Μετρητής μαγνητικού πεδίου

magnetic_field_meter_photo_4sm
magnetic_field_meter_photo_4smmagnetic_field_meter_photo_5sm
4 5 3 Product


Αρκετές μελέτες έχουν δείξει ότι η έκθεση σε ισχυρά μαγνητικά πεδία χαμηλών συχνοτήτων μπορεί να δημιουργήσει σοβαρά προβλήματα υγείας. Υπάρχουν πολλές συσκευές που δημιουργούν ισχυρά μαγνητικά πεδία χαμηλών συχνοτήτων όπως μετασχηματιστές, ηλεκτρικοί κινητήρες, ηλεκτρικά θερμαντικά σώματα, στεγνωτήρες μαλλιών, ηχεία, καθοδικοί σωλήνες κ.α.

Με έναν μετρητή μαγνητικού πεδίου χαμηλών συχνοτήτων θα μπορούμε πάντοτε να ανιχνεύουμε τις ισχυρές πηγές μαγνητικού πεδίου και να λαμβάνουμε τις απαραίτητες προφυλάξεις.

Ο μετρητής μαγνητικού πεδίου που παρουσιάζουμε εδώ μπορεί να μετρήσει μαγνητικά πεδία από 100nT έως 2.3μT κι έχει την ίδια απόκριση σε όλη την περιοχή συχνοτήτων από 40Hz έως 10KHz. Στη ζώνη συχνοτήτων που λειτουργεί ο μετρητής, είναι σε θέση να μετρήσει πεδία που προέρχονται από το δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας (που είναι συνήθως στα 50 ή 60Hz) αλλά και από αρμονικές συχνότητες του δικτύου παροχής ηλεκτρικής ενέργειας που εκτείνονται αρκετά πολλαπλάσια πάνω από τη βασική συχνότητα. Επίσης, μπορεί να ανιχνεύσει και να μετρήσει όλες τις πηγές μαγνητικού πεδίου έως τα 10KHz.

Το κύκλωμα του μετρητή μαγνητικού πεδίου είναι αρκετά απλό κι αν κατασκευαστεί με εξαρτήματα χαμηλής ανοχής δεν απαιτεί διόλου βαθμονόμηση. Η συσκευή απεικονίζει το μετρούμενο πεδίο σε λογαριθμική κλίμακα με 10 στάθμες, με τη βοήθεια 10 LED αλλά διαθέτει και μία αναλογική έξοδο στην οποία μπορούμε να συνδέσουμε ένα βολτόμετρο για να λάβουμε μέγιστη ανάλυση. Στην αναλογική έξοδο του οργάνου εμφανίζεται μια τάση που αυξάνεται γραμμικά με το μετρούμενο πεδίο με ρυθμό 0.1mV/nT.

Ο μετρητής μαγνητικού πεδίου
Ο μετρητής μαγνητικού πεδίου (το πρωτότυπο)

 

Αρχή λειτουργίας

Σύμφωνα με το νόμο της ηλεκρομαγνητικής επαγωγής (νόμος του Faraday) κάθε μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο παράγει μία τάση στα άκρα οποιοδήποτε πηνίου βρεθεί μέσα σε αυτό. Η παραγόμενη τάση (ηλεκτρεγερτική δύναμη) είναι ανάλογη του ρυθμού μεταβολής της μαγνητικής ροής που διέρχεται μέσα από το πηνίο. Η μαγνητική ροή είναι το γινόμενο του μαγνητικού πεδίου επί τη συνολική επιφάνεια που περικλείεται από τις σπείρες του πηνίου. Με μαθηματικούς όρους:

Ε=-dΦ/dt=-A*N*dB/dt

(1)

Όπου Φ είναι η μαγνητική ροή που διέρχεται μέσα από το πηνίο, Α είναι το εμβαδό που περικλείεται από έκαστη σπείρα του πηνίου, N είναι ο συνολικός αριθμός των σπειρών του πηνίου, B είναι η μαγνητική επαγωγή του πεδίου (μαγνητικό πεδίο) και t ο χρόνος. Ο ρυθμός μεταβολής της μαγνητικής ροής ή του πεδίου είναι ουσιαστικά η παράγωγος ως προς το χρόνο της μαγνητικής ροής ή του πεδίου, αντίστοιχα (δηλαδή προκύπτει αν διαιρέσουμε μία απειροστή μεταβολή έκαστου μεγέθους με το απειροστό χρονικό διάστημα εντός του οποίου συμβαίνει η μεταβολή αυτή).

