Om selvinduktion
Jeg vil ikke komme nærmere ind på en beskrivelse eller udregninger af luftspolers selvinduktion, da der på nettet findes mange gode artikler. Under min søgning fandt jeg Tore Skogbergs PDF fil - Luftspoler - som redegør for beregning af luftspolers selvinduktion. En god artikel der beskriver "vanskelighederne" med at bestemme spolers selvinduktion. Et anden websted, hvor man kan beregne en spoles selvinduktion findes her: Coil Inductance Calculator. Her er det muligt at vælge mellem enkelt lag spole, multi lag/multi række spole og multi lag/enkelt række spole. |
Og dog. Jeg har lavet et Excel regneark til denne metaldetektor, hvor man kan beregne luftspolers selvinduktion. Regnearket er skrive beskyttet, således kan man ikke komme "galt" af sted. Det er kun røde tal og bogstaver, som skal ændres. De 2 første beregninger er for metaldetektoren. Nummer 3 er en general beregning. Nummer 4 er for bestemmelse af "burst" tiden. Træk regnearket ind på din egen PC og gem resultaterne.
|
Magnetiske egenskaber
En metalgenstand kan forårsage en variation i et bredbånd selv-induktans, og dermed i graden af koblingen mellem induktorerne. Virkningen kan være positiv eller negativ, afhængigt af den relative permeabilitet, µr, af de relevante metaller. I denne forbindelse er det nyttigt at vide, om materialer og stoffer klassificeres som paramagnetiske µr > 1, diamagnetiske µr < 1 eller ferromagnetiske µr >> 1. Se nedenstående skema. Fastsættelse af et objekts stof på grundlag af en µr måling er generelt temmelig vanskelig. Men forskellen på paramagnetiske og diamagnetiske materialer på den ene side og ferromagnetiske materialer på den anden side, er klart synlig takket være mærkbar forskel i størrelsen af µr. Hvirvelstrømme (Eddy current) induceres i en ledende genstand, når denne er omfattet af et varierende magnetfelt. Styrken af hvirvelstrømme afhænger af formen og størrelsen af den metalgenstand, og den resistivitet (specifikke modstand) som stofferne besidder. Stærke hvirvelstrømme kan induceres i for eksempel en metalplade, hvis denne er flad og temmelig stor. Hvirvelstrømmene bliver betydeligt svækket, hvis en spalte er skåret ind i metalpladen. Ovenstående betragtninger kan tjene til at redegøre for de tekniske problemer med at bestemme indholdet af et nedgravet objekt på grundlag af en enkelt målemetode. I følge min gammel lærebog i fysik er disse materialer opgivet: |
||||
Diamagnetiske µr < 1
Kobber Grafit Kviksølv Vand |
Paramagnetiske µr > 1
Aluminium Atm. luft Krom |
Ferromagnetiske µr >> 1
Jern Mµ-Metal Koboltstål Stål legering |
Kredsløb beskrivelse
Kredsløbet af metaldetektoren vises nedenfor. Transistor Q1 fungerer som en selv Quenching Oscillator, det er en oscillator der producere en række korte tog af radio-frekvenssvingninger adskilt af mellemrum af stilhed. Det betyder, at den samtidig giver et højfrekvens og et lavfrekvens signal, der tilsammen udgør en AM lignende bølgeform som vist på oscillogrammet ovenfor. Bemærk, at den stigende hældning af den sammensatte bølgeform er stejlere end den faldende hældning. Oscillatorens tændes og slukkes ved hjælp af D1, C1 og (R1 + P5). Under svingning oplades C1 via D1 til en spænding der er høj nok til at slukke Q1. Svingningerne stopper, og C1 aflades via (R1 + P5), indtil spændingen er lav nok til at Q1 starter svingningerne igen. Med de valgte komponenter - spoler, kondensatorer og modstande - er det højfrekvente signal ca. 30KHz (T2 = 0,033mSec) og mellemrummet af stilhed ca. T1 = 2mSec. Betingelsen T1 >> T2 er opfyldt. Senderens induktionsspoler L1, L2 og L3 er forbundet mellem Base og Collector på Q1. Emitter er lagt vekselspændings set til ground. I praksis er senderens induktor kredsløb indrettet således, at forstyrrende strø kapaciteter modvirkes for at sikre stabiliteten af oscillatoren. Kondensator C13 er monteret i søge-hovedet sammen med sende-spolerne, for at forhindrer stabilitets problemer på grund af kabelkapaciteter i ledningerne mellem søge-hovedet