EMF-mittari

Julkaistu: perjantai 10.2.2017

Tämä mittariprojekti sai alkunsa siitä, kun minuun otettiin yhteyttä (jälleen kotisivujeni avulla) ja esitettiin toivomus EMF-mittarin rakentamisesta. Pienen tuumailun jälkeen otin haasteen vastaan mielenkiinnolla ja aloitin suunnittelutyön.

Aluksi piti miettiä, mitä EMF-mittari tulisi tarkkaanottaen havaitsemaan ympäristöstään, joten hahmottelin asiaa miettimällä ensinnäkin käsitettä EMF. Lyhenne tulee sanoista Electro-Magnetic Field, eli sähkömagneettinen kenttä ja se on yksi luonnossakin esiintyvistä ilmiöistä. Esimerkiksi auringon säteily, jonka valona ja lämpönä koemme on yhdenlaista sähkömagneettista säteilyä, toinen on esimerkiksi maapallon magneettikenttä. Mikäli asiasta haluaa itsenäisesti lisää opiskella, niin lisää tietoa aiheesta löytyy Googlesta, mutta nyt asiaan.

Mittari haluttiin siis saada havaitsemaan ympäristöstään matalataajuisia sähkömagneettisia kenttiä. Näin ollen suunnittelutyön pystyi aloittamaan tämän määrityksen pohjalta. Muina vaatimuksina oli tietenkin yksinkertaisuus, helppokäyttöinen ja paristoilla toimiva laite (koska kyseessä on kannettava kapistus).

Mittarin aistivaksi osaksi tuli luonnollisesti kela, sillä sähkömagneettinen (tai pelkästään magneettinenkin) voima saa johtimessa aikaan sähkövirran. Vastaavasti johtimessa kulkeva virta saa aikaan magneettikentän, mutta ei näistä kentistä tämän enempää. Aistivan osan lisäksi siis tarvittiin yksinkertainen kytkentä, sekä jokin visuaalinen ilmaisin. Aluksi mietittiin LEDeillä toteutettua ilmaisinta, mutta kokeilujen jälkeen päädyin kuitenkin analogiseen mittariin. Viimeisteltyyn kytkentään tuli sitten kuitenkin myös LEDejä mukaan.

Googlettelin ohjeita ja apuja mittarin suunnitteluun ja kytkentöjäkin löytyi, vaikkakaan ei aivan tähän tarkoitukseen. Päädyin siten suunnittelemaan kaiken aivan alusta alkaen. Kela mitoitettiin tämän sivuston (linkki poistettu, koska sen ilmoitettiin olevan haitallinen, kiitos Matti K. tästä!) projektia apuna käyttäen, mutta kerrataan lyhyesti kelan mitoituksen asioita, menemättä kuitenkaan ihan Faradayn lakien syvimpiin kiemuroihin.

Teoria

Edellä mainitulla sivustolla oli siis johdettu kaava, jonka avulla kela on helppo mitoittaa. Kaava menee näin:

Sijoittamalla kaavaan magneettikentän voimakkuuden Bcos(2Πf•t) ja epsilonin ε paikalle halutun jännitteen, kelan alan (suorakulmiolle) ja halutun taajuuden (f=50 Hz), voidaan laskea kelan kierrosten lukumäärä. Sijoitin edellä mainittujen muuttujien paikalle 1 uT ja 500 uV, jolloin sain kierrosten lukumääräksi 0,11 x 0,12 m kokoiselle kelalle n. 120. Mitä tämä kaikki tarkoittaa sitten käytännössä?

No, "yksinkertaisesti" sanottuna tätä: 120 kierroksinen suorakulmion muotoinen kela, jonka sivut ovat 0,11 ja 0,12 metriä, tuottaa esimerkiksi 50 Hz:n kentässä 500 mikrovoltin jännitteen kelan napoihin. Tähän teoriaan perustuen rakensin sitten mittarin elektroniikan.

