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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Schlage den Metalldetektor. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Metalldetektoren Der vorgeschlagene Metalldetektor ist für die Suche nach Objekten im „Nahbereich“ konzipiert. Der Zusammenbau erfolgt nach dem einfachsten Schema. Das Gerät ist kompakt und einfach herzustellen. Die Erkennungstiefe beträgt:
Strukturschema Das Blockdiagramm ist in Abb. dargestellt. 8. Es besteht aus mehreren Funktionsblöcken. Ein Quarzoszillator ist eine Quelle von Rechteckimpulsen mit stabiler Frequenz.
An den Messgenerator ist ein Schwingkreis angeschlossen, der einen Sensor – eine Induktivität – enthält. Die Ausgangssignale beider Generatoren werden den Eingängen eines Synchrondetektors zugeführt, der an seinem Ausgang ein Differenzfrequenzsignal erzeugt. Dieses Signal hat annähernd eine Sägezahnform. Zur Vereinfachung der Weiterverarbeitung wird das synchrone Detektorsignal mit einem Schmidt-Trigger in ein Rechtecksignal umgewandelt. Das Anzeigegerät ist so konzipiert, dass es mithilfe eines Piezo-Emitters ein Differenzfrequenz-Schallsignal erzeugt und den Wert dieser Frequenz mithilfe einer LED-Anzeige visuell anzeigt. Schematische Darstellung Das schematische Diagramm des vom Autor entwickelten schlagenden Metalldetektors ist in Abb. dargestellt. 9.
Der Quarzoszillator verfügt über eine Schaltung, die der eines Metalldetektorgenerators ähnelt und auf dem „Sende-Empfangs“-Prinzip basiert, jedoch auf den Wechselrichtern D1.1-D1.3 implementiert ist. Die Generatorfrequenz wird durch einen Quarz- oder Piezokeramik-Resonator Q mit einer Resonanzfrequenz von 2 stabilisiert15 Hz ~ 32 kHz („Uhrquarz“). Der Schaltkreis R1C2 verhindert, dass der Generator bei höheren Harmonischen angeregt wird. Der PIC-Kreis wird durch den Widerstand R2 geschlossen, und der PIC-Kreis wird durch den Resonator Q geschlossen. Der Generator ist einfach aufgebaut, hat einen geringen Stromverbrauch aus der Stromquelle, arbeitet zuverlässig bei einer Versorgungsspannung von 3..15 V und enthält keine angepassten Elemente oder zu hochohmige Widerstände. Die Ausgangsfrequenz des Generators beträgt etwa 32 kHz. Ein zusätzlicher Zähltrigger D2.1 wird benötigt, um ein Signal mit einem Tastverhältnis genau gleich 2 zu erzeugen, das für die nachfolgende Synchrondetektorschaltung benötigt wird. Messgenerator Der Generator selbst ist auf einer Differenzstufe mit den Transistoren VT1, VT2 implementiert. Die PIC-Schaltung ist galvanisch ausgeführt, was die Schaltung vereinfacht. Die Last der Differentialkaskade ist der Schwingkreis L1C1. Die Erzeugungsfrequenz hängt von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises und teilweise vom Betriebsstrom der Differenzstufe ab. Dieser Strom wird durch die Widerstände R3 und R3' eingestellt. Die Frequenzanpassung des Messgenerators beim Einrichten des Gerätes erfolgt grob – durch Auswahl der Kapazität C1 und stufenlos – durch Einstellen des Potentiometers R3‘. Um das Niederspannungsausgangssignal der Differenzstufe in Standardlogikpegel digitaler CMOS-Chips umzuwandeln, wird eine gemeinsame Emitterstufe am Transistor VT3 verwendet. Ein Shaper mit Schmidt-Trigger am Eingang des Elements D3.1 sorgt für steile Impulsflanken für den Normalbetrieb des nachfolgenden Zähltriggers. Ein zusätzlicher Zähltrigger D2.2 wird benötigt, um ein Signal mit einem Tastverhältnis genau