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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Induktivität einer Kreisspule


Autor: Marc (Gast)
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Hallo Zusammen,

für den Selbstbau eines Metalldetektors möchte ich eine Suchspule 
herstellen.
Ich mein mich zu erinnern, dass eine vernünftige Suchspule so ungefähr 
einen Durchmesser von 18cm hat.
Aber wie berechnet man die Induktivität der Spule?
Das Internet gibt hierzu nicht so viel her. Ich hätte vermutet, dass 
dieser Spulentyp als Ringspule bezeichnet wird. Für diese Spule gäbe es 
auch einfache Formeln.
Die Suchspule besteht aber aus einer flachen Scheibe, auf die der Draht 
aufgewickelt ist. Dazu konnte ich aber keine Formel finden.

Kann jemand weiter helfen?

Gruß,
Marc

Autor: Harry G. (humming)
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Hallo Marc,
das nennt man Luftspule und hier gibt es eine Hilfe zur berechnung der 
Induktivität:http://www.ebgymhollabrunn.ac.at/ipin/ph-l-ind.htm

Gruß Harry

Autor: Michael H. (michael_h45)
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Harry G. schrieb:
> das nennt man Luftspule
Nicht unbedingt, denn die ist i.A. eine langgezogene oder auch 
Zylinder-Spule.
Das ist seine nicht.

Eine gute Näherung für seine gequetschte Zylinderspule:
, wobei d die Dicke der Wicklungen ist.

Autor: Marc (Gast)
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Vielen Dank für eure Hilfe. Damit lässt sich schon mal rechnen.

Mit der Nomenklatur bleibt es ein schwierig, wenn es für das was man 
meint keinen Namen gibt: Es ist eine Zylinderspule mit der Länge gegen 
Null. Blos gelten halt dann die Formeln für die Zylinderspule nicht 
mehr.
Ich hätte es am ehesten als Ringspule bezeichnet, dieser Begriff ist 
aber eben schon durch eine andere Bauform belegt. Also bleibt 
"Kreisspule", das scheint aber nicht üblich zu sein.

BTW: Weiß jemand von euch, wie groß die Reichweite eines Metalldetektors 
mit "Kreisspule" sein kann?
Bei der 125KHz RFID Technik weiß ich, dass die Reichweite ungefähr 
Radius*0.7 beträgt.

Autor: eProfi (Gast)
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Flachspule, Spirale?
Wie z.b. in den Induktionskochplatten. Die könnten sich recht gut als 
Metalldetektor nutzen. Meine aus einer Silvercrest 2000W bestehen aus 
einer einfachen HF-Litze mit 27? Windungen, die mit den 6 Ferritplatten 
106µH hat. Mit einem C von 0,33µF ergibt das ca. 25 kHz.
Für Deine Zwecke muss man prüfen, ob die Ferrite entfernt werden sollen.

Ob nicht eine Zylinderspule eine bessere Reichweite ergibt?
Es gibt ja z.B. von Garrett spezielle Tiefenspulen. Was zeichte diese 
aus?


Für der Auswertung werden Frequenzänderung und / oder Dämpfungsänderung 
(Schwingkreisgüte) herangezogen.

Was für ferromagnetische Materialien auch empfehlenswert ist: 
Magnetfeldmessung, z.B. mit KMZ51 / MKZ52 und ähliche (siehe 
µC-Wiki-Artikel Sensoren). Ich sah damit ohne Probleme, wenn ich aus 1 
Meter Entfernung mit dem Schraubenzieher wedelte.

Viel Erfolg, und bitte berichte Deine Erkenntnisse, die mich und 
bestimmt viele andere sehr interessieren.

Autor: Marc (Gast)
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>mit KMZ51 / MKZ52 und ähliche (siehe
>µC-Wiki-Artikel Sensoren). Ich sah damit ohne Probleme, wenn ich aus 1
>Meter Entfernung mit dem Schraubenzieher wedelte.

Wow, das hört sich ziemlich gut an. Muss ich mich mal damit 
beschäftigen.

Die meisten Metalldetektoren arbeiten wohl so mit 100KHz. Diese Frequenz 
habe ich jetzt mal angepeilt.
Für meinen Oszillator brauch ich dazu ca. 2.8mH. Da komme ich auf 85 
Windungen bei 18cm Tellerdurchmesser.

Die Induktivität der Herdplatte scheint mir dafür zu klein.

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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abo

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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abo gibts doch gar nicht mehr, oder?

Honeywell hat auch interessante Magnetfeldsensoren. Falk Willberg weiß 
da mehr.

