Tesla Monitor

Beim Aufbau von Elektromagneten ist es manchmal erforderlich, Kenntnisse über die magnetische Flussdichte oder deren räumlichen oder zeitlichen Verlauf zu haben.

Der hier vorgestellte Flussdichtemessverstärker besteht aus einem Sensor zur Erfassung der Flussdichte und einem Verstärker, der das Sensorsignal verstärkt und filtert und deren Ausgangsspannungs-Offset unterdrückt.

So kann die Flussdichte an verschiedenen Punkten im Raum gemessen werden oder es kann der zeitliche Verlauf der Flussdichte oszillografiert werden.

Sensor:

UGN3503U

max. Ausgangsspannung:

±900 mV (entspricht ±90 mT)

Ausgangssignal:

10 mV / mT

Frequenzbereiche:

0 Hz bis 1 Hz und 0 Hz bis 10 KHz  (Filter)

Versorgungsspannung:

9 V bis 15 V dc

Anwendungsbeispiele:

1. Messung des zeitlichen Verlaufs der Flussdichte in einem Elektromagneten:
Ein Elektromagnet besteht aus einer stromdurchflossenen Spule und einem Magnetkern, der praktischerweise einen Luftspalt besitzt, denn hier wird das Magnetfeld zugänglich. Im Luftspalt bilden sich Kräfte aus, oder es werden Materialien magnetisch beeinflusst (z.B. physikalische Wasserbehandlung).
Leistungsstarke Elektromagneten werden oft mit einem Wechselstrom oder einem gleichgerichteten Wechselstrom betrieben. Somit ist das Magnetfeld nicht konstant.
Der Sensor wird in den Luftspalt oder in dessen Nähe gehalten, und das Ausgangssignal des Tesla-Monitors kann auf einem Oszilloskop dargestellt werden.

2. Bestimmung der Remanenz und Entmagnetisierung des Elektromagneten:
Wird der Magnetisierungsstrom ausgeschaltet, behält der Magnetkern einen gewissen Restmagnetismus, da dieser magnetisch weich ist. Der Restmagnetismus kann mit dem Tesla-Monitor direkt gemessen werden.
In einigen Fällen ist es erforderlich, den Magnetkern für eine bestimmte Zeit zu entmagnetisieren. Dies wird üblicherweise durch Anlegen eines genau definierten Gegenstromimpulses erreicht. Mit dem Tesla-Monitor kann die Höhe und die Dauer des Gegenstromimpulses ermittelt werden.

3. Untersuchung des räumlichen Verlaufs der Flussdichte:
Im Falle eines physikalischen Wasserbehandlungsgerätes ist es aufschlussreich, den räumlichen Verlauf, bzw. die Homogenität des Magnetfeldes zu kennen.
Da der Sensor sehr klein ist, kann an verschiedenen Stellen im Raum (in diesem Fall in der Wasserrohrleitung) die Flussdichte gemessen und grafisch dargestellt werden.

Aufbau:
Die Schaltung besteht aus einem zweistufigen Verstärker, dessen Gesamtverstärkung von 0,63 bis 1,56 abgeglichen werden kann. Die beiden Verstärkerstufen bilden ein aktives Tiefpassfilter, das für “statische” und “dynamische” Messungen umgeschaltet werden kann.
Als Operationsverstärker wird hier der einfache Typ LM358 verwendet.
Eine abgleichbare Spannungsquelle legt den Bezugspunkt des Verstärkers auf die Höhe der Offsetspannung des Sensors.

Somit ist die Ausgangsspannung 0 V, wenn die gemessene Flußdichte 0 mT beträgt. Die Schaltung kann sowohl positive als auch negative Magnetfelder messen.
Das ganze Gerät findet in einem kleinen Kunststoffgehäuse, das zur Abschirmung mit etwas Aluminiumfolie ausgekleidet wurde, Platz.

Stromversorgung:
Die Versorgungsspannung kommt von einem externen Netzteil und kann zwischen 9 V und 15 V DC betragen. Eine interne Referenzspannungsquelle, die mit dem Shunt-Regler TL431A gebildet wird, stellt eine recht genaue und temperaturstabile 5V-Spannung zur Verfügung.
Die Stromaufnahme des gesamten Verstärkers liegt bei 20 mA.

Sensor:
Als Sensor wird hier der lineare Hall-Effekt Sensor UGN3503U von Allegro verwendet. Es ist ein preiswerter Sensor mit brauchbarer Empfindlichkeit. Inzwischen wurde er abgekündigt und von Allegro durch den Typ A1302 ersetzt.

Diese Sensoren besitzen eine Empfindlichkeit von 1,3 mV/Gauss.  1 Gauss = 0,1 mTesla.
Somit ist die Empfindlichkeit 13 mV/mT. Mit einer Verstärkung von 0,77 kommt man auf eine
Empfindlichkeit des Tesla-Monitors von 10 mV/mT.
Die Offsetspannung des Sensors selbst liegt bei 2,5 V.

Funktion:
Das Messsignal gelangt über die 9-polige SubD-Eingangsbuchse und das Eingangsfilter auf die erste und dann auf die zweite Verstärkerstufe.
Da die Verstärkungsfaktoren der beiden Stufen in der Größenordnung von 1 liegen, werden zwei invertierende Verstärker benutzt. Hiermit lassen sich gute Tiefpassfilter realisieren.
Zur Kompensation der Sensor-Offsetspannung wird der Bezugspunkt des Verstärkers auf den Betrag der Offsetspannung gelegt. Es ist zu beachten, dass der Bezugspunkt der Ausgangsbuchse nicht mit dem Bezugspunkt der Versorgungsspannung übereinstimmt. Das bedeutet, dass die Masse des Netzteils nicht mit der Masse des Oszilloskops verbunden werden darf.

Offset-Abgleich:
Der Offset-Abgleich wird bei der Filtereinstellung “1 Hz” (Messung statischer Magnetfelder) durchgeführt.
Der Sensor wird möglichst parallel zu den Feldlinien des Erdmagnetfeldes gehalten, um dieses möglichst wenig mitzumessen. Dann wird die Ausgangsspannung auf 0,0 mV abgeglichen.
Das Erdmagnetfeld besitzt eine Flussdichte von etwa 30 µT bis 60 µT, und erzeugt demnach Spannungen von 0,3 mV bis 0,6 mV am Ausgang des Tesla-Monitors, wenn man den Sensor senkrecht zu den Feldlinien hält.

Tipps:
Das Kunststoffgehäuse wird zur Abschirmung mit etwas Aluminiumfolie ausgekleidet, dann kann man es im Betrieb mit der Hand anfassen, ohne dass sich das Ausgangssignal ändert.

Metallbuchsen werden mit Heißkleber im Gehäuse befestigt. Für Anwendungen im Zimmertemperaturbereich ist das eine einfache und stabile Lösung.

Auch die Leiterplatte kann mit Heißkleber im Gehäuse befestigt werden.
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