Ας θεωρήσουμε ότι στο χώρο υπάρχει ένα αρμονικό (ημιτονοειδές) μαγνητικό πεδίο της μορφής:

B(t)=Bo*cos(2πft)

(2)

Όπου Β(t) είναι η στιγμιαία τιμή του μαγνητικού πεδίου (συνάρτηση του χρόνου), Bo είναι το πλάτος (μέγιστη τιμή) του ταλαντούμενου πεδίου και f η συχνότητα του πεδίου. Αν ένα πηνίο βρεθεί μέσα σε αυτό το πεδίο, τότε συνδυάζοντας τις σχέσεις (1) και (2) μπορούμε να βρούμε ότι στα άκρα του πηνίου θα παραχθεί μία αρμονική τάση Ε(t) ίση με:

(1)(2)-> Ε(t)=2πf*Α*Ν*Βο*sin(2πft)

(3)

Παρατηρούμε ότι η παραγόμενη τάση είναι ανάλογη των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του πηνίου (Α,Ν), ανάλογη της συχνότητας f και ανάλογη της έντασης του πεδίου Bo. Υπάρχει φυσικά και ο αρμονικός όρος sin(2πft) που μας δείχνει ότι η τάση είναι αρμονική συνάρτηση του χρόνου κι έχει διαφορά φάσης σε σχέση με το πεδίο (έπεται κατά 90ο).

Από τη σχέση (3) παρατηρούμε ότι αν μετρήσουμε την τάση E μπορούμε να υπολογίσουμε το πεδίο B, αρκεί να γνωρίζουμε τη συχνότητα f. Στην πράξη, όταν μετράμε το μαγνητικό πεδίο μίας τυχούσας πηγής δεν γνωρίζουμε τη συχνότητά του. Για να επιλύσουμε το πρόβλημα της άγνωστης συχνότητας, μπορούμε πολύ απλά να πολλαπλασιάσουμε τα δύο μέλη της εξίσωσης (3) με έναν όρο της μορφής G/2πf (όπου G μία σταθερά). Τότε, θα έχουμε:

G*E(t)/2πf= G*Α*Ν*Βο*sin(2πft)

(4)

Αν θέσουμε τώρα V(t)= G*E(t)/2πf, προκύπτει :

V(t)= G*Α*Ν*Βο*sin(2πft)= G*Α*Ν*Β(t)

(5)

Αν εξαιρέσουμε τον αρμονικό όρο sin(2πft) και λάβουμε υπόψη μόνο τα πλάτη ή ενεργές τιμές, η τάση V είναι ανάλογη της έντασης του μαγνητικού πεδίου Β και ανεξάρτητη της συχνότητας, δηλαδή:

VRMS=G*Α*Ν*ΒRMS

(6)

Όπου RMS, είναι η ενεργός τιμή του εκάστοτε μεγέθους.

Επομένως, αν φτιάξουμε μία συσκευή που μετρά την τάση V, θα μπορούμε να υπολογίζουμε και το μαγνητικό πεδίο B, δηλαδή θα φτιάξουμε έναν μετρητή μαγνητικού πεδίου.

Καλή η θεωρία αλλά ας δούμε τώρα τι χρειάζεται για να φτιάξουμε ένα πραγματικό κύκλωμα που να αξιοποιεί τη σχέση (6) και να απεικονίζει την τάση V και επομένως το μαγνητικό πεδίο B σε ένα display.  Χρειαζόμαστε ένα πηνίο με γνωστά γεωμετρικά χαρακτηριστικά, έναν ενισχυτή με απόκριση της μορφής G/2πf, έναν μετρητή RMS (μέσης τετραγωνικής – ενεργού τιμής) και μία βαθμίδα απεικόνισης (display). Το διάγραμμα βαθμίδων του κυκλώματός μας θα πρέπει να είναι όπως στην εικόνα 1: 

Διάγραμμα βαθμίδων του μετρητή μαγνητικού πεδίου
Εικόνα 1. Το διάγραμμα βαθμίδων του μετρητή μαγνητικού πεδίου

Από τεχνικής άποψης, σίγουρα είναι εύκολο να τυλίξουμε ένα πηνίο με συγκεκριμένο αριθμό σπειρών και συγκεκριμένες διαστάσεις για να το χρησιμοποιήσουμε ως ανιχνευτή - αισθητήρα μαγνητικού πεδίου. Επίσης, είναι εύκολο να φτιάξουμε μία μονάδα απεικόνισης με μικροελεγκτή, με VU meter ή με βολτόμετρο (για ευκολία θα προτιμήσουμε το VU meter και το βολτόμετρο). Απομένει μόνο να δούμε πώς θα φτιάξουμε τον ανιχνευτή RMS κι έναν ενισχυτή με απόκριση G/2πf.

