Induktionssensor und Induktionsschleife

[eistee88]

Hallo liebes Elektrikforum,
ich bin neu hier und habe direkt eine Frage an euch/Sie.

iIm Rahmen eines meiner Unterrichtsfächer (13. Klasse, berufliches Gymnasium Technik) führen wir eine Projektarbeit mit freier Projektwahl durch. Ein Kumpel und ich haben und vorgenommen, den Prototyp eines Rasenmäher Roboters zu entwickeln. Wie das auch in käuflich erwerbbaren Robotern der Fall ist, möchten wir den Arbeitsbereich des Roboters mit einer Induktionsschleife, also einem Schwingkreis mit einwindiger Spule eingrenzen. Die Idee ist es, eine Spule mit Eisenkern als Sensor zu verwenden und die bei Ännäherung an den Schwingkreis in der Spule induzierte Spannung zur Erkennung der Grenze zu verwenden. (Die Spule stammt aus einem Printrelais. Die Sensorschaltung (Bild angehängt) besteht im eigentlichen Sinne nur aus einem nicht-invertierenden OPV und einem invertierenden Schmitt-Trigger, um das Signal erst zu verstärken und dann mit Hilfe des S.-Triggers für den verwendeten Arduino erkennbar zu machen. Das hat in der Theorie auch gut funktioniert. Nun arbeiten wir schon seit etwa einem halben Jahr an unserem Projekt und haben es nun endlich fertig gebracht den Roboter zusammenzubauen. Bei unseren letzten Test ist uns jedoch aufgefallen, dass unsere Detektorspule zu empfindlich ist und den Schwingkreis so schnell erkennt, dass ein normales Fahren des Roboters nicht möglich ist. Trifft der Roboter auch die Induktionsschleife "fährt er sich fest". (im angehängten Video zu sehen) Er kommt dann nicht mehr dazu grade Bahnen zu ziehen, da er ständig das Signal des Schwingkreises empfängt. Ein Lösungsansatz war ein Spannungsteiler aus einem 100k Poti für die in der Spule induzierte Spannung. Das hat jedoch zu wenig befriedigenden Ergebnissen geführt. Nun meine Frage. Hat jemand eine Idee, wie sich dieses Problem lösen ließe? Im Prinzip suchen wir nach einer Möglichkeit die Induktivität unserer Spule einzuschränken. Weitere Angaben zum Roboter kann ich gerne nachreichen. ich freue mich auf hilfreiche Beiträge.
Ich bin mir übrigens nicht sicher, ob das Thema im Bereich Hausaufgaben richtig ist.

Sensorschaltung:
https://www.bilder-upload.eu/bild-96b0c3-1550001494.png.html

Schwingkreis:

https://www.bilder-upload.eu/bild-318bc4-1550001068.png.html

Fahrverhalten:

 

[Pumukel]

Klar gibt es da Möglichkeiten . ZB kannst du die Spule abschirmen , so das nur ein Pol des Eisenkerns in Richtung des Drahtes geht . Zweitens kannst du die Frequenz auf dem Draht anpassen. (Schwingkreis) Drittens sollte es auch möglich sein schon die Spannung die die Spule liefert zu senken. Und viertens hilft es auch die Verstärkung des OPV zu senken!

 

[eistee88]

Klar gibt es da Möglichkeiten . ZB kannst du die Spule abschirmen , so das nur ein Pol des Eisenkerns in Richtung des Drahtes geht . Zweitens kannst du die Frequenz auf dem Draht anpassen. (Schwingkreis) Drittens sollte es auch möglich sein schon die Spannung die die Spule liefert zu senken. Und viertens hilft es auch die Verstärkung des OPV zu senken!

