Metalldetektor

Ein Metalldetektor steht auch schon seit Ewigkeiten auf meiner Agenda. Einen sehr einfachen habe ich bereits umgesetzt: https://stoppi-homemade-physics.de/diverse-elektronische-schaltungen/.

Nun möchte ich einen deutlich sensibleren basteln. Mirko Pavleski, ein großartiger und äußerst produktiver Elektronik-Arduino-Youtuber hat einige Modelle umgesetzt. Einen davon möchte ich nachbauen: https://www.youtube.com/watch?v=h0VjLLyEGBc , https://www.hackster.io/mircemk/diy-sensitive-arduino-ib-metal-detector-d5e029.

Vielen Dank für die Veröffentlichung deiner großartigen Projekte, Mirko 🙂

Hier der überschaubare Schaltplan (Anm.: Im Original fehlte eine GND-Verbindung vom „linken“ Schwingkreis!):

Bildquelle: Mirko Pavleski

Die meisten Bauteile hatte ich bereits zuhause. Nur Mosfet (IRF730), Kupferlackdraht (0.35 mm) und Schwingkreiskondensatoren (WIMA MKP10 1µF) musste ich bei Reichelt bestellen:

Die Kondensatoren sind bestimmt „etwas“ überdimensioniert 😉

Für die Schaltung benötigt man noch ein 2-stufiges Verstärkermodul mit dem LM358. Dieses erhält man für um die 5 Euro im Internet:

Achtung: Die Verstärkung erhöht man, indem man die beiden Potentiometer entgegen dem Uhrzeigersinn dreht!

Die fertige Schaltung:

Herzstück eines jeden Metalldektors ist/sind die Detektionsspule(n). Konkret werden für dieses Projekt zwei Spulen aus 0.35 mm Kupferlackdraht mit einem Durchmesser von 150 mm und mit je 60 Windungen benötigt. Zum Glück fand ich in meiner Wohnung etwas mit diesem Durchmesser und zwar meine Kaffeekanne 😉

Damit sich die Spulen nicht auflösen, habe ich sie mit Tixoband reichlich umwickelt:

Mit meinen genialen Komponententester habe ich dann die beiden Spulen und Kondensatoren vermessen:

Die erste Spule besitzt eine Induktivität von L = 1.42 mH…

… und die zweite L = 1.41 mH:

Das passt sehr gut, denn die beiden Spulen sollten möglichst gleich sein!

Die Kapazitäten betrugen C = 1.004 µF bzw. 1.010 µF:

Mit diesen Werten konnte die Frequenz bzw. halbe Periodendauer der beiden Schwingkreise berechnet werden. Ich komme auf einen Wert von τ/2 = 118.5 µs.

Diesen Wert trägt man dann in das Programm bei folgender Zeile ein: int impuls = 119; //select the pulse length depending on the frequency.

Die beiden Spulen müssen eine D-Form besitzen und wiefolgt zueinander angeordnet sein:

Quelle: Mirko Pavleski

Warum sollen sich die beiden Spulen nur teilweise überlappen? Dieses Video (https://www.youtube.com/watch?v=EcuTsifSgBs) erklärt dies sehr schön. Die Magnetfeldlinien der Erregerspule durchdringen die Detektorspule bei nur geringer Überlappung in beide Richtungen:

Wählt man die Überlappung geschickt, so ist der insgesamt die Detektorspule durchsetzende magnetische Fluss Φ insgesamt konstant 0! Dadurch ist auch die Induktionsspannung U_ind ≡ dΦ/dt gleich 0. Es wird also bei dieser Konstellation keine elektrische Spannung in der Detektorspule induziert, auch wenn sich das Magnetfeld in der Erregerspule zeitlich ändert.

Befindet sich nun aber ein Metallgegenstand unter den beiden Spulen, so ändert dieser Gegenstand den weiteren Magnetfeldlinienverlauf. So durchdringen jetzt weiter außen quasi im Schatten des Metallgegenstands weniger Feldlinien die Detektorspule:

Dies führt zu einem Ungleichgewicht zwischen nach oben und nach unten gerichteter Feldlinien in der Detektorspule. Der gesamte die Detektorspule durchdringende magnetische Fluss Φ ist jetzt nicht mehr 0! Ändert sich nun der Strom und damit das Magnetfeld in der Erregerspule. so ändert sich auch der magnetische Fluss in der Detektorspule, da nicht mehr immer 0. Es kommt infolgedessen zu einer Induktionsspannung in der Detektorspule, voila…

So sehen meine beiden Spulen inklusive der Schwingkreiskondensatoren noch vor der Montage auf einem Holzbrett aus:

Und so montiert:

Den ersten Test habe ich wieder einmal in meiner Küche durchgeführt:

Zum Programmablauf: Die Erregerspule wird über den Mosfet genau eine halbe Schwingungsdauer (Anm.: Für die Frequenz f eines Schwingkreises gilt die bekannte Thomsonsche Formel: f = 1 / 2·π·√(L·C) = 1 / τ) mit Strom versorgt. Bei mir sind das durch C = 1.006 µF und L = 1.415 mH rund 119 µs. Danach ermittelt der Arduino das Spannungsmaximum des vom Verstärker kommenden Signals innerhalb der Zeitspanne [0, measure_time]. Mit dem am analogen Pin A4 hängenden Potentiometer kann measure_time zwischen 0 und 1023 µsek verändert werden.

