Magnetfeldmessung

Allgemeines

Angetrieben von dem Versuch den Zaehlerstand meines Gaszaehlers und damit meinen Gasverbrauch (elektronisch) zu ermitteln, habe ich als erstes mal geschaut, ob es was von der Stange gibt.

Ein kurze Recherche im Internet nach Metrix UG G4 ergab mehrere Treffer zum Metrix Impulsnehmer NI-3 für Metrix-Gaszähler.

Eine Kurzbeschreibung und Einbauanleitung konnte am 24.10.2021 hier abgerufen werden.

Kurzgefasst befinden sich in dem Impulsnehmer zwei Reedkontakte (1 x Oeffner und 1 x Schlieszer).

Das mit den Reedkontakten mag funktionieren, aber die ca. 25 Euro empfand ich als unangebracht. Und auszerdem geht das heute mit Hilfe von Hall-Generatoren und Magnetfeldsensoren eleganter.

Die wichtigsten Informationen zur weiteren Entwicklung kommen aus den technischen Daten des NI-3 und des UG G4.

   Versorgungsspannung max.: 24V DC
   Stromstärke max.: 100mA
   Schaltleistung max.: 0,6W
   Impulsdauer min.: 0,3s
   Widerstand max.: 075 Ω
   Länge des Übertragungskabels: 2m
   Arbeitstemperaturbereich: -25ºC - +50ºC

Die Impulsdauer wird mit mindestens 0,3 Sekunden angegeben und ein Impuls entspricht einer Fördermenge von 0,01 m³. D.h. der Dauermagnet befindet sich nicht auf der letzten Walze des Rollzaehlers, sondern auf der zweitletzten Rolle in horizontaler Ausrichtung. Die minimale Impulsdauer ergibt sich vermutlich (Tests folgen) aus der Rotationsgeschwindigkeit des Zaehlerrades bei einem Maximalbezug von 6 m³/h. Ich bin mal gespannt wie sich die Abhängigkeit von Impulsdauer und Durchflussmenge darstellt.

Kleiner Exkurs in die Physik

Um ein Gefuehl fuer die Staerke von Magnetfelder zu bekommen ist es hilfreich sich durch ein paar Beispiele zu orientieren.

Quelle: https://www.chemie.de/lexikon/Tesla_%28Einheit%29.html:

• Im Weltraum beträgt die magnetische Flussdichte zwischen 10-10 T und 10-8 T,
• Das Erdmagnetfeld am 50. Breitengrad 4,8 · 10-5 T, am Äquator 3,1 · 10-5 T,
• Die magnetische Flussdichte eines großen Hufeisenmagneten beträgt in unmittelbarer Nähe des Magneten rund 0,001 T = 10-3 T,
• Die magnetische Flussdichte eines NdFeB-Magneten beträgt maximal 1,61 T. Typischerweise werden die Magnete mit Flussdichten zwischen 1 T und 1,5 T hergestellt. NdFeB-Magnete sind derzeit die stärksten Dauermagnete.
• Die magnetische Flussdichte eines Kernspintomographen für die Anwendung am Menschen beträgt meistens 0,35 T bis 3,0 T bzw. maximal 9,4 T (MPI für biol. Kybernetik Tübingen, Universität Minnesota, Universität von Illinois),
• Die magnetische Flussdichte der derzeit stärksten supraleitenden Magneten in der NMR-Spektroskopie (900 MHz-Spektrometer) 21 T,
• Die stärkste magnetische Flussdichte , die je künstlich erzeugt wurde beträgt 26,4 T[1] (mehr als 2000 T bei destruktiven Verfahren),
• Eines typischen Sonnenflecks 0,25 T,
• Die stärkste stetige magnetische Flussdichte, welche durch einen Hybridmagnet (resistiv + supraleitend) in einem Labor der Florida State University in Tallahassee, Florida erzeugt wurde, hat 45 T. Es ist möglich, wesentlich stärkere Flussdichten für sehr kurze Zeit zu erzeugen, beispielsweise durch intensive Laserbestrahlung – 34.000 T für 10 ps (Quelle [1]),

auf einem Neutronenstern 106 T bis 108 T, auf einem Magnetar 108 T bis 1011 T, maximale theoretische magnetische Flussdichte eines Neutronensterns, und somit für das größte bekannte Phänomen, 1013 T.