Ας ξεκινήσουμε με τον ενισχυτή:

Ένας έμπειρος τεχνικός γνωρίζει ότι το κύκλωμα που έχει απόκριση της μορφής 1/f (αντιστρόφως ανάλογη της συχνότητας) είναι ένας ιδανικός ολοκληρωτής ή διαφορετικά, ένα χαμηλοπερατό φίλτρο με γραμμική απόκριση πλάτους και συχνότητα θλάσης – αποκοπής τα 0Hz. Μπορούμε να φτιάξουμε έναν περίπου τέλειο ολοκληρωτή με χρήση τελεστικού ενισχυτή. Αν θέλουμε τώρα ο ολοκληρωτής να έχει μεγάλη ενίσχυση (G να είναι ένας μεγάλος αρθμός), μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε έναν ολοκληρωτή με μεγάλη ενίσχυση ή έναν ενισχυτή σε σειρά με έναν ολοκληρωτή. Στο κύκλωμά μας, προτιμάμε τη δεύτερη λύση, δηλαδή χρησιμοποιούμε έναν ενισχυτή κι έναν ολοκληρωτή σε σειρά. Η μεγάλη ενίσχυση είναι απαραίτητη προκειμένου να είναι ο ανιχνευτής μας ευαίσθητος χωρίς να χρειάζεται να τυλίξουμε πολύ μεγάλο πηνίο (δεδομένου ότι η τάση εξόδου του πηνίου προβλέπεται σχετικά μικρή, ιδίως στις χαμηλές συχνότητες για ένα λογικού μεγέθους πηνίο).

Ας διερευνήσουμε τώρα τις τεχνικές λεπτομέρειες του ανιχνευτή RMS:

Μας ενδιαφέρει ο μετρητής μαγνητικού πεδίου να απεικονίζει RMS τιμές του πεδίου και όχι μέσες (average) ή μέγιστες (peak) τιμές. Θέλουμε δηλαδή να φτιάξουμε ένα RMS όργανο μέτρησης (έναν μετρητή ενεργού τιμής του πεδίου). Η έξοδος του ολοκληρωτή είναι ένα AC σήμα. Προκειμένου να μετρηθεί η RMS τιμή αυτού του σήματος, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε έναν ημι-ανορθωτή και στη συνέχεια να εξάγουμε τη DC συνιστώσα του ημι-ανορθωμένου σήματος. Πράγματι, η DC συνιστώσα του ημι-ανορθωμένου σήματος αποδεικνύεται ότι είναι ευθέως ανάλογη της RMS τιμής του αρμονικού σήματος εισόδου:

Η ημιανορθωμένη τάση Us, στη διάρκεια ενός πλήρους κύκλου (2π rad), ορίζεται ως

Us=Vm*sin(2πft) για , 0<2πft<π και Us=0 για π<2πft<2π

Όπου Vm, το πλάτος του σήματος. Αναλύοντας κατά Fourier την τάση αυτή παίρνουμε τη σειρά

Us=(Vm/π)+ (Vm/2) sin(2πft)-(2Vm/3π) cos(4πft)- )-(2Vm/15π) cos(8πft)+ …

Ο πρώτος όρος της σειράς αντιπροσωπεύει τη DC συνιστώσα του ημι-ανορθωμένου σήματος και οι υπόλοιποι όροι αντιπροσωπεύουν μία τάση κυμάτωσης. Γνωρίζουμε ότι VRMS=Vm/ √2, οπότε:

VDC = √2*VRMS / π ή VRMS = π*VDC/√2

(7)

H RMS τιμή του αρμονικού σήματος εισόδου είναι ίση με το π / √2 της DC συνιστώσας του ημι-ανορθωμένου σήματος.

Στην έξοδο ενός ημιανοσθωτή, εκτός από τη DC συνιστώσα, υπάρχει κι ένα μεγάλο πλήθος αρμονικών που θα πρέπει να απορριφτούν. Η απόρριψη - φιλτράρισμα των αρμονικών μπορεί να γίνει με ένα χαμηλοπερατό φίλτρο. Η συχνότητα θλάσης του χαμηλοπερατού φίλτρου θα πρέπει να είναι όσο το δυνατό πιο χαμηλή, προκειμένου να έχουμε τέλεια απόρριψη των αρμονικών.

Επομένως, ο ανιχνευτής RMS μπορεί να υλοποιηθεί με έναν ημιανορθωτή και ένα χαμηλοπερατό φίλτρο.


Το ηλεκτρονικό κύκλωμα του μετρητή μαγνητικού πεδίου

Στην εικόνα 2, παρουσιάζουμε το ηλεκτρονικό κύκλωμα του μετρητή μαγνητικού πεδίου. 

