Hallo Forum,
ich möchte gerne für ein Forschungsprojekt innerhalb einer Luftspule
(oder einer geeigneten Empfangsantenennlösung) das EM-Feld einer
kleinen Probe messen, der zu messende Frequenzbereich ist ca. zwischen
60Hz und 6kHz.
Momentan habe ich dafür eine etwas, nun ja, amateurhafte Lösung:
Ich habe eine halbwegs hochwertige externe Soundkarte genommen
(Focusrite Clarett), an den Mikrofoneingang (+57db Verstärkung) ein Sure
SM58 Mikro via XLR angeschlossen, dessen Mikrofonkapsel vom internen
Schwingkreis abgeknipst und als Ersatz eine Spule (selbstgewickelt,
zweilagig, ca. 10cm Länge) angelötet.
Das Ganze funktioniert prinzipiell, auch mit einer gewissen Richtwirkung
, sodass EM Felder innerhalb der Spule verstärkt gemessen werden im
Vergleich zu externen Feldern, aber wie ihr euch denken könnt ist das
keine optimale Lösung.
An sich finde ich es charmant mit einer Soundkarte als ADC zu arbeiten,
die sind ja schon auf den richtigen Frequenzbereich und hohen SNR
optimiert und funktionieren gut an allen Rechnern und mit der passenden
Analysesoftware (=Adobe Audition z.B.).
Bei meiner momentanen Lösung wäre es wohl besser den unverstärkten
Line-Eingang zu nehmen und einen hochwertigen, möglichst linearen
Mikrofonvorverstärker zu verwenden. Aber ich bin da aber für alternative
Lösungswege.
Primär wäre mir wichtig das Spulendesign zu optimieren, so dass man eine
möglichst hohe Verstärkerwirkung zwischen 100-5000 Hz erzielt.
Gemessen werden sollen Proben, welche sich innerhalb von Reagenzgläsern
befinden, Länge 5cm, Durchmesser 1cm.
Was ich konkret bräuchte wäre:
- Berechnung der optimalen Wickelzahl, des Spulen- und des
Drahtdurchmessers sowie der Länge der Luftspule, für möglichst hohe
Richtwirkung und Empfindlichkeit - da die zu messenden EM Felder sehr
schwach sind
- Design eines optimalen Schwingkreises für den gewünschten
Frequenzbereich, am besten in Kopplung mit einem XLR Ausgang
Budget ist vorhanden, allerdings da privat finanziertes
Forschungsvorhaben jetzt in eher kleinen Mengen.
Freu mich auf Rückmeldung,
Stefan
Von Antennen und Elektromagnetische Wellen spricht man eher oberhalb von
10 kHz. Die Wellenlängen darunter sind viele Kilometer groß, z.B. die
Netzfrequenz 50 Hz hat 6000km.
Stefan Ihmig schrieb:> - Berechnung der optimalen Wickelzahl, des Spulen- und des> Drahtdurchmessers sowie der Länge der Luftspule, für möglichst hohe> Richtwirkung und Empfindlichkeit - da die zu messenden EM Felder sehr> schwach sind
Ich denke du musst über die Physik noch etwas genauer nachdenken:
1. "Richtwirkung" gibt es bei Spulen der Größe in dem Frequenzbereich
überhaupt nicht. Jede Spule die du bauen kannst hat die gleiche
"Richtwirkung", sogar jedes Zusammenschalten beliebig gebauter Spulen
ändert an der "Richtwirkung" nichts. Du hast immer ein Signal
proportional zum Kosinus des Winkels, aufgetragen zwischen Feldlinien
und Achse der Spule.
2. Du misst nicht "EM-Felder" sondern mit einer Spule in dem
Frequenzbereich bis auf Dreckeffekte nur das Magnetfeld.
Davon abgesehen, maximale Empfindlichkeit hast du, wenn du erstens einen
rauscharmen Verstärker hast und zweitens mit deiner Spule möglichst nah
an dessen optimale Quellenimpedanz kommst.
