Messverfahren zur Qualitätsprüfung von Temperatursensoren

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ESB Business School Reutlingen University

Nach der Belastung wurde der Wicklungswiderstand gemessen und daraus die Temperatur berechnet. Für jede der vier Motoren wurden jeweils fünf Temperaturmessungen durchgeführt. Im ersten Versuch wurde die Wicklung eine Minute lang erhitzt. In den weiteren Versuchen wurde die Dauer der Erhitzung um jeweils eine Minute gesteigert. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Bild 2 (siehe Bildergalerie) zu sehen.

Mit zunehmender Temperatur wird der Temperaturanstieg kleiner

Der Temperaturverlauf der Wicklung bis zum Erreichen der stationären Beharrungstemperatur kann durch eine exponentielle Näherungsfunktion beschrieben und als Funktion der Zeit aus den Messergebnissen ermittelt werden. Die Regressionsanalyse der Daten wurde mithilfe der Software Originlab durchgeführt.

Das Resultat der Regressionsanalyse für diese exponentielle Annäherungsfunktion sowie das Bestimmtheitsmaß R2 sind ebenfalls in Bild 2 dargestellt. Die resultierende Funktion erweist sich als sehr genaue und zuverlässige Schätzung für die Wicklungstemperatur. Im Rahmen des neu entwickelten Messverfahrens wird nun lediglich die Zeit t in Sekunden gemessen, bis der PTC-Sensor einen hohen elektrischen Widerstand aufweist. Die mittlere Temperatur der Wicklung errechnet sich dann zu

Anhand des Temperaturverlaufs (Bild 2) kann man erkennen, dass sich mit zunehmender Temperatur der Temperaturanstieg verringert und sich die Temperatur einem Maximum, der Beharrungstemperatur, annähert. Aus diesem Temperaturverlauf kann man schließen: Wenn nach 300 s keine Auslösung des PTC-Sensors erfolgt ist, kommt es nicht mehr zur Auslösung, weil die Wicklungstemperatur nicht weiter ansteigt. Das heißt, der PTC-Sensor erfüllt seine Funktion nicht und muss neu eingesetzt werden.

Um die Praxistauglichkeit dieses Messverfahrens zu bestätigen, wurde ein weiterer Versuch mit sechs Wicklungen durchgeführt. Die Wicklungen wurden unterschiedlichen Produktionschargen entnommen. Das Ziel war dabei, die aus dem angepassten Modell berechnete Wicklungstemperatur mit der durch Widerstandsänderung gemessenen Wicklungstemperatur zu vergleichen. In beiden Fällen wurden die Messungen in der Wicklungsversuchseinrichtung aus Bild 1 durchgeführt. Durch einen Vergleich der gefundenen Mittelwerte der Messergebnisse mittels t-Test wurde herausgefunden, dass kein statistisch signifikanter Unterschied zwischen den Mittelwerten der beiden Messverfahren existiert.

Arbeitszeit für die Temperaturmessung einer Wicklung deutlich verkürzt

Mit dem neuen Messverfahren wurde die gesamte Arbeitszeit für die Temperaturmessung einer Wicklung inklusive Vor- und Nachbereitung der Messung von durchschnittlich 205 auf 11 Minuten verkürzt. Ein weiterer Vorteil des neuen Messverfahrens ist in Bild 3 zu erkennen. Dort sind die Temperaturmessungen dargestellt, bei denen die mittlere Temperatur der Wicklungen anhand der Widerstandsänderung für unterschiedliche Erhitzungszeiten gemessen wurde. Außerdem sind die Messungen aus dem ursprünglichen Messverfahren mit einem Thermoelement dargestellt.

In diesem Diagramm wird deutlich, dass die Wicklungstemperaturmessung durch die Widerstandsänderung eine Standardabweichung von 2,2 °C hat, wobei die Standardabweichung mit dem Thermoelement mit einem Wert von 7,8 °C deutlich höher liegt. Die Unsicherheit einer thermoelementbasierten Messung ist also um ein Vielfaches größer als die Messunsicherheit aus dem neuen, standardisierten Messverfahren. Durch das neue Messverfahren wurden nicht nur Zeitaufwand und Kosten reduziert, die Messergebnisse sind zugleich auch zuverlässiger geworden.

Literatur

[1] Fischer, Rolf (2006): Elektrische Maschinen. 13., aktualisierte Auflage. München: Hanser. S. 384-387.

* Romina Pährisch und Prof. Dr.-Ing. Manfred Estler sind Mitarbeiter an der ESB Business School Reutlingen University, 72762 Reutlingen, Paul Zimmermann ist Mitarbeiter bei der Festool GmbH in 73240 Wendlingen.

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