og kredsløbet. Værdien opgivet her på 33nF giver med min sendespole en resonansfrekvens på 30KHz. Kondensatoren C14 er også monteret i søge-hovedet sammen med modtagespolerne L4 og L5. Værdien opgivet her på 15nF giver med min modtagespole en resonansfrekvens på 30KHz. Induktions spolerne udgør tilsammen en koblings sløjfe, der dækker hinanden på midten med ca. 16 mm. Det resterende baggrunds signal fra L4 og L5 kan kompenseres for ved hjælp af tuning kondensatorerne C5 og C6, som tjener til at nul stille metaldetektoren, når placeringen af sendespole og modtagespole er blevet tilpasset hinanden, og færdiggørelse af søge-hovedet er afsluttet med succes. Bemærk, kan du finde en enkelt drejekondensator på 500pF, kan du nøjes med denne. |
|||
|
|||
Følsomheden af metaldetektoren kan justeres med potentiometer P1 - fin - og P2 - grov. Diode D2 er en positiv ensretter, der sikrer fravær af negative niveauer på inverter (-) input af IC1. Operationen af detektor kredsløbet er forholdsvis enkel, når det ensrettede indgangssignalet overskrider tærskel spændingen på comparatorens ikke-inverterende (+) input skifter IC og trækker den åben-collector udgang lav (0 volt) og tænder for højttaler driveren Q2. Tonehøjden fra den indbyggede højttaler i metaldetektoren afhænger af signal niveauet fra modtager spolerne L4 og L5. Variationer i den modtagne signalstyrke giver anledning til en tilsvarende variation i "duty" faktoren af den del af "bursten", der overstiger tærsklen. Effekten, der fremkommer herved, er en tydeligt hørbar tone skift, når en metal genstand er opdaget.
Komponenterne D3, R7 og C12 konvertere udgangssignalet fra Q2 til en negativ feedback spænding til comparatorens inverter (-) input. Dette set-up giver en automatisk gain kontrol, der modvirker stærke input niveau variationer. Drejespoleinstrumentet M1 giver en visuel indikation af signalstyrken. Trykknap S2 gør det muligt at kontrollere batteriets tilstand før eller under jagten på metalgenstande i jorden. |
Fremstilling af søge-hovedet
Det endelige, gode resultat af metaldetektoren er i vid udstrækning afhængig af den præcision, der anvendes i opbygningen af induktor kredsløbet i søge-hovedet. Billedet herunder viser den form, som jeg bruger til at fremstille induktionsspolerne på. Man laver sendespolen "A" først og derefter vendes brættet 180 grader og man laver så modtagespolen "B". Induktionsspolerne, der senere skal limes fast på bunden af en "flyvende tallerken" se billedet af DISCO'en, vikles af en lakeret kobbertråd med Wire gauge 30 eller på dansk ø 0,30 mm. Der skal bruges ca. 55 meter kobbertråd til 120 vindinger, hvor hver omkreds er 45,5 cm. Kobbertråden er ikke på materialelisten. Købes bedst hos Farnell: Part 1230977 0,315mm ½ Kg spoleform. Induktionsspolerne vikles på formen efter følgende anvisning: Formen fremstilles således: Et træbræt på 250x250x10 mm. En halvcirkel med radius 85 mm tegnes og søm slås i efter denne halvcirkel så tæt som muligt. Her er brugt 36 søm på halvcirklen. 10 mm over midten sættes 1 række søm med 10 mm afstand. I top og bund laves en "blød" overgang, som vist på billedet. Søm 1,4x35 mm runde elforzinket dykker er brugt. Sendespolen kaldet "A" laves først. Spolen sys med "kinesertråd" og limes let på ydersiden med lynepoxy, så den bliver fast. Spolen tages derefter af formen og formen vendes 180 grader. Herefter laves modtagespolen kaldet "B". Spolen sys med "kinesertråd" og limes let på ydersiden med lynepoxy, så denne bliver fast. Spolen tages derefter af formen. Bevikling af sendespolen "A" foregår således: Fastgør kobbertråden til søm L1 og start den første vinding L1 på formen ved nederste søm i midten. Vikle L1 med 22 vindinger med uret omkring sømmene over midten. Stop ved nederste søm i midten og lav en løkke ved at dreje tråden omkring sømmet ved TAB. Efterlad resten af kobbertråden ubenyttet et øjeblik, og begynd starten på L3 med en ny kobbertråd. Vikle L3 med 4 vindinger mod uret oven på L1. Start og stop ved nederste