Wykrywacz metali ze zrównoważoną indukcyjnością od podstaw

[Tomasz Gumny]

Zmierzyłem częstotliwość rezonansu szeregowego cewek z kilkoma lepszymi kondensatorami i na tej podstawie obliczyłem indukcyjność ze wzoru:
L = 1 / (4 * Π² * f² * C)

Cewka RX
Wyznaczenie indukcyjności:
C = 1µF, f = 7.4kHz => L[RX] = 465µH (Kalkulator cewek płaskich podaje 471µH)
Pomiar rezystancji:
R[RX] = 2.6Ω
Filtr wejściowy:
C6 = 0.1µF, L[RX] = 465µH => f = 23.3kHz

Cewka TX
Wyznaczenie indukcyjności:
C = 1µF, f = 12.0kHz => L[TX] = 176µH (Kalkulator cewek płaskich podaje 175µH)
Pomiar rezystancji:
R[RX] = 1.6Ω

Cewka BUCK
Wyznaczenie indukcyjności:
C = 1µF, f = 25.5kHz => L[BUCK] = 39µH (Kalkulator cewek płaskich podaje 32µH)
Pomiar rezystancji:
R[RX] = 0.6Ω

Cewka TX+BUCK
Wyznaczenie indukcyjności:
C = 1µF, f = 12kHz => L[TX+BUCK] = 175µH
Pomiar rezystancji:
R[TX] = 2.2Ω

Teoria (prądy i moce):
L = 175µH, f = 15.6kHz => XL = 17.1Ω
R = 2.4Ω
tg( φ ) = 17.1Ω / 2.4Ω = 7.1 => φ = 82°
cos( φ ) = 0.14
sin( φ ) = 0.99
X = √( 2.4Ω² + 17.1Ω² ) = 17.3Ω
I = 2.1V / 17.3Ω = 0.12A
P = 2.1V * 0.12A * 0.14 = 0.035W
Q = 2.1V * 0.12A * 0.99 = 0.25var
S = 0.25VA
PMPO = 2800W

Praktyka:

T = 6.4div * 10µs/div = 64µs
t = 1.5div * 10µs/div = 15µs
φ = 360° * 15 / 64 = 84°
tg( φ ) = 9.5
cos( φ ) = 0.10
sin( φ ) = 0.99

I[TX] = napięcie na boczniku 0.1Ω.

U[TX] = 6Vpp = 2.1Vsk
I[TX] = 1.6div * 20mV/div / 0.1Ω = 0.32App = 0.11Ask
P = 2.1V * 0.11A * 0.10 = 0.023W
Q = 2.1V * 0.11A * 0.99 = 0.23var
S = 0.25VA

Pobór prądu z zasilacza 9V przy
odłączonej cewce TX wynosi: 0.08A;
dołączonej cewce TX wynosi: 0.11A,
zatem różnica w poborze mocy wynosi: 9V * (0.11A - 0.08A) = 0.27W.

Z tego wszystkiego najważniejsza jest chyba amplituda prądu cewki I[TX] = ~0.16A, bo zdaje się, że to ta wartość decyduje o natężeniu pola i może uszkodzić wzmacniacz końcowy.

[Tomasz Gumny]

Dzisiaj dalszy ciąg przygotowań do pomiarów z gruntem. Problem polega na tym, że wiadro wypełnione ziemią rzuca się w oczy, zwłaszcza w TE oczy.

Przez całą głębokość wiadra prowadzi zaślepiona rura, która posłuży do "zanurzania" próbek w gruncie. Konieczne było wycięcie otworu w środku sondy, co z kolei wymusiło ponowne równoważenie sondy, już bez drutu biegnącego przez środek. Pożądany skutek dało odwinięcie ¾ zwoju cewki TX i ¼ zwoju cewki BUCK, co widać na zdjęciu. Ciekawe, że te zabiegi zmniejszyły indukcyjność cewki TX w bardzo niewielkim stopniu.
Przy zasilaniu cewki TX przebiegiem 6Vpp na wyjściu przedwzmacniacza (o 1000-krotnym wzmocnieniu) jest obecnie około 80mVpp. To oznacza, że bezpośrednio na zaciskach cewki RX jest około 80µVpp.