Autor: Max (Gast)
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Man sollte die Spule noch abschirmen (gegen kapazitiven Einfluß). Zum 
Beispiel die Spule am ganzen Umfang zu .umwickeln und diese Wicklung auf 
Masse legen.

Dadurch wird der Matalldetektor bei Annäherung an nichtmetallische 
Gegenstände weniger verstimmt.

Autor: Marc (Gast)
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Kurzer Zwischenbericht:
habe mir eine Spule mit 16,5cm Durchmesser und 88 Windungen gewickelt ( 
wenn ich mich nicht verzählt habe ). ( Frequenz jetzt 87Khz, bei 
C=0.91nF )
Das ganze wird mit einem Colpitts Oszillator mit einem Transistor 
betrieben.
Auf dem Oszilloskop lässt sich eine Schwingungsänderung erkennen, wenn 
ich mit meinem Metall-Locher in etwa 10cm Nähe kommen. Bei der Messung 
mit einem selbsgebastelten Frequenzzähler komme ich auf etwas 20cm bei 
einer Torzeit von 1s.

>Dadurch wird der Matalldetektor bei Annäherung an nichtmetallische
>Gegenstände weniger verstimmt.
Ja, das ist interessant. Wenn ich meine Hand in die Näher der Spule 
bringe, ändert sich die Frequenz am Zähler. Ich habe gedacht, das liegt 
daran, dass der Mensch zum großen Teil aus Wasser besteht.
Ein Experiment mit einem Wasserglas in der Nähe der Spule bringt aber 
keinen Effekt. Auch wenn ich Salz reinkippe, um die Leitfähigkeit des 
Wassers zu erhöhen, gibt es keinen Effekt.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Menschen sind praktisch nicht magnetisch, wenn du das meinst. Zwar hat 
man Eisen im Blut, aber das ist dort aufgrund der Konstellation nicht 
magnetisierbar. Nanopartikel sind das grundsätzlich nicht.
Man kann einen Menschen allerdings in extrem starkem Magnetfeld schweben 
lassen. Der Effekt ist dabei ein anderer. Zumindest mit Fröschen wurde 
das schon öfters vorgeführt.

Es gibt noch eine Geschichte:
Bei Einführung der Pager (160MHz irgendwas) hat man durch Zufall 
festgestellt, das die Pager besonders gut funktionierten, wenn man 
diesen am Gürtel trug. Der Grund: Der vertikal ausgerichtete Mensch 
wirkt als große Dipolantenne, die dann auf die kleine Ferritantenne im 
Pager direkt reinkoppelt. Das bringt dann den etwas besseren Empfang.

Autor: Marc (Gast)
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>Menschen sind praktisch nicht magnetisch, wenn du das meinst.
Nein, das meinte ich natürlich nicht.
Man kann mit der Schwingkreisresonanz des LC-Schwingkreises Metall 
detektieren. Das Metall kann sowohl feromagnetisch als auch nicht 
magnetisch sein. Beim nicht magnetischen Metall ergibt sich die 
Veränderung der Induktivität wohl aus den Wirbelströmen ( wobei mir 
nicht klar ist, warum sich die Induktivität ändert ).
Da der Mensch einen relativ geringen Innenwiderstand hat, ging ich davon 
aus, dass sich die Induktivität durch den induzierten Wirbelstrom in der 
Hand ändert. Deshalb auch das Experiment mit dem Glas Salzwasser ( da 
müsste es ja dann auch einen Wirbelstrom geben ).

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Muß ich leider passen.

Autor: Max (Gast)
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Eine Hand dürfte tatsächlich über den Wirbelstrom die Schwingfrequenz 
verändern. Ich habe beobachet, dass bei höherer Frequenz (z.B. 1MHz) 
nichtmetallische Gegenstände einen höheren Einfluß haben.

Aus dem Grund ist ca. 100 kHz für einen Metalldetektor eine gute Wahl.

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Marc schrieb:

> Man kann mit der Schwingkreisresonanz des LC-Schwingkreises Metall
> detektieren. Das Metall kann sowohl feromagnetisch als auch nicht
> magnetisch sein. Beim nicht magnetischen Metall ergibt sich die
> Veränderung der Induktivität wohl aus den Wirbelströmen ( wobei mir
> nicht klar ist, warum sich die Induktivität ändert ).