søm i midten og fastgør den frie ende af L3 på søm L3. Fortsæt med vinding L2 fra den samme kobbertråd, der var tilbage fra løkken til vinding L1. Vikle 22 vindinger med uret oven på L1 og L3, start og slut ved nederste søm i midten. Fastgør tråd enden på sømmet L2. Kobbertrådene samles, sys og limes efter ovenstående opskrift inden de tages af formen. L1+L2 Ohm'ske modstand målt til 4,4 Ohm. Beregnet 4,42 Ohm. Selvinduktionen er målt ved 10KHz til 780µH, L3 Ohm'ske modstand målt til 0,4 Ohm. Beregnet 0,40 Ohm. Bevikling af modtagespolen "B" foregår således: Fastgør kobbertråden til søm L4 på formen ved nederste søm i midten. Vikle L4 med 36 vindinger med uret, start og slut ved nederste søm i midten. Lav en løkke lige som for L1 omkring sømmet TAB. Fortsæt med samme kobbertråd og vikle L5 med 36 vinding med uret. Stop ved nederste søm i midten og fastgør den sidste kobbertråd på søm L5. Kobbertrådene samles, sys og limes efter ovenstående opskrift inden de tages af formen. L4+L5 Ohm'ske modstand målt til 7,2 Ohm. Beregnet 7,23 Ohm. Selvinduktionen er målt ved 10KHz til 1900µH. |
Opsætning af søge-hovedet
Spolerne i midten skal overlappe hinanden ca. 18 mm. Denne afstand skal være justerbar i begyndelsen, hvorefter de limes fast i bunden af skålen. Identificer alle lednings ender og tråd løkker, og tjek for korrekt kontinuitet. Beregning af spolernes selvinduktans kan med rimeligt nøjagtighed udregnes efter denne formel: Coil Inductance Calculator Når lynepoxy'en er hærdet kan du begynde at arbejde med spolerne. Læg sendespolen i venstre side af skålen. Modtagespolen lægges over sendespolen så afstanden er ca. 18 mm fra spolernes midte. Fordel afstanden ligeligt fra midter nylon gevindstang med møtrik. Nu skal resonansfrekvensen på 30 KHz for begge spoler findes og afstanden mellem spolerne justeres så signalet "Nulles". Det gøres således: Sendespolen: Du skal bruge en tonegererator, dobbeltstråle oscilloscope og flere forskellige værdier af kondensatorer for C13 og C14. Jeg endte op med 33nF for C13 og 15nF for C14. Forbind C13 til L1 og L2 samt C14 til L5 og L4 som vist på diagrammet herunder. Tilslut tonegeneratoren og CH1 på oscilloscopet til samlingspunktet C13 og L1 = TP1. CH2 på oscilloscopet tilsluttes til samlingspunktet C13 og L2 = TP2. Tonegereratorens output sættes til 8 Vpp og frekvensen omkring 30KHz afsøges for max udslag på CH2. Den aflæste frekvens er Fres. Switch S3 er i stilling OFF. Modtagespolen: Tilslut tonegeneratoren og CH1 på oscilloscopet til samlingspunktet C14 og L5 = TP3. CH2 på oscilloscopet tilsluttes til samlingspunktet C14 og L4 = TP4. Tonegereratorens output sættes til 8 Vpp og frekvensen omkring 30KHz afsøges for max udslag på CH2. Den aflæste frekvens er Fres. Switch S3 er i stilling OFF. Jeg fandt med standardværdierne 33nF og 15nF 30KHz og 29KHz, hvilket er tilfredsstillende. Sendespolen kan nu limes fast på underskålen i venstre side med en limpistol. Modtagespolen lægges over sendespolen så afstanden er ca. 18 mm fra spolernes midte. Fordel afstanden ligeligt fra midter nylon gevindstang med møtrik. Sikre ligeledes kondensatorer C13 og C14 på underskålen med en limpistol, og lod dem endelig til de relevante korte trådender. Trådenderne og kondensatorerne vender bagud på søge-hovedet. Nulling: Tonegeneratoren og CH1 tilsluttes samlingspunktet C13 og L2 = TP2. CH2 tilsluttes samlingspunktet C14 og L5 = TP3. Switch S3 sættes i ON således at punkterne A og C forbindes. De variable kondensatorer C5 og C6 sættes til 50 %. Modtagespolen flyttes indtil der (næsten) ingen udslag er på CH2. Se billede 1 herunder. Lim modtagerspolen ved flg. fix punkter kl.12, 2, 3, 4 og 6. Denne nuljustering kan udføres, når elektronikken og søge-hovedet er samlet, men der skal ikke være tændt for enheden. Ved at ændre C6 til minimum henholdsvis maksimum ses et øget signal i medfase henholdsvis modfase. Nu er "Nulling" udført tilfredsstillende. Bemærkning til C5 og C6, måske behøver du kun èn kondensator C6 mellem 