E-Field Mill: 8 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:44

S-ar putea să știți deja că sunt dependent de orice fel de aplicații de măsurare a senzorilor. Am vrut întotdeauna să depistez fluctuațiile câmpului magnetic al pământului și, de asemenea, am fost fascinat de măsurarea câmpului electric ambiental al pământului, care este menținut de procesele de separare a sarcinii care au loc între nori și suprafața pământului. Incidente precum cerul senin, ploaia sau furtuna au toate un impact dramatic asupra câmpului electric care ne înconjoară și noile descoperiri științifice ne arată că sănătatea noastră depinde în mare măsură de câmpurile electrice din jur.

Deci, acesta este motivul pentru care am vrut să mă fac un dispozitiv de măsurare adecvat pentru câmpuri electrice statice. Există deja un design destul de bun, numit și moară cu câmp electric, care este utilizat pe scară largă. Acest dispozitiv utilizează un efect numit inducție electrostatică. Acest lucru se întâmplă întotdeauna când expuneți un material conductor la un câmp electric. Câmpul atrage sau respinge electronii liberi din material. Dacă este conectat la pământ (potențial de împământare), purtătorii de sarcină curg în sau din material. După deconectarea solului, o sarcină rămâne pe material chiar dacă câmpul electric dispare. Această încărcare poate fi măsurată cu un voltmetru. Acesta este foarte aproximativ principiul măsurării câmpurilor electrice statice.

Acum câțiva ani am construit o moară de câmp conform planurilor și schemelor pe care le-am găsit pe internet. În principal, este format dintr-un rotor cu un fel de elice pe el. Elicea este un set dublu de segmente metalice care sunt împământate. Rotorul se rotește în jurul unui set de plăci de inducție care sunt acoperite electric și descoperite de rotor. De fiecare dată când sunt descoperite, inducția electrostatică a câmpului electric ambiental provoacă un flux de purtători de încărcare. Acest flux este inversat când rotorul acoperă din nou plăcile de inducție. Ceea ce obțineți este un curent alternativ mai mult sau mai puțin sinusoidal, care amplitudine este o reprezentare a puterii câmpului măsurat. Acesta este primul defect. Nu obțineți o tensiune statică care arată intensitatea câmpului, ci trebuie să luați amplitudinea unui semnal alternativ care trebuie rectificat mai întâi. Al doilea număr este și mai obositor. Moara de câmp funcționează destul de bine într-un mediu neperturbat - zicem pe partea întunecată a lunii când ești departe de zumzetul liniei electrice și de toată această ceață electrică abundentă care pătrunde în mediul nostru oriunde ne aflăm. În special sunetul liniei de alimentare de 50Hz sau 60Hz interferează direct cu semnalul dorit. Pentru a rezolva această problemă, moara de câmp utilizează un al doilea set de plăci de inducție cu un alt amplificator care ia același semnal cu o schimbare de fază la 90 °. Într-un amplificator operațional suplimentar ambele semnale sunt scăzute unele de altele. Deoarece sunt defazate, rămâne restul semnalului dorit și interferența, care este egală în ambele semnale, este anulată teoretic. Cât de bine funcționează acest lucru depinde de egalitatea interferenței în ambele circuite de măsurare, CMRR-ul amplificatorului și de întrebarea dacă amplificatorul este suprasolicitat sau nu. Ceea ce face situația și mai incomodă este că ați dublat aproximativ cantitatea de hardware doar pentru a scăpa de interferențe.

Anul trecut am avut o idee să depășesc aceste probleme cu propriul meu design. Este un pic mai mult de lucru la mecanic, dar simplu în ceea ce privește electronica. Ca întotdeauna, aceasta nu este o replicare detaliată pas cu pas a dispozitivului complet. Vă voi arăta principiile de lucru ale proiectului meu și îl puteți schimba în moduri diferite și îl puteți adapta la propriile nevoi. După ce vă arăt cum să îl construiți, vă voi explica cum funcționează și vă voi arăta rezultatul primelor mele măsurători.

Când mi-a venit ideea pentru acest dispozitiv am fost mândru de oase, dar, după cum știți, aroganța precedă orice cădere. Da, a fost propria mea idee. L-am dezvoltat pe cont propriu. Dar ca întotdeauna a fost cineva înaintea mea. Separarea sarcinilor prin inducție și amplificare prin utilizarea efectului condensatorului a fost utilizată în aproape fiecare proiectare de generator electrostatic în ultimii 150 de ani. Deci, nu este nimic special în proiectarea mea, în ciuda faptului că am fost primul care s-a gândit să aplice aceste concepte pentru măsurarea câmpurilor electrostatice slabe. Încă sper că într-o zi voi fi faimos.