gleich 2 zu erzeugen, das für die nachfolgende Synchrondetektorschaltung benötigt wird. Synchroner Detektor Der Detektor besteht aus einem Multiplizierer, der auf dem „Exklusiv-ODER“-Element D4.1 implementiert ist, und einer Integrierschaltung R6C4. Sein Ausgangssignal ähnelt in seiner Form einem Sägezahn und die Frequenz dieses Signals entspricht der Differenz zwischen den Frequenzen des Quarzoszillators und des Messoszillators. Schmidt-Trigger Der Schmidt-Trigger ist auf dem Element D3.2 implementiert und erzeugt aus der Sägezahnspannung des Synchrondetektors Rechteckimpulse. Anzeigegerät Es handelt sich lediglich um einen leistungsstarken Pufferwechselrichter, der auf die drei verbleibenden Wechselrichter D1.4-D1.6 implementiert und zur Erhöhung der Belastbarkeit parallel geschaltet wird. Die Last des Anzeigegeräts ist eine LED und ein Piezo-Emitter. Teiletypen und Design Die verwendeten Arten von Mikroschaltungen sind in der Tabelle angegeben. 4. Tabelle 4. Arten von verwendeten Mikroschaltungen
Anstelle der Mikroschaltungen der Serie K561 können auch Mikroschaltungen der Serie K1561 verwendet werden. Sie können versuchen, einige Mikroschaltungen der K176-Serie zu verwenden. Die Eingänge nicht verwendeter Elemente digitaler Mikroschaltungen dürfen nicht unverbunden bleiben! Sie sollten entweder an einen gemeinsamen Bus oder an einen Energiebus angeschlossen werden. Die Transistoren VT1, VT2 sind Elemente einer integrierten Transistorbaugruppe vom Typ K159NT1 mit einem beliebigen Buchstaben. Sie können durch diskrete Transistoren mit NPN-Leitfähigkeit vom Typ KT315, KT312 usw. ersetzt werden. Transistor VT3 – Typ KT361 mit beliebigem Buchstaben oder ähnlicher Typ mit pnp-Leitfähigkeit. Für die im Metalldetektorkreis verwendeten Widerstände gelten keine besonderen Anforderungen. Sie müssen lediglich ein solides Design haben und einfach zu installieren sein. Die Nennverlustleistung sollte 0,125...0,25 W betragen. Das Kompensationspotentiometer R3' ist vorzugsweise vom Typ SP5-44 mit mehreren Drehungen oder vom Typ SP5-35 mit Feineinstellung. Sie kommen mit herkömmlichen Potentiometern jeglicher Art aus. In diesem Fall empfiehlt es sich, zwei in Reihe zu verwenden. Einer dient der Grobeinstellung mit einem Nennwert von 1 kOhm. Der andere dient der Feinabstimmung und ist auf 100 Ohm ausgelegt. Der Induktor L1 hat einen inneren Wicklungsdurchmesser von 160 mm und enthält 100 Drahtwindungen. Drahttyp – PEL, PEV, PELSHO usw. Drahtdurchmesser 0,2...0,5 mm. Spulendesign siehe unten. Kondensator C3 ist elektrolytisch. Empfohlene Typen – K50-29, K50-35, K53-1, K53-4 und andere kleine. Die übrigen Kondensatoren, mit Ausnahme des Kondensators des Schwingkreises der Messgeneratorspule, sind Keramik vom Typ K10-7 usw. Der Schaltungskondensator C1 ist etwas Besonderes. An ihn werden hohe Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und thermischer Stabilität gestellt. Der Kondensator besteht aus mehreren (5...10 Stk.) parallel geschalteten Einzelkondensatoren. Die grobe Abstimmung der Schaltung auf die Frequenz des Quarzoszillators erfolgt durch Auswahl der Anzahl der Kondensatoren und deren Nennleistung. Empfohlener Kondensatortyp K10-43. Ihre thermische Stabilitätsgruppe ist MPO (d. h. ungefähr Null TKE). Es ist möglich, Präzisionskondensatoren anderer Typen zu verwenden, beispielsweise K71-7. Letztendlich können Sie versuchen, thermisch stabile Glimmerkondensatoren mit Silberplatten