Elektroniikan suunnittelu

Kriteereiksi mittarin suunnittelussa otettiin mm. seuraavat asiat:

  • Vähäinen virrankulutus, koska käytettävä laite on paristokäyttöinen
  • Pariston loppumisen ilmaisin
  • Analoginen mittari näyttää kentän voimakkuuden
  • Herkkyyden säätö
  • Mahdollisimman yksinkertainen kytkentä
  • Mittarin taustavalot
  • Kytkimet valoille ja käyttösähkölle

Näillä spekseillä syntyi sitten, alla näkyvä kytkentäkaavio. Klikkaamalla aukeaa kytkentä kokonaisuudessaan PDF-tiedostona.

Kelan ympärille muodostettava elektroniikka oli kätevä toteuttaa operaatiovahvistimella. Operaatiovahvistimeksi valitsin LM224, joka pitää sisällään neljä operaatiovahvistinta. Näistä tuli käyttöön vain kolme. Lisäksi tarvittiin muutama kondensaattori, vastuksia, zenerdiodi sekä muutama led. Ja tietenkin tarvittiin myös paneelimittari, sähköjohdinta, kytkimiä, kotelo ja kuparilankaa.

Kytkennässä on aluksi differentiaalivahvistin (tai erovahvistin), joka vahvistaa kelalle syntyvän jännitteen. Tämän jälkeen on AC-vahvistin, joka edelleen vahvistaa signaalia mitä differentiaalivahvistimelta saadaan. Tässä yhteydessä on myös herkkyyden/vahvistuksen säätö. Operaatiovahvistimen lähtö on kytketty suoraan paneelimittariin. Viimeinen osa on komparaattori, joka väläyttää lediä kun havaitaan nopea EMF-piikki (mittari ei kerkeä reagoida mukaan välttämättä). Lisäksi led kertoo kun mittarin alue ylittyy (jolloin vahvistusta voidaan säätää pienemmälle). PDF-tiedostossa näkyvä pariston-ilmaisin on rakennettu "käyttöjännitevahdin" ympärille. Tämä lohko ilmoittaa kun 9 V:n paristo on lopuillaan.

Mittarin rakentaminen

Koska mittarin rakentamisen alkaessa minulla ei ollut käytössä sopivaa kehikkoa antennille, täytyi prototyyppiantenni rakentaa itse. Helpoimmalla olisin päässyt, jos olisin tehnyt antennin pahvista, mutta päädyin tekemään noin 0,11 x 0,12 metriä kokoisen antennin Polymorph -muovista. Kyseinen muovi on biohajoava, myrkytön muovi joka on muokattavissa alhaisessa (~63 C) lämpötilassa. Varsin mainio aine erilaisten muotojen tekemiseen ja pieneen rakenteluun. Alla olevassa kuvassa näkyy tästä muovista tehty kela, sekä piirilevy mittaristoineen, ledeineen ja kytkimineen. Kelaan käärittiin 120 kierrosta käämilankaa, mihin aikaa tuhraantui noin 15 minuuttia.

Lisäksi tein mittaristoon oman taustakuvan MeterBasic ohjelman ilmaisversiolla. Kyseisellä ohjelmalla saa suunniteltua ja tulostettua erilaisia paneelimittareiden taustoja tietyin rajoituksin.

Laadun vuoksi, jos siitä voidaan tällaisissa projekteissa puhua, hankin itselleni pari kappaletta AM-antenneja, joihin tein oman käämityksen. Tämä kela tuli edellä mainitun polymorph muovista tehdyn kelan tilalle. Kelaan käärittiin 123 kierrosta ohutta käämilankaa.

Valmis mittari koteloitiin vielä halpaan, mustaan muovikoteloon. Koteloinnissa piti käyttää hieman kuumaliimaa, jotta johtimet saa kiinnitettyä hyvin ja että ne eivät pääse nitkumaan irti piirilevystä esimerkiksi patterin vaihdon yhteydessä. Pariston paikka löytyikin kätevästi mittarin yläreunasta. Alla kuvia koteloinnista sekä valmiista mittarista.

