Probleme bei eigenbau Stromsensor mit Hall-Effekt-Sensor

Welcher Ringkern (Maße)? Mal gegenrechnen, ob die Flußdichte stimmt.

Elliot schrieb:
> Welcher Ringkern (Maße)?

Bitte auch Induktivität bzw. AL-Wert angeben, sonst müsste man den 
Luftspalt in die resultierende Permeabilität einrechnen.

16x9,6x6,3mm

https://shop.tridelta-weichferrite.de/product_info.php?cPath=32&products_id=132&osCsid=u2d9kd7ialcduq1t1mshitrg84

Stromsensorbauer schrieb:
> Dann wäre da ja noch die Sache mit der Sättigung

Genau.
Die beginnt langsam.
Wie bei dir.
Zu Messzwecken muss man von ihr weit entfernt bleiben.

gib bei der Skalierung der y-Achse doch bitte direkt die Spannung an, 
die du gemessen hast. du trägst stattdessen eine berechnete Größe auf. 
eventuell versteckt sich der Fehler ja genau in deiner Berechnung dieser 
Werte

Der Stromsensor wird in seinem Teil der Luftspaltquerschnittsfläche eine 
größere Permeabilität als Luft haben und dort die Feldlinien 
konzentrieren, was zu erhöhter Flußdichte führt.

Laut Datenblatt gibt es den genannten Kern nicht in MF193.

@ Achim S.
Die Berechnung stimmt, habe sich gerade nochmals geprüft. Es handelt 
sich lediglich um eine Division des Sensorsignals durch 4,998V 
Versorgungsspannung.

@ Elliot
Ja, das is da leider etwas Wirr mit den Materialien. Laut Beschriftung 
der Tüte handelt es sich aber wohl um MF193. Im Shop kann man auch nur 
MF193 auswählen.

@MaWin
Dass die Sättigung nicht schlagartig kommt, ist mir klar. Trotzdem 
wundert es mich, dass erst eine Art Knick entsteht, und dann die  wieder 
eher geradenförmig mit geringerer Steigung weitergeht. Ich hätte eher 
eine asymptotische Annäherung an einen Maximalwert erwartet.

Stromsensorbauer schrieb:
> Die Berechnung stimmt, habe sich gerade nochmals geprüft. Es handelt
> sich lediglich um eine Division des Sensorsignals durch 4,998V
> Versorgungsspannung.

Ehrlich? Dein Sensor sollte bei 0mT nicht 0V ausgeben sondern Vcc/2 = 
2,5V. Das passt nicht zu deiner Messung, wenn du wirklich nur durch 
4,998V dividiert hast.

@ Achim S.
Doch, die Berechnung in Excel ist tatsächlich nur die Division, trotzdem 
hast du gut aufgepasst;-)

Der Sensor ist aber in einer Brückenschaltung mit Signal+ und Signal-. 
Der Sensorausgang alleine liegt, wie du richtig erkannt hast bei ~2,5V. 
D.h. ohne Feld ist die Brücke unverstimmt und liefert ~0mV.
Sollte aber hier keine weitere Relevanz haben.

Stromsensorbauer schrieb:
> Der Sensor ist aber in einer Brückenschaltung mit Signal+ und Signal-.
> Der Sensorausgang alleine liegt, wie du richtig erkannt hast bei ~2,5V.
> D.h. ohne Feld ist die Brücke unverstimmt und liefert ~0mV.
> Sollte aber hier keine weitere Relevanz haben.

Und der Ausgang der Brücke geht direkt auf einen ADC? Oder hast du den 
Ausgang der Brücke mit einem hochohmigen Multimeter nachgemessen, ohne 
ihn ansonsten zu belasten? Oder hast du evtl. noch irgendeinen 
Verstärker nachgeschaltet?