wie KSO- oder Polystyrolkondensatoren zu verwenden. LED VD1 Typ AL336 oder ähnlich mit hoher Effizienz. Jede andere sichtbare LED funktioniert ebenfalls. Quarzresonator Q – jeder kleine Uhrenquarz (ähnliche werden auch in tragbaren elektronischen Spielen verwendet). Piezo-Emitter Y1 – kann vom Typ ЗП1-ЗП18 sein. Gute Ergebnisse werden mit der Verwendung von Piezo-Emittern importierter Telefone erzielt (sie gehen bei der Herstellung von Telefonen mit Anruferkennung in großen Mengen „verschwendet“). Das Design des Gerätes kann durchaus beliebig sein. Bei der Entwicklung empfiehlt es sich, die Empfehlungen aus den Abschnitten zur Sensorik und Gehäusegestaltung zu berücksichtigen. Die Leiterplatte des elektronischen Teils des Metalldetektors kann mit jeder herkömmlichen Methode hergestellt werden; es ist auch praktisch, vorgefertigte Steckplatinen für das DIP-Paket der Mikroschaltungen (2,5 mm Rastermaß) zu verwenden. Einrichten des Geräts Es wird empfohlen, das Gerät in der folgenden Reihenfolge einzurichten. 1. Überprüfen Sie die korrekte Installation anhand des Schaltplans. Stellen Sie sicher, dass es keine Kurzschlüsse zwischen benachbarten Leiterplattenleitern, benachbarten Mikroschaltungsbeinen usw. gibt. 2. Schließen Sie die Batterie oder die 9-V-Stromquelle an und beachten Sie dabei unbedingt die Polarität. Schalten Sie das Gerät ein und messen Sie den Stromverbrauch. Es sollte etwa 10 mA betragen. Eine starke Abweichung vom angegebenen Wert weist auf eine falsche Installation oder eine Fehlfunktion der Mikroschaltungen hin. 3. Stellen Sie sicher, dass am Ausgang des Quarzoszillators und am Ausgang von Element D3.1 eine reine Rechteckwelle mit einer Frequenz von etwa 32 kHz anliegt. 4. Stellen Sie sicher, dass an den Ausgängen der Trigger D2.1 und D2.2 Signale mit Frequenzen von ca. 16 kHz anliegen. 5. Stellen Sie sicher, dass am Eingang des Elements D3.2 eine Sägezahn-Differenzfrequenzspannung und an seinem Ausgang Rechteckimpulse anliegen. 6. Stellen Sie sicher, dass das Anzeigegerät funktioniert – optisch und akustisch. Mögliche Änderungen Das Design des Geräts ist äußerst einfach und daher können wir nur über weitere Verbesserungen sprechen. Diese beinhalten: 1. Hinzufügen einer optionalen logarithmischen LED-Frequenzanzeige. 2. Verwendung eines Trafosensors in einem Messgenerator. Schauen wir uns diese Modifikationen genauer an. Logarithmischer Frequenzindikator Die logarithmische Frequenzanzeige ist eine fortschrittliche LED-Anzeige. Seine Skala besteht aus acht separaten LEDs. Wenn die gemessene Frequenz einen bestimmten Schwellenwert erreicht, leuchtet die entsprechende LED auf der Skala auf, die anderen sieben leuchten nicht. Die Besonderheit des Indikators besteht darin, dass sich die Frequenzgangschwellen benachbarter LEDs um den Faktor zwei voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten, die Anzeigeskala hat eine logarithmische Teilung, was für ein Gerät wie einen Beat-Metalldetektor sehr praktisch ist. Das schematische Diagramm eines logarithmischen Frequenzindikators ist in Abb. dargestellt. 10. Obwohl die Schaltung dieses Indikators vom Autor unabhängig entwickelt wurde, erhebt sie keinen Anspruch auf Originalität, da eine Patentrecherche ergab, dass ähnliche Schaltungen bekannt sind. Dennoch sind nach Meinung des Autors sowohl die Indikatorschaltung selbst als auch ihre Implementierung auf Basis inländischer Elemente von einigem Interesse.