[Tomasz Gumny]

Ładnie wyglądają te mikrowolty, ale to nie zmienia faktu, że na wejściu AD8302 jest 80mVpp i "geograficznymi" metodami nie da się tego poprawić. Dlatego wracam do tematu elektrycznego zerowania, który już się kiedyś pojawił:

Musisz jeszcze sobie poradzić z sygnałem "zera".
Może dodatkowa cewka na PCB sterowana napięciem "zerującym". A może do sygnału z odbiornika dodać "sygnał zerujący".

Początkowo faktycznie myślałem o dodatkowej cewce , ale to by wymagało takiego samego toru jak ten, który zasila TX, czyli: konwerter prostokąt/sinus, stopień końcowy mocy, dodatkowa para żył do sondy i kilka zwojów wciśniętych między RX i BUCK. Teraz skłaniam się do odejmowania przebiegu "zerującego" od sygnału wychodzącego z przedwzmacniacza.
Przypuszczam, że pierwszy układ lepiej radziłby sobie z sondą kiepsko zrównoważoną tradycyjnymi metodami. Z kolei drugi jest prostszy, ale przy przesterowanym przedwzmacniaczu będzie bezradny.
A może są jakieś inne zalety i wady?
Do generowania przebiegu zerującego chcę wykorzystać wyjście !OC1D, które obecnie służy do regulacji amplitudy REF, zatem poziom tego sygnału będzie musiał być ustawiony na stałe na -43dBV, bo taka wartość umożliwia wykorzystanie pełnego zakresu dynamiki wejść AD8302 (-73dBV..-13dBV).
Schemat wymagałby tylko nieznacznych modyfikacji (wymazałem nieistotne fragmenty):

Po "lewo-kliku" pojawi się cały schemat.

sch17zer.gif (10.62 KiB) Przejrzano 15656 razy

[Piotr Piechota]

Masz ma wyjściu AD8302 80[mV]. Przypuszczam, że to w przypadku gdy cewka jest w powietrzu. Jeżeli zbliżysz sondę do ziemi napięcie prawdopodobnie wzrośnie co najmniej x2. Może zastanów się czy warto tak walczyć z wyzerowaniem "do zera".
Z moich poszukiwań internetowych wynika, że tory odbiorcze różnych wykrywaczy mają wzmocnienie x kilkaset i napięcie niezrównoważenia po wzmacniaczu wejściowym na poziomie 50mV - 1000mV.
Myślę, że łatwiej poradzić sobie z małym napięciem niezrównoważenia programowo niż sprzętowo.


Pozdrawiam Piotr

[Tomasz Gumny]

80mVpp mam na wyjściu SSM2019. Dopuszczalny sygnał na wejściu AD8302 to 630mVpp, ale ze względu na logarytmiczną charakterystykę przetwarzania AD8302 wolałbym się trzymać jak najbliżej zera - tam jest największe wzmocnienie a zatem i czułość po przetworzeniu analogowo-cyfrowym.
Pierwotnie planowałem zmniejszać wzmocnienie SSM2019 w miarę potrzeby, ale jeśli dałoby się utrzymać w ryzach niezrównoważenie sondy i po zbliżeniu do gruntu sygnał nie wzrośnie za bardzo, to zostawię 60dB a może nawet trochę podkręcę?

Przyszedł mi do głowy jeszcze jeden potencjalny sposób na elektryczne równoważenie: ciekawe jaki efekt dałoby "wstrzykiwanie" sygnału równoważącego w miejsce połączenie cewek TX i BUCK?