Der Grund meiner Frage:
- wenn du einen Differenzvestärker nachgeschaltet hast könnte es sein, 
dass dessen Eingangswiderstand ab einer bestimmten Signalstärke den 
Ausgang des Sensorchips überlastet (der kann nur 1mA liefern)
- wenn du einen Instrumentenverstärker nachgeschaltet hast, dann kann es 
schnell passieren, dass du dessen erlaubten Gleichtaktbereich verlässt - 
dann ergeben sich genau solche Knicke in der Kennlinie wie bei dir zu 
sehen.

Evtl. versteckt sich der Grund für den Knick an einer ganz anderen 
Stelle, als du vermutest. Deswegen wäre ein vollständiges Bild deines 
Aufbaus zur Fehlersuche sinnvoll.

Die Messungen sind alle mit Labornetzteil und Tischmultimeter 
durchgeführt. Keine weiteren Bauteile wie ADC, Verstärker und 
dergleichen.

Der Ausgang des Sensors geht direkt ans Multimeter, Signal- wird über 
einen Spannungsteiler mit zwei 2k2 Widerständen zwischen Vcc und GND 
erzeugt. Der Multimetereingang für das "Sensorsignal/Brückensignal" 
hängt somit zwischen Signal- und dem Ausgangspin vom Hallsensor.

Die Versorgungsspannung wird zwischen Vcc und GND des Sensors ebenfalls 
mit Multimeter bestimmt.

Die Spule hängt direkt am Labornetzteil (HMP4040) und wird bestromt. 
Hier verlass ich mich für den Funktionstest mal auf die Stromanzeige am 
Display. Das Netzteil liefert aber bis 10A, daher sollte hier noch kein 
weiteres Problem entstehen.

Meine Vermutung ist auch eher, dass das Phänomen mit der Sättigung zu 
tun hat, kann es aber weder mathematisch noch physikalisch genauer 
begründen. Evtl. kann jemand ja noch einen Zusammenhang beitragen der 
die gemessenen 100mT vom Sensor mit der Geometrie/Material vom Ringkern 
zusammenbringt und damit die Sättigung erklärt.

Stromsensorbauer schrieb:
> Der Multimetereingang für das "Sensorsignal/Brückensignal"
> hängt somit zwischen Signal- und dem Ausgangspin vom Hallsensor.

Also nur 5V-Versorgung, Digitalmultimeter und Spannungsteiler für das 
Referenzsignal? Dann gibt es wirklich nicht all zu viele mögliche 
Fehlerquellen in der Auswertung. Trotzdem würde ich an deiner Stelle 
einfach mal den Sensorausgang per Multimeter gegen GND messen und direkt 
auftragen.

Stromsensorbauer schrieb:
> Das Netzteil liefert aber bis 10A, daher sollte hier noch kein
> weiteres Problem entstehen.

Wie verhält sich das zu den einigen hundert A deiner Messung? Wie viele 
Windungen hat deine Mess-Spule durch den Kern?

Stromsensorbauer schrieb:
> Meine Vermutung ist auch eher, dass das Phänomen mit der Sättigung zu
> tun hat, kann es aber weder mathematisch noch physikalisch genauer
> begründen.

Dann miss es halt nach. Hast du irgendeine Möglichkeit, Induktivitäten 
direkt zu messen? Ein LCR-Meter? Oder einen Funktionsgenerator und Oszi?

Steck noch einen zusätzlichen Leiter durch den Ringkern. Miss dessen 
Induktivität (mit einem kleinen Signal). Und schau, ob die Induktivität 
um eien Faktor zwei in den Keller geht, wenn du mit dem DC-Strom 
jenseits des Knicks bist.

Kann morgen mal ne Messung Sensorausgang gegen Masse machen.

Ich habe zwei Testspulen. Eine mit 100 Windungen und eine mit 33 
Windungen. Die vielen Windungen brauche ich um die hohen Ströme zu 
simulieren, da das Netzteil nur 10A schafft.

Ja, ich habe ein LCR und auch Oszi und Frequenzgenerator. Nur wie/was 
messen?
Meinst du die Spule bestromen und dann die Induktivität des zusätzlichen 
Leiters bestimmen. Was meinst du mit kleinem Signal?

Sorry in dem Bereich bin ich nicht besonders bewandert...