Alla vielä pari kuvaa siitä, kun mittari on päällä taustavaloineen (pariston herjausledikin loistaa) ja vertailua siitä, minkä kokoinen laitos on kyseessä. Kuvassa siis vanha ja kulunut, mutta toimiva Nokialainen vertailukohteena. Tekstit tulostin tarratulostimella ja leikkasin saksilla sopiviin mittoihin.

Mittarin käyttöohjeet, havainnot sekä virrankulutus

Mittaria käytetään hyvinkin yksinkertaisesti. Kytkimestä ON/OFF laitetaan virrat päälle ja tarpeen vaatiessa taustavalot kytketään päälle, keltainen pariston merkkivalo vilkahtaa ja sammuu jos paristo on kunnossa. Jos käytettävän pariston jännite on alle 7 volttia (käytännössä todella tyhjä patteri), pariston merkkivalo jää päälle.

Mittaria voidaan liikutella erilaisten laitteiden ja magneettikenttien läheisyydessä ja mittarin liikkuva neula osoittaa kentän voimakkuutta. Tarkkoja voimakkuuksia en ole laskenut, mitä kukin numero tarkoittaa. Esimerkiksi pieni 9 voltin muuntaja (kitaravahvistimen) antaa noin 80 senttimetrin etäisyydellä mittarista lukeman 1 (vahvistus/herkkyys täysillä). Lukema 5 tulee n 22 senttimetrin etäisyydellä muuntajasta.

Punainen LED syttyy/palaa silloin, kun magneettikenttä muuttuu nopeasti, esimerkiksi silloin kun mittaria heiluttelee nopeasti muuntajan läheisyydessä. Rauhallinen liikuttelu ei sytytä punaista LED:iä. Punainen LED ilmaisee myös liian voimakkaasta kentästä, jolloin on syytä kääntää herkkyyttä pienemmälle. Herkkyyden säätö ei vaikuta virrankulutukseen.

Ilman taustavaloja mittarin virrankulutus on noin 2,5 mA ja taustavaloineen virrankulutus on kaikkiaan 5 mA, joten taustavalot lisäävät virrankulutusta noin 2,5 mA:lla. 9 voltin paristo kestää näin ollen 140 tuntia ilman taustavaloja (70 % paristokapasiteetilla laskettuna) ja 70 tuntia taustavalojen ollessa päällä koko ajan.

Loppusanat

Mittariprojekti oli ihan mielenkiintoinen toteuttaa. Tämmöisiä ei ole tullut ennen tehtyä, mutta mittari näyttää ihan hyvin reagoivan erilaisiin sähkölaitteisiin ja muuttuviin magneettikenttiin. Aluksi rakentelin mittarista simulaatiokytkennän LTSpice ohjelmistolla, mistä tein ensimmäisen piirilevyversion. Ikävä kyllä se versio ei toiminut ollenkaan joten kyseinen piirilevy joutui roskiin. Jouduin siksi suunnittelemaan uuden kytkennän. Tällä kertaa suunnittelin kytkentäni koekytkentäalustalle, missä testasin sen toimivuutta erilaisin tavoin.

Toimivasta kytkennästä tein tarvittavat kuvat piirilevyn tekemiseen ja jo totuttuun tapaan syövytin piirilevyn itse. Aikaa piirilevyn suunnittelemiseen meni muutamia tunteja, itse piirilevykuvan tulostus ja syövytys sekä reikien poraus vei aikaa noin 1½ tuntia. Osien kokoaminen levylle ja toiminnan varmistaminen vei noin 2 tuntia. Kokonaisuudessaan tämä mittariprojekti oli usean viikonlopun mittainen, sillä työpäivinä aikaa ei ole  liiaksi asti. Jos tuntimääriä pitäisi arvioida, niin alusta loppuun mittarin tekeminen vei noin 20 tuntia aikaa.