Wolframwendel Überwachung

[Michael Koch]

Hallo,

in einer Hochvakuum-Anlage zur Beschichtung von Bauteilen
mit Aluminium befindet sich ein Heizwendel aus Wolfram. Der
Drahtdurchmesser ist ca. 1-2mm. Über die Windungen des
Heizdrahtes werden kurze Stücke Aluminium-Draht gehängt, und
wenn die Schmelztemperatur des Aluminiums erreicht ist
benetzt es den Wolframdraht. Das Problem dabei ist dass sich
bei längerer Betriebsdauer eine Alu-Wolfram Legierung bilden
kann, was dazu führt dass der Heizdraht durchbrennt. Dieses
Durchbrennen ist extrem unerwünscht weil heisse Tropfen auf
das Werkstück oder in die Turbopumpe fallen könnten.
Man könnte den Widerstand des Heizdrahtes elektronisch zu
überwachen: Ein Mikrocontroller mit 2 Analog-Eingängen
erfasst Strom und Spannung um den Widerstand zu berechnen.
Das ganze schnell genug, um das Durchbrennen rechtzeitig zu
erkennen und dann sofort den Strom abzuschalten. Wenn der
Draht durchbrennt müsste sich das eigentlich durch eine
Erhöhung des Widerstandes ankündigen, weil a) die Temperatur
lokal ansteigt und b) der Querschnitt lokal verengt wird.
Als Nebeneffekt hätte man gleich noch eine
Temperaturanzeige.

Fragen:
1. Ich suche den spezifischen Widerstand von Wolfram bei
höheren Temperaturen, entweder als Tabelle oder als
Reihenentwicklung.

2. Gibt es solche Überwachungsschaltungen schon?

3. Hat jemand eine Idee wie gross die "Vorwarnzeit" ist? Ich
denke mal dass ich weit auf der sicheren Seite liege wenn
der Controller mit 10kHz abtastet.

Gruss
Michael

 

[Dieter Wiedmann]

Michael Koch schrieb:

1. Ich suche den spezifischen Widerstand von Wolfram bei
höheren Temperaturen, entweder als Tabelle oder als
Reihenentwicklung.

Temp.[K] spez.Wid.[10^-8Rm]

300 5,44
400 7,83
500 10,3
600 13,0
700 15,7
800 18,6
900 21,5

Hier endet die Tabelle leider, aber Google mit 'electrical resistivity
tungsten' sollte weitere Infos liefern.



Gruß Dieter

 

[Uwe Hercksen]

Michael Koch schrieb:

Fragen:
1. Ich suche den spezifischen Widerstand von Wolfram bei
höheren Temperaturen, entweder als Tabelle oder als
Reihenentwicklung.

Hallo,

ganz einfach, such mal nach solchen Daten für Glühlampen.

Aber wenn die Wendel nur an einer kleinen Stelle zu dünn wird dürfte
sich der Gesamtwiderstand kaum wesentlich verändern. An der dünneren und
heisseren Stelle nimmt der Widerstand zu, der Strom nimmt etwas ab und
schon sinkt der Widerstand der anderen Teile der Wendel die nun kälter
werden.
Hoffentlich hat die Wendel eine genügend grosse thermische Zeitkonstante
damit Dein Durchbrennschutz noch eingreifen kann. Wie lange dauert denn
das Aufglühen beim Einschalten? Und das Ausglühen nach dem Ausschalten?

Bye

 

3. Hat jemand eine Idee wie gross die "Vorwarnzeit" ist? Ich
denke mal dass ich weit auf der sicheren Seite liege wenn
der Controller mit 10kHz abtastet.

