeschätzt, wieviel Spitzenstrom deine Spule braucht, um 
diese 15mT zu kompensieren?

Die Verwendung einer Serienresonanz ist natürlich verlockend, aber dann 
musst du die Schwingkreiskondensatoren umschalten wenn du die Frequenz 
ändern willst, oder gar einen Sweep über einen Frequenzbereich machen 
willst.
Ausserdem sollte man stets daran denken, dass manche Leistungsverstärker 
grosse Blindlasten gar nicht mögen und schlicht kaputt gehen, wenn das 
Ausgangssignal zu weit von der Resonanzfrequenz abweicht.

von Matthias K. (kannichauch)


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Ich finde den ganzen Thread hier etwas chaotisch.
Eine Flachspule mit Kern? Wie sieht das aus? Wozu ein Kern?
Ein Verstärker für hohe Impedanzen?
Bei einem Verstärker bei niedrigen Frequenzen und Gleichspannungen hat 
man meist gerne eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige 
Ausgangsimpedanz. Es kann besser ein Verstärker gebaut werden, der eine 
Eingangsspannung in einen genauen Ausgangsstrom wandelt, denn der 
induktive Lastwiderstand wird nie über verschiedene Frequenzen gleich 
sein.
Der Versuchsaufbau ist nicht genau beschrieben, der Einfluss des 
Magnetfeldes auf das Wasser wurde schon beschrieben. Dieser Fehler lässt 
sich aber eventuell nullen.
Ein genaues gleichmäßiges Magnetfeld lässt sich am besten mit einer 
Spule nach Helmholtz realisieren.

MfG

von Achim S. (Gast)


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Hp M. schrieb:
> Nur leider kann man den, -oder den induktiven Blindleitwert-, separat
> leider nicht messen, sondern immer nur die Parallelschaltung von L mit
> den parasitären C.

An den Klemmen misst man die Kombination (also Parallelschaltung) von L 
und C. Und diese Parallelschaltung hat einen Blindwiderstand X_mess, der 
größer ist als der Blindwiderstand X von L alleine wäre. Weil sich die 
Blindleitwerte von L und C ein Stück weit kompensieren, und ein 
kleinerer Leitwert zu einem größeren Widerstand gehört. Und aus dem 
größeren Blindwiderstand X_mess leitet das LCR-Meter eine größere 
wirksame Induktivität L_mess ab.

Hp M. schrieb:
> Ja, aber nur gemächlich, gemäß wL. Hat mit einer etwaigen Resonanz
> eigentlich nichts zu tun.

Nein: das X_mess der Parallelschaltung wächst unterhalb der Resonanz 
überproportional zu w. Und das ist genau die Resonanzkurve des real 
vorliegenden LC-Parallelkreises.

Hp M. schrieb:
> L bleibt überhaupt konstant

Aber L lässt sich an den Klemmen nicht alleine abgreifen. An den Klemmen 
sieht man das wirksame L_mess, das sich aus dem Zusammenspiel von L_nom 
und C_wickl (und R) ergibt, und dieses L_mess bleibt nicht konstant. An 
den Klemmen sieht es so aus, als würde das L des Bauteils mit steigender 
Frequenz zunehmen (bis zur f_res).

Hp M. schrieb:
> Und dieser Meßwert -nichts anders hat der TE ja bestimmt-, sinkt mit der
> Frequenz bis zur Resonanz.

nein: es steigt. Auch wenn es konterintuitiv ist, dass eine 
Parallelkapazität zu einer Zunahme der an den Klemmen messbaren Größen 
L_mess und R_mess führt - trotzdem ist es so. Das kann man ausrechnen, 
das kann man messen, das kann man simulieren. Jedesmal kommt dasselbe 
raus. Und deswegen stimmt, was Günter geschrieben hatte:

Günter Lenz schrieb:
> Ein Fehler könnte durch die parasitäre
> Kapazität der Spule entstehen, aber dann müßte die
> Induktivität scheinbar mit zunehmender Frequenz
> größer werden.