Ich würde eher einen Magnetfeldsensor verwenden. Die hochempfindlichen
haben niedrige Grenzfrequenzen, für einen Kompass reichen ein paar Hz.
Das Erdmagnetfeld ist relativ schwach, trotzdem gibt es Sensoren, die
sogar die Schwankungen des Feldes auf weniger als ein Hundertstel davon
auflösen.
Für geringere Empfindlichkeit sind analoge Hallsensoren oder
GMR-Sensoren üblich.
https://de.wikipedia.org/wiki/Hall-Sensorhttps://de.wikipedia.org/wiki/GMR-Effekthttps://www.reichelt.de/hallsensor-linear-keramik-sip-ss-94-a1-p151353.html?r=1
der gehört schon zu den empfindlichen Typen "-50 mT bis 50 mT [-500 G
bis 500 G]" zum Vergleich https://de.wikipedia.org/wiki/Erdmagnetfeld
"die horizontale Komponente beträgt in Deutschland etwa 20 Mikrotesla,
die vertikale etwa 44 Mikrotesla." also ein Tausendstel des gesamten
Sensor- Messbereichs.
Volker M. schrieb:> Also deine Probe in der Spule erzeugt aktiv ein magnetisches Feld,> welches du mit deiner passiven Magnetfeldsonde (Spule) messen möchtest?
Hallo Volker, korrekt!
Das erzeugte magnetische Feld ist dabei sehr schwach, daher benötige ich
eine möglichst hohe Verstärkung, unter möglichst guter Ausfilterung der
Hintergrundstrahlung.
Christoph db1uq K. schrieb:> Von Antennen und Elektromagnetische Wellen spricht man eher oberhalb von> 10 kHz. Die Wellenlängen darunter sind viele Kilometer groß, z.B. die> Netzfrequenz 50 Hz hat 6000km.
Hallo Christoph, es gibt ja Rahmenantennen für LF und VLF und auch eher
obskure Konstrukte:
http://www.vlf.it/torsten/_B3CKS-ANTENNA_german.htm
Im Prinzip hätte ich gerne so etwas ähnliches, nur halt nicht als
omnidirektionale Variante zum Empfang, sondern invertiert=fokusiert auf
das was innerhalb der Spule liegt unter möglichster Ausfilterung der
Umgebungsstrahlung.
Ich hab mir mal verschiedene Magnetfeldsensoren angeguckt, die wirklich
guten sind entweder viel zu aufwendig (squid) oder nur für Gleichstrom
bzw. so bis 100-200 Hz gedacht (OPM, z.B. https://quspin.com/qtfm/)
Hier sieht man eine Konstruktion die genau das erreicht was ich erzielen
will, nur halt vom Aufwand her in nicht realisierbaren Dimensionen:
https://emulatetx.com/wp-content/uploads/nati/Infographic-area.png
Das darf gerne einfacher und mit mehr Rauschen sein, aber es
veranschaulicht ein wenig wo die Reise hingehen soll.
Bezüglich Hallsensor und GMR:
ja, das scheint eher was für grobe Messungen zu sein.
Hättest du noch einen weiteren Typ für einen empfindlichen
Magnetfeldsensor?
Und wie würde man eine Spule idealerweise aufbauen?
Mit vielen dünnen Wicklungen, oder eher wenige Wicklungen mit dickem
Draht?
Würde man eine hohe oder niedrige Induktivität als Designziel auswählen
wenn sie für den "Empfang" möglichst empfindlich sein soll?
Was ist von einer Rogowskispule zu halten?
