Home
Projekte
Protonen-
Magnetometer
Protonen-
Magnetometer II
UV-Platinenbelichter
Labornetzteil
Mess-Lichtschranke
Netzfrequenz
Interessantes
Seltsamer Sensor
ABPM50
Pedal mit 270 Grad Poti
Sonstiges
China!
Über mich
 
DE  EN

PPM - Neues Design, Abstimmungsfrei

Das alte Konzept, nach dem fast alle Protonenmagnetometer aufgebaut sind, besteht u.A. meist aus zwei analogen Filterstufen: Der "Empfangskreis", in Form der Polarisationsspulen, wird über geschaltete Kondensatoren resonant ausgelegt und abgestimmt. Durch die erhöhte Güte im Bereich der Resonanzfrequenz erreicht man die erste Signalverstärkung, ähnlich einem einfachen Radioempfänger. Darauf folgt ein abstimmbares Bandpassfilter (z.B. Biquad-Topologie), dessen Mittenfrequenz und Güte beispielsweise durch digitale Potentiometer, gesteuert vom Mikrocontroller, abgestimmt werden kann. Anschliessend erfolgt die Nulldurchgangsbestimmung mit Hilfe eines Komparators, die Bestimmung der Frequenz übernimmt dann ein Zähler des Contollers, dessen Wert bei einer Signalflanke zur weiteren Verarbeitung in ein Register geladen wird.

Im Zeitalter digitaler Signalverarbeitung erscheinen analoge Filter und die Frequenzbestimmung per Komparator natürlich nicht mehr optimal. Aktuelle 32-Bit-Mikrocontroller bieten inzwischen schnelle Fliesskommaarithmetik, grosses RAM und integrierte 12-Bit-Analog-Digital-Konverter. Daher wurde für das neue Protonenmagnetometer ein Prozessor der STM32-Familie eingesetzt, da der bisher verwendeten Atmel (inzwischen Microchip) ATmega mit 8-Bit Architektur für komplexe Signalverarbeitungsaufgaben nicht ausreicht. Die STM32 Controller sind auch für Amateurelektroniker leicht zugänglich und es gibt genug Informationsquellen im Internet.

Als besonders wertvoll und digital schwer zu ersetzen, wird im allgemeinen der resonante Eingangskreis angesehen, da dieser eine scheinbar einfache und rauschfreie Verstärkung liefert. Der Preis ist aber auch eine Erhöhung der Quellenimpedanz, was wiederum das Stromrauschen der Eingangsstufe stärker zur Geltung kommen lässt. Daher ist der Wegfall der Resonanz im Eingangskreis nicht ganz so dramatisch wie angenommen. Dennoch war eine weitere Verringerung des Verstärkerrauschens erforderlich, das nun um 1nV/Wurzel(Hz) liegt. Am einfachsten, auch kostengünstigsten war dies mit einem unsymmetrischen Eingang zu erreichen. Damit werden zwar lange Zuleitungen (z.B. 10m) unmöglich, im Feldeinsatz ist das jedoch kein Nachteil. Die folgende Grafik zeigt das Blockschaltbild des neuen Designs:


[Protonenmagnetometer Aufbau und Funktionsweise]

Das Spulenpaar des Sensors (1) wird über MosFet-Schalter (3) entweder an die Batteriespannung oder an den Eingangsverstärker (6) gelegt. Die Strombegrenzung (4) stellt sicher, dass auch bei Kabelbruch die Elektronik keinen Schaden nimmt. Auf einen speziellen Schutz gegen Verpoplung konnte durch Verwendung geschützter Spannungsregler verzichtet werden. Durch das vereinfachte Design der analogen Signalkette konnte auf eine symmetrische Versorgung verzichtet werden (5). Das Rauschen des Systems is so gering, dass in magnetisch "unverseuchter" Umgebung der Messwert nur +- 1 Stelle schwankt, bei einer Messperiode von 1s.