Hey, danke für die schnelle Antwort!
Also: Die Spannung, die die Spule liefert haben wir bereits mit einem Spannungsteiler versucht zu senken. Das hat leider nur geringfügig geholfen. Der Verstärkungsfaktor des OPv steht auch schon auf 1. Die Spule abschirmen klingt interessant. Leider kann ich mir darunter gerade nichts vorstellen. Wie könnte das denn aussehen? Die Frequenz ließe sich ja leicht anpassen. Einen Versuch ist es wert !

 

[Pumukel]

Also zuerst mal deine IMG sind nicht zu öffnen! deshalb lade mal den Stromlaufplan deiner Bastelei hoch . Zum zweiten wie erzeugst du das Signal auf dem Grenzdraht?
Wenn du mal etwas nachdenkst sagt dir Faraday etwas.
Noch etwas dein " Sensor" ist auch falsch eingebaut! Die Achse mit dem Kern sollte senkrecht stehen und nicht wie bei dir Waagerecht. Du kannst ja mal Überlegen wie die Feldlinien um den Draht und durch Deinen Sensor verlaufen.

 

[eistee88]

Hier die Schaltpläne von Sensor und Sender! Bei Faraday fällt mir der Käfig ein, der ja in Sachen Abschirmung schon mal ein Hinweis ist!

 

[eistee88]

Noch etwas dein " Sensor" ist auch falsch eingebaut! Die Achse mit dem Kern sollte senkrecht stehen und nicht wie bei dir Waagerecht. Du kannst ja mal Überlegen wie die Feldlinien um den Draht und durch Deinen Sensor verlaufen.

Ja das ist allerdings richtig. Blöder Fehler an dieser Stelle. Weiterhin bin ich mir unsicher, ob der "Empfang" nicht evtl. von den Magnetfeldern der Motoren gestört wird.

 

[bigdie]

Auf die Schleife gibt man normal keine Wechselspannung sondern eine Sägezahnspannung. Also einen Impuls, der steil ansteigt und sanft abfällt.
In der Empfangsspule hat man dann (solange man im eingezäunten Bereich ist z.B. einen starken positiven impuls und danach einen leichten negativen. Ist die senkrechte Spule genau über dem Draht, ist kein Impuls mehr da und wenn man außerhalb des Drahtes ist kehrt sich die Polarität um.

 

[Www]

Mal eine unabhängige Frage abseiz davon.
Funktionieren die Rasenmäherroboter überhaupt noch mit einer Induktionsschleife? Ich habe bei meinen Nachbarn, die so ein Teil haben nicht gesehen, dass die da etwas eingegraben haben.

Zu euerm Problem: Befindet sich der Sensor vorn an diesen Stock? Evtl. liegt der Lösungsansatz in der Abschirmung des Sensors nach hinten und zur Seite. Erst mal mit einem dünnen Blech oder einen kleinen Metalltrichter probieren, wieviel es bringt. Wenn der Sensor zu unempfindlich eingestellt wird, kann er die Induktionsschleife auch überfahren, wenn die Bedingungen nicht optimal sind. Im eurem Fall, wenn da ei Buch drauf liegt, unterm Teppich etc.

 

[bigdie]

Ich habe bei meinen Nachbarn, die so ein Teil haben nicht gesehen, dass die da etwas eingegraben haben.

Muss man auch nicht eingraben, kann man auch einfach drauf legen, wächst ein

 

[Pumukel]