[Tomasz Gumny]

Zdążyłem przed wieczorną burzą napełnić wiadro ziemią. Niby nic, ale każdą łopatkę musiałem przed wsypaniem do wiadra sprawdzić wykrywaczem (PI) a komary w tym czasie miały ucztę.
Grunt, przynajmniej ten który ukopałem okazuje się nie taki straszny.
Sygnał na wyjściu SSM2019 w powietrzu:

TX: 1V/div
RX(x1000): 100mV/div

Sygnał na wyjściu SSM2019 na gruncie:

TX: 1V/div
RX(x1000): 100mV/div

Widać, że amplituda sygnału wzrosła z 80mVpp do 300mVpp. Oczywiście "mniej-więcej", bo sonda musiała powędrować bliżej aparatury i wyniki są bardziej zaszumione.
Równocześnie zmieniło się przesunięcie fazowe sygnału odbieranego przez RX względem sygnału nadawanego TX.

[Tomasz Gumny]

[...] czy warto tak walczyć z wyzerowaniem "do zera".

Zapewne nie warto, ale jeśli zerowanie "elektryczne" byłoby na tyle skuteczne, że mogłoby zastąpić równoważenie "geograficzne" gotowej cewki na pcb, to jestem gotów odżałować nawet drugi filtr i wzmacniacz mocy.

[Tomasz Gumny]

Kusi mnie, żeby przetestować taką konfigurację:

balance.gif (4.89 KiB) Przejrzano 14230 razy

A może nawet taką:

2tory.gif (4.94 KiB) Przejrzano 14230 razy

Mogę się mylić, ale chyba oba rozwiązania pozwolą na dokładne zrównoważenie sondy wyłącznie na drodze elektrycznej, tzn. bez kombinowania z drutami.

[Tomasz Gumny]

Już mnie świerzbiły palce, żeby złożyć układ z osobnymi torami do zasilania cewek TX i BUCK. Naszkicowałem nawet schemat:

Przedtem jednak wypadało oszacować jaka jest różnica fazy sygnałów pochodzących z TX i BUCK. W tym celu odwróciłem role cewek - do RX podłączyłem wyjście LM386 i ustawiłem tradycyjne 6Vpp:

RX: 6Vpp

Wejścia oscyloskopu podłączyłem do cewek TX i BUCK i na pierwszy rzut oka żadnego przesunięcia fazowego nie widać:

RX: 6Vpp
TX: 200mV/div
BUCK: 200mV/div

Odejmowanie obu kanałów też niewiele pomogło:

RX: 6Vpp
TX-BUCK: 20mV/div

Z krzywej Lissajous również nie da się nic odczytać:

W akcie desperacji podłączyłem TX i BUCK do wejść INPA i INPB układu AD8302 - w końcu jest tam detektor fazy. Wcześniej już sprawdziłem, że gdy różnica faz jest równa zero (ten sam sygnał na obu wejściach), to ADC odczytuje na wyjściu VPHS wartość 998 czyli około 1.75V (1.8V*998/1024) i wyżej nie rośnie. Taki sam efekt dało podanie sygnałów z TX i BUCK.
Z tego wynika, że różnica fazy sygnałów pochodzących z cewek TX i BUCK musi być niepokojąco mała.
Skoro tak, to może da się ją oszacować teoretycznie?
Często dla uproszczenia przyjmuje się średnie promienie cewek, więc chyba i tutaj można:

promieniecewek1.gif (18.04 KiB) Przejrzano 14205 razy

Zakładając, że różnica faz wynika tylko z różnicy odległości między RX a TX i BUCK, otrzymamy:
c = 3e8[m/s]
f = 15600[Hz]
l = 0.033[m]
λ = c / f = 3e8 / 15600 = 19231[m]
φ = 360° * l / λ = 360° * 0.033 / 19231 = 0.0006°
Jeśli to prawda, to nic dziwnego, że trudno było cokolwiek zauważyć na ekranie oscyloskopu.
Przy pierwszych pomiarach sondy napięcie na cewce RX wynosiło 1.5Vpp przy TX(bez BUCK) równym 4.5Vpp. Zatem można przyjąć, że przy obecnie stosowanym sygnale 6Vpp są to 2Vpp.
Dla amplitudy wynoszącej U = 2Vpp różnica sygnałów sinusoidalnych przesuniętych o kąt φ = 0.0006° ma amplitudę 42µVpp:

roznicasinusow.gif (20.17 KiB) Przejrzano 14205 razy

To wynik dość zbliżony do 80µVpp, które udało się osiągnąć równoważąc sondę.
Obecnie mogę ustawiać fazę z rozdzielczością 0.176° (360° / 2^11). Niestety, żeby móc zmieniać fazę sygnału BUCK z krokiem rzędu 0.0006° potrzebny byłby 19-bitowy licznik taktowany 8GHz. Chyba nie tędy droga...

[Tomasz Gumny]

Ciekawe czy dodając na wyjściu układu z "balansem" rezystor zmniejszający "wstrzykiwany" prąd dałoby się zmniejszyć krok i zakres zmiany fazy:

balance1.gif (3.54 KiB) Przejrzano 14193 razy

[Tomasz Gumny]

Jak zwykle: jeśli praktyka nie daje rady, to trzeba zajrzeć do teorii.
sin(α) - sin(β) = 2 * cos( (α + β) / 2 ) * sin( (α - β) / 2 )
przyjmując:
β = α - φ
otrzymamy:
sin(α) - sin(α - φ) = 2 * sin(φ/2) * cos(α + φ/2)
Podkreślony wyraz jest wartością stałą, zatem zostaje tylko wytłuszczony cosinus. To oznacza, że do wygaszenia sygnału powstałego z różnicy sinusów przesuniętych o φ potrzebny jest sygnał kosinusoidalny! Która to teraz klasa podstawówki?
W zasadzie mógłbym taki przebieg wygenerować z procesora - wystarczy zrobić stałe przesunięcie o ¼ okresu. Jednak gdyby udało się zrobić w sondzie dodatkowe uzwojenie o takim samym napięciu niezrównoważenia, ale przeciwnej fazie, to po włączeniu go do uzwojeń TX i BUCK powinniśmy dostać piękne zero. Przy tym, jeśli te dodatkowe zwoje będą przebiegały w dwóch pierścieniach odległych od siebie tak jak średnie promienie TX i BUCK, to nawet to nieszczęsne przesunięcie fazowe 0.0006° będzie identyczne!
Oj, przydałoby się, żeby ktoś ten pomysł zweryfikował zanim zacznę przecinać druty w sondzie...

Dowinąłem na próbę jeden zwój przy TX, który potem "cofał się" przy przy BUCK i to włączyłem w miejsce mostka łączącego TX i BUCK krzyżując przewody. Przy równoważeniu lepszy efekt uzyskiwałem stopniowo skracając ten zwój aż w końcu została... pętelka. Wtedy dopiero napięcie na wyjściu przedwzmacniacza spadło mniej więcej o połowę z 80mVpp do niecałych 50mVpp. Nie jest to efekt jakiego oczekiwałem, dlatego pętelka zapewne wyleci.

[Tomasz Gumny]

Model sondy można chyba uznać za skończony, raczej nic więcej się z niego nie wyciśnie.
Na koniec pomiary sygnału w powietrzu i na gruncie dla różnych częstotliwości:

AIR 3.9kHz
TX+BUCK [0.5V/div]: 3Vpp
RX (x1000) [50mV/div]: 50mVpp

GROUND 3.9kHz
TX+BUCK [0.5V/div]: 3Vpp
RX (x1000) [50mV/div]: 150mVpp

AIR 7.8kHz
TX+BUCK [1V/div]: 6Vpp
RX (x1000) [0.1V/div]: 100mVpp

GROUND 7.8kHz
TX+BUCK [1V/div]: 6Vpp
RX (x1000) [0.1V/div]: 300mVpp

AIR 15.6kHz
TX+BUCK [1V/div]: 6Vpp
RX (x1000) [0.1V/div]: 100mVpp

GROUND 15.6kHz
TX+BUCK [1V/div]: 6Vpp
RX (x1000) [0.1V/div]: 400mVpp

AIR 31.2kHz
TX+BUCK [1V/div]: 6Vpp
RX (x1000) [0.1V/div]: 350mVpp

GROUND 31.2kHz
TX+BUCK [1V/div]: 6Vpp
RX (x1000) [0.1V/div]: 250mVpp

Przy najniższej częstotliwości (3.9kHz) pojawiły się zniekształcenia nadawanego sygnału i prąd pobierany z zasilacza zaczął gwałtownie rosnąć, dlatego zmniejszyłem amplitudę przebiegu TX i proporcjonalnie zwiększyłem czułość oscyloskopu.

[Tomasz Gumny]

Sygnał od monety 5gr w gruncie na głębokości od 20 do 0cm dla częstotliwości 15.6kHz:

TX+BUCK [1V/div]: 6Vpp
RX [0.2V/div]

Trochę niepokojący jest brak jakiejkolwiek widocznej zmiany powyżej 15cm, ale mam nadzieję, że procesor coś zauważy.

[Tomasz Gumny]

Zabawy z sondą dostarczyły informacji jakiego rzędu sygnałów można się spodziewać na wyjściu przedwzmacniacza:
w powietrzu (powyżej 10cm od gruntu): 100mVpp = 35mVrms
na gruncie (zależnie od stopnia mineralizacji): 300mVpp = 106mVrms
mały obiekt (na granicy zasięgu): 3mVpp = 1.06mVrms
duży obiekt (blisko sondy): 8Vpp = 4Vrms (przesterowanie przedwzmacniacza = prostokąt).
Na wyjściu VMAG układu AD8302 pojawia się napięcie równe:
Vmag = Vslp * log( Vina / Vinb ) + Vref/2
gdzie:
Vslp = 30mV (nachylenie można zwiększyć zewnętrznymi rezystorami)
Vina, Vinb - napięcia skuteczne na wejściach INPA, INPB
Vref = 1.8V (wewnętrzne napięcie odniesienia)

Załóżmy, że INPA podłączymy do wyjścia SSM2019, a na INPB podamy przebieg odniesienia, np. 7.1mVrms i zbliżymy sondę do gruntu, a potem przesuniemy nad mały obiekt (5gr) na granicy zasięgu (20cm). Na wyjściu AD8302 otrzymamy:
Vmag1(w powietrzu) = 30 * log( 35 / 7.1 ) + 900 = 920.78V
Vmag2(na gruncie) = 30 * log( 106 / 7.1 ) + 900 = 935.22V
Vmag3(grunt+obiekt) = 30 * log( (106+1.06) / 7.1 ) + 900 = 935.35V
Vmag2 - Vmag1 = 14.44 da się zmierzyć ADC o kroku 1.76mV.
Vmag3 - Vmag2 = 0.13mV to za mało, żeby ADC mógł zmierzyć zmianę nawet, jeśli włączy się wewnętrzny wzmacniacz na wejściu ADC. W dodatku zmiana wysokości sondy nad gruntem skutkuje 100x większymi zmianami.
Oznacza to, że wykryjemy zbliżenie sondy do gruntu, ale już nie pojawienie się obiektu w gruncie.
Zmiana sygnału odniesienia (7.1mVrms) skutkuje innymi napięciami, ale różnice pozostają takie same.
Poprawę daje wyłącznie zmniejszenie początkowego sygnału wynikającego z niezrównoważenia sondy i odpowiedzi gruntu (106mVrms). Zmniejszenie 10-krotne, czyli do 10.6mVrms powoduje, że obiekt w gruncie wywołuje zmianę o 906.46 - 905.22 = 1.24mV. Po wzmocnieniu x32 dałoby się to wykryć i w przybliżeniu zmierzyć. Zmniejszenie do 1.06mV dałoby różnicę 9.03mV (884.25 - 875.22).
Problem polega na tym, że jest to sygnał sinusoidalny o zmiennej amplitudzie i fazie, zatem takim sygnałem należy go kompensować.