Hallo Michael,


ich habe keine Ahnung, aber um dir ne IDEE von den Zeiten zu geben:
Die Strom-Zeitkennlinien von Sicherungen hören alle bei 10 ms auf.
Nimmt man nun an, dass dein Wolframdraht ähnlich wie ne
Schmelzsicherung durchbrennt sollte das doch zumindest
größenordnungsmäßig helfen.
Damit solltest du (vorausgesetzt dein ADC ist fix genug) wenn du dich
auf wenige Befehle beschränkst mit deinem 10kHz Controller hinkommen.
Noch ein paar Gedanken von mir:
* wie lange brauchst du zum Abschalten des Sroms?
* im Einschaltmoment wird deine Schaltung wahrscheinlich "Alarm"
melden und dir gleich wieder den Strom abdrehen --> du brauchst was
spezielles beim Einschalten


Gruß

Frank

 

[Michael Koch]

Hallo Uwe,

An der dünneren und
heisseren Stelle nimmt der Widerstand zu, der Strom nimmt etwas ab und
schon sinkt der Widerstand der anderen Teile der Wendel die nun kälter
werden.

Stimmt, das hatte ich noch nicht bedacht. Dann brauche ich
wohl besser eine Konstantstrom-Versorgung.

Wie lange dauert denn das Aufglühen beim Einschalten? Und das Ausglühen nach dem Ausschalten?

Ist ziemlich träge bei diesem Drahtdurchmesser, dauert
einige Sekunden.

Michael

 

[Michael Koch]

Hallo Frank,

* wie lange brauchst du zum Abschalten des Sroms?

Das kommt drauf an wie schnell die Abschaltung sein muss.
Das einfachste wäre ein Relais, geschätzt 50ms. Mit Triac
wären es maximal 10ms. Und wenn es noch schneller sein muss
dann brauche ich einen Transistor-Schalter.

* im Einschaltmoment wird deine Schaltung wahrscheinlich "Alarm"
melden und dir gleich wieder den Strom abdrehen --> du brauchst was
spezielles beim Einschalten

wieso? Beim Einschalten ist doch der Widerstand am
kleinsten, also deutlich unterscheidbar vom
Durchbrenn-Vorgang, wo der Widerstand am grössten ist.

Gruss
Michael

 

[Rafael Deliano]

Wenn der Draht durchbrennt müsste sich ...
Klingt zwar logisch, aber Ausfallverhalten ist meist

recht stochastisch.
Bevor man es am Orginalsystem versucht, sollte man eher
Versuchs mit stark beheizten Glübirnen machen.
Von denen findet man ( geschönte ) Plots von Lebens-
dauertest die praktisch Gaußverteilung mit Offset
( = typische Lebensdauer bei diesen Testbedingungen )
entsprechen. Hat man solche Daten kann man Risikoverlauf
feststellen und per preventive maintenance rechtzeitig
ausbauen.
Wenn das Aluminium tatsächlich das Heizelement
verändert, kann man das eventuell messen. Einfacher
als Messung im Betrieb wäre vor Beginn des Betriebs über
2pol Relais auf Meßschaltung umschalten. Und die Daten
kontinuierlich loggen.
Messung im Betrieb: ich würde vermuten, daß das eine
rauschende Angelegenheit wird. Das thermische Rauschen
müsste abhängig von Temperatur berechenbar sein. Aber
spritzendes Aluminium könnte das mit Spikes überlagern.
Abgesehen von Messung über U/I wird Wolfram
auch gerne in Rauschthermometern verwendet, aber da
braucht man eben sauberes Rauschen. Eventuell natürlich
durch digitale Filterung erzwingbar.
Es gibt auch Anwendungen wo das Rauschen selbst als
Diagnosesignal untersucht wird. Z.B. ehedem in Kern-
reaktoren. Prüfstände für z.B. Motoren verwenden auch
gern FFTs, aber da wird kein natürliches Rauschen
untersucht.

MfG JRD

 

[Uwe Hercksen]

Michael Koch schrieb:

Ist ziemlich träge bei diesem Drahtdurchmesser, dauert
einige Sekunden.

Hallo,

na dann siehts mit der Überwachung doch schon besser aus.
Du könntest doch auch mal einen Test mit verschiedenen Spannungen
machen, jeweils den Strom messen bei 0 bis 100 % Nennspannung.