Hatte ich schon gemacht, ist symmetrisch.

Stromsensorbauer schrieb:
> Ja, ich habe ein LCR und auch Oszi und Frequenzgenerator. Nur wie/was
> messen?

Bitte mal die Induktivität der Spulen messen.

Stromsensorbauer schrieb:
> Nur wie/was messen?
> Meinst du die Spule bestromen und dann die Induktivität des zusätzlichen
> Leiters bestimmen.

genau.

Stromsensorbauer schrieb:
> Was meinst du mit kleinem Signal?

das Feld des Messsignals vom LCR-Meter sollte vernachlässigbar sein im 
Vergleich zum DC-Feld. ist bei deinen Bedingungen aber leicht zu 
erreichen.

Im Anhang mal die Messung.

Ein Einzelleiter hatte für das LCR-Meter nicht genügend Induktivität, 
deswegen sind es 10 Windungen geworden (orangene Kurve). Und wie man 
sieht, spiegelt sich die Problematik im Verlauf von L wieder. Das 
Sensorsignal ist diesmal direkt gegen Masse gemessen, also keine 
Brückenschaltung mehr

Bei einem reinen Sättigungseffekt hätte ich erwartet, dass die 
Induktivität kontinuierlich abnimmt, und sich nicht wieder mehr oder 
weniger auf ein neues Level einpendelt.

Hat hierzu jemand Ideen?

Stromsensorbauer schrieb:
> Bei einem reinen Sättigungseffekt hätte ich erwartet, dass die
> Induktivität kontinuierlich abnimmt, und sich nicht wieder mehr oder
> weniger auf ein neues Level einpendelt.

ich hätte in einer idealen Welt erwartet: wenn ein die Steigung der 
blauen Kurve um ca.veinen Faktor 2 ändert, dann sinkt die Induktivität 
der anderen Spule um ca. Faktor 2. bei dir sinkt L weniger, aber es gibt 
offensichtlich einen Effekt im Kern, den du mir der zweiten Spule 
nachmessen kannst.

Stromsensorbauer schrieb:
> Hat hierzu jemand Ideen?

jetzt würde ich glaube ich Mal nach mögliche Dreckeffekte suchen. ist 
dein Spalt im Kern sauber, mit planen Flächen senkrecht zum Kern? 
liefert dein Netzteil wirklich einen sauberen DC Strom oder kann da eine 
Wechselkomponente drüber liegen?

Mechanisch sollte das sauber gelöst sein. Getrennt wurde mit passender 
Halterung und Diamantscheibe. Hier mal zwei Bilder des Aufbaus mit 
Klappmechanismus. Ich habe aber das selbe Phänomen, wenn ich einen Kern 
nur schlitze und die Spule dann durch den Schlitz fummel.

Die Kerne sind mit Epoxi eingeklebt, der Hall-Sensor aktuell mit 
Heißkleb um da etwas reversibles zu haben;-P




Eine andere Beobachtung habe ich noch gemacht. Wird ein (isolierter) 
Leiter exakt mittig im Kern positioniert, erhalte ich die geringsten 
Sensorwerte, liegt der Leiter schräg darin oder berührt den Kern 
irgendwo ergeben sich höhere Werte. Bei einer klassischen, gekauften 
Strommesszange lässt sich das nicht beobachten. Bei der gekauften Zange 
kommt man aufgrund des Plastikgehäuses allerdings auch nicht so nah an 
den Kern ran, wie es bei meinen unbeschichteten Kernen der Fall ist.

Wenn deine Spule bei 10Wdg eine Induktivität von 7,5µH hat, dann hat der 
Kern einen AL=75. Mit 18,8mm² Fläche ergibt das bei 100Wdg einen 
Sättigungsstrom (mit B=0,3T) von 750mA, bzw. 75A für eine Windung nach 
deiner Skalierung. Real ist die Sättigung zwar etwas höher als 0,3T, das 
zeigen auch die letzten Kurven, aber mit diesem Kern kannst du auf 
keinen Fall Ströme bis 350A messen.