[Piotr Piechota]

Może użyj jak w wykrywaczach dynamicznych filtra pasmowo przepustowego - zmiany od gruntu są wolne a od znajdki szybsze.

Pozdawiam

[Tomasz Gumny]

Powoli do tego dojrzewam, ale to oznaczałoby rezygnację z trybu statycznego i pracę wyłącznie dynamiczną.
Mam jeszcze dwa wyjścia OC1B i OC1D - jedno może być być generatorem PWM, drugie mogłoby przełączać klucz w regulowanej fazie. W ten sposób otrzymałbym sygnał prostokątny o regulowanej amplitudzie i fazie. Po przepuszczeniu przez filtr dostanę sinus, który mógłbym sumować (nawet na rezystorach) z sygnałem z przedwzmacniacza. Problem w tym, że musiałbym pilnować amplitudy, żeby nie przekompensować (to dałoby się akurat wykryć, bo powodowałoby odwrócenie fazy), ale równocześnie uwzględniać parametry gruntu pobrane podczas strojenia.
Muszę się zastanowić czy warto pchać się w tak rozbudowany układ i program...

[Tomasz Gumny]

Oszczędzamy:
jedna częstotliwość - 7.8kHz (jakieś inne propozycje?)
TX zasilana przebiegiem sinus generowanym programowo (PWM + LC)
tylko praca dynamiczna
Upraszczamy:

Wraca problem niskoszumnego przedwzmacniacza o wzmocnieniu 60dB, który działa przy zasilaniu symetrycznym od +/-1.5V (tyle powinno się uzyskać z zasilania cewki TX). Teraz powinien być dodatkowo tani...

[Tomasz Gumny]

Obawiam się, że takie kilkudniowe przerwy będą się teraz zdarzały częściej, ale liczę, że przed zimą zdążę zrobić testy polowe.
Z układu wyleciały:
-filtry LTC1569 (drogie i zbędne przy jednej częstotliwości);
-MAX660 (odpowiadał za sianie i "grubą" kreskę sygnału RX);
-zamierzam zastąpić SSM2019 dwustopniowym układem zbudowanym ze standardowych wzmacniaczy operacyjnych (to idzie trochę gorzej, dlatego na razie SSM2019 został a ujemne napięcie biorę z zewnętrznego zasilacza).
Aktualny schemat będzie później, ale jeśli ktoś miałby pomysł na alternatywę dla SSM2019, to chętnie obejrzę. Dla przypomnienia:
-wzmocnienie (tylko składowa zmienna): 60dB przy 7.8kHz;
-zasilanie: GND/+5V;
-małe szumy;
-sygnał wyjściowy: 1Vpp max.

[Tomasz Gumny]

Wymieniłem filtry z przełączanymi pojemnościami na analogowe, również scalone.

[Tomasz Gumny]

Wkrótce będzie trzeba określić minimalną częstotliwość próbkowania sygnału z sondy, dlatego przygotowałem takie poletko testowe:

Kształt i wymiary pola testowego.

Namówiłem znajomych, żeby pomachali trochę nad tym polem swoimi wykrywaczami we własnym tempie:
http://www.youtube.com/watch?v=zgSWRQXBygg
Przyjąłem, że gdy koniec sondy przemieszcza się o 20cm, to jej środek o 17.8cm (20cm * 82cm / 92cm).
Trochę zabawy z odtwarzaniem poklatkowym i nieco więcej z Excelem (tu wielkie podziękowania dla Michała) dało następujące wyniki:

Odległość od punktu zerowego (skrajny lewy znacznik).

Pierwsza pochodna po czasie pokazuje, że przy spokojnym przemiataniu środek sondy osiąga prędkość 3m/s

Prędkość liniowa środka sondy.

Przyspieszenie (jako druga pochodna drogi po czasie) pokazuje w zasadzie już tylko błędy przy określaniu położenia sondy, ale przy dużym uśrednieniu można zauważyć, że to nadal sinusoidalny kształt.

Przyspieszenie w środku sondy.