Genauso ist es.

Hp M. schrieb:
> Wen du es nicht glaubst, schau es dir mal auf dem VNA an.

Bitteschön: im Anhang Messungen mit einem LCR-Meter (der TO dürfte seine 
Messungen bei 100Hz auch eher mit LCR-Meter als mit VNA durchgeführt 
haben). Ich hab für die Messung eine riesige Luftspule verwendet (also 
anders als der TO), weil damit keine freuqenzabhängigen Effekte eines 
Kernmaterials auftreten können und weil man damit eine sehr niedrige 
Resonanzfrequenz bekommt, bei der auch andere "Dreckeffekte" kaum eine 
Rolle spielen. Man sieht in der Messung also alleine das Zusammenspiel 
von L_nom, Wicklungskapazität C_wick und dem Kupferwiderstand.

Alle Diagramme zeigen die identische Messreihe, es wurde jeweils nur 
eine andere Ausgabegröße des LCR-Meters angezeigt.

C_Blindleitwert.png zeigt den Verlauf des Blindleitwerts B und des 
dazugehörigen Messwerts von C_s (C angegeben im Serienersatzschaltbild). 
Beide Kurven unterscheiden sich nur um den Faktor w. Der Blindleitwert 
hat seinen Nulldurchgang bei f_res=9,5kHz. Unterhalb von f_res ist das 
Teil induktiv (für C_s wird ein negativer Wert ausgegeben). Oberhalb von 
f_res konvergiert der Messwert von C_s gegen die Wicklungskapazität (ca. 
C_wick=190pF. Berechnet man es aus der f_res und L_nom ergibt sich ein 
C_wick von 187pF).

L_Blinwiderstand.png zeigt den Verlauf des Blindwiderstands X und des 
dazugehörigen Messwerts von L_s. Beide Kurven unterscheiden sich nur um 
den Faktor w. Bei sehr niedrigen Frequenzen erhält man als Messwert den 
nominellen Wert der Spule (L_nom=1,5H), weil sich die Parallelkapazität 
praktisch noch nicht auswirkt. Die nominelle Induktivität liegen in 
Serie mit 300Ohm Wicklungswiderstand, was man allerdings in den hier 
gezeigten Messungen aufgrund der Skalierung kaum ablesen kann.

Wenn man die Frequenz erhöht macht sich immer stärker die 
Parallelkapazität C_wick bemerkbar, die - aus Sicht des LCR-Meters - mit 
dem L_nom der Spule einen Sperrkreis bildet. Das führt zu einen 
überproportionalen Anstieg von X, der aus Sicht des LCR-Meters einer 
erhöhten effektiven Induktivität an den Klemmen entspricht. Bei 8kHz 
wirkt die Spule an den Klemmen wie eine Serienschaltung von L_s=5H mit 
einem Widerstand R_s, der wesentlich höher liegt als der 
Kupferwiderstand. (siehe  Abbildung Realteil_Z.png).

Intern besteht die Spule natürlich weiter aus (1,5H in Serie mit 300Ohm) 
parallel zu 190pF. Aber an den Klemmen hat das das identische 
elektrische Verhalten wie 5H in Serie mit einigen kOhm - und genau das 
zeigt das LCR-Meter an.

Wenn du es immer noch nicht glaubst: simuliere in LTSpice die 
Kombination (1,5H in Serie mit 300Ohm) parallel zu 190pF. Und du wirst 
genau das in der Messung aufgenommene Verhalten bekommen.

von Max K. (downtown)


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Günter R. schrieb:
> Wenn ich noch sehe, dass es ein Verstärker 2 x 65 W ist, bekommt mit je
> dem halben Kondensatorwert pro Kanal auch die Entkopplung der beiden
> Kanäle in den Griff, falls die Endstufen nicht direkt
> parallelschaltfähig sind.