Der logarithmische Indikator funktioniert wie folgt. Der Eingang des Indikators empfängt ein Signal vom Ausgang des Schmidt-Triggers der Beat-Metalldetektorschaltung (siehe Abb. 9). Dieses Signal ist der Eingang für die Binärzähler D5.1-D5.2 (die Nummerierung erfolgt weiterhin nach dem Schema in Abb. 9). Diese Zähler werden durch ein High-Pegel-Signal des Hilfsoszillators am Schmidt-Trigger D3.3 mit einer Frequenz von etwa 10 Hz periodisch auf Null zurückgesetzt. Bei der steigenden Flanke des Hilfsgeneratorsignals wird der Zustand der Zähler auch in den parallelen Vier-Bit-Registern D6 und D7 aufgezeichnet. An den Ausgängen der Register D6 und D7 liegt somit ein digitaler Code für die Frequenz des Schwebungssignals an. Es ist ganz einfach möglich, diesen Code in eine logarithmische Skala umzuwandeln (und das ist der „Highlight“ dieses Schemas), wenn die Beleuchtung der entsprechenden Skalen-LED entsprechend dem Erscheinen einer Eins in einem bestimmten Bit der Frequenz eingestellt wird Code mit ausschließlich Nullen in den höheren Bits des Codes. Offensichtlich muss diese Aufgabe von einer kombinatorischen Schaltung übernommen werden. Die einfachste Implementierung einer solchen Schaltung besteht aus sich periodisch wiederholenden Verknüpfungen von ODER-Elementen. Die praktische Schaltung verwendet NOR-Elemente D8, D9 zusammen mit leistungsstarken Pufferinvertern D10, D11. Am Ausgang der Schaltung erhält man ein logisches Signal zur Ansteuerung der Skalen-LEDs in Form einer „Einheitenwelle“. Unter dem Gesichtspunkt der Batterieschonung ist es natürlich sinnvoller, die Waage nicht in Form einer leuchtenden LED-Säule (bis zu 8 Stück gleichzeitig), sondern in Form eines beweglichen Punktes zu gestalten eine leuchtende LED. Dazu werden die LEDs der Anzeigeleitung zwischen die Ausgänge der Kombinationsschaltung geschaltet. Für sehr niedrige Frequenzen ist eine blinkende LED-Anzeige noch besser geeignet. Im vorgeschlagenen Schema wird sie mit dem Anfang der LED-Skala kombiniert und erlischt, sobald deren nächstes Segment aufleuchtet. Durch Auswahl der Elemente R8, C5 können Sie den Frequenzwert des Hilfsgenerators und damit die Frequenzskalengrenze ändern. Teiletypen und Design Die verwendeten Arten von Mikroschaltungen sind in der Tabelle angegeben. 4. Tabelle 4. Arten von verwendeten Mikroschaltungen
Anstelle der Mikroschaltungen der Serie K561 können auch Mikroschaltungen der Serie K1561 verwendet werden. Sie können versuchen, einige Mikroschaltungen der K176-Serie zu verwenden. Die Verdrahtung der Stromkreise und die Nummerierung der Pins für die Mikroschaltungen D8-D11 sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. LEDs VD2-VD9 Typ AJ1336 oder ähnlich mit hoher Effizienz. Ihre Stromeinstellwiderstände R9-R17 haben den gleichen Nennwert von 1,0...5,1 kOhm. Je niedriger der Widerstandswert dieser Widerstände ist, desto heller leuchten die LEDs. Allerdings reicht die Belastbarkeit der K561LN2-Mikroschaltungen möglicherweise nicht aus. In diesem Fall wird empfohlen, im Anzeigekreis parallel geschaltete Ausgangswechselrichter zu verwenden. Der bequemste Weg, diese Parallelschaltung zu organisieren, besteht darin, einfach zusätzliche Chippakete des gleichen Typs (bis zu 4 Stück) auf jeden der in der Schaltung installierten K561LN2-Chips zu löten. Transformatorsensor Die Idee eines Transformatorsensors für Metalldetektoren ist einfach und elegant. Es ist seit langem bekannt und entstand aus dem Wunsch heraus, den Aufbau der Sensorspule