Το ηλεκτρονικό κύκλωμα του μετρητή μαγνητικού πεδίου
Εικόνα 2. Το ηλεκτρονικό κύκλωμα του μετρητή μαγνητικού πεδίου

Ο τελεστικός IC1-A χρησιμοποιείται ως ένας τυπικός μη αναστροφικός ενισχυτής με ενίσχυση Ga:

Ga=1+R2/R18

(8)

Επειδή υπάρχει διαθέσιμη μόνο μία τάση τροφοδοσίας στο κύκλωμα μας (που παρέχεται από μπαταρία) χρησιμοποιούμε τεχνητή γείωση στα 3 περίπου Volt. Η τεχνητή γείωση παρέχεται στο σημείο Α, από τον τελεστικό IC1-D και είναι απαραίτητη για την DC πόλωση του ενισχυτή. Για τα AC σήματα όμως θα πρέπει να υπάρχει ένας πραγματικός δρόμος προς τη γη (πραγματική γείωση στα 0V) κι αυτός ο δρόμος παρέχεται από τους πυκνωτές C1 και C6. Καθόσον ο τελεστικός που χρησιμοποιούμε έχει πολύ μεγάλη αντίσταση εισόδου, η αντίσταση R1 δεν επηρεάζει σχεδόν καθόλου την ενίσχυση. Τη χρησιμοποιούμε όμως για λόγους σταθερότητας, προκειμένου να αποτρέψουμε τυχόν ταλαντώσεις που θα μπορούσαν να προκύψουν από την παρασιτική χωρητικότητα που υπάρχει στα άκρα του πηνίου L1. Η R1, πρακτικά μειώνει το συντελεστή ποιότητας (Q) του πηνίου για αποτροπή ταλαντώσεων.

Η R17 παρέχει ένα δρόμο εκφόρτισης για τον C1, διότι διαφορετικά ο C1 δεν θα μπορούσε να εκφορτιστεί μέσω του πηνίου λόγω της μεγάλης αντίστασης εισόδου του τελεστικού. Με τις τιμές των αντιστάσεων που χρησιμοποιούμε, η απολαβή, Ga, του ενισχυτή IC1-A είναι ίση με 101 και δεν εξαρτάται από τη συχνότητα. Στην πράξη, η απολαβή του ενισχυτή είναι μικρότερη από 101 για συχνότητες μικρότερες από 40Hz λόγω των πυκνωτών C1 και C6 που εμφανίζουν αυξημένη αντίσταση στις χαμηλές συχνότητες (που προστίθεται σε σειρά με την R18). Στο όριο των υψηλών συχνοτήτων, η απόκριση περιορίζεται από τα χαρακτηριστικά του τελεστικού (το γινόμενο απολαβής – εύρους ζώνης). Πάντως, από τα 40Hz έως τα 10KHz, η απόκριση του ενισχυτή είναι ευθύγραμμη και η ενίσχυση είναι ίση περίπου με τη θεωρητική τιμή (101) με ενδεχόμενο σφάλμα μικρότερο από 1db, αν χρησιμοποιηθούν αντιστάτες ακριβείας 1% για τις R2 και R18.

Μετά τον ενισχυτή, ακολουθεί η βαθμίδα του ολοκληρωτή. Ο ολοκληρωτής υλοποιείται με τη βοήθεια του IC1-B και των R4, R3 και C2. Η απόκριση του ολοκληρωτή είναι αντιστρόφως ανάλογη της συχνότητας, λόγω του C2. Πράγματι, αν αναλύσουμε τον ολοκληρωτή ως έναν τυπικό αναστροφικό ενισχυτή, θα βρούμε ότι η ενίσχυσή του, Gb, είναι ίση με:

Gb=-RF/R3

(9)

Όπου RF όμως είναι η εμπέδηση που προκύπτει από τον παράλληλο συνδυασμό της αντίστασης R4 και της εμπέδησης Xc του C2. Δηλαδή:

RF = Xc//R4=R4*Xc/(R4+Xc)

(10)

Γνωρίζουμε όμως ότι η εμπέδηση Χc είναι ίση με:

Χc=1/2πf*C2

(11)

Συνδυάζοντας τις σχέσεις (9), (10) και (11) βρίσκουμε ότι:

Gb=(-R4/R3)/(1+2πfR4C2)

(12)

