Hallsensor ausmessen

[Karl (Gast)]

Hallo allerseits :)
Ich stehe derzeit vor einem kleinen Problem und hoffe, mir kann 
eventuell hier jemand aushelfen. Es geht um Folgendes:
Meine Aufgabe ist es, eine Sorte Hallsensoren definiert "durchzumessen". 
Diese haben einen Messbereich von +-70mT. Ich muss also bei jedem Sensor 
den Messbereich einmal durchlaufen und dokumentieren. Das stellt auch so 
weit alles kein Problem dar, allerdings tue ich mich etwas schwer die 
nötige Flussdichte zu erzeugen. Meine Überlegung war es, einen 
Ferritringkern zu schlitzen und den Sensor in den Luftspalt 
einzubringen.
Errechnet habe ich:
NI=70mT/(µ0*µr/le + µ0/lL)=556
mir le=20 und lL=10
(Ich verwende folgenden Ringkern: 
http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/13c0/0900766b813c0cbd.pdf)

Leider scheint es, als ginge der Ringkern bereits bei wenigen 100mA in 
Sättigung (Hallsensor ca. zu 20-30% ausgesteuert), so dass ich den Strom 
ab diesem Punkt überproportional erhöhen muss um noch eine nennenswerte 
Aussteuerung zu erreichen.
Woran könnte das liegen? So weit ich in Erfahrung bringen konnte 
Sättigen Ferritringkerne bei ~200mT ?!

Jetzt bin ich am überlegen, einen Eisenpulverkern zu verwenden, habe 
aber so meine zweifel, ob ich noch ausreichend viele Windungen drauf 
bekomme.
Als Randbedingung sei erwähnt, dass ich bisher mit einer Spannung von 5V 
arbeite und versuche 2A nicht zu überschreiten. Von ersterem lässt sich 
jedoch abweichen.

Was sind eure Meinungen dazu? Habe ich überhaupt richtig gerechnet? Mir 
ist beim aufschreiben klar geworden, dass ich vermutlich mit mm für le 
und lL hätte rechnen müssen :S

Vielen Dank im Voraus! Ich hoffe, jemand hier kann etwas Licht in mein 
dunkles Unwissen bringen :D
Mfg Karl G.

[Mark W. (kram)]

Was heisst denn definiert durchmessen?
Nimm doch einfach einen Dauermagneten, 70mT sollten kein Problem sein. 
Dann mache den Abstand einstellbar und fahre den Bereich durch. Zum 
Vergleich braeuchtest Du aber noch ein Referenzmessinstrument.

Mark

[Wolfgang (Gast)]

Karl schrieb:
> Als Randbedingung sei erwähnt, dass ich bisher mit einer Spannung von 5V
> arbeite und versuche 2A nicht zu überschreiten.

Nur keine Angst vor Strom. Der beißt nicht, solange er ungehindert 
fließen kann.

Wie wäre es für das Magnetfeld mit einem Helmholtz-Spulenpaar
https://de.wikipedia.org/wiki/Helmholtz-Spule

[Karl (Gast)]

Hey :)
Vielen Dank, für die schnellen Antworten und Ideen!!
Die mechanische Variante mit Dauermagnet fällt leider weg. Das hat 
verschiedene Gründe:
1. Magnete altern
2. Nichtlinearität des Feldes im Bezug zum Abstand
3. Meine Schaltung ist so weit schon fertig :D

Letzteres ist auch der Grund, warum ich nicht über die 2A möchte. Dann 
bräuchte ich eine andere H-Brücke und Treiber etc..

Die Helmholz-Spule hatte ich so weit garnicht auf dem Schirm. Wie 
gesagt, mit Spulen habe ich eigentlich nicht viel am Hut. Vielen Dank 
für die Idee!

[cidra (Gast)]

Karl schrieb:
> Errechnet habe ich:
> NI=70mT/(µ0*µr/le + µ0/lL)=556
> mir le=20 und lL=10

le ist im DB mit 60mm angegeben - spielt aber keine große Rolle.