eines Metalldetektors zu vereinfachen. Ein häufiger Nachteil eines typischen Metalldetektorsensors jeglicher Bauart ist die große Anzahl (mehr als 100) Spulenwindungen. Dadurch wird die Sensorstruktur nicht ausreichend steif, was besondere Maßnahmen wie zusätzliche Rahmen, Verfüllung mit Epoxidharz usw. erfordert. Darüber hinaus ist die parasitäre Kapazität einer solchen Spule groß und um Fehlsignale aufgrund der kapazitiven Kopplung der Spule(n) mit der Erde und dem Körper des Bedieners zu eliminieren, ist eine Abschirmung der Wicklungen erforderlich. Der Weg zur Beseitigung der aufgeführten Mängel ist einfach und offensichtlich: Sie müssen eine Spule verwenden, die aus einer Mindestanzahl von Windungen besteht – einer Windung! Natürlich funktioniert eine solche Lösung nicht „frontal“, da die unbedeutende Induktivität einer Windung riesige Kapazitäten der Kondensatoren der Schwingkreise, Signalgeneratoren mit einem riesigen Ausgangsstrom und spezielle Tricks zur Gewährleistung eines hohen Qualitätsfaktors erfordern würde. Und hier ist es an der Zeit, sich an die Existenz eines Geräts zu erinnern, das dazu bestimmt ist, Impedanzen anzupassen, Hochspannungs-Wechselsignale mit niedrigem Strom in Niederspannungssignale mit hohem Strom umzuwandeln, und umgekehrt, an einen Transformator. Nehmen wir tatsächlich einen Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis von etwa hundert und verbinden seine Abwärtswicklung mit einer Windung, dem Metalldetektorsensor, und die Aufwärtswicklung mit der Metalldetektorschaltung anstelle einer Induktivität. Konstruktiv kann eine Windung eines solchen Transformatorsensors auf verschiedene Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann es sich um einen Ring aus einadrigem Kupfer- oder Aluminiumdraht mit einem Querschnitt von 6 ... 10 mm handeln2 für Kupfer und 10...35 mm2 für Aluminium. Die Innenleiter von Stromkabeln sind bequem zu verwenden. Um das Gewicht zu reduzieren und die Steifigkeit zu erhöhen, können Sie eine Spule aus einem Metallrohr herstellen. Es ist möglich, eine Spule aus Folie durch Aufkleben auf Plattenmaterial und sogar aus gewöhnlichem Folien-Glasfaserlaminat herzustellen. An jedem geeigneten Ort wird die Spule durch Anschluss an den gemeinsamen Bus des Geräts geerdet, wodurch eine Kompensation parasitärer kapazitiver Kopplungen gewährleistet wird. Der Einfluss dieser Verbindungen ist bei einem gegebenen Sensordesign aufgrund des geringeren Wertes des Impedanzmoduls einer Windung um mehrere Größenordnungen geringer. Mit dem Transformatorsensor können Sie ein zusammenklappbares Design eines kompakten Beat-Metalldetektors implementieren. Seine Skizze ist in Abb. dargestellt. 11. Der Sensortransformator besteht aus einem ringförmigen Magnetkern, der direkt auf der Metalldetektorplatine installiert und in einem Kunststoffgehäuse untergebracht ist. Die Abwärtswicklung des Transformators und die Spule des Sensors bilden strukturell eine Einheit in Form eines rechteckigen Rahmens aus isoliertem einadrigem Kupferdraht mit einem Querschnitt von 6 mm2, der durch Löten verschlossen ist. Dieser Rahmen ist drehbar. Im zusammengeklappten Zustand liegt der Rahmen um den Umfang des Gerätekörpers herum und nimmt keinen zusätzlichen Platz ein. In Arbeitsstellung dreht es sich um 180°. Um die Lagefixierung des Rahmens zu gewährleisten, werden Dichtungsmanschetten aus Gummi oder ähnlichem Material verwendet. Es ist auch möglich, jede andere geeignete mechanische Rahmenbefestigung zu verwenden.
