Messgerät und Kalibrator für die magnetische Feldstärke

Magnetfelder gibt es fast überall. Praktische Mittel zur Beurteilung der magnetischen Feldstärke über große Stärke- und Frequenzbereiche (20 Hz bis 150 kHz) sind jedoch nicht allgemein verfügbar. Trotz der Einschränkungen gibt es immer noch viele Gründe, warum Sie diese Messungen benötigen. Ein Beispiel ist das Aufspüren von Störungen durch ein ungeschirmtes oder schlecht abgeschirmtes Kabel.

In diesem Projekt werden wir eine Methode entwickeln, um Magnetfeldemissionen bei Frequenzen bis zu 150 kHz von Hochstromkabeln zu bewerten, ohne das Kabel zu durchtrennen oder zu stören.

Zunächst benötigen wir zwei einfache analoge Instrumente:

Im Allgemeinen ist es unwahrscheinlich, dass hochgenaue Messungen praktikabel oder nützlich sind. Denn viele magnetische Feldstärken, insbesondere bei hohen Frequenzen, können bereits über kurze Zeiträume und Entfernungen erheblich variieren. Darüber hinaus ist es wichtig zu beachten, dass der Verifizierer die Anforderungen an das Instrument einer hohen intrinsischen Genauigkeit überwindet, seine Stabilität jedoch normalerweise mehr als ausreichend ist.

Lassen Sie uns in die Entwicklung und die Komponenten des tragbaren Magnetfeldstärkemessgeräts eintauchen. Schauen wir uns zunächst ein Blockdiagramm des in Abbildung 1 gezeigten Messgeräts und Prüfgeräts an.

Beachten Sie, dass das Messgerät mit einer einzelnen 9-V-Batterie betrieben wird. Von hier aus werden wir die verschiedenen notwendigen Komponenten aufschlüsseln.

Die Sonde besteht aus einem 1,6 μH-Induktor mit einer Länge von 8 mm und einem Durchmesser von 7,5 mm. Es ist auf einen Isolierkörper gewickelt und hat etwa 22 Windungen. Eine elektrostatische Abschirmung (eine einzelne überlappte, isolierte Windung aus Kupferfolie) ist vorhanden. Bezüglich des Frequenzgangs ist der Induktivitätswert nicht kritisch, aber die physikalischen Abmessungen beeinflussen die Empfindlichkeit. Die Sonde ist an ein Koaxialkabel angeschlossen, wobei die elektrostatische Abschirmung mit der Kabelabschirmung verbunden ist.

Die Sonde ist gerichtet und wird normalerweise mit vertikaler Achse platziert (bei einem horizontalen Kabel) und erfasst die vertikale Komponente des Magnetfelds. Dennoch kann der Benutzer es horizontal einstellen, um die horizontale Komponente zu messen.

Insgesamt ist die Gesamtfeldstärke an einem Punkt die Quadratwurzel der Summe der Quadrate des vertikalen Feldes Hv und der beiden Komponenten des horizontalen Feldes Hx und Hy.

$$H_{total} = \sqrt{H^2_v + H^2_x + H^2_y}$$

Das Schema der Sonde und des Vorverstärkers ist in Abbildung 2 dargestellt.

Der Vorverstärker ist physisch in den Hauptverstärker integriert und verfügt über eine gemeinsame Masse. Der Ausgang X des Vorverstärkers ist mit dem Eingang X des Hauptverstärkerschaltbilds verbunden, das unten in Abbildung 3 dargestellt ist.

Der Vorverstärker besteht aus einem Transkonduktanzverstärker mit einer sehr niedrigen Eingangsimpedanz. Diese Technik erzeugt einen flachen Frequenzgang aus einer Gegeninduktivitätsquelle. Es kann jedoch unpraktisch sein, eine ausreichend niedrige Eingangsimpedanz im Vergleich zur Reaktanz von 1,6 μH bei 20 Hz zu erhalten. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, die Induktivität durch einen Reihen-1-mH-Ringkerninduktor zu erhöhen, der gegenüber externen Magnetfeldern unempfindlich ist. Der Widerstand der Spule und des hinzugefügten 15-Ω-Widerstands wird kompensiert, indem ein Kondensator in Reihe mit dem 1-kΩ-Rückkopplungswiderstand geschaltet wird.