Wenn ich mir deine Schaltung ansehe kann ich nur den Kopf schütteln.
Das fängt mit dem 555 an Der liefert ein sauberes Rechteck am Pin 3 Ab und kann den Mosfet locker ansteuern. Der R in Reihe mit deiner Schleife langt als Last! Damit hast du schon mal einen sauberen Rechteckimpuls auf der Schleife die Frequenz bestimmt die Beschaltung am PIN 2 und 6 . R4 und C3 sind Überflüssig!
Siehe NE555 als astabile Kippstufe / astabiler Multivibrator
So es geht weiter mit der Auswerteelektronik . Auch die ist nicht durchdacht. Deine Empfangsspule reagiert auf Die Frequenz des Drahtes und sollte schon aus diesem Grund ein echter Schwingkreis sein! (L//C ) Abgestimmt auf die Frequenz des 555! Die Spannung die dieser Schwingkreis liefert richtest du mit einer Diode Gleich und gibst diese auf einen C Damit sich der C auch entladen kann kommt da ein Entladewiderstand Parallel. Diese Gleichspannung kannst du nun mit einem OPV verstärken und mit einem Trigger deine Ansteuerung für den µC erzeugen.
Dafür solltest du dir auch mal das Datenblatt für den LM358 Anschauen. Die Ref-Spannung bestimmt den Schaltpunkt und die Beiden R die Hysterese .

 

[patois]

Ich bin geneigt mich "Pumukels" Kritik anzuschließen,

aber ich will keine Zeit mit längerem Kommentar verplempern.

 

[Pumukel]

Als Beispiel würde ich den 555 mit ca 1000Hz laufen lassen. 1000 Hz ist in einem Lautsprecher als Pfeifen zu hören. Damit hast du dann die Möglichkeit mit einem NF-Verstärker und einer Spule am Eingang die Relaisspule eines 12 V Relais hat in etwa 0,5 H und mit einem C von 50nF und einem parallelem 10 K Widerstand hast du eine Resonanzfrequenz von rund 1000Hz Also genau passend zu der Frequenz vom 555!
Die Eingangsstufe für den Empfänger habe ich mal aufgezeichnet. Der Schwingkreis ist auf ca 1000Hz ausgelegt unter Verwendung einer 12V Relaisspule (rund 0,5 H) ) Dem Schwingkreis folgt ein RC.Gliied mit 0,1s. Am OPV steht eine Ansteigende und abfallende Spannung an (Abhängig von der Feldstärke an L1 ) Der OPV arbeitet als Spannungsfolger und sorgt dafür das das RC-Glied nicht belastet wird.

 

[bigdie]

Ich würde sowas nicht selber bauen, Die fertigen Systeme arbeiten mit Frequenzen im Mittelwellebereich. Und wenn du das nicht auf einer erlaubten Frequenz mit erlaubter Leistung machst, dann kannst du wenn es blöd kommt den Einsatz vom Messwagen der Bundesnetzagentur bezahlen. Besser ist man gibt auf die Schleife einfach 5-10A Gleichstrom drauf und verwendet dann einen Hallsensor.

 

[Pumukel]

Die 1000Hz liegen aber im NF-Bereich ! Und ob du da über den Draht 10 A oder wie beim TE ca 2 A prügelst ist da nicht unerheblich. Mal grob gerechnet bei 12V und 24 Ohm verheizt er schon 6 W . So und wenn er Anstelle des R da die Primärwicklung eines Klingeltrafos ( 8V 1A) als Arbeitswiderstand am Mosfet verwendet und die Sekundärseite als Schleife ausführt sieht das deutlich anders aus.

 

[bigdie]

Die 1000Hz liegen aber im NF-Bereich

Und die erzeugst du mit einem 555 ohne Oberwellen, das mach mir mal vor. Und der Draht ist die perfekte Antenne
Man muss den Draht nur so dick machen, das bei 10A nur 1V oder Weniger am Draht liegt, dann sind es 10W. Das wäre z.B 10mm² bei 50m Draht. Wieviel Strom man braucht, bis ihn der Hallsensor erkennt, muss man am Ende ausprobieren, aber bei 10A wird das vermutlich schon mit einem Reed Kontakt funktionieren auf 1-2 cm. Und ein Hall Sensor sollte empfindlicher sein. Theoretisch gibt es auch Kompasssensoren, da wird man sicher mit viel weniger Strom auskommen. Und wenn man den nicht flach positioniert, sondern senkrecht, müsste sich der Kompasswinkel bei Annäherung sogar ändern.