300pF og 500pF, men PCB er udlagt så der kan sættes flere i parallel. De tre vandrette ø 6,5 mm huller i skålen er til fastgørelse af søge-hovedet med 6 mm nylon gevindstænger og møtrikker til et 25 mm PVC installationsrør. Husk endelig, der må ikke være nogen form for metal mellem spolerne. De resterende mekaniske dele i metaldetektoren kan fremstilles efter individuelle ønsker. Søge-hovedet og kabinettet til detektor elektronikken kan tilpasses på et 25 mm PVC installationsrør. PVC installationsrør er at foretrække på grund af den lavere vægt og muligheden for at skjule ledninger mellem søge-hovedet og detektor kredsløbet. Jeg fyldte et 1,5 meter installationsrør med tørt sand og brugte en el varmeblæser til at blødgøre materialet inden jeg forsigtigt bukkede røret. Man kan også bruge en bukkefjeder, hvilket er at foretrække. Håndtaget er omviklet med korktape, som også bruges til cykelstyr. |
Fremstilling af metaldetektor elektronikken er blot et spørgsmål om montering af alle komponenter i overensstemmelse med PCB overlay tekst og partslisten. Der er ti kontroller, omskifter og afbryder i elektronikken: S1 afbryder sidder i P1, S2-P4 justering af meter fuldudslag (FSD) og batteri tjek, S3 on-off-on til C5 og C6 nulstilling af induktionsspolerne, P1 følsomhed fin, P2 følsomhed grov, P4 individuel indstilling af viserinstrumentet og P5 brum/jitter udligning. Forbindelserne mellem spolerne i søge-hovedet og metaldetektor PCB er udført i 4 polet skærmkabel 4x0,14mm. Kabel og elektronik dele kan købes hos PC Elektronik. EM-Box 160x80x56 grå er købt hos Elektronik Lavpris på tilbud. Nylon bolte, gevindstænger og møtrikker hos Farnell. Det store spørgsmål er, hvor skaffer man en variabel kondensator på 500pF? Jeg fandt min i en gammel FM radio, som jeg "slagtede". Højttaleren er monteret i bunden af box'en. Den er skærmet med staniol, som er forbundet til ground. Jeg har valgt alle potentiometer med afbryder, fordi de ikke er monteret med møtrik i frontpladen. Det modvirker at de vrider sig, på grund af dobbelt understøtning. Måske er det ikke nødvendigt med trimmeren C5 på 90pF. Den findes i 2 udførelser, begge er afsat på printet, så bor kun de 3 huller, som passer til din trimmer. Batteriholderen er monteret under box'en med 2 strips. Viserinstrumentet er limet på box'en med lynepoxy. Det er et instrument fra en gammel radio - feltstyrkemåler med 100 µA FSD. Omskifter S3 On-Off-On sidder på siden modsat C6. Box'en er monteret på PVC røret med 2 stk. 25 mm bøjler. Tre passende knapper skal du så selv finde, og så er metaldetektoren færdiglavet.
Printkortet måler 126mm x 73mm og passer i en EM-Box 160x80x56mm. Den variabel kondensator C6 på 300pF og DISCO'en Et egnet kabinet til induktor samling består af to plast skåle, som giver tilstrækkelig plads inden i, når kanterne er limet sammen. Det indesluttede søge-hoved kan gøres tilstrækkelig robust ved at fylde skålen med polyuretan bygningsskum. Det venter jeg med indtil alt er afprøvet med et godt resultat. Det gør søge-hovedet tungere med fare for at blive træt i armen. Jeg har fundet to DISCO Professional 250 flyvende tallerkner i B.R. Legetøj til 30 kr., som jeg vil bruge som kabinet. Jeg bør lige nævne at den påtrykte tekst i "sølv" skal fjernes med en stiv børste, acetone og en klud. Husk ingen metal nær søge-hovedet, det er først, når du går på jagt efter objekter. Min første tanke var at montere induktionsspolerne på to halve akryl plader inde i skålene, så justeringen kunne foretages ved at forskyde pladerne i forhold til hinanden. Men senere har jeg fået den ide at udelade akrylpladen og lime induktionsspolerne direkte på bunden af den nederste skål med en limpistol. Man skal blot sikker sig at gøre bunden stabil ved at samle begge skåle med tilstrækkelig antal nylon gevindstænger og møtrikker. Jeg har fundet hos Farnell de fornødne materialer: Nylon møtrikker Nut M6 varenr. 701-6979 og nylon 1 meter M6 gevindstang Studding varenr. 