Dieser Induktor besteht aus etwa 20 Windungen auf einem Ferrit-Toroid mit einem Außendurchmesser von 9,6 mm, einem Innendurchmesser von 4,7 mm und einer Dicke von 3,2 mm. Die Digi-Key-Teilenummer des Ringkernwandlers lautet 240-2522-ND. Handelsübliche 1-mH-Induktoren sind physikalisch große Teile, die für die Übertragung großer Ströme ausgelegt sind und hier ungeeignet sind.

Der Verstärker hat nur eine geringe Verstärkung und enthält zwei Filter. Beim Ansteuern einer hochohmigen Last bieten Sonde, Vorverstärker und Hauptverstärker eine Empfindlichkeit von 1 mV für eine Feldstärke von 1 A/m an der Sonde. Die SI-Einheit A/m (Ampere pro Meter) ist eine „kleine“ Einheit, im Gegensatz zum Farad beispielsweise, das eine „große“ Einheit ist. Daher verwenden wir normalerweise Teile, deren Kapazität einen sehr kleinen Bruchteil eines Farads beträgt . Wie klein? Nun, 1 A/m erzeugt in der Luft oder im Vakuum eine Flussdichte von 1,26 μT (Mikrotesla), während der Magnet in einem Ohrhörer etwa 1 T erzeugt.

Zuvor haben wir in Abbildung 3 den Schaltplan für den Hauptverstärker gezeigt. Darin ist die erste Stufe ein Tiefpassfilter 3. Ordnung, um Rauschen oberhalb von etwa 200 kHz zu eliminieren.

Dem Tiefpassfilter folgt ein Hochpassfilter 3. Ordnung, dessen -3dB-Frequenz mit den Schaltern S1a, S1b und S1c zwischen 8 Hz und 800 Hz umgeschaltet werden kann. Die Schalter können mit einem einzigen 3-poligen 2-Wege-Schalter (oder Ein-Aus-Schalter) implementiert werden.

In Abbildung 3 sind die Schalter in der zweiten Stufe so konfiguriert, dass sie vom Filter der zweiten Stufe eine -3-dB-Frequenz von 8 Hz erzeugen. Diese 8-Hz-Antwort eignet sich am besten zur Dämpfung von Flimmergeräuschen in diesem Breitband-Antwortmodus. In dieser Konfiguration liefert der vollständige Hauptverstärker einen Breitbandausgang mit einem im Wesentlichen flachen Frequenzgang von unter 20 Hz bis 100 kHz und einem begrenzten Abfall bis 150 kHz, wie in Abbildung 4 dargestellt. Aufgrund der Wirkung anderer Kopplungskondensatoren (C2, C7, C11, C18) beträgt die -3-dB-Frequenz der gesamten Hauptverstärkerantwort 11 Hz.

Für den 800-Hz-Hochpassgang sind 1,5-kΩ-Widerstände parallel zu R8, R9 und R11 geschaltet, um die Netzfrequenz und harmonische Komponenten unter 2 kHz zu dämpfen. Der Frequenzgang des Hauptverstärkers mit der 800-Hz-Hochpassfilterkonfiguration ist in Abbildung 5 dargestellt.

Die Filter sehen aus wie Sallen-Key-Butterworth-Filter mit gleichem Komponentenwert 3. Ordnung, aber nicht genau. Für echte Butterworth-Antworten sollten auf die ersten passiven Abschnitte Puffer folgen, damit die zweiten Abschnitte von niedrigen Impedanzen gespeist werden. Für unsere Zwecke in diesem Projekt ist dies jedoch nicht notwendig.

Der Ausgang des Hochpassfilters der zweiten Stufe wird an den Niederleistungsverstärker der dritten Stufe angelegt, der einen Ausgang liefert, der eine Last von 50 Ω (oder mehr) antreibt.

Eine einfache Möglichkeit, eine große magnetische Feldstärke zu erzeugen, ist die Verwendung eines Elektromagneten. Aus den physikalischen Abmessungen und dem Strom lassen sich Feldstärke und Induktivität genau berechnen. Der gemessene Wert der Induktivität dient als Kontrolle für die berechnete Feldstärke.