Der Querschnitt des Leiters, aus dem die Transformator-Sensorspule besteht, darf nicht kleiner sein als der Gesamtquerschnitt aller Windungen, aus denen eine herkömmliche Metalldetektor-Sensorspule besteht. Dies ist nicht nur notwendig, um der Struktur die erforderliche Festigkeit und Steifigkeit zu verleihen, sondern auch, um sicherzustellen, dass der Qualitätsfaktor des Schwingkreises mit einem solchen Transformatoranalogon des Induktors nicht zu niedrig ist (übrigens, wenn eine solche Drehung wie verwendet wird). eine strahlende Spule, der Strom darin kann mehrere zehn Ampere erreichen!). Aus dem gleichen Grund ist die richtige Auswahl des Drahtquerschnitts der Abwärtswicklung des Transformators erforderlich. Er darf einen kleineren Querschnitt haben als der Querschnitt des Spulenleiters, sein ohmscher Widerstand sollte jedoch nicht größer sein als der ohmsche Widerstand der Spule. Um Verluste aufgrund des ohmschen Widerstands zu reduzieren, ist es notwendig, die Windung sehr sorgfältig mit der Abwärtswicklung des Transformators zu verbinden. Die empfohlene Verbindungsmethode ist Löten (für eine Kupferspule) und Schutzgasschweißen (für eine Aluminiumspule). Für den Transformator gelten folgende Anforderungen. Erstens muss es bei der erforderlichen Frequenz verlustarm arbeiten. In der Praxis bedeutet dies, dass sein Magnetkern aus Niederfrequenzferrit bestehen muss. Zweitens sollten seine Wicklungen keinen nennenswerten Beitrag zur Sensorimpedanz leisten. In der Praxis bedeutet dies, dass die Induktivität der Abwärtswicklung deutlich größer sein sollte als die Induktivität der Windung. Für toroidale Ferrit-Magnetkerne mit magnetischer Permeabilität μ=2000 und bei einem Durchmesser von mehr als 30 mm gilt dies sogar für eine Windung der Untersetzungswicklung. Drittens muss das Übersetzungsverhältnis so sein, dass die Induktivität der Aufwärtswicklung, wenn die Sensorspule mit der Abwärtswicklung verbunden ist, ungefähr der einer herkömmlichen Spule eines typischen Sensors entspricht. Leider überwiegen die Vorteile des Transformatorsensors seine Nachteile nur bei Beat-Metalldetektoren deutlich. Für empfindlichere Geräte ist ein solcher Sensor aufgrund seiner relativ hohen Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Verformungen nicht anwendbar, was zu Fehlsignalen während der Bewegung führt. Aus diesem Grund wird der Transformatorsensor nur in dem Abschnitt behandelt, der dem Metalldetektor gewidmet ist. Autor: Shchedrin A.I.
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