Pasul 1: Lista de materiale și instrumente

Următoarea listă arată aproximativ de ce materiale veți avea nevoie. Puteți să le schimbați și să le adaptați cât doriți.

• Foi de placaj de 4mm
• grinzi de lemn 10x10mm
• Tub de aluminiu de 8 mm
• Tija din aluminiu de 6 mm
• Tija de plexiglas de 8 mm
• PCB placat cu cupru cu o singură parte 120x160mm
• sârmă de alamă sau cupru 0,2 mm
• o bucată de tablă de cupru de 0,2 mm
• lipit
• lipici
• Șuruburi și piulițe de 3 mm
• O priză de test de 4 mm
• tub conductiv din cauciuc (diametru interior 2mm) Am primit al meu de la Amazon
• Piese electronice conform schemei (secțiunea de descărcare)
• Un condensator styroflex de 68nF ca colector pentru încărcări. Puteți schimba această valoare în moduri largi.
• Un motor cabestan pentru 6V DC. Acestea sunt motoare special concepute pentru playere de discuri și magnetofoane. Rpm-ul lor este reglementat! Încă le puteți găsi pe Ebay.
• O sursă de alimentare de 6V / 1A.

Acestea sunt instrumentele de care aveți nevoie

• Ciocan de lipit
• Mediul de dezvoltare Arduino de pe PC / Notebook
• Cablu USB-A la B.
• dosar sau mai bine un strung
• Bormasina electrica
• ferăstrău mic sau ferăstrău manual
• pensetă
• cleste de sarma

Pasul 2: Realizarea mecanicii

În prima imagine puteți vedea întregul design se bazează pe două foi de placaj cu dimensiuni de 210 mm x 140 mm. Acestea sunt montate una peste alta, conectate prin 4 bucăți de grinzi de lemn care le mențin la distanță de 50 mm. Între ambele foi motorul și cablajul sunt conținute. Motorul este montat cu două șuruburi M3 montate în două găuri de 3 mm găurite prin foaia superioară de placaj. O foaie de material PCB funcționează ca un scut împotriva câmpului electric ambiental. Este montat la 85 mm deasupra tablei superioare de placaj, iar marginea sa interioară se termină în jurul arborelui motorului.

Componenta de bază a acestui dispozitiv este un disc. Are un diametru de 110 mm și este realizat dintr-un material PCB cu acoperire de cupru pe o singură parte. Am folosit o moară pentru a tăia un disc rotund din PCB. De asemenea, am folosit o moară pentru a tăia stratul de cupru în patru segmente izolate electric. De asemenea, este foarte important să tăiați un inel în jurul mijlocului discului prin care va trece arborele motorului. Altfel s-ar lega electric segmentele! Pe strung, am tăiat o bucată mică de tijă de aluminiu de 6 mm, astfel încât să ia o gaură de 3 mm în partea de jos, cu două găuri dreptunghiulare de 2, 5 mm, care au fire M3 tăiate. Celălalt capăt l-am tăiat într-un arbore mic de 3 mm pentru încap în gaura din mijloc a discului. Adaptorul a fost apoi lipit de partea de jos a discului. Ansamblul discului ar putea fi apoi înșurubat la arborele motorului.

Apoi vedeți o altă componentă importantă. Un segment de mărimea celor de pe disc, realizat din tablă de cupru de 0, 2 mm Acest segment este montat pe două foi de placaj. Când discul este montat, acest segment este foarte îngust sub discul rotativ. distanța este de aproximativ 1 mm. Este important să păstrați această distanță cât mai mică posibil!

Următoarele lucruri importante sunt mustața la sol și preluarea încărcăturii. Ambele sunt realizate din tub de aluminiu și tije cu fire tăiate pentru a le monta pe toate împreună. Puteți face orice tip de variație doriți aici. Ai nevoie doar de ceva conductiv care să ruleze pe suprafața discului. Pentru mustăți am încercat multe materiale. Cei mai mulți au deteriorat segmentele de disc după un timp. În cele din urmă, am găsit un indiciu într-o carte despre dispozitivele electrostatice. Folosiți tuburi conductive din cauciuc! Nu dăunează învelișului de cupru și se uzează și poartă …

Mușchiul de la sol este plasat într-o locație astfel încât să piardă contactul cu segmentul discului subiacent atunci când începe să descopere placa de masă. Ridicarea încărcării este așezată astfel încât să ia segmentul din mijloc atunci când este la distanță maximă de placa de sol. Vedeți dacă dispozitivul de încărcare este montat pe o bucată de tijă de plexiglas. Acest lucru este important, deoarece avem nevoie de o izolație bună aici. Altfel am avea o pierdere de taxe!