Bernhard S. schrieb:> 1. "Richtwirkung" gibt es bei Spulen der Größe in dem Frequenzbereich> überhaupt nicht. Jede Spule die du bauen kannst hat die gleiche> "Richtwirkung", sogar jedes Zusammenschalten beliebig gebauter Spulen> ändert an der "Richtwirkung" nichts. Du hast immer ein Signal> proportional zum Kosinus des Winkels, aufgetragen zwischen Feldlinien> und Achse der Spule.>> 2. Du misst nicht "EM-Felder" sondern mit einer Spule in dem> Frequenzbereich bis auf Dreckeffekte nur das Magnetfeld.>> Davon abgesehen, maximale Empfindlichkeit hast du, wenn du erstens einen> rauscharmen Verstärker hast und zweitens mit deiner Spule möglichst nah> an dessen optimale Quellenimpedanz kommst.
Hallo Bernhard,
mit Richtwirkung meine ich dass ich die Umgebungsstrahlung möglichst
nicht messen will sondern nur das innerhalb der Sensorkonstruktion, ob
das jetzt eine Spule ist oder etwas anderes. Bei meiner momentanen
Konstruktion richte ich die Spule so aus dass sie möglichst wenig
"Schmutzstrahlung" einfängt, eine gewisse Richtungsabhängigkeit scheint
gegeben zu sein, aber vielleicht bilde ich mir das nur ein ;)
Danke euch allen schon mal für die Antworten,
besten Gruß,
Stefan
Stefan I. schrieb:> und zweitens mit deiner Spule möglichst nah> an dessen optimale Quellenimpedanz kommst.
"möglichst nahe" ist Amateur-Aberglaube,
Fehlanpassung Faktor 2 bringt nur 10% Verlust.
Hintergrundstörungen unterdrückt man durch eine Differenzmessung:
Messung nahe Probe minus weiter weg.
Ist Standard der Messtechnik.
Stefan I. schrieb:> Das erzeugte magnetische Feld ist dabei sehr schwach
Gib halt mal einen konkreten Zahlenwert an. Manche halten 500µT für ein
sehr schwaches Feld, andere meinen damit 1nT. Du wirst wenigstens die
richtige Größenordnung angeben müssen, wenn was vernüftiges gebaut
werden soll.
Stefan I. schrieb:> Was ist von einer Rogowskispule zu halten?
für diese Anwendung: gar nichts.
Stefan I. schrieb:> Bezüglich Hallsensor und GMR:> ja, das scheint eher was für grobe Messungen zu sein.>> Hättest du noch einen weiteren Typ für einen empfindlichen> Magnetfeldsensor?
Zwischen Hall und GMR liegen schon mal Faktoren. Der nächste in der
Reihe wäre Fluxgate, danach kommt schon Squid.
Spulen können ggf. die bessere Lösung sein. Aber du wirst mit Sicherheit
keinen resonanzüberhöhten Spulensensor aufbauen können, der folgenden
Messbereich abdeckt:
Stefan Ihmig schrieb:> möglichst hohe Verstärkerwirkung zwischen 100-5000 Hz erzielt.
Und: dass du bei den niedrigen Frequenz massiv mit Störungen aufgrund
von Netzharmonischen zu kämpfen haben wirst ist dir bewusst?
Hallo beisammen,
danke für das ganze Feedback! Hab ein wenig weiter recherchiert, auch
die ganzen Wikipedia-Artikel zum Thema Magnetometer durchgelesen, danke
Christoph!
- Fluxgate & OPM: zu langsam, max. sinnvoll bis 200Hz
- zu messende Feldstärke: weiß ich nicht! Kann nur sagen dass +57dB
Verstärkung und mein Spulenaufbau nichts messen was das
Hintergrundrauschen übertrifft
- Induktionsspule:
Ja, das scheint nun aufgrund der benötigten Geschwindigkeit das Mittel
der Wahl zu sein. Wie Achim meinte hat man ja auch mit Netzharmonischen
ein Problem, daher würde ich für die Resonanz den Fokus auf den
Frequenzbereich 1000-5000Hz legen
Da wäre nun die Frage:
- Luftspule oder Spule mit Kern? Falls ja, mit welchen Dimensionen und
welcher Windungszahl?