Αξίζει να παρατηρήσουμε ότι η παραπάνω σχέση δεν είναι ακριβώς της μορφής 1/f, διότι δεν έχουμε τέλειο ολοκληρωτή λόγω της R4. Με τα εξαρτήματα όμως που χρησιμοποιούμε, το γινόμενο 2πfR4C2 είναι πολύ μεγαλύτερο της μονάδας για συχνότητες μεγαλύτερες από 40Ηz και η μονάδα στον παρονομαστή μπορεί να παραληφθεί. Επομένως, για συχνότητες μεγαλύτερες από 40Hz, η απολαβή του ολοκληρωτή γίνεται ίση με:

Gb=(-1/R3C2) *(1/2πf)

(13)

Η ολική απολαβή τώρα του συστήματος ενισχυτή και ολοκληρωτή, είναι το γινόμενο των δύο απολαβών Ga και Gb, δηλαδή:

Gt=Ga*Gb

(14)

Από τις σχέσεις (8), (13) και (14), βρίσκουμε ότι:

Gt=(1+R2/R18)*(-1/R3C2)*1/2π f

(15)

Δηλαδή,

G=(1+R2/R18)*(-1/R3C2)

(16)

Λαμβάνοντας τώρα υπόψη τη σχέση (16) και τη σχέση (6), βρίσκουμε ότι στην έξοδο του ολοκληρωτή, θα έχουμε μία AC τάση VRMS ίση με:

VRMS=(1+R2/R18)*(-1/R3C2)*Α*Ν*ΒRMS

(17)

Από τη σχέση (17) παρατηρούμε ότι έχουμε επιτύχει το ζητούμενο, δηλαδή να έχουμε μία τάση που είναι ευθέως ανάλογη του πεδίου και δεν εξαρτάται από τη συχνότητα.

Η τάση εξόδου του ανιχνευτή RMS, συναρτήσει του πεδίου
Εικόνα 3. Η τάση εξόδου του ανιχνευτή RMS, συναρτήσει του πεδίου (με πηνίο 100 σπειρών 43.05 x 12 mm)

Αν υπολογίσουμε την τιμή της σταθεράς G, θα βρούμε ότι:

G=(1+R2/R18)*(-1/R3C2)=101*105

(18)

Aς υποθέσουμε τώρα ότι επιθυμούμε η τάση VRMS να είναι ίση με 1.2V, όταν το πηνίο βρεθεί σε μαγνητικό πεδίο ίσο με 2.3μT (RMS). Αντικαθιστώντας τότε στη σχέση (17), βρίσκουμε ότι θα πρέπει:

Α*Ν=0.05166m2

(19)

Aν επιλέξουμε το πηνίο μας να έχει 100 σπείρες, τότε η κάθε σπείρα θα πρέπει να περικλείει εμβαδό ίσο με 516.6 * 10-6 m2. Αν τώρα επιλέξουμε να φτιάξουμε ένα πηνίο με ορθογώνια διατομή, το επιθυμητό εμβαδό μπορεί να επιτευχθεί αν επιλέξουμε η κάθε σπείρα να έχει διαστάσεις 43.05mm x 12mm.

Το πηνίο του μετρητή θα πρέπει να έχει 100 σπείρες ορθογώνιας διατομής 43.05mm x 12mm.

Μετά τον ολοκληρωτή υπάρχει ένα κύκλωμα ανόρθωσης. Το κύκλωμα ανόρθωσης υλοποιείται από τον τελεστικό IC1-C. Πρόκειται για ένα ιδιόρρυθμο κύκλωμα ανόρθωσης, δεδομένου ότι δεν υπάρχει πουθενά κάποια δίοδος. Η ανόρθωση γίνεται διότι απλούστατα αποκόπτεται η αρνητική ημιπερίοδος του σήματος.

Το IC1-C μαζί με τις αντιστάσεις R5, R6, R7 και R8 είναι στην πραγματικότητα ένα κλασικό κύκλωμα αφαίρεσης (διαφορικός ενισχυτής) με τελεστικό. Η τάση που εφαρμόζεται στο αριστερό άκρο της R5 αφαιρείται από την τάση που εφαρμόζεται στο αριστερό άκρο της R6. Μόνο που και τα δύο αριστερά άκρα των R5 και R6, στο κύκλωμα μας, είναι βραχυκυκλωμένα. Αυτό σημαίνει ότι ουσιαστικά αφαιρούμε μία τάση από τον εαυτό της. Θα περίμενε λοιπόν κάποιος στην έξοδο του αφαιρέτη να έχουμε πάντοτε μία τάση ίση με μηδέν. Αν παρατηρήσετε καλά όμως θα διαπιστώσετε ότι λόγω της ύπαρξης του πυκνωτή C3, η αφαίρεση γίνεται μόνο για το DC. Για το AC σήμα, ο πυκνωτής C3 λειτουργεί ως βραχυκύκλωμα και γειώνει τη μη-αναστρέφουσα είσοδο του ΙC1-C. Με αυτό το τέχνασμα, ουσιαστικά, ο αφαιρέτης μετατρέπεται σε αναστροφικό ενισχυτή για το AC, με ενίσχυση ίση με R7/R5=2.2.