Solche Kurven findet man hier:
http://www.enhydralutris.de

Die Schmelztemperaturen von Wolfram und Aluminium liegen ja eigentlich
weit auseinander, bei welchen Temperaturen wird denn da mit Alu bedampft?
Wie wäre es mit einer indirekten Heizung wie bei Röhren?
Wolframwendel, darum ein Röhrchen aus Aluminiumoxidkeramik und darauf
das Alu? Oder gleich ein Schiffchen etc. das das geschmolzene Alu aufnimmt.

Bye

 

[Thomas Ludwig]

Michael Koch <astro.electronic@t-online.de> wrote:

3. Hat jemand eine Idee wie gross die "Vorwarnzeit" ist? Ich
denke mal dass ich weit auf der sicheren Seite liege wenn
der Controller mit 10kHz abtastet.

Ich denke, dass du das für deinen konkreten Fall messen musst. Also
einmal Spannung und Strom als Funktion der Zeit beim Durchbrennen
messen.

Ich würde versuchen, ohne statische Werte auszukommen. Ich würde den
Heizdraht mit Konstantstrom betreiben und die Anstiegsgeschwindigeit des
Sollwerts für den Strom begrenzen. Dann überwachst du die Spannung am
Heizdraht und schaltest ab, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit dieser
Spannung einen bestimmten Wert überschreitet. Wahrscheinlich geht das
sogar ganz ohne uC.

Nur mal so ins Blaue phantasiert,
Gruß,
Thomas

 

[Michael Koch]

Hallo Uwe,

Die Schmelztemperaturen von Wolfram und Aluminium liegen ja eigentlich
weit auseinander, bei welchen Temperaturen wird denn da mit Alu bedampft?

Weiss ich nicht genau, aber ich denke man muss in die Nähe
der Verdampfungstemperatur des Alus kommen (2450°C). Und das
ist nicht mehr so weit von der Schmelztemperatur des
Wolframs (3380°C) entfernt.

Wie wäre es mit einer indirekten Heizung wie bei Röhren?
Wolframwendel, darum ein Röhrchen aus Aluminiumoxidkeramik und darauf
das Alu? Oder gleich ein Schiffchen etc. das das geschmolzene Alu aufnimmt.

Das geht in diesem Fall nicht weil meine Anlage horizontal
arbeiten soll. Aus Schiffchen kann man nur nach oben
verdampfen.

Gruss
Michael

 

[kai-martin knaak]

On Mon, 18 Aug 2003 10:45:08 +0200, Rafael Deliano wrote:

Es gibt auch Anwendungen wo das Rauschen selbst als
Diagnosesignal untersucht wird. Z.B. ehedem in Kern-
reaktoren.

Also nach dem Motto "Je heißer desto Rausch"?

---<(kaimartin)>---
--
Kai-Martin Knaak
kmkn@tem-messtechnik.de
gpg-key: http://pgp.mit.edu:11371/pks/lookup?search=kai-martin&op=index&exact=on

 

[Rafael Deliano]

Kernreaktoren.
Also nach dem Motto "Je heißer desto Rausch"?
Es wurde teilweise Neutronenfluß ausgewertet was vermutlich

Rückschlüsse auf Stellung der Brennstäbe ermöglicht.
Hauptsächlich aber Kühlkreislauf um kleine Lecks früh
erkennen zu können.

MfG JRD

 

[Uwe Hercksen]

Michael Koch schrieb:

Das geht in diesem Fall nicht weil meine Anlage horizontal
arbeiten soll. Aus Schiffchen kann man nur nach oben
verdampfen.

Hallo,

wenn ich Dich recht verstehe soll der Dampf also von oben nach unten
wandern. Könnte man statt des Schiffchens etwas Siebartiges aus
Aluminiumoxid benutzen? Flüssiges Alu soll durch die Adhäsion nicht
durchtropfen, aber Aludampf soll die Löcher passieren.