Volker B. schrieb:
> Ich bin mir nicht sicher, ob diese Stromzangen auch aus Ferritkernen
> aufgebaut sind.

die üblichen Stromzangen eher aus Trafoblechen. Aber es gibt auch welche 
für hohe Frequenzen (Strommess-Probes für Oszis), die dann mit Ferrit 
arbeiten.

Stromsensorbauer schrieb:
> Mechanisch sollte das sauber gelöst sein. Getrennt wurde mit passender
> Halterung und Diamantscheibe.

Ich kenne das mit planparallel geschliffenen Flächen. Ich will nicht 
sagen, dass der Spalt per Trennscheibe der Grund für das beobachtete 
Verhalten sein muss. Aber ein Kandidat dafür wäre es schon.

Überprüfen könntest du es, wenn du noch einen zweiten Kern vergleichst.

Stromsensorbauer schrieb:
> Ich habe aber das selbe Phänomen, wenn ich einen Kern
> nur schlitze und die Spule dann durch den Schlitz fummel.

Heißt "dasselbe Phänomen", dass du wieder denselben Knick bei genau 
demselben Stromwert hast? Oder heißt es, dass du wieder einen Knick 
hast, der aber bei einem etwas verschobenen Stromwert kommt und im 
Detail nicht ganz identisch ausschaut. Falls das Verhalten prinzipiell 
gleich, aber im Detail dann doch etwas unterschiedlich ist, würde es zu 
einem Dreckeffekt der unpräzisen "Mechanik" passen, die ja bei jedem 
einzelnen handgemachten Kern etwas anders ausfällt.

Im Anhang mal noch eine Messung mit dem Ringkern der nur einen Luftspalt 
hat. Prinzipiell gleich, nur höhere Induktivität, da ja die zwei dünnen 
Luftspalte nicht existieren.


@ Elliot
Was wäre denn ein besser geeigneter Kern? Die Sättigungsflussdichte ist 
doch bei den meisten Ferriten in einem ähnlichen Bereich. Oder benötigt 
man hier eher welche aus Ferritpulver in Kunststoff (MPP). Oder nach 
welchen genauen Eigenschaften sollte man hier schauen?

Ursprünglich hatte ich welche aus anderem Material, da gab es aber eine 
sehr gorße Hysterese. Diese habe ich damals auch nicht bei so hohen 
Strömen verwendet, kann daher nicht sagen, ob die den selben Knick 
gehabt hätten.

Stromsensorbauer schrieb:
> Was wäre denn ein besser geeigneter Kern?

Du brauchst entweder einen Kern mit größerem magnetischen Querschnitt 
oder  größerem Luftspalt, oder beides.

Ja genau.

Fläche mindestens x 4, unter Beibehaltung der Luftspaltlänge -
oder sogar diesen etwas erweitern (wobei aber noch einmal dazu
ca. quadratisch die Fläche erhöht werden müßte) - um gesichert
in den linearen Bereich zu kommen.

Wenn Du bei diesem Material bleiben willst.

Welche Signalform/-frequenz hat denn der zu messende Strom?

Die Messungen des TO sind hoechstwahrscheinlich richtig. Es gibt sogar 
Ferritkerne mit zwei oder drei Knicken. Das wird erreicht indem 
Ferritkoernchen unterschiedlichet Groesse und Legierung In speziellen 
Mengenverhaeltnissen vermischt werden. Das verbessert die Eigenschaften 
fuer alle Anwendungen der Ferrite, bis auf einen einzigen Fall. Voll auf 
das Riff aufgelaufen, wuerde der Seemann sagen.

@ws
Beim Material bin ich völlig offen. Schön wäre es, wenn die Hysterese 
ähnlich klein oder kleiner ist als beim MF193. Anfangs hatte ich 
Ringkerne aus K1 (Epcos 
https://www.tdk-electronics.tdk.com/download/528860/ec9323ccb94c129f0da1c855d7963b2d/pdf-k1.pdf) 
da war die Hysterese schlimm. Hätte auch kein Problem mit 
Eisenpulver-Ringen oder Ringen aus Trafoblechen.