Από την παραπάνω ανάλυση προκύπτει ότι το IC1-C εξαλείφει την DC συνιστώσα του σήματος και ενισχύει το εναπομένων AC σήμα κατά 2.2 φορές. Επιπλέον των παραπάνω, το IC1-C πραγματοποιεί και ημιανόρθωση του σήματος. Η ημιανόρθωση πραγματοποιείται διότι ο τελεστικός λειτουργεί με στάθμη αναφοράς τα 0V και δεν υπάρχει αρνητική τάση τροφοδοσίας. Επομένως, είναι σε θέση να ενισχύει μόνο την θετική ημιπερίοδο του σήματος και κατά τη διάρκεια της αρνητικής ημιπεριόδου, η έξοδός του γίνεται μηδέν (δηλαδή συμβαίνει ημιανόρθωση).

Στην έξοδο του IC1-C λοιπόν έχουμε ένα ημιανορθωμένο σήμα. Το ημιαναρθωμένο σήμα περιέχει μία DC συνιστώσα και πλήθος αρμονικών. Οι αρμονικές αποκόπτονται (φιλτράρονται) από το απλό χαμηλοπερατό RC φίλτρο που σχηματίζεται από τα στοιχεία R9 και C4. H συχνότητα θλάσης αυτού του φίλτρου είναι ίση με 1/2πR9C4=4.5Hz, δηλαδή είναι αρκετά χαμηλή και κατά προσέγγιση το φίλτρο αφήνει να περάσει μόνο η DC συνιστώσα.

Κανονικά, η DC συνιστώσα ενός ημιανορθωμένου σήματος είναι ίση με το √2/π της RMS τιμής του σήματος εισόδου του ημιανορθωτή. Ο όρος √2/π είναι ίσος περίπου με 1/2.2. Επειδή όμως χρησιμοποιούμε ενίσχυση ίση με 2.2 στον ημιανορθωτή, πραγματοποιούμε αντιστάθμιση και τελικώς προκύπτει ένα ημιανορθωμένο σήμα που έχει DCσυνιστώσα ίση ακριβώς με την RMS τιμή του σήματος εισόδου του ημιανορθωτή. H DC αυτή συνιστώσα ανακτάται από το φίλτρο R9-C4 και οδηγείται στο κύκλωμα απεικόνισης.

Το κύκλωμα απεικόνισης είναι ένας κλασικός ενδείκτης στάθμης που βασίζεται στο ολοκληρωμένο LM3915. Το LM3915 οδηγεί 10 LED, τα D2 έως D11. Για εξοικονόμηση ενέργειας, επιλέγουμε η απεικόνιση να γίνεται σε μορφή τελείας και όχι μπάρας. Το LED D11 ανάβει όταν η DC τάση στην είσοδο του LM3915 γίνει ίση με 1.2V, δηλαδή όταν το μετρούμενο μαγνητικό πεδίο είναι ίσο ή μεγαλύτερο από 2.3μT. Τo κάθε ένα από τα υπόλοιπα LED ανάβει σε μία χαμηλότερη στάθμη πεδίου. Επειδή το βήμα απεικόνισης του LM3915 είναι 3db, τα D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D9, D10 και D11 ανάβουν σε στάθμες πεδίου 2.3μΤ, 1.6μΤ, 1.15μΤ, 810nT, 580nT, 409nT, 290nT, 205nT, 145nT και 103nT, αντίστοιχα.

Τιμές μαγνητικού πεδίου έως τα 300nT, θεωρούνται εντός των ορίων ασφαλείας στις περισσότερες χώρες του κόσμου και γι’ αυτό επιλέξαμε τα LED D2 έως και D5 να έχουν πράσινο χρώμα. Από τα 400nT έως το 1uT, το πεδίο θεωρείται δυνητικά επικίνδυνο και από το 1uT και πάνω θεωρείται επικίνδυνο, γι’ αυτό κι επιλέξαμε τα LED D6 έως D8 να είναι κίτρινου χρώματος και τα D9 έως D11 να είναι κόκκινου χρώματος.