706-7525. Jeg har brugt 3 stænger på 100 mm og 4 stænger på 75 mm og i alt 28 møtrikker. Gevindstænger og møtrikker i overskålen er alle sikret med lynepoxy. Møtrikker på den indvendige side af underskålen er også sikret med lynepoxy ca. 51 mm oppe. Kontroller selv at skålene passer godt sammen inden du limer disse møtrikker fast. Møtrikkerne på undersiden af underskålen venter jeg med at lime til alt er afprøvet. Billederne herunder viser, hvordan de to skåle bliver samlet. Øverste billede viser topskålen, hvor nylon gevindstænger er placeret. De 3 i midten holder søge-hovedets support til PVC røret. De 4 er med til at stabilisere skålene, når de er samlet. Det underste billede viser en tegning af søge-hovedets support til PVC røret. |
Disco skålen er blevet renset for "sølv" skriften og monteret med supporten for PVC røret, samt sprøjtemalet med mat sort. Bemærk gevindstangen med møtrik i midten skal undersænkes i materialet, ellers kan PVC røret ikke drejes i korrekt stilling. På det underste billede ses tegningen, hvorefter supporten fremstilles. Materialet kan være hårdt træ (jeg har brugt bøgetræ) eller hårdt plast, men IKKE metal. De 4 ringe benævnt O 4x10 mm er gennemboret huller, som skal forhindre en kærvvirkning i de to lodrette holder. Supporten er også limet med lynepoxy ligesom møtrikkerne er sikret med lynepoxy. Jeg har ændret foden fra 20mm til 12mm. Vægten skal ned. Derfor er skålene heller ikke fyldt op med bygningsskum.
|
Indstilling af batteri tjek og interferens
Forsyn kredsløbet fra en reguleret 9 volt forsyning, og justere følsomhedens kontrol potentiometer P1 og P2 således, at metaldetektoren ikke frembringer nogen lyd. Tryk på S2, og justere P4 for fuldt udslag på M1. Reducer spændingen til 7 volt, og markere nåle positionen med rødt. Med trimmepotentiometer P3 er det muligt at justere M1 følsomhed for individuelle præference for de 7 volt. F.eks. 70 % af FSD. Til slut en bemærkning til oscillatoren, en form for brum eller "jitter" på 100-150 Hz kan måske høres som et resultat af interferens mellem de to udgangsfrekvenser. Denne effekt kan undgås ved at justere på 50 K Ohm synkroniserings potentiometer P5. Effekten er, at man ændre på tiden mellem to "burst", og dermed synkronisere frekvenserne. Middel tiden mellem to "burst" bør ligge omkring 2mSec. |
Elektronikken sidder i låget og højttaleren sidder i bunden |
Anvendelse af metaldetektoren i praksis
Første gangs bruger af denne metaldetektor rådes til at afprøve effekten af forskellige indstillinger af C6. En række forsøg i marken har vist, at metaldetektorens følsomhed er størst, når tonen fra højttaleren lige er hørbar. Dreje C6 til venstre og højre for sin nul stilling er en måde til at fastslå, om en genstand i jorden er sammensat af et ferromagnetisk, diamagnetisk eller paramagnetisk stof. Det kræver sin "MAND" skulle jeg hilse og sige. Praksis er utvivlsomt den bedste måde at få erfaring med anvendelsen af denne metaldetektor og fortolkningen af dens udgangssignal. Det vil snart vise sig, at den overlappende del af sendespole og modtagespole er det mest følsomme område af søge-hovedet. Når dette føres langsomt hen over jorden, er det muligt at påvise en mønt på størrelse med en 1 krone begravet omkring 10 cm dybt. LÆS DENNE ANSVARSFRASKRIVELSE: Du er velkommen til at bygge denne metaldetektor efter diagrammet og mit PCB udlæg, men du skal ikke forvente hjælp, hvis det går "galt". Dette kredsløb anvender ikke potentielt dødelige niveauer af spænding og strøm, men kun 6 stk. 1,5V batterier. VÆR FORSIGTIG! Hvis du ikke er sikker på, hvad du gør, især når det kommer til kredsløb med strøm fra 230VAC. DET ER DIT ANSVAR: At hente hjælp, at forlade projektet, ikke komme til skade, ikke bygge sjusket kredsløb, ikke såre andre, ikke starte brande. Denne information stilles til rådighed som en service til enhver person. Et hvert ansvar for sikker og korrekt anvendelse af dette kredsløb fraskrives. |
[Website] [Danmark] [Hvor i Danmark] [Sverige] [Hvor i Sverige] [Norge] [Hvor i Norge]
one.com |