Die Wirbelströme verursachen gegenpolige Magnetfelder, die das erregende 
Magnetfeld und damit auch den Strom (siehe auch Skin-Effekt) mit 
zunehmender Frequenz aus dem Inneren des Materials verdrängen. Die 
Induktivität einer Windung errechnet sich zu L = Phi / I. D.h., L ist 
ein Mass dafür, wieviel Fluß eine Spule bei einem bestimmten Strom 
erzeugt. Befindet sich in der Spule Material, das den Fluß verdrängt, 
müssen die Feldlinien einen längeren Umweg nehmen --> es erhöht sich der 
magnetische Widerstand des magn. Kreises --> insgesamt weniger Fluß --> 
weniger Induktivität.
Man kann es auch anders beschreiben:
Nichtmagnetische Metalle verdrängen das magnetische Feld mit zunehmender 
Frequenz. Das entspricht einem diamagnetischen Verhalten, d.h., die 
relative Permeabilität dieser Metalle sinkt mit zunehmender Frequenz 
deutlich unter 1. Wie man L durch einen ferromagnetischen Kern deutlich 
vergrößern kann, kann man z.B. mit einem Messingkern L deutlich 
verkleinern. Das ist bei Spulen ab dem UKW-Bereich sogar gängige Praxis.

> Da der Mensch einen relativ geringen Innenwiderstand hat, ging ich davon
> aus, dass sich die Induktivität durch den induzierten Wirbelstrom in der
> Hand ändert. Deshalb auch das Experiment mit dem Glas Salzwasser ( da
> müsste es ja dann auch einen Wirbelstrom geben ).

Die Ausprägung des Wirbelstromeffektes hängt außer von der Frequenz 
direkt von der Leitfähigkeit des Materiales ab. Wenn Du Dir mal die 
Werte aus einer Tabelle heraussuchst, wirst Du sehen, dass zwischen 
Metallen und Elektrolyten immer noch viele Größenordnungen liegen. 
Wirbelstromeffekte, wie auch der Skin-Effekt sind daher zumindest bis in 
den oberen kHz-Bereich in der Hand weitgehend vernachlässigbar.
Bei einer Schwingkreiskapazität unter 1 nF verursachen Kapazitäten im 
pF-Bereich bereits deutliche Frequenzänderungen. Die Kapazität eines 
Menschen bezüglich Erde dürfte in der Größenordnung von 50 pF liegen. 
Dazu in Serie liegt die Kapazität zwischen Spule und Hand. Wenn Du also 
mit der Hand in die Nähe der Spule kommst, wirst Du den Schwingkreis 
zusätzlich mit 1-10pF belasten. Dieser Effekt ist dann gegenüber der 
Induktivitätsänderung durch kleine Metallteile nicht mehr 
vernachlässigbar.

Jörg

Autor: Marc (Gast)
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>Nichtmagnetische Metalle verdrängen das magnetische Feld mit zunehmender
>Frequenz. Das entspricht einem diamagnetischen Verhalten, d.h., die
>relative Permeabilität dieser Metalle sinkt mit zunehmender Frequenz
>deutlich unter 1. Wie man L durch einen ferromagnetischen Kern deutlich
>vergrößern kann, kann man z.B. mit einem Messingkern L deutlich
>verkleinern. Das ist bei Spulen ab dem UKW-Bereich sogar gängige Praxis.

Interessant. Ich habe einige Artikel über Metalldetektoren gelesen. Es 
gibt scheinbar Detektoren, die zwischen nicht-ferormagnetischem und 
feromagnetischen Metallen unterscheiden können. Beim einen sollte die 
Frequenz des Schwingkreises steigen und beim anderen sinken.
Ich konnte diesen Effekt leider nicht beobachten ( Test mit Alu- und 
test mit Eisen ). Hmm... ich muss da noch ein wenig experimentieren.

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Marc schrieb:

> Interessant. Ich habe einige Artikel über Metalldetektoren gelesen. Es
> gibt scheinbar Detektoren, die zwischen nicht-ferormagnetischem und
> feromagnetischen Metallen unterscheiden können.

Das sollten eigentlich alle besseren Geräte können.

> Beim einen sollte die
> Frequenz des Schwingkreises steigen und beim anderen sinken.

Richtig, und wenn man dann noch die Dämpfung auswertet und/oder mit 
verschiedenen Frequenzen misst, kann man sogar verschiedene Metalle 
unterscheiden.

> Ich konnte diesen Effekt leider nicht beobachten ( Test mit Alu- und
> test mit Eisen ). Hmm... ich muss da noch ein wenig experimentieren.

Der Effekt sollte bei Frequenzen um 100 kHz deutlich meßbar sein. 
Allerdings darf die Frequenz nicht zu hoch sein, da auch Eisen 
irgendwann diamagnetisch wirkt, wenn der Wirbelstromeffekt gegenüber dem 
Ferromagnetismus überwiegt.

Jörg

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