- Wie würde man eine Differenzmessung realisieren? Klingt erstmal sehr
sinnvoll, und über eine Soundkarte mit zwei synchronisierten Kanälen ja
auch leicht abbildbar. Man würde zwei möglichst identische
Induktionsspulen verwenden, klar, aber in welchem Abstand voneinander?
Und wie würde man diese positionieren?
- Ich verbinde bisher die Spule über die Elektronik des Shure SM58
Mikrofons via XLR/Balanced Signal mit der Soundkarte. Die Elektretkapsel
des Mikros hab ich entfernet, stattdessen an die Kabel die Spule
gelötet. Ist das ein sinnvolles vorgehen? Wie würde eine bessere
Vorgehensweise aussehen?
Gruß aus der Corona-Hauptstadt,
Stefan
Auf der Squid-Grafik steht auch "Gradiometer", das ist ein anderer
Ausdruck für eine Differenzmessung, zwei Sensoren die sich in größerer
Entfernung gegenseitig aufheben, nur im Nahbereich eine Differenz sehen.
https://de.wikipedia.org/wiki/Gradiometrie
Stefan I. schrieb:> - Fluxgate & OPM: zu langsam, max. sinnvoll bis 200Hz
Dann verrate das lieber nicht an TI. Die stellen z.B. diesen
Fluxgate-Sensor her
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv425.pdf
und behaupten, dass er auch bis 47kHz messen kann. Die Rauschdichte ist
mit 1,5nT/Wurzel(Hz) spezifiziert. "Normale" Magnetometer sind
tatsächlich meist für niedrigere Bandbreiten gebaut und stärker auf
Genauigkeit und Auflösung optimiert.
Ob das IC für deine Anwendung sinnvoll ist, ist ne andere Frage. Denn
natürlich steigt mit der Bandbreite auch das Rauschen. Und damit kommen
wir zum eigentlichen Problem:
Stefan I. schrieb:> - zu messende Feldstärke: weiß ich nicht!
Wenn du keine Idee hast, wie groß deine Signale sind, dann kann dir auch
niemand sagen, ob ein bestimmter Sensor dafür geeignet ist.
Ich stelle mir auch lustig vor, wie du einen Auftrag dafür vergeben
willst (so lautet zumindest die Überschrift des Threads) aber dem
Entwickler keine Designziele vorgeben kannst.
Hallo Achim, danke für den Tipp mit dem TI Chip.
Designziel:
Messung via Induktionsspule;
40db empfindlicher als der momentane Aufbau, bei (optional) Filterung
von Umgebungssignalen via Gradiometrie.
Optional, weil ich nicht weiß welche finanziellen Implikationen das hat,
und ob es nicht einfacher ist das Sample besser abzuschirmen.
Alternativ:
dieses Gerät hier nachbauen, allerdings inkl. Gradiometrie:
https://www.youtube.com/watch?v=BOgOm3b3eog
Freu mich auf Angebote.
Viele Grüße,
Stefan
Stefan I. schrieb:> Messung via Induktionsspule;> 40db empfindlicher als der momentane Aufbau,
Empfindlichkeit ist nicht dein Problem. Wenn es so wäre müsstest du
einfach einen 40dB Verstärker hinter deine bestehende Schaltung hängen
und das Problem wäre gelöst.
Dein Problem ist Signal-Rausch Verhältnis. Und wer den Auftrag annimmt,
ein System mit 40dB besserem Signal-Rausch Verhältnis zu bauen als ein
bestehendes System, dessen SNR nicht bekannt ist - der weiß nicht was er
tut.
Stefan I. schrieb:> dieses Gerät hier nachbauen, allerdings inkl. Gradiometrie:> Youtube-Video "Magnetic field probe based on DRV425 integrated fluxgate> sensor by TI"
Dieses Gerät existiert bereits. Wenn du meinst, dass es dein Problem
löst dann ruf an der Uni in Prag an und bestelle zwei davon. Montiere
sie im passenden Abstand, subtrahiere ihre Ausgangssignale und du hast
dein Gradiometer.