Μέτρηση πεδίου ενός μετασχηματιστή
Μέτρηση πεδίου δίπλα σ' ένα μετασχηματιστή

Εκτός από την απεικόνιση με τα 10 LED, το κύκλωμα διαθέτει και μία αναλογική έξοδο για μπορούμε να απεικονίσουμε το πεδίο σε οποιοδήποτε άλλο ενδείκτη στάθμης ή ακόμη και σε ένα απλό βολτόμετρο. Η έξοδος αυτή παρέχεται από τα άκρα του C5. Ο C5, μαζί με τις R14, R15 και R16, σχηματίζουν ένα χαμηλοπερατό φίλτρο που εξάγει την DC συνιστώσα από την έξοδο του ημιανορθωτή, όπως ακριβώς και το φίλτρο R9-C4. Ο παράλληλος συνδυασμός των αντιστάσεων R15 και R16, μαζί με την R14 σχηματίζουν ένα διαιρέτη τάσης που είναι υπολογισμένος έτσι ώστε η αναλογική έξοδος να παρέχει τάση ίση με 0.1mV/nT. Για παράδειγμα, για πεδίο 2μΤ, θα έχουμε 200mV στην αναλογική έξοδο.

Η τάση στην αναλογική έξοδο του μετρητή
Εικόνα 4.  Η τάση στην αναλογική έξοδο του μετρητή, συναρτήσει του πεδίου (πηνίο 100 σπειρών, 43.05 x 12mm)

θα πρέπει επιπλέον να εξηγήσουμε και τη χρησιμότητα του IC1-D στο κύκλωμα. Ο τελεστικός IC1-D χρησιμοποιείται ως ένας απλός μη-αναστροφικός ενισχυτής για το DC. Στην είσοδό του δέχεται μία DC τάση που είναι ίση με 1.2V και που προέρχεται από τη στάθμη αναφοράς που παράγεται από ένα κύκλωμα που βρίσκεται εσωτερικά του LM3915. Η ενίσχυση του IC1-D είναι ίση με

1+ R11/R12 = 2.471

Επομένως, στην έξοδο του IC1-D παράγεται μία τάση αναφοράς που είναι ίση με

1.2* 2.471=3V

Η τάση αυτή χρησιμοποιείται για την πόλωση των ΙC1-A και IC1-B. O C7 χρησιμοποιείται για φιλτράρισμα του θορύβου και η αντίσταση R13 καθορίζει το ρεύμα με το οποίο τροφοδοτούνται τα LED.

Το τυπωμένο κύκλωμα του μετρητή μαγνητικού πεδίου
Εικόνα 5. Το τυπωμένο κύκλωμα του μετρητή μαγνητικού πεδίου (η όψη του χαλκού)


Κατασκευή της ηλεκτρονικής πλακέτας

Για την εύκολη συναρμολόγηση του κυκλώματος, έχουμε φτιάξει το κατάλληλο τυπωμένο κύκλωμα (πλακέτα). Το τυπωμένο κύκλωμα έχει χαλκό μόνο στη μία του όψη και παρουσιάζεται στην εικόνα 5. Όλα τα εξαρτήματα θα πρέπει να κολληθούν στο τυπωμένο σύμφωνα με τον οδηγό συναρμολόγησης της εικόνας 6.

Όλες οι αντιστάσεις που χρησιμοποιούμε στο κύκλωμα είναι ισχύος 1/4W. Για κάποιες αντιστάσεις αρκεί μία ανοχή της τάξης του 5%. Υπάρχουν όμως αρκετές αντιστάσεις που απαιτείται να είναι ακριβείας τουλάχιστο 1%. Οι εν λόγω αντιστάσεις σημειώνονται κατάλληλα στο σχηματικό. Οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές που χρησιμοποιούμε είναι χαμηλής τάσης (16V). Οι υπόλοιποι πυκνωτές είναι τύπου πολυεστέρα ή κεραμικοί. Προσοχή όμως, ο C2 θα πρέπει να είναι πυκνωτής με χαμηλή ανοχή (5% ή λιγότερο – συνίσταται 1% για βέλτιστη ακρίβεια).

Πώς να συναρμολογήσετε την πλακέτα του μετρητή μαγνητικού πεδίου
Εικόνα 6. Οδηγός συναρμολόγησης της πλακέτας του μετρητή μαγνητικού πεδίου