Der Magnet ist 50 mm lang, hat einen Durchmesser von 16 mm und hat 200 Windungen. Es ist auf einen Pappformer gewickelt (der bei Berührung mit einem Lötkolben nicht schmilzt). Die ehemalige Bohrung muss natürlich groß genug sein, um die Sonde aufzunehmen. Es kann an einem Ende mit einem eingeklebten Phono-Stecker ausgestattet werden (daher ist kein Löten erforderlich), so dass es über ein abgeschirmtes Kabel mit dem Prüfverstärker verbunden werden kann.

Der Prüfverstärker ist ein Verstärker mit geringer Leistung, der einen LM386 verwendet und mit einer 15-V-Versorgung betrieben wird. Er ist als Stromquellenausgang konfiguriert, um einen im Wesentlichen konstanten Strom bei jeder Frequenz von 20 Hz bis 100 kHz zu erzeugen, mit einer begrenzten Reduzierung bis 150 kHz.

Das Schema des Verifizierers ist in Abbildung 6 dargestellt.

Die Sonde und das Magnetventil sind in Abbildung 7 dargestellt.

Der Frequenzgang des Prüfstromausgangs ist in Abbildung 8 dargestellt. Das Magnetfeld im Magnetventil ist natürlich streng proportional zum Strom, da Luft eine konstante magnetische Permeabilität aufweist.

Es wäre zu viel zu erwarten, dass der Audioverstärker LM386 250 mA bei 150 kHz und 1000 A/m im Magnetventil erzeugt. Es erzeugt 250 mA bis 15 kHz, 25 mA bis 100 kHz und 12,5 mA bis 150 kHz. Starke Magnetfelder mit hohen Frequenzen kommen selten vor.

Aufgrund der hochinduktiven Last wird das Gerät bei der Erzeugung von 250 mA recht warm. Ein Kühlkörper könnte darauf geklebt werden, wenn der Strom länger als ein oder zwei Minuten zugeführt werden muss, was normalerweise ausreichend ist, um die Kalibrierung zu überprüfen.

Die Sondenspule wird in den Magneten eingeführt, sodass sie ungefähr auf halber Höhe liegt, um den Prüfer zu verwenden. Das Ein- und Ausfahren der Sonde zeigt, wie gleichmäßig die magnetische Feldstärke im Inneren des Magneten ist; es ändert sich erst, wenn sich die Sonde dem Ende nähert.

Abbildung 9 zeigt den Gesamtfrequenzgang vom Verifizierer zum Hauptverstärkerausgang, wobei sich der Hauptverstärker im Breitbandmodus (11 Hz bis 150 kHz) befindet.

Lassen Sie uns vor diesem Hintergrund einige Beispielanwendungsfälle für dieses Magnetfeldstärkemessgerät untersuchen.

Obwohl Netztransformatoren durch Schaltnetztransformatoren ersetzt werden, sind sie immer noch milliardenfach im Einsatz und können für bestimmte Zwecke bevorzugt werden. Allerdings erzeugen sie ein äußeres Magnetfeld und der Strom ist oft nicht sinusförmig, da der Transformator einen Gleichrichter mit Siebkondensator speist. Das Feld umfasst somit Komponenten bei Harmonischen der Netzfrequenz bis mindestens 10 kHz. Dies kann zu erheblichen Brummstörungen in benachbarten Audioschaltkreisen führen. Das spitzen Brummen ist kein tiefes Knurren: Der harmonische Gehalt wird durch den magnetischen Kopplungsprozess übertrieben, bei dem die induzierte Spannung proportional zu ihrer Frequenz ist. Zu Zeiten der Röhren/Ventile mit Gittern anstelle von Sockeln oder Toren nannte man es „Griddy Brummen“.

