Kugel-Spring "Perpetuum"

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    • Kugel-Spring "Perpetuum"

      Hallo verehrte Bascom-Freunde,


      meine Anfrage es ist ein wenig off-topic, jedoch ist die Ablauf-Steuerung mit einem Arduino-Nano und Bascom realisiert. Meine Enkelkinder hatten angefragt, ob Opa sowas wie im Link auch herstellen könnte.


      youtube.com/watch?v=FPQjF6tQOlg


      Mittlerweile habe ich einen Versuchsprototypen erstellt, der das macht, was im Video zu sehen ist, nämlich die Eisenkugel (10mm Durchmesser) unentwegt wieder zurück in die Auffangschale zu befördern. Siehe auch Schaltbild .


      Für die Triggerung/Detected/Shot des E-Magneten habe ich jedoch der Einfachheit halber zunächst eine Lichtschranke als „Detektor“ verwendet, welcher die anrollende Kugel erkennt und en Shot vorbereitet.


      Die anrollende Kugel muss sicher erkannt werden, was bislang mit besagter Lichtschranke auch gelingt. Allerdings würde ich gerne ebenfalls eine verdeckte, von außen unsichtbare Erkennung (einen sogenannten Eisendetektor) nutzen wollen.

      Meine Versuche einen Eisendetektor für die Kugel zu erstellen waren leider noch nicht von zuverlässigem Erfolg gekrönt. Die Kugel saust in 8ms am „Detektor“ mit ca. 4mm Abstand vorbei.

      Meine bisherigen Versuche:
      • Einen Hallsensor (SS495A) mit einem kleinen Magneten vorgespannt, wobei die Kugel das Magnetfeld im Hallsensor zentrieren soll. Das funktioniert prinzipiell auch, allerdings muss die gewonnene Sensorspannung hochverstärkt werden; der Flaschenhals ist dabei das Rauschen des Sensors, welches bei diesen kleinen Änderungen zu groß ist.
      • Spule mit niedrigem Strom beschickt und geringes Magnetfeld generiert, welches durch die Kugel beeinflusst werden sollte. Die Kugel wird sicherlich durch die fortlaufenden Magnetimpulse des E-Magneten auch magnetisiert, leider kann nicht vorhergesagt werden, ob Nord- oder Südpol an der Spule vorbei rollt. Somit Resultat nicht immer sicher auswertbar.
      • Colpitts-Oszillator mit Schwingkreis, welcher durch die Kugel bedämpft und seine Frequenz verändert wird. Leider ist die Änderung zu gering, als dass sie sicher ausgewertet werden könnte. (Schwingfrequenz 131,167kHz ohne Kugel, mit Kugel 130,046kHz)





      Meine Frage: hat jemand noch eine weitere Idee für eine verdeckte und auswertbare Erkennung der anrollenden Eisenkugel?
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    • Ulrich wrote:

      Meine bisherigen Versuche:
      Da hast du ja schon gute Voratbeit geleistet.

      Hallsensor rauscht in der Tat stark. Hab ich schon bei den Stromsensoren bemerkt.
      Die Idee mit der bestromten Spule nach dem Prinzip einer Leiterschleife vor einer Ampel finde ich da interessant.
      Bei kleinen Änderungen ist da ein Instrumentenverstärker immer eine gute Idee. Das würde ich nochmal probieren.

      Vielleicht kann man den E-Magnet auch dazu verwendet zu detektieren und die Kugel zu beschleunigen.

      Bei dem Kolpitz konnte man vielleicht noch mit einer PLL was machen, die einen kleinen Fangbereich hat. Die VCO-Spannung könnte man dann für den Controller aufbereiten (Instrumenten-Verstärker und Schmitt-Trigger).

      Die Idee von Michael mit dem Reflektionssensor ist auch gut. Allerding würde man das dann sehen. Aber wenn es nicht stört, durchaus eine Alternative.

      Was hast du denn für eine Spule genommen um zu detektieren (Leiterschleife)? Induktivität? Windungen? Kern?
      On die Kugel sich wirklich magnetisiert durch den E-Magnet müsste man prüfen. Und ob das wirklich einen Effekt auf die Detektion hat.
      Denkbar ja, kann aber auch anders sein.

    • Schon mal vielen Dank für die Anregungen.

      Bei der bestromten Spule ergab sich jedesmal ein anderes Oszillografen-Bild, teilweise invertiert (untere Spur in Bild1/Bild2), wenn die Kugel darüber rollte (Dauer 8ms), was mich zu der Annahme brachte, dass die Kugel schon magnetisiert sein müsste. Als Referenz ist in der oberen Spur der stabile Lichtschranken-Impuls einer der Einfachheit halber installierten Lichtschranke zu sehen, wenn die Kugel vorbeigesaust kam. Die untere Spur zeigt den Ausgang des Verstärkers, der das Signal der Spule verstärkte, teilweise übersteuert.