Ansonsten stimmt das schon, aber diese Lehrbuchbeispiele gehen von einem 
kleinen Luftspalt mit vernachlässigbarem Streufluß aus. Die Flußdichte 
Bl im Luftspalt wird als identisch mit der Flußdichte Bk im Kern 
angenommen. Er kann bei Bl=70mT also noch nicht sättigen ;-P

Durchflutung Θ für Bl=0,1T und deinen Kern aus N87(?) mit
µr=µi=2200; ll=10e-3m; lk=le-ll=50e-3m [1]

ergibt sich zu
Hl=Bl/µ0; Hk=Bk/(µ0*µr); Θl=Hl*ll; Θk=Hk*lk
Θ=Θl+Θk=796A+1,8A=798A

Aus der Innenfläche des Kerns, zur Hälfte mit einem Drahtdurchmesser von 
dcu und dem Füllfaktor fcu bewickelt, ergibt sich die maximal mögliche 
Windungszahl N=552 -> 500 (bei di=14,8mm; fcu=0,5; dcu=0,315mm),
und damit der benötigte Strom I=Θ/N=1,6A.

Die Berechnung der Drahtlänge und damit des Widerstandes hab ich FEMM 
überlassen.

Auch wenn eine 2D-Simulation nicht perfekt ist - der Streufluß in der 
Bildtiefe wird nicht abgedeckt, weshalb auch ca. 94mT erreicht werden - 
zeigt sie doch einige deiner Probleme:

* der Streufluß ist bei deinem Luftspalt nicht vernachlässigbar
  d.h. die Flußdichte im Kern muß auch diese abdecken.
* das Feld im Luftspalt ist nicht homogen
  d.h. deine Prüflinge müssten sehr exakt ausgerichtet werden
* es wird mit der Auswahl der Drahtstärke bzw. Abfuhr der Wärme 
schwierig

Die Sättigung ist, zumindest bei statischem Feld, nicht so sehr das 
Problem (es gibt genügend geeignete Materialien), sondern ein zum 
Luftspalt passender Kern mit wesentlich größerem Querschnitt - zumindest 
direkt am Luftspalt.

Als Extrembeispiel ein Ringkern für Trafos (80mmx50mmx25mm, 100VA) mit 
angeflanschten Polschuhen (LS=0.1mm) und 0,5mm Wicklung. Die Stromstärke 
hab ich nicht neu berechnet. Da der Eisenweg nicht groß ins Gewicht 
fällt, ergibt sich auch so ein Bl=93mT. Das die Wicklungswiderstände 
annähernd identisch sind ist Zufall.

Karl schrieb:
> Letzteres ist auch der Grund, warum ich nicht über die 2A möchte. Dann
> bräuchte ich eine andere H-Brücke und Treiber etc..
Deutet das auf auch auf höhere Frequenzen hin oder ist die Schaltung nur 
zum Umpolen?

> Die Helmholz-Spule hatte ich so weit garnicht auf dem Schirm.
Mit max. 2A und 5V werden die 70mT nicht zu erreichen sein.

[1] µi aus 
http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/13c0/0900766b813c0cbd.pdf
    Hysteresekurve aus 
http://en.tdk.eu/blob/528882/download/4/pdf-n87.pdf

[glasiger Blechtroll (Gast)]

Ich wuerd zum lokalen Trafobauer gehen, und einen Netz-Ringkern mit 
Spalt bestellen. Dh ohne Sekundaerwicklung. Und dann die Spannung mit 
einem Variac einstellen.

[Hp M. (nachtmix)]

cidra schrieb:
> Er kann bei Bl=70mT also noch nicht sättigen ;-P

Aber er kann nichtlinear werden.

P.S.:

Karl schrieb:
> Die mechanische Variante mit Dauermagnet fällt leider weg. Das hat
> verschiedene Gründe:
> 1. Magnete altern
> 2. Nichtlinearität des Feldes im Bezug zum Abstand
> 3. Meine Schaltung ist so weit schon fertig :D

Zu 3.) Offenbar nicht fertig, da es nicht funktioniert.

ZU 1. und 2. Wenn du davor Angst hast, solltest du Ferrite meiden, denn 
auch sie haben Temperaturkoeffizient, und die Feldinhomogenität bei 
einem kleinen Ringkern ist sicher schlimmer als bei einem grossen 
Ringmagnet in einiger Entfernung.

[Md M. (Firma: Potilatormanufaktur) (mdma)]

Nimm statt eines Permanentmagneten halt einen Elektromagneten mit Kern.

[Hp M. (nachtmix)]

Wenn Netzspannung zur Verfügung steht, kann man die Helmholtzspule auch 
damit betreiben und unstabilisiert z.B. den Bereich +/-100mT 
durchfahren.
Die aktuelle Feldstärke am Meßort erfährt man über die Strommessung oder 
eine Induktionsspule und ein bischen Opampschaltung.