Liegt das Spannungsmaximum über einer mit dem zweiten an A1 hängenden Potentiometer einstellbaren Schwelle, so werden daraufhin die LED und der Summer für 50 ms angesteuert. Anderenfalls passiert für 50 ms nichts. Danach wiederholt sich alles.

Mein Arduino-Code:

#include <Wire.h>

int value = 0;
int value_max;

long time_start;
    
int impuls = 119;          //select the pulse length depending on the frequency
int measure_time = 0;  
int base = 0;

void setup()
   {
    pinMode(A0, INPUT);
    pinMode(A1, INPUT);
    pinMode(8, OUTPUT);
    pinMode(A4, INPUT);
    pinMode(A5, OUTPUT);
   }

void loop()
   {
    measure_time = analogRead(A4);     // determining the measure-time between [0,1023] µsec

    digitalWrite(8,HIGH);             // creating a pulse in the excitation coil with the duration = impuls µs
    delayMicroseconds(impuls);   
    digitalWrite(8, LOW);

    
    value_max = 0;
    time_start = micros();

    while(micros() - time_start < measure_time)     // determining the maximum input voltage value within the time period = measure-time
       {
        value = analogRead(A0);
        
        if(value > value_max)
           {
            value_max = value;
           }
       }
    
    base = analogRead(A1);     // if value_max > base then sound and LED on

    if (value_max > base)
       {
        tone(A5,1000);
        delay(50);
        noTone(A5);
       } 
    else                       // if value_max <= base then nothing happens
       {
        delay(50);
       }
   }

#include <Wire.h>

int value = 0;

int value_max;

long time_start;

int impuls = 119; //select the pulse length depending on the frequency

int measure_time = 0;

int base = 0;

void setup()

{

pinMode(A0, INPUT);

pinMode(A1, INPUT);

pinMode(8, OUTPUT);

pinMode(A4, INPUT);

pinMode(A5, OUTPUT);

}

void loop()

{

measure_time = analogRead(A4); // determining the measure-time between [0,1023] µsec

digitalWrite(8,HIGH); // creating a pulse in the excitation coil with the duration = impuls µs

delayMicroseconds(impuls);

digitalWrite(8, LOW);

value_max = 0;

time_start = micros();

while(micros() - time_start < measure_time) // determining the maximum input voltage value within the time period = measure-time

{

value = analogRead(A0);

if(value > value_max)

{

value_max = value;

}

base = analogRead(A1); // if value_max > base then sound and LED on

if (value_max > base)

{

tone(A5,1000);

delay(50);

noTone(A5);

}

else // if value_max <= base then nothing happens

{

delay(50);

}

Gänzlich ohne Metallgegenstand in der Nähe der beiden Spulen, soll wie schon erwähnt keinerlei Signal empfangen werden. Im folgenden Oszibild sieht man oben den gelben Erregerpuls und unten die hellblaue Signallinie, welche keine Ergebung aufweist:

Damit dies so ist, müssen die beiden Spulen penibelst zueinander postiert werden. Es reichen schon Millimeter (!) und man erkennt auf dem Oszi teilweise sehr starke Signale. Dies geschieht dann, wenn der magnetische Fluss durch die Empfängerspule nicht gänzlich verschwindet. Ich muss gestehen, ich habe das mühevolle Einstellen verflucht. Denn hat man einmal die beiden Spulen perfekt zueinander ausgerichtet und fixiert sie mit Kabelbindern, verstellt sich deren Position wieder geringfügig und ein unerwünschtes Signal kann entstehen. Insgesamt habe ich bestimmt 1-2 Stunden damit verbracht, alles befriedigend anzuordnen. Mehr Geduld konnte ich dann nicht aufbringen. Dies sei nur als gewisse Vorwarnung für Nachahmer hier erwähnt 😉

Als metallisches Testobjekt verwendete ich mein Bleilot:

Hier das Ergebnis ohne bzw. mit sehr weit entfernten Metallgegenstand…

… und hier die Signale bei immer kürzer werdender Entfernung Metallgegenstand–Spulen:

Zusammenfassend kann ich sagen, dass mich der Metalldetektor doch gehörig mehr gefuchst hat als erwartet. Und ideal ist mein Ergebnis noch immer nicht. Fertige Metalldetektoren bekommt man schon ab ca. 50 Euro. Aber selbst gebastelt macht ungleich mehr Freude und man lernt noch dazu sehr viel dabei. Das Youtube-Video reiche ich wie immer nach.

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