Magnetische Flussdichte	Beispiel
0,1 bis 10 nT	Magnetfelder im interstellaren Medium und um Galaxien
50 μT	Erdmagnetfeld in Deutschland
0,1 mT	Zulässiger Grenzwert für elektromagnetische Felder bei 50 Hz (Haushaltsstrom) in Deutschland gemäß der 26. BImSchV
2 mT	In 1 cm Abstand von einem 100-A-Strom, z. B. Batteriestrom beim Anlassen eines Pkw, siehe Ampèresches Gesetz
0,1 T	Handelsüblicher Hufeisenmagnet
0,25 T	Typischer Sonnenfleck
1,61 T	Maximale Flussdichte eines NdFeB-Magneten. NdFeB-Magnete sind die stärksten Dauermagnete, typische Flussdichten sind 1 T bis 1,5 T.
2,45 T	Sättigungspolarisation von Fe65Co35, der höchste Wert eines Materials bei Raumtemperatur.
0,35 bis 3,0 T	Kernspintomograph für die Anwendung am Menschen. Zu Forschungszwecken werden auch Geräte mit 7,0 T und mehr verwendet
8,6 T	Supraleitende Dipolmagnete des Large Hadron Collider des CERN in Betrieb
12 T	Supraleitende Niob-Zinn Spule des ITER Kernfusion-Projektes
20 T	Supraleitende Hoch-Temperatur-Spule (20K) für Kernfusions-Reaktor
28,2 T	Derzeit stärkster supraleitender Magnet in der NMR-Spektroskopie (1,2 GHz-Spektrometer)
32 T	Stärkster Magnet auf Basis von (Hochtemperatur-)Supraleitern
45,5 T	Stärkster dauerhaft arbeitender Elektromagnet, Hybrid aus supraleitendem und konventionellen Elektromagneten
100 T	Pulsspule – höchste Flussdichte ohne Zerstörung der Kupferspule, erzeugt für wenige Millisekunden
1200 T	Höchste durch elektromagnetische Flusskompression erzeugte Flussdichte (kontrollierte Zerstörung der Anordnung, im Labor)
2800 T	Höchste durch explosiv getriebene Flusskompression erzeugte Flussdichte (im Freien)
1 bis 100 MT	Magnetfeld auf einem Neutronenstern
1 bis 100 GT	Magnetfeld auf einem Magnetar

Ich wuerde mal behaupten, dass alles unterhalb von 1 μT (Im Weltraum war ich noch nicht) und oberhalb von 8 T (Im CERN war ich zwar schon mal, aber nicht im Collider). Da Vielfach der Messbereich von Sensoren in Gausz angegeben wird heiszt das 0,01 Gs bis 80000 Gs. Legt man die Obergrenze fuer den Heimanwender (Neodym) auf maximal 2 T (20000 Gs). Um es vorweg zu nehmen, der erlaubte Maximalwert fuer den Kompasssensor ist 50000 Gs. Beim Hallsensor oder Reedkontakt ist dieser Wert mit "unlimited" angegeben.

Sensoren

Reedkontakt

Beim Vergleich von Reedkontakt mit Hallsensor spricht vieles fuer den Reedkontakt. Einzig das Prellen muss kompensiert werden.

Beschreibung Hallsensor Reedsensor Empfindlichkeit > 10 Gauss > 5 Gauss Schaltabstand bis 20 mm bis 40 mm Stromversorgung permanent nötig keine Hysterese ca 75% je nach Anwendung Schaltleistung wenige Milliwatt bis zu 100 Watt Übergangswiderstand > 200 Ohm 0,05 Ohm Ausgangs-Kapazität 100 pF 0,2 pF Isolationswiderstand 106 Ohm 1012 Ohm ESD Empfindlichkeit Ja, benötigt externer Schutz Nein Arbeits-Temperatur 0 – 70 °C -55 – 150 °C

Als Datenreferenz dienen die Angaben Anzugsempfindlichkeit, Schaltabstand.

Hall-Sensor

Magnetisme sensor module A3144-44E/938 (Hall Effect)

Der reine Sensor kostet ca. 20 ct, auf einem Breakoutboard ca. 1 Euro.

Also dann mal ran an die technischen Daten.

The four basic devices (3141, 3142, 3143, and 3144) areidentical except for magnetic switch points.

Each device includes a voltage regulator for operation with supplyvoltages of 4.5 to 24 volts, reverse battery protection diode, quadraticHall-voltage generator, temperature compensation circuitry, small-signal amplifier, Schmitt trigger, and an open-collector output to sinkup to 25 mA.

BOP = operate point (output turns ON); BRP = release point (output turns OFF); Bhys = hysteresis (BOP - BRP). 

Der 44E (T 25°C) wird BOP zwischen 70 — 350 Gausz, BRP zwischen 50 und 330 Gausz angeben.

1 Gausz (Gs) entspricht 0,1 MilliTesla (mT), oder besser laesst sich merken 1 Tesla sind 10000 Gausz.

Um es kurz zu machen ist der 44E ein reiner Schalter (Schmitt-Trigger) der auf ein recht starkes Magnetfeld reagiert. Mit ihm kann man also keine Feldstaerke/Fluszdichte im engeren Sinn messen, sondern nur feststellen, ob ein Magnetfeld (Orientierung beachten!) entsprechender Staerke vorhanden ist oder halt nicht. Im Verhaeltnis zur Empfindlichkeit eines Kompass Magnet Sensors (siehe unten) als ein recht "grobes Ding".