Der ist leider nicht parallelschaltfähig. Die Idee gefällt mir aber. Du 
meinst die halbe Kapazität des Kondoensators in Serie zur Spule?

Hp M. schrieb:
> Um eine Bewegung der Teilchen mit 2f zu vermeiden?
>
> Das statische Feld erreichst du aber wahrscheinlich einfacher mit
> Permanentmagneten.
>
> Hast du mal abgeschätzt, wieviel Spitzenstrom deine Spule braucht, um
> diese 15mT zu kompensieren?

Ich will versuchen, die Teilchen in Schwingung zu Versetzen, um eine 
möglichst große Druckamplitude zu erzeugen. Ich bin in der Konzeptphase 
für die Versuche und einer meiner Gedanken war, dass die Ausrichtung in 
einem einigermaßen homogenen und in der Stärke variierbarem Feld 
stattfinden kann und ich die Oszillation über die oben beschriebene 
Pulsspule herbeiführen kann, die Feldparameter sind dabei das Ziel der 
Untersuchung.

Matthias K. schrieb:
> Ich finde den ganzen Thread hier etwas chaotisch.
> Eine Flachspule mit Kern? Wie sieht das aus? Wozu ein Kern?

Ich stimme dir zu, war nicht komplett von mir erleutert. Die Flachspule 
war ursprünglich dazu gedacht alleine ein möglichst breites Wechselfeld 
Feld zu erzeugen. Der kern sollte den Gradienten verstärken um eine 
Bewegung der Teilchen zu beobachten, jedoch war der Gradient mit der 
beschriebenen Verstärkung zu schwach.

Matthias K. schrieb:
> Bei einem Verstärker bei niedrigen Frequenzen und Gleichspannungen hat
> man meist gerne eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige
> Ausgangsimpedanz. Es kann besser ein Verstärker gebaut werden, der eine
> Eingangsspannung in einen genauen Ausgangsstrom wandelt

Da würde ich gerne an deiner Erfahrung teilhaben. Die Möglichkeit eines 
Konstantstromverstärkers fände ich u.a. interessant. Wie würdest du den 
Strom steuern?

Matthias K. schrieb:
> Der Versuchsaufbau ist nicht genau beschrieben, der Einfluss des
> Magnetfeldes auf das Wasser wurde schon beschrieben. Dieser Fehler lässt
> sich aber eventuell nullen.

Richtig und das kann auch noch zu einem Problem werden, ich hatte mir 
eine Messung zur Abstimmung mit Reinstwasser vorgestellt,außerdem werde 
ich das Wasser irgendwie entgasen müssen um Sauerstoff raus zu bekommen.

Hp M. schrieb:
> Ausserdem sollte man stets daran denken, dass manche Leistungsverstärker
> grosse Blindlasten gar nicht mögen und schlicht kaputt gehen, wenn das
> Ausgangssignal zu weit von der Resonanzfrequenz abweicht.

Dessen bin ich mir bewusst. Ich würde mehrere Kondensatoren für die 
verschiedenen Frequenzbereiche nehmen.

von Günter R. (guenter-dl7la) Benutzerseite


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Max K. schrieb:
>> Wenn ich noch sehe, dass es ein Verstärker 2 x 65 W ist, bekommt mit je
>> dem halben Kondensatorwert pro Kanal auch die Entkopplung der beiden
>> Kanäle in den Griff, falls die Endstufen nicht direkt
>> parallelschaltfähig sind.
>
> Der ist leider nicht parallelschaltfähig. Die Idee gefällt mir aber. Du
> meinst die halbe Kapazität des Kondoensators in Serie zur Spule?

Richtig, jeder Verstärker-Ausgang treibt über die Hälfte (ungefähr, muss 
nicht so genau sein) der Kapazität die gemeinsame Spule.