Beim mechanischen Aufbau wurde wieder auf das, ganz am Anfang schon beim alten Design verwendete, Gehäuse der Firma Fischer gesetzt. Dank der wesentlich höheren Prozessorleistung konnte ein Grafikdisplay verwendet werden, welches per SPI angesteuert wird. Nach dem Einschalten beginnen die Messungen sofort, es ist keinerlei Abstimmung oder Ähnliches notwendig. Die Einstellmöglichkeiten wurden reduziert und beschränken sich auf die Auswahl der Messzeit (1-3s) und das Setzen einer Alarmschwelle, bei Überschreiten blinkt eine superhelle LED rechts oben. Unten liegt ein 12V-Blei-Gel-Akku zur Versorgung:


[Protonenmagnetometer AM520]

Das Gerät verwendet bewusst keine Speicherung von Daten oder Einstellungen, dadurch wird die Nutzung bei einfachen Messaufgaben ähnlich einfach wie bei einem Spannungsmessgerät - Einschalten und Messwert ablesen. Zur Weiterverarbeitung der Messwerte wurde ein Bluetooth-Modul verbaut, welches eine Speicherung der Daten auf einem Smartphone erlaubt. Hierfür wurde eine App erstellt, die jeden gemessenen Wert mit Hilfe des GPS im Smartphone auf einer Karte in Echtzeit als Farbpunkt darstellt. Zusätzlich erfolgt die Anzeige in form einer Liniengrafik, deren Skalierung mittels Finger-Zoom geändert werden kann und auch den Wertebereich der Farbskala bestimmt:


[Protonenmagnetometer App AM520]

Ein Smartphone kann zwar Störungen verursachen und das übliche GPS ist eher nicht optimal, auch die Lesbarkeit des Displays bei Sonnenlicht ist oft problematisch. Dennoch ist der Einsatz eines Smartphones ist so attraktiv, dass es nahezu alternativlos ist. Quasi unbegrenzter Speicher, hochauflösendes Display, Kartendarstellung möglich usw. Ähnliches mit anderen Mitteln zu erreichen wäre mit viel höherem Aufwand, problematischer Teilebeschaffung, Software und Kosten verbunden.

Ein weiterer Schritt ist ebenfalls durch die Auslagerung des Displays möglich: Die "Verpackung" des Sensors zusammen mit Messelektronik und Akku in einen Rucksack. Auch das führt leider zu weiteren Störungen, die aber im einstelligen nT-Bereich liegen und durch weitere Optimierungen (kompletter Verzicht auf Display, geringere Stromaufnahme, dadurch weniger Störfelder durch geringere Ströme im Akku) noch verkleinert werden können. Mit Hilfe eines Distanzhalters aus Styropor kann folgende Anordnung zum kompakten Einsatz im Rucksack kommen. Ausserhalb ist nur noch ein Smartphone erforderlich:


[Protonenmagnetometer Rucksack AM520]

Hier noch ein kleiner Einblick, die Spulen des Sensors wurden mit einer selbstgebauten Vorrichtung erstellt. Ein Permanentmagnetmotor aus einer alten EDV-Bandmaschine dient als Antrieb:


[Protonenmagnetometer Wickelmaschine AM520]

Ich denke, damit werde ich die Bastelarbeiten am Magnetometer zunächst einstellen. Der Beweis der Machbarkeit eines Protonenmagnetometers ohne "Tuning" des Eingangskreises ist erbracht. Interessant wäre noch die Stelle hinter dem Komma stabil zu bekommen, bei einer Messzeit von 1s. Das erreichen Overhauser-Magnetometer auf jeden Fall. Allerdings konnte ich noch kein klassisches Protonenmagnetometer mit 1s Periodendauer testen. Falls jemand Zugang zu einem Protonenmagnetometer eines professionellen Herstellers hat, dann würde ich mich über einen Kontakt freuen!

Am Ende möchte ich auch nochmal auf eine schöne Seite von Graeme Keon verweisen. Er hat mit Kindern eine Schaltung gebaut, um den Protonen zuhören zu können. Ich hatte auch einmal die Idee, soetwas vorzustellen, Graeme kam mir aber zuvor und es ist wirklich toll geworden:
http://motivationtolearn.org/wordpress/?p=1765



© 2021 Alexander Mumm