Grundsätzlich geht es um die Messung von DC-Strömen. Je mehr Frequenz 
geht, desto schöner natürlich. Aber es handelt sich nicht um 
"HF"-Messungen...

Beim größeren Luftspalt ist die Frage, ob man sich da nicht auch wieder 
Effekte einsammelt. Beispielsweise wenn der Leiter dann direkt an dem 
Luftspalt liegt, bzw. gegenüberliegend.


@ Dieter D.
Is ja lustig, sowas hatte ich auch schon überlegt, dann aber wieder 
abgetan. Gibt es hier Kennzahlen an denen man sieht, wieviele "Knicke" 
ein Material erzeugt?

@Achim S.
Die Closed-Loop Technik hatte ich auch schon gefunden, ist aber in 
diesem Fall zu aufwändig. Interessant und praktisch ist die Technik aber 
in jedem Fall.

Stromsensorbauer schrieb:
> Grundsätzlich geht es um die Messung von DC-Strömen.
> Je mehr Frequenz geht, desto schöner natürlich. Aber es
> handelt sich nicht um "HF"-Messungen...

Sehr verwaschen. Auch die einer DC überlagerte Frequenz kann
niedrig-, mittel- oder höherfrequent sein - aus Deiner Antwort
geht höchstens sicher hervor, daß es sich um keine AC - HF -
Messung handeln soll (und nicht mal das ganz sicher, weil Du
kein Wort über die genaue Signalform verlierst). ;)


Um das optimale Material ermitteln zu können, muß man Grenzen
definieren (nicht "je mehr geht, desto schöner"). Es sei denn,
der Größe des Ringkernes sind genausowenig Grenzen gesetzt...
was ich aber bis jetzt bezweifle.

Kernmaterialien gibt es zahllose, mit ganz eigenen Parametern.
Die sich je nach Fall als besonders Vor- oder Nachteil-haft
für Dich herausstellen könnten - bei "Trial and Error".

Das scheinst Du nicht zu wollen - machst aber keine Aussagen,
die wirklich was aussagen, äh... hm?


Bitte definiere am allerbesten gleich beides: Die maximale
Größe (und damit Fläche) des Ringkerns, wie viel Platz ist da?
Und/oder Signalform/Frequenz (bzw./aka Slewrate) Daten.

Alternativ: Beschreibe exakt, wovon Du jetzt (und auch, was
Du "noch gerne in Zukunft" alles) messen möchtest. (+Platz.)

Noch kann man Dir so nicht wirklich helfen, die bisherigen
Tipps vermögen Dir höchstens eine Art Richtung zu zeigen.

ws meinte im Beitrag #6681842:
> wovon Du jetzt

den DC Strom (der wie gesagt auch mit AC überlagert bzw. vollst.
unterbrochen = gepulst sein kann, etc. pp - alles unklar)

> messen möchtest.

Eisenpulver-Ringkerne haben doch eine vglw. "weiche"
Sättigungscharakteristik, was bei Ferriten jedoch in
vergleichbarer Form nur durch gewisse Tricks erreicht
werden kann, dann aber sogar "noch besser".

(Bis auf den "fringing flux", den man nicht möchte.)

Z.B. ein EE Kern mit ein oder gar zwei "Dachschrägen"
beim Luftspalt, deren Winkel und der "Spitzenabstand"
sind bestimmend.

Was für den Schaltwandler (als Drossel/Speichertrafo)
von großem Vorteil sein kann, will man hier aber doch
nicht.

Man würde ein Material wählen, das eben - zumindest bei
geringer Aussteuerung - keinen solchen Knick aufweist,
und auch keine weiche Sättigungscharakteristik hat, die
ja "einen Bogen (bzw. "unendlich viele Knicke") machte"
(bzw. auch nur mit geringer Aussteuerung arbeiten) für
so eine Strommessung.

Obwohl man digital korrigieren könnte (oder analog die
Skala anpassen) ist doch die gerade Linie das Ideal -
oder nicht?