      Als Reflexionslichtschranke hatte ich immer noch den CNY70 in petto, aber wenn es mit einem unsichtbaren Detektor funktionieren würde ....., wäre es ein schönes Feature.

      Als Schwingkreisspule für den Colpits Oszillator hatte ich eine kleine Schalenkernspule , Innendurchmesser 8mm, vollgewickelt mit 0,12 mm Draht, die Spule hatte 3,1mH bei 32 Ohm. Diese als Luftspule, ohne jegliches Kernmaterial in 2-3 mm Abstand zur Kugel brachte eben die geringe Frequenzänderung.

      Die PLL-Variante wäre noch eine interessante Idee, und die Nachregelspannung entsprechend verstärken. Habe noch einige 4046-Bausteine. Muss mal prüfen, was als Referenzfrequenz nutzbar ist. Ist schon etwas länger her, dass ich PLLs genutzt habe.
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      • Bild2.jpg

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      • Bild1.jpg

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    • Die Oszibilder scheinen die magnetisierte Kugel zu bestätigen.

      Man könnte hier 2 Verstärker (OP's) verwenden, die das Spulensignal verstärken, wobei einer davon invertiert ist. Beide Ausgangssignale werden dann über 2 Dioden zusammen geschaltet. so dass entweder der eine oder der andere das positive Signal liefert. Das Summen-Signal wäre dann in der Dauer breiter, was aber nichts macht, wenn man auf die vordere Flanke triggert.

    • @Mitch64

      Den Versuch über ein Summensignal müsste ich nochmal checken, jedoch stellen die Bilder nur die beiden Maxima dar, es gibt auch jede Menge kleinere Zwischen-Amplituden, wenn die rollenden "Kugel-Pole" nicht genau diese Maxima bewirken.

      @djmsc
      Macht ein solcher Näherungssensor nicht genau das, was die Frequenzverschiebung beim oben beschriebenen Oszillator ausmacht? Ich habe auch schon einen Vergleich (Mischung) der Oszillatorfrequenz gegen eine quarzstabile Referenz angedacht, aber alles erscheint mir doch recht viel Aufwand, wobei der Erfolg letztendlich sehr ungewiss ist.

      Als letzte Option bleibt dann wohl nur noch der CNY70 (Reflexionslichtschranke). Habe ich aber noch nicht getestet.

    • Ulrich wrote:

      Den Versuch über ein Summensignal müsste ich nochmal checken, jedoch stellen die Bilder nur die beiden Maxima dar, es gibt auch jede Menge kleinere Zwischen-Amplituden, wenn die rollenden "Kugel-Pole" nicht genau diese Maxima bewirken.
      Das Signal müsste über die OP's natürlich ausreichend verstärkt werden, z.B. 100 fach und danach ein Schmitt-Trigger schalten. Das sollte dann eigentlich auch bei wenig Signal noch einen Trigger liefern. Natürlich besteht theoretisch noch die möglichkeit, dass die Kugel so rüber rollt, dass es keinen Ausschlag gibt, weil das Magnet-Feld der Kugel nicht auf die Spule wirkt. Aber da wäre ja noch der Effekt mit dem Metall ansich, was bei einer vorbestromten Spule eine Magnetfeldänderung bewirkt.

      Ich denke, das sollte man ausprobieren.

    • Ulrich wrote:

      Den BISS0001 kenne ich auch, jedoch habe ich auf die Schnelle ein Verständnisproblem, was mit den Differenzverstärkern ausgewertet werden soll.
      Ich hatte mal mit dem BISS0001 die Auswertung der ZF eines Mikrowellensensors gemacht.
      Die Amplitude des zu verstärkenden Signals lag im Millivolt-Bereich.
      Das Ausgangssignal kann durch geeignete RC-Kombinationen in weitem Bereich variiert werden und steuert im beigefügten Beispiel ein Relais.

      Ich könnte mir vorstellen, dass dein durch die Spule erzeugtes Signal damit auch aufbereitet werden könnte.
      Aus meinem Spulensortiment könnte ich dir ultrakleine Spulen mit vielen Windungen anbieten, natürlich kostenlos..

      Gru? Rudi
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      Immer Glück haben ist fast wie können..

    • @Pluto25

      habe gerade mal mit der CNY70 Reflexions-Lichtschranke ein, direkt unter der Kugelbahn montiert, ein Bild aufgenommen, eigentlich auch klar, dass die Raumbeleuchtung (50Hz) ebenfalls sichtbar wird. Dennoch ließe sich, wenn die induktiven Versuche ohne Erfolg bleiben, diese Art der Detektion stabil nutzen.