Apoi vedeți că mufa de test de 4 mm este plasată în "subsolul" ansamblului. Am furnizat această conexiune pentru că nu eram sigur dacă aș avea nevoie de o conexiune „la sol” reală sau nu. În condiții normale avem de-a face cu curenți atât de mici încât oricum avem o legătură intrinsecă. Dar poate că va exista o configurare de testare în viitor, unde am putea avea nevoie de ea, cine știe?

Pasul 3: Cablarea

Acum trebuie să interconectați electric totul pentru a funcționa corect. Folosiți firul de alamă și lipiți împreună următoarele părți.

• Mufa de test de 4 mm
• Mustata la sol
• Scutul
• un fir al încărcătorului colectează condensatorul

Lipiți al doilea fir al condensatorului la preluarea încărcării.

Pasul 4: Realizarea dispozitivelor electronice

Urmați schema pentru a plasa componentele electronice pe o bucată de perfboard. Am lipit anteturile de pin pe marginile plăcii pentru a le conecta la Arduino Uno. Circuitul este al naibii de simplu. Încărcarea colectată este preluată la condensator și alimentată într-un amplificator cu impedanță ridicată care crește semnalul cu 100. Semnalul este filtrat cu trecere joasă și apoi este direcționat către o intrare a intrărilor convertorului analog-digital al arduino. Un MOSFET este utilizat pentru Arduino pentru a porni / opri motorul discului.

Este foarte important să conectați pământul ansamblului mecanic la pământul virtual al circuitului electronic, unde se întâlnesc R1 / R2 / C1 / C2! Acesta este, de asemenea, solul condensatorului de colectare a sarcinii. Puteți vedea acest lucru în ultima imagine din acest capitol,

Pasul 5: Software-ul

Nu există multe de spus despre software. Este scris foarte simplu. Aplicația cunoaște câteva comenzi pentru a fi configurat corect. Puteți accesa arduino dacă aveți ID-ul Arduino instalat pe sistemul dvs., deoarece aveți nevoie de driverele de comportament virtual. Apoi conectați un cablu USB la arduino și la PC / Notebook și utilizați un program terminal precum HTerm pentru a conecta arduino prin comportamentul emulat cu 9600 baud, fără paritate și 1 stopbit și CR-LF la intrare.

• „setdate dd-mm-yy” setează data modulului RTC conectat la arduino
• "settime hh: mm: ss" setează ora modulului RTC conectat la arduino
• „getdate” tipărește data și ora
• "setintervall 10 … 3600" Setează intervalul de eșantionare în secunde de la 10s la 1h
• „start” începe sesiunea de măsurare după sincronizarea cu următorul minut complet
• „sincronizare” face același lucru, dar așteaptă următoarea oră completă
• „stop” oprește sesiunea de măsurare

După ce primește „start” sau „sincronizare” și efectuează lucrurile de sincronizare, aplicația ia mai întâi un eșantion pentru a vedea unde este punctul zero sau părtinirea. Apoi pornește motorul și așteaptă 8s până când rpm-ul se stabilizează. Apoi se prelevează proba. În general, există un algoritm de mediere a software-ului care calculează în mod continuu eșantioanele în ultimele 10 eșantioane pentru a evita erorile. Valoarea zero luată anterior este acum scăzută din măsurare și rezultatul trimis pe comportament împreună cu data și ora măsurării. Un exemplu de sesiune de măsurare arată astfel:

03-10-18 11:00:08 -99

03-10-18 11:10:08 -95

03-10-18 11:20:08 -94

03-10-18 11:30:08 -102

03-10-18 11:40:08 -103

03-10-18 11:50:08 -101

03-10-18 12:00:08 -101

Deci, măsurătorile sunt prezentate ca deviații de la zero măsurate în cifre, care pot fi negative minereu pozitive în funcție de direcția spațială a fluxului electric. Desigur, există un motiv pentru care am decis să formatez datele în coloane de dată, oră și valori de măsurare. Acesta este formatul perfect pentru a vizualiza datele cu celebrul program „gnuplot”!

Pasul 6: Cum funcționează

V-am spus doar că principiul de funcționare al acestui dispozitiv este inducția electrostatică. Deci, cum funcționează în detaliu? Să presupunem pentru moment că am fi unul dintre acele segmente de pe disc. Rotim la o viteză constantă, fiind expuși continuu