Die oben genannten Einschränkungen solcher Schmalbandlösung treffen 
natürlich zu, dass jeder Einzel-Verstärker mit solcher Last stabil zu 
betreiben ist und dass beim Frequenzwechsel die Kondensatoren mit 
umgeschaltet werden müssen (no free lunch).

von Hp M. (nachtmix)


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Achim S. schrieb:
> nein: es steigt. Auch wenn es konterintuitiv ist, dass eine
> Parallelkapazität zu einer Zunahme der an den Klemmen messbaren Größen
> L_mess und R_mess führt - trotzdem ist es so. Das kann man ausrechnen,
> das kann man messen, das kann man simulieren

Mittlerweile fürchte ich, dass du Recht hast. Ich  muss das noch ein 
bischen sacken lassen, denn irgendwie widerspricht es meiner Intuition.
Ich bin allerdings vor Jahrzehnten bei einem Resonanzkreis schon einmal 
in die Falle eines hartnäckigen Vorzeichenfehlers getappt, was mich eine 
Note gekostet hat. Ich hätte es also besser wissen sollen.

Jedenfalls danke ich dir für die Mühe mir diese Flausen auszutreiben!

Allerdings gibt es bei der Messung mit dem VNA einen Effekt, für den ich 
bisher keine Erklärung habe:
Ich habe einen Parallel-Resonanzkreis geringer Güte aus einer dieser 
Festinduktivitäten in Widerstandsform (47µH + 2,2 Ohm 
Wicklungswiderstand) und einem 2200pF Folienkondensator aufgebaut.
Das gibt eine Resonanzfrequenz von nominell  495 kHz (und X=146 Ohm).

Wenn ich diesen Schwingkreis mit dem nanoVNA messe, finde ich bei S11 
und 50kHz bzw. 5MHz in etwa die Bauteilwerte wieder 43µH +8 Ohm bzw. 
2,85nF +5 Ohm.
Im Bereich 450..550kHz  findet sich in einiger Entfernung von der 
Resonanz auch zunächst der erwartete Verlauf der L- und C-Werte:
450kHz 183µH 140 Ohm
461kHz 220µH 159 Ohm
470kHz 263µH 187 Ohm
480kHz 337µH 250 Ohm
490kHz 475µH 400 Ohm
500kHz 775µH 1000 Ohm
510 kHz 1000µH 6300 Ohm
520kHz 89pF 2100 Ohm
530 kHz 159pF 545 Ohm
540kHz 233pF 295 Ohm
550kHz 306pF 202 Ohm
 aber bei feineren Abstufungen treten in umittelbar Nähe der Resonanz 
auch sehr kleine L-Werte bis unter 20µH und hohe Kapazitätswerte bis 
über 9nF auf.
Ob diese Erscheinung nur durch Rauschen bedingt ist (die Werte sind 
nicht sehr stabil), oder ob es tatsächlich einen 
mathematisch/physikalischen Grund dafür gibt, müsste man mal näher 
untersuchen.
Jedenfalls habe ich diesen Effekt schon öfter beobachtet, und das ist 
wohl auch die Ursache für meinen Irrtum.

von Achim S. (Gast)


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Hp M. schrieb:
> denn irgendwie widerspricht es meiner Intuition.

Ja, erst mal ist der Effekt entgegen der Intuition. Das liegt imho 
daran, dass wir meist zuerst in der Z-Ebene denken. D.h. wir addieren in 
Gedanken Real- und Imaginärteil von Widerständen. Bei der 
Parallel-Resonanz werden physikalisch aber Leitwerte addiert, und der 
Kehrwert zwischen Z und Y stellt einiges auf den Kopf.

Hp M. schrieb:
> aber bei feineren Abstufungen treten in umittelbar Nähe der Resonanz
> auch sehr kleine L-Werte bis unter 20µH und hohe Kapazitätswerte bis
> über 9nF auf.

Auch der Effekt ist echt, ich würde vielleicht eher als einen 
mathematischen Effekt statt als einen physikalischen effekt betrachten. 
Wichtig dabei ist, in welchem ESB das Messgerät die Werte ausspuckt. 
Wenn du z.B. die folgenden Messwerte bekommst:

Hp M. schrieb:
> 510 kHz 1000µH 6300 Ohm

dann hat das Messgerät bei 510kHz ein bestimmtes komplexes, induktives Z 
gemessen. Aus diesen komplexen Z kann es auf ein Ersatzschaltbild aus 
Spule und Widerstand zurückrechnen, und zwar
- entweder auf eine Serienschaltung von L_s und R_s (Serien-ESB).
- oder auf eine Parallelschaltung von L_p und R_p (Parallel-ESB)

Beide Kombinationen beschreiben gleichermaßen das physikalisch gemessene 
komplexe Z, aber die Zahlenwerte unterscheiden sich (L_s ist kleiner als 
L_p, R_s ist kleiner als R_p). Und je nachdem, in welchem ESB der 
Verlauf um die Resonanz betrachtet wird, hat man unterschiedliche 
Durchgänge durch die Resonanz. Im Anhang wieder mein Luftspule gemessen 
mit dem LCR-Meter.

Das Diagramm LS_LP.png zeigt wieder die identische Messreihe - nur nach 
unterschiedlichem ESB in L umgerechnet. Im Verlauf von L_p sieht man den 
"Sprung von plus unendlich nach minus unendlich". Im Verlauf von L_s 
gibt die selbe Messung einen glatten Nulldurchgang mit kleineren 
Zahlenwerten von L_s. Wie gesagt: es ist zwei mal die identische 
Messung, nur in unterschiedlichen ESB auf L zurückgerechnet. Dein VNA 
dürfte die Rückrechnung im Serien-ESB machen. Und diesen Effekt beim 
Durchlaufen der Resonanzkurve bekommt man nicht nur in der Messung, 
sondern auch wenn man die Formeln aufstellt und im Bereich der Resonanz 
plotten lässt.

Das Diagramm CS_CP.png zeigt wieder die identischen Messreihe, bei der 
die gemessene komplexe Größe in unterschiedlichen ESB auf C 
rückgerechnet wurde. In C_p sieht man den erwarteten glatten 
Nulldurchgang. In C_s hat man die unerwartete Kurve, falls man direkt 
bei der Resonanz fein genug hinschaut. Wenn ich die Messpunkte in 
1Hz-Abstand sezte (Da wird die Frequenzgenauigkeit meins LCR schon etwas 
wackelig), dann kann ich auch C_s Werte im nF Bereich treffen - sehr 
viel größer als die tatsächliche Wicklungskapazität. Auch diesen 
"seltsamen Effekt" bei der Rückrechnung auf das Serien-ESB kann man 
schon sehen, wenn man die Formeln für den Schwinkreis aufstellt und den 
Bereich um die Resonanz mit ausreichend vielen Einzelwerten plottet.

von Pandur S. (jetztnicht)


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Fuer maximal hohe Felder betreibt man die Spule in Resonanz. Ohne 
Ferrit. Allenfalls benoetigst du eine Abstimmbox mit schaltbaren 
Kondensatoren. Dann optimierst du die Kapazitaet fuer maximalen 
Spulenstrom.

: Bearbeitet durch User
von Matthias K. (kannichauch)


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Hallo

> Matthias K. schrieb:
>> Bei einem Verstärker bei niedrigen Frequenzen und Gleichspannungen hat
>> man meist gerne eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige
>> Ausgangsimpedanz. Es kann besser ein Verstärker gebaut werden, der eine
>> Eingangsspannung in einen genauen Ausgangsstrom wandelt
>
> Da würde ich gerne an deiner Erfahrung teilhaben. Die Möglichkeit eines

Also mit Erfahrung hat das nichts zu tun. Man braucht eine hohe 
Eingangsimpedanz, damit die Eingangsspannung nicht an zu niedriger 
Impedanz(=Wechselstromwiderstand) einsackt, und eine niedrige 
Ausgangsimpedanz, damit die Ausgangsspannung nicht an der niederohmigen 
Last einsackt/einknickt.
> Konstantstromverstärkers fände ich u.a. interessant. Wie würdest du den
> Strom steuern?
"Konstantstromverstärker".. Davon habe ich nichts gesagt. Ich meinte 
damit, man kann z.B. eine genaue Sinus-Eingangsspannung in einen genauen 
Sinusausgangstrom wandeln. Hat man einen genauen Sinusausgangsstrom auf 
einer Spule, ergibt das ein genaues Sinus-Magnetfeld. Hier wieder: Man 
kann sowas nicht mit "Erfahrung" realisieren, sondern man muss es 
ausrechnen.
Mit Operationsverstärkern kann man eine Ausgangsstrommessung vornehmen 
und mit der Eingangsspannung vergleichen. Das nennt man fertig glaub ich 
auch Regelkreis.

> eine Messung zur Abstimmung mit Reinstwasser vorgestellt,außerdem werde
> ich das Wasser irgendwie entgasen müssen um Sauerstoff raus zu bekommen.
Die genauen Details zu Deinem Versuch liegen im Dunkeln.

MfG

von nachtmix (Gast)


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Matthias K. schrieb:
>> eine Messung zur Abstimmung mit Reinstwasser vorgestellt,außerdem werde
>> ich das Wasser irgendwie entgasen müssen um Sauerstoff raus zu bekommen.
> Die genauen Details zu Deinem Versuch liegen im Dunkeln.
>
> MfG

Nicht so sehr. Auch Sauerstoff ist paramagnetisch, -der Effekt wird bei 
manchen Gasanalysatoren genutzt-, und würde evtl. die Messung stören.
Gründliches Abkochen sollte genügen um gelöste Gase zu entfernen.

von Max K. (downtown)


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Pandur S. schrieb:
> Fuer maximal hohe Felder betreibt man die Spule in Resonanz. Ohne
> Ferrit.

Da gebe ich dir Recht, ich habe es per FEM einmal simuliert und würde 
trotzdem ein Ferrit nehmen, da meine Zieltiefe etwa 1-5cm beträgt.

Pandur S. schrieb:
> Allenfalls benoetigst du eine Abstimmbox mit schaltbaren
> Kondensatoren. Dann optimierst du die Kapazitaet fuer maximalen
> Spulenstrom.

Günter R. schrieb:
> Die oben genannten Einschränkungen solcher Schmalbandlösung treffen
> natürlich zu, dass jeder Einzel-Verstärker mit solcher Last stabil zu
> betreiben ist und dass beim Frequenzwechsel die Kondensatoren mit
> umgeschaltet werden müssen (no free lunch).

Ich bau mir die Box zusammen. Ob der Verstärker stabil läuft werde ich 
rausfinden müssen. Genauso stellt sich mir die Frage, wie weit ich mich 
von der jeweiligen Resonanzfreuenz fortbewegen kann ohne die Blindlast 
zu hoch zu treiben oder ins Schwingen zu bringen. Ich vermute mal, dass 
es das beste wäre, die fertigen Einstellungen per VNA zu überprüfen.

Matthias K. schrieb:
> Mit Operationsverstärkern kann man eine Ausgangsstrommessung vornehmen
> und mit der Eingangsspannung vergleichen.

Danke für die Richtigstellung. Das hilft mir weiter, ich werde eine 
Schaltung berechnen, wenn ich die etwaigen Magnetfeldparameter gefunden 
habe.

Matthias K. schrieb:
>> eine Messung zur Abstimmung mit Reinstwasser vorgestellt,außerdem werde
>> ich das Wasser irgendwie entgasen müssen um Sauerstoff raus zu bekommen.
> Die genauen Details zu Deinem Versuch liegen im Dunkeln.

Ich beabsichtige in einer Distanz von 1-5cm zur Spule 
superparamagnetische Partikel mit Durchmessern von 8-20nm zum Schwingen 
zu bringen, um eine möglichst starke Druckwelle zu erzeugen. Die 
Magnetfeldparameter wie Stärke, Frequenz, Gleich- und Wechselanteile 
sind noch zu finden. Es handelt sich um Vorversuche. Oder auf welche 
Details beziehst du dich?

nachtmix schrieb:
> Nicht so sehr. Auch Sauerstoff ist paramagnetisch, -der Effekt wird bei
> manchen Gasanalysatoren genutzt-, und würde evtl. die Messung stören.
> Gründliches Abkochen sollte genügen um gelöste Gase zu entfernen.

Danke für den Tip, das ist deutlich einfacher

von Matthias K. (kannichauch)


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> Ich beabsichtige in einer Distanz von 1-5cm zur Spule
> superparamagnetische Partikel mit Durchmessern von 8-20nm zum Schwingen
> zu bringen, um eine möglichst starke Druckwelle zu erzeugen.

So kleine Partikel haben einen größeren Strömungswiderstand. Du würdest 
also etwas akustisches im Wasser verursachen. Also gibt es dann eine 
akustische Aufgabe. Meine Idee ist eine wasserakustische Kammer mit 
schallgedämpften Enden. Vor und zurücklaufende Wellen könnten sich sonst 
auslöschen oder aufaddieren.
Hier ist die Frequenz und somit die Wellenlänge im Wasser relevant. 
Jetzt müsste ich nachschauen, welche Frequenz im Wasser eine Wellenlänge 
von vorschlagsmäßigen 5mm entspricht. Ultraschall? Da ist dann die 
Frage, wie genau soll das Magnetfeld sein, kommt evtl. nicht so drauf 
an.
Kann man nicht einfach die Partikel mit Magnetfeld abscheiden und 
wiegen? Oder ist es eine strömende Flüssigkeit?

> Die Magnetfeldparameter wie Stärke, Frequenz, Gleich- und Wechselanteile
> sind noch zu finden. Es handelt sich um Vorversuche. Oder auf welche
> Details beziehst du dich?
Ich konnte mir das bisher nicht genau vorstellen.

von Max K. (downtown)


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Matthias K. schrieb:
> So kleine Partikel haben einen größeren Strömungswiderstand. Du würdest
> also etwas akustisches im Wasser verursachen. Also gibt es dann eine
> akustische Aufgabe. Meine Idee ist eine wasserakustische Kammer mit
> schallgedämpften Enden. Vor und zurücklaufende Wellen könnten sich sonst
> auslöschen oder aufaddieren.

Gut dass du das erwähnst. Ich habe ein Acrylbecken zur Verfügung, 
welches ich mit Porenschaumstoff dämmen wollte, aber der muss natürlich 
auch für Ultraschall geeignet sein, denn ..

Matthias K. schrieb:
> Hier ist die Frequenz und somit die Wellenlänge im Wasser relevant.
> Jetzt müsste ich nachschauen, welche Frequenz im Wasser eine Wellenlänge
> von vorschlagsmäßigen 5mm entspricht. Ultraschall?

das sind etwa 296,8 kHz, stimmt. Damit sind meine 5kHz deutlich 
unterdimensioniert, wenn ich die Amplitude möglichst ausnutzen möchte um 
einen Schalldruck zu erzeugen.

Matthias K. schrieb:
> Kann man nicht einfach die Partikel mit Magnetfeld abscheiden und
> wiegen? Oder ist es eine strömende Flüssigkeit?

Ich möchte in einem stehenden Fluid messen, damit die Schwingung nicht 
gestört wird. Ich würde gerne die verschieden großen Partikel im Fluid 
durch ihre Bewegung unterscheiden können, wenn es zu einer Messbaren 
Schallwelle kommt.

: Bearbeitet durch User

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