Το πηνίο L1 θα πρέπει να το τυλίξετε μόνοι σας και απαιτείται προσοχή για να πετύχετε βέλτιστη ακρίβεια. Για να σας διευκολύνουμε στην κατασκευή του πηνίου έχουμε τυπώσει τον κατάλληλο οδηγό - καλούπι πάνω στο οποίο μπορείτε να τυλίξετε το πηνίο πάνω στην πλακέτα. Ο οδηγός αποτελείται από τα δύο κομμάτια (ορθογώνια τμήματα της πλακέτας) που έχουν τη σήμανση 43.05x12x100. Το ορθογώνιο ίχνος γύρω από τη σήμανση είναι το ίχνος πάνω στο οποίο θα πρέπει να βρίσκονται οι σπείρες του πηνίου. Θα πρέπει να κόψετε το ένα κομμάτι και να το προσαρμόσετε πάνω στο άλλο με λεπτά συρματάκια που θα κολλήσετε στις 6 προβλεπόμενες οπές. Με τον τρόπο αυτό θα έχετε ένα «σάντουιτς», μέσα στο οποίο θα πρέπει να τυλίξετε τις εκατό σπείρες του πηνίου L1. Οι σπείρες μπορούν να τυλιχθούν κατά μήκος του ίχνους, πάνω στα συρματάκια συγκόλλησης του «σάντουιτς» που θα χρησιμοποιηθούν ως οδηγοί. Για να κατανοήσετε καλύτερα τον τρόπο κατασκευής του πηνίου, ανατρέξτε στις σχετικές φωτογραφίες του πρωτοτύπου.

Το σύρμα που θα χρησιμοποιήσετε για την κατασκευή του πηνίου θα πρέπει να είναι αρκετά λεπτό για να μην υπάρχουν γεωμετρικές αποκλίσεις στις διαστάσεις και καλό είναι να τυλίξετε τις σπείρες τη μία δίπλα στην άλλη και όχι σε πολλαπλές στρώσεις. Μπορείτε να στερεοποιήσετε το πηνίο με λίγη κόλλα αφότου το τυλίξετε. Στο πρωτότυπο χρησιμοποιήσαμε σύρμα περιέλιξης πάχους 0.2mm.

Μόλις κολλήσετε τα εξαρτήματα, συνδέσετε τον διακόπτη S1 και τη μπαταρία, το κύκλωμα θα είναι έτοιμο προς χρήση. Φροντίστε όμως να μην ξεχάσετε να κολλήσετε το γεφύρωμα που απαιτείται σε κάποιο σημείο της πλακέτας και φαίνεται ξεκάθαρα στον οδηγό συναρμολόγησης. Μπορείτε να δοκιμάσετε την πλακέτα δίπλα σε κάποια πηγή μαγνητικού πεδίου όπως για παράδειγμα δίπλα σε έναν μετασχηματιστή, κοντά σε ένα θερμαντικό σώμα με αντίσταση κ.λ.π

Το πηνίο του μετρητή μαγνητικού πεδίου
Το πηνίο του μετρητή μαγνητικού πεδίου

Η συσκευή δεν χρειάζεται βαθμονόμηση και θα υπάρχει αμελητέο σφάλμα στις μετρήσεις αρκεί να χρησιμοποιήσετε τα κατάλληλα εξαρτήματα και να τυλίξετε σωστά το πηνίο. Αν θέλετε να είστε σίγουροι ότι μετράει σωστά, θα πρέπει να δημιουργήσετε ένα μαγνητικό πεδίο συγκεκριμένης τιμής - συνήθως με ένα πηνίο συγκεκριμένων διαστάσεων ή να συγκρίνεται τις ενδείξεις με κάποια πιστοποιημένη συσκευή ή να πιστοποιήσετε τη δική σας συσκευή σε κάποιο εξειδικευμένο εργαστήριο.

Μόλις τελειώσετε τη συναρμολόγηση, μπορείτε να βάλετε τη συσκευή σε ένα κατάλληλο πλαστικό κουτί για να έχετε μία επαγγελματική φορητή συσκευή μέτρησης μαγνητικού πεδίου.

Στο πρωτότυπο χρησιμοποιήσαμε τον τελεστικό LM324 γιατί είναι σχετικά οικονομικός. Μπορείτε εναλλακτικά αν θέλετε να χρησιμοποιήσετε τους ακριβότερους και περισσότερο ποιοτικούς τελεστικούς TL084 ή TLC074 που παρέχουν μεγαλύτερη σταθερότητα και έχουν μικρότερη κατανάλωση ισχύος. Περαιτέρω, μπορείτε να προβείτε σε βελτιώσεις ή προσθήκες. Για παράδειγμα, μπορείτε να συνδέσετε την αναλογική είσοδο ενός μικροελεγκτή στην αναλογική έξοδο του κυκλώματος και να απεικονίσετε τις μετρήσεις αριθμητικά ή γραφικά σε κάποια οθόνη ή να λάβετε μετρήσεις σε υπολογιστή.

Ο μετρητής μαγνητικού πεδίου
Η ηλεκτρονική πλακέτα του μετρητή μαγνητικού πεδίου

 

Συνημμένα:

Το τυπωμένο κύκλωμα του μετρητή μαγνητικού πεδίου σε μορφή pdf