Ein fertig entwickeltes Gerät nachbauen zu wollen wird dich viel teuerer
kommen, als es dort zu kaufen - zumindest wenn das Gerät etwas taugt und
nicht aus einem Bastelprojekt der Hochschule entstanden ist.
Zwei gleiche Spulen , ich würde für erste Tests zwei gleiche Trafos oder
Relais/Schütze schlachten.
Erste Eingangsverstärkerstufe als einen Rauscharmen TIA aufbauen. Also
rauscharmen OP (Analog OPA??? die VLF Seiten sollten da Tips geben) und
einen Widerstand (100k) . Buffercap und zwei Batterien (3-9V)je nach
OP)
Beide Spulen parallel aufbauen, aber seriell und mit entgegengesetzen
Wicklungssinn verbinden , eine Spule mit der Probe bestücken , die
zweite kompensiert die Störfelder.
Alles (incl. Verstärker) in einen Kasten aus 5mm Alu mit gut leitenden
Verbindungen!. Wer meint das schirmt aber nicht das Magnetfeld, hat es
noch nicht ausprobiert :). GGf. kannst Du die zweite Spule dann auch
weglassen.
Ach ja, den Kasten dann noch gegen akustische und seismische
Schwingungen schirmen. DC Magnetfeld und schwingende Spule macht auch
Signal! Kleiner Sandkasten (20kg) auf Schubkarrenschlauch ist gar
nicht soo schlecht.
Soweit fast mit Heimmitteln und Taschengeld zu bestreiten. Soundkarte
ist ja schon da :)
Henrik V. schrieb:> Alles (incl. Verstärker) in einen Kasten aus 5mm Alu mit gut leitenden> Verbindungen!. Wer meint das schirmt aber nicht das Magnetfeld, hat es> noch nicht ausprobiert :)
Alles eine Frage der Frequenz. 5kHz-Felder haben in Alu eine
Eindringtiefe von 1,17mm. Eine einfache Wandstärke von 5mm reicht also
für eine Dämpfung von exp(-5/1,17)=0,01. Immerhin 40 dB Abschwächung. Da
das Feld zwei mal durch schirmende Aluplatten muss, ist die
Schirmwirkung schon ganz ordentlich.
Durchs Stromnetz erzeugte Magnetfelder (50Hz) haben eine Eindringtiefe
von 11,7mm. Die Schirmwirkung deiner 2*5mm Aluplatten ist zwar messbar,
aber nicht brauchbar. Wenn du beim Ausprobieren etwas anderes beobachtet
zu haben meinst, dann fürchte ich, du hast entweder nicht sauber
gemessen oder nicht sauber zwischen kapazitiven Störungen und induktiven
Störungen unterschieden.
Henrik V. schrieb:> Erste Eingangsverstärkerstufe als einen Rauscharmen TIA aufbauen.
Das fände ich ungewöhnlich. Warum ein TIA? Damit wird der Widerstand des
Trafodrahts ein wesentlicher Einflussparameter der Messung. Wenn der
sehr niederohmig sein sollte, hältst du durch den
(Quasi-)Kurzschlussbetrieb das Spuleninnere (inklusive der Probe)
möglichst feldfrei. Ob das im Sinne des TO ist?
Stefan Ihmig schrieb:> Gemessen werden sollen Proben, welche sich innerhalb von Reagenzgläsern> befinden, Länge 5cm, Durchmesser 1cm.
Ist tastächlich die Probe 5cm lang? Dann könnte die Geometrie der Probe
zu den Abmessungen einer Trafospule passen. Denk daran: nur die
Flussänderung durch die Spulenfläche bewirkt eine Spannungsinduktion.
Wenn die Probe so klein sein sollte, dass die Feldlinien vollständig
(geschlossen) in der Spulenöffnung verlaufen, wird nichts induziert.