Die Dampftemperatur des Alus ist ja doch noch weit genug von der
Schmelztemperatur des Wolframs entfernt, bei 2450 °C sollte Wolfram ja
noch stabil genug sein wenn es nicht in direktem Kontakt mit flüssigem
Aluminium kommt. Nur vor dem Aludampf wird man das Wolfram so leicht
nicht schützen können.

Oder Du ziehst die Wolframwendel in ein Aluminiumoxid Schutzrohr ein und
hängst darüber die Alustreifen. Vermutlich tropft aber in diesem Fall
das Alu einfach vom Rohr ab.

Bye

 

[Uwe Hercksen]

Michael Koch schrieb:

das hört sich sinnvoll an. Ich glaube so werde ich es mal
probieren.

Hallo,

da musst Du Dir aber für das Aufheizen aus dem kalten Zustand noch was
überlegen. Da steigt der Widerstand auf ein Mehrfaches an, entsprechend
auch der Spannungsabfall. Dabei sollte aber die Schutzschaltung das
Aufheizen nicht abwürgen.
Bei Glühlampen nimmt der Widerstand auf immerhin über das Zehnfache des
Kaltwiderstands zu.

Bye

 

[Michael Koch]

Hallo Uwe,

wenn ich Dich recht verstehe soll der Dampf also von oben nach unten
wandern.

Nein, horizontal von links nach rechts.

Alle anderen Anordnungen haben gewisse Nachteile:

-- Verdampfer unten, Werkstück oben: Werkstück ist schwierig
zu befestigen, Abschattungen dort wo es aufliegt.

-- Verdampfer oben, Werkstück unten: Alu und/oder Wolfram
kann runtertropfen aufs Werkstück oder in die Pumpe.

Könnte man statt des Schiffchens etwas Siebartiges aus
Aluminiumoxid benutzen? Flüssiges Alu soll durch die Adhäsion nicht
durchtropfen, aber Aludampf soll die Löcher passieren.

Vielleicht geht das, aber ich wollte mich nicht zu weit von
bewährten Methoden entfernen. Ich weiss dass die Methode mit
dem Alu auf der Wolframwendel funktioniert, abgesehen von
dem Problem dass der Draht durchbrennen kann. Was man
natürlich verhindern kann wenn man ihn rechtzeitig
austauscht. Aber Wolfram ist teuer und ich möchte nicht
früher austauschen als notwendig.

Gruss
Michael

 

[Michael Koch]

Hallo Uwe,

da musst Du Dir aber für das Aufheizen aus dem kalten Zustand noch was
überlegen. Da steigt der Widerstand auf ein Mehrfaches an, entsprechend
auch der Spannungsabfall. Dabei sollte aber die Schutzschaltung das
Aufheizen nicht abwürgen.

verstehe ich noch nicht so ganz. Angenommen ich habe eine
steuerbare Konstantstromquelle und die
Anstiegsgeschwindigkeit des Strom-Sollwertes wird begrenzt,
so dass die Aufheizung ca. 10 Sekunden dauert.
Ich überwache ständig den Spannungsanstieg dU/dt. Er müsste
doch am Anfang klein sein (wegen des Kaltwiderstandes) und
dann grösser werden. Also hat die Schutzschaltung die
grösste Empfindlichkeit wenn der Draht heiss ist. Oder mache
ich da einen Denkfehler?

Gruss
Michael

 

[Rafael Deliano]

Verdampfungstemperatur des Alus kommen (2450°C)
In älterter (1973 ) Literatur zu Herstellung von

Dünnfilmhybrid/ICs findet sich für Schiffchen und 25cm Abstand
Tabelle zu Material, Quellentemperatur, Niederschlagsrate:
Al 1312´C 1,8 nm/s

Weitere Annahmen wohl:
Verdampfungsrate 10^-3 g/cm^2s
Druck 10^-4 ... 10^-7 Torr

Kann die Seiten bei Bedarf kopieren.

MfG JRD