      Mit dem Colpits Oszillator wird die Spule ja mit einem Kondensator in Resonanz betrieben, und ich meine zu beobachten, dass der Kugelmagnetismus keinen extra Einfluß auf die Frequenzverschiebung hat, oder meintest du noch eine andere Variante?

      @Rudi Einstein
      Der Biss0001 wäre schon ein passender Baustein, jedoch rollt die Kugel ja, womit auch das magnetische Feld der Kugel rollt und in einer Detektorspule unterschiedlich große Amplituden bewirkt werden. Wie gesagt, es ist auch nur eine Vermutung, dass durch den starken E-Magnetbeschleunigungs-Impuls auch die Kugel magnetisiert wird, aber eine andere Erklärung habe ich aktuell für die stark unterschiedlichen Oskar-Bilder nicht, welche ich bei mehreren Kugeldurchläufen am Spulen-Verstärkerausgang sehe.


      Es ist sehr interessant zu sehen, was du so an Mikrospulen hast, wie kommt man denn an ein solches Sortiment?
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    • Hast Du mal über eine Ultraschall-basierte Lösung nachgedacht?
      Ich denke einfach mal ins blaue ohne eine konkrete Lösung zu haben, und mit den gängigen Ultraschall-Entfernungsmessern á la HC-SR04 habe ich auch noch nie so richtig gebastelt. Aber vielleicht wäre das ja eine Option, den Sensor versteckt "unterirdisch" zu montieren und engmaschig zu prüfen, ob was reflektiert wird?

    • Oder noch eine ganz andere Überlegung:

      zwei LDRs unauffällig in die Bodenplatte eingebaut; einen direkt unter der Schiene, den anderen daneben. Beide zusammengeschltet als Spannungsteiler zwischen +Ub und Masse. Unabhängig von der Umgebungshelligkeit sollte die Teilspnnung ca. 1/2 Ub sein, so lange keine Kugel über den einen LDR rollt; beim Überrollen sollte die Teilspannung kurz nach Ub oder Masse ausschlagen (je nachdem wie sie geschaltet sind). Ein Komparator könnte einen sauberen Rechteckimpuls darus machen.

      Nachteil: Funktioniert nicht bei absoluter Dunkelheit - aber ganz ohne Umgebungslicht kann man sich das Schauspiel ja auch nict anschauen :)

    • Ulrich wrote:

      oder meintest du noch eine andere Variante?
      Ähnlich , jedoch einfacher ohne Frequenzvergleich. Die Spule sollte min den doppelten Durchmesser zum Abstand der Kugel haben. Die Frequenz fest (Pwm-Pin) und die Anbindung hochohmig sein. Damit ein verstimmen (durch die Kugel) heftige Einbrüche bringt.

      Einzeller wrote:

      Entfernungsmessern á la HC-SR04
      Nach meinen Erfahrungen haben die extreme Abweichungen so das ein paar Dutzend Messungen nötig sind um ein brauchbares Ergebnis zu bekommen. Bei 1m zu 1cm reicht vielleicht eine Messung? Wäre ein Versuch wert - falls ihm das Ding nicht zu klobig ist.

      The post was edited 1 time, last by Pluto25 ().

    • Pluto25 wrote:

      Ulrich wrote:

      oder meintest du noch eine andere Variante?
      Ähnlich , jedoch einfacher ohne Frequenzvergleich. Die Spule sollte min den doppelten Durchmesser zum Abstand der Kugel haben. Die Frequenz fest (Pwm-Pin) und die Anbindung hochohmig sein. Damit ein verstimmen (durch die Kugel) heftige Einbrüche bringt.

      Einzeller wrote:

      Entfernungsmessern á la HC-SR04
      Nach meinen Erfahrungen haben die extreme Abweichungen so das ein paar Dutzend Messungen nötig sind um ein brauchbares Ergebnis zu bekommen. Bei 1m zu 1cm reicht vielleicht eine Messung? Wäre ein Versuch wert - falls ihm das Ding nicht zu klobig ist.
      Ich dachte auch weniger daran den korrekten Abstand der Kugel messen zu lassen, das scheint mir auch zu fehleranfällig, gerade auch weil die Kugel ja ziemlich klein ist. Wenn man den Sensor aber rechtwinklig zur Laufrichtung der Kugel anordnet und regelmäßig checkt ob überhaupt etwas reflektiert wird (in einem kleinen Zeitfenster, damit Echos von der Zimmerdecke o.ä. nicht erfasst werden), könnte man eventuell das Vorbeirollen der Kugel detektieren...