Die Richtung des Magnetfelds ist kreisförmig, auf dem Leiter zentriert, und seine Stärke H wird durch die Formel genau angegeben:

$$H = \frac{I}{2πr}$$

Wo:

In einer Entfernung vom Kabel, verglichen mit dem Abstand der beiden stromdurchflossenen Leiter, heben sich die Magnetfelder der entgegengesetzten Ströme nahezu auf, in der Nähe des Kabels jedoch nicht. Die Feldstärke kann genau berechnet werden. Abbildung 10 zeigt das Ergebnis einer vereinfachten Berechnung der vertikalen Komponente des Feldes, das von zwei Leitern im Abstand von 1 cm erzeugt wird, wobei die Leiter als extrem dünn angenommen wurden. Es ist zu erkennen, dass die Feldstärke mit zunehmender Entfernung sehr schnell abnimmt, in der Nähe des Kabels jedoch recht stark sein kann.

In den nächsten Abschnitten werden wir die verschiedenen Feldstärkemessungen dieses Projekts behandeln.

Magnetfeldleckage von einem Netztransformator

In einem Abstand von 25 mm vom Gehäuse des Transformators betrug die Feldstärke 50 A/m. Die Wellenform war eine verzerrte 50-Hz-Sinuswelle. Diese Feldstärke ist groß genug, um in einem nahegelegenen Stromkreis ein hörbares „Spitzenbrumm“-Signal auszulösen.

Die Ergebnisse einer Messung eines langen (1 m), geraden horizontalen Leiters mit 10 A bei 50 Hz sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Abstand von der Mitte des Leiters (mm)

Ausgangsspannung des Messgeräts (mV)

Magnetische Feldstärke (A/m)

Die in verschiedenen Abständen von einem horizontalen Zweileiterkabel mit einem Leiterabstand von 6 mm gemessenen Emissionen sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Abstand von der Mitte des näheren Leiters (mm)

Ausgangsspannung des Messgeräts (mV)

Magnetische Feldstärke (A/m)

Das Kabel führte den Strom einer ohmschen Last von 400 W, die auf die halbe Stromstärke gedimmt war. Das Ergebnis ist numerisch nicht mit Abbildung 9 vergleichbar, da der Durchmesser der Leiter (1,6 mm) im Vergleich zu ihrem Abstand nicht klein ist. Tabelle 2 zeigt jedoch, wie die Feldstärke mit zunehmender Entfernung abnimmt.

Abbildung 11 zeigt das Spannungsspektrum des Feldes mit der 50-Hz-Komponente bei 7 mV, entsprechend 7 A/m.

Abbildung 12 zeigt die gleiche Reaktion in dB (mV), wobei Dezibel als 1 mV bezeichnet werden, um die Stärken der höherfrequenten Komponenten viel besser hervorzuheben. Hier sehen wir, dass die 150-Hz-Komponente 7 dB unter der 50-Hz-Grundschwingung liegt, ein Verhältnis von 0,45. Tatsächlich reichen die Oberwellen bis etwa 10 MHz, der Spektrumanalysator reicht jedoch nicht bis zu solchen Frequenzen.

Die beiden vollständigen Prototypen wurden auf einer Steckplatine mit höheren Streuungen als Leiterplatten gebaut. Die Leistung von Leiterplatten wäre wahrscheinlich etwas besser.

Die Schaltpläne wurden mit dem kostenlosen und sehr leistungsstarken Simulator LTspice (www.analog.com) erstellt, mit dem ich nichts zu tun habe, außer dass ich ein zufriedener Benutzer bin. Sie werden als Grafiken reproduziert, die nicht zur Simulation ausgeführt werden können. Die Ergebnisse der Simulationen basieren auf etwas idealisierten Teilen mit exakten Werten. Komponententoleranzen können die Mittelfrequenzverstärkung geringfügig beeinflussen und zu Verstärkungsschwankungen an den Extrempunkten des Frequenzgangs führen. Diese könnten zwar durch das Hinzufügen mehrerer voreingestellter Komponenten korrigiert werden, der Verifizierer macht dies jedoch überflüssig.

Bei den Frequenzgängen und Spektren handelt es sich um tatsächliche Messungen, die mit einem kostengünstigen Add-on für einen PC, dem Instrustar USB-Oszilloskop ISD205C (www.instrustar.com), erfasst und aufgezeichnet wurden. Auch hier bin ich einfach ein zufriedener Benutzer. Die Benutzeroberfläche muss etwas erlernt werden.