Frage von roterrasen, 179

Induktivitätsmessung einfach erklärt?

Bei Münzprüfern wird beschrieben, dass diese mit Induktivitätsmessung die Münze erkennen. Bei Wikipedia steht, dass das mit zwei Spule Funktioniert. Kann mir jemand weiterhelfen? Ich würde mich über eine Erklärung freuen. Vielen Dank.

Expertenantwort
von dalko, Community-Experte für Elektronik, 53

Hallo roterrasen,

Ich versuche mich mal an einer einfachen Erklärung, obwohl deine Frage eigentlich nur mit der Darstellung ziemlich komplizierter physikalischer Zusammenhänge zu beantworten ist.

Wenn du Induktivität messen möchtest, bedarf es zuerst der Erklärung, was Induktivität eigentlich ist. Erst danach kann man auf die Möglichkeiten eingehen, die es gibt, um Induktivität zu messen.

Induktivität beschreibt die Eigenschaft von Spulen, in elektrischen Stromkreisen ein magnetisches Feld aufzubauen. Wenn sich der Stromfluss in Stärke und Polarität verändert, verändert sich das Magnetfeld ebenfalls in seiner Stärke und seiner Polarität und es entsteht zeitlich verzögert eine Spannung, die proportional zur Veränderung des Magnetfeldes ist. Es wird also eine proportionale Spannung induziert.

Erste Messmethode:

Spulen begleiten unser „elektronisches“ Leben seit der Erfindung der Funktechnik und des Radios. In jedem Radio befindet sich ein Schwingkreis aus einer Spule (L) und einem Kondensator (C), in dem elektrische Energie zwischen der Spule hin und her schwingt und abwechselnd ein Magnetfeld in der Spule oder ein elektrisches Feld im Kondensator aufbaut. Die Frequenz, auf die der Schwingkreis schwingt, also in Resonanz gerät, hängt ab von der Induktivität der Spule und der Kapazität des Kondensators.

Wenn du also einen Schwingkreis aufbaust, in dem die Kapazität, Induktivität und die Frequenz bekannt sind, kannst du die bekannte Induktivität durch eine unbekannte ersetzen und dann die Frequenzänderung der Resonanzfrequenz im Schwingkreis ausmessen. Rechnerisch kannst du nun den Wert der Induktivität genau bestimmen. Das wäre eine einfache Messmethode, um eine Induktivität auszumessen.

Leider hat die Methode mit dem Schwingkreis den Nachteil, dass man die unbekannte Induktivität über die Änderung der Resonanzfrequenz im Schwingkreis ermittelt. In welche Richtung sich die Frequenz verändert, ist zuerst unbekannt und kann in einem Bereich liegen, in dem die Spule später nie arbeiten wird. Da aber Spulen in Abhängigkeit von der Frequenz und dem Spulenaufbau (Luftspule oder Spule mit Kern, wobei das Kernmaterial wieder sehr verschieden sein kann und die Induktivität in Abhängigkeit von der Frequenz beeinflusst) eine unterschiedliche Induktivität aufweisen können, ist diese Methode nur eingeschränkt genau.

Zweite Messmethode:

Du bildest mit der unbekannten Spule und einem bekannten Widerstand R ein LR-Tiefpass-Filter und schaltest einen Strom, der durch diesen Tiefpass fließt, ein und aus, das bekannte Magnetfeld baut sich auf oder bricht zusammen und mit entsprechender zeitlicher Verzögerung ergibt sich eine proportionale Spannungsänderung am Ausgang des Tiefpass-Filters . Du misst nun den zeitlichen Verlauf der Spannungsänderung und die Höhe der Spannung und bestimmst dann mathematisch die Induktivität.

Mit einem Funktionsgenerator, den du auf ein Rechtecksignal mit bekannter Frequenz einstellst und einem Oszilloskop hast du bereits alles an Messequipment, um diese Messung durchzuführen. Deutlich bequemer und schneller erledigt ein entsprechend programmierter Mikroprozessor diese Messaufgabe.

Dritte Messmethode:

Bei ihr wird die komplexe Impedanz Z (die Summe aller komplexen Widerstände) einer Spule gemessen und der Wert der Induktivität ausgerechnet. Es wird wieder der zeitliche Zusammenhang zwischen einer angelegten Wechselspannung, die in Betrag und Frequenz bekannt ist, und dem Strom durch die Spule gemessen und erhält die komplexe Impedanz. Durch einfache Formelumstellung lässt sich nun die Induktivität berechnen. Dies ist wieder ein idealer Job für einen entsprechend programmiertem Mikroprozessor.

Vierte Messmethode:

Eine sehr genaue, aber etwas umständliche Messmethode ist die früher überall eingesetzte Messbrückentechnik. Zur Messung von Induktivitäten wurde die sogenannte Maxwell-Brücke oder besser Maxwell-Wien-Brücke (findest du unter Wechselspannungsbrücke) verwendet, deren Funktion du in den entsprechenden Artikeln bei Wikipedia nachlesen kannst und ich hier nicht weiter beschreibe.

Fazit:

Heutzutage hat jeder Elektroniker ein Oszilloskop, einen Funktionsgenerator und noch ein paar andere Messgeräte und kann nach Methoden messen, wie ich sie beschrieben habe.
Im Zeitalter der Digitaltechnik und Mikrocontroller geht es natürlich viel einfacher, denn es gibt bereits fertige Module, die sehr preiswert und genau sind

http://www.ebay.de/itm/LC-Messgerat-Kondensator-LCR-RLC-RCL-Bausatz-KIT-/3206607...

und alle mehr oder weniger genau nach Messmethode 2 und 3 arbeiten, wobei es sehr wichtig ist, die richtige, zur Spule passende Messfrequenz einzustellen, denn sie sollte dem Wert entsprechen, mit dem der Prüfling später auch betrieben wird.

Und jetzt zu deiner Münzmessung:

Wenn du eine Induktivitätsmessung nach einer der oben beschriebenen Methoden anwendest und eine Münze in das Magnetfeld der Spule einbringst, wird sich bei allen Messmethoden eine Veränderung des Messergebnisses ergeben.

Alle Materialien haben für Magnetfelder eine unterschiedliche Durchlässigkeit und beeinflussen deshalb die Stärke des Magnetfeldes. Diese unterschiedliche Durchlässigkeit nennt man Permeabilität, der entsprechende Kennwert ist der Permeabilitätskoeffizient.

Wenn du also eine durch einen Mikroprozessor gesteuerte Messung der Veränderung des Magnetfeldes einer bekannten Spule durch die in das Magnetfeld eingebrachte Münze vornimmst und sie mit den in einer Datenbank gespeicherten Permeabilitätskoeffizienten verschiedener Metalle vergleichst, kann dann das Material, aus dem die Münze besteht, genau bestimmt werden. In einem weiteren Vergleich mit einer Münzdatenbank kann dann die Münze genau identifiziert werden.

Ob das alles leicht verständlich erklärt ist, kann ich schlecht beurteilen, denn für mein Verständnis ist es kaum auszuhalten, wichtigen theoretischen Hintergrund wegzulassen, aber wenn ich darauf eingehen würde, wird es noch viel komplizierter, denn der Anteil der höheren Mathematik ist sehr hoch und dir nicht zuzumuten. Ich würde mich freuen, wenn du bis hier den Beitrag gelesen hast und auch verstanden hast, wenn nicht....du hast auch viel einfachere Antworten erhalten, suche dir die für dich passende Antwort aus.

Wenn du noch Fragen hast, kannst du dich gerne melden.

Grüße, Dalko

Antwort
von Gehirnazubi, 51

Ich kenne aus meinem Fachbereich halt einen induktiven Sensor, denke das wird so vom Prinzip her das selbe sein.

Da ist eine Spule drin, die ein Magnetfeld erzeugt. Falls jetzt ein metallischer Gegenstand in das Magnetfeld eindringt, wird sich dieses ändern. Das merkt der Sensor und registriert den Gegenstand.

Z.B. in der Spule eines Transformators ist ja auch ein Eisenkern drin, um das Feld zu verstärken.

Antwort
von Minihawk, 48

Induktivität hat was mit Spulen und Elektromagnetismus zu tun. Solche Spulen können mit entsprechender elektronischer Beschaltung einen Schwingkreis bilden, und Änderungen an der Induktivität einer Spule führt zu einer Änderung der erzeugten Frequenz, und Münzen mit Metall oder gar Nickel/Eisenanteil können die Induktion ändern. durch Messen der Frequenz kann so etwas genutzt werden, um z.B. Münzen zu bestimmen.

Antwort
von atoemlein, 51

Jede Spule aus Draht hat als wichtige elektrische Eigenschaft eine sog. Induktivität.
Diese wird bestimmt durch Grösse, Drahtdicke, Wicklungszahl usw.
Und ganz wesentlich davon, was für magnetische Stoffe in oder neben der Spule sind. Am heftigsten beeinflussen sog. ferromagnetische Stoffe die Induktivität (z.B. Eisen). Aber auch jedes andere Metall beeinflusst die Induktivität.

Und dann kann eben diese Induktivität mit verschiedenen Messmethoden gemessen werden, ähnlich wie ein Ohm-Meter einen Widerstand misst. Auch mit Hilfe eines Schwingkreises, wie jemand da beschreibt.
Und daraus kann dann auf Grösse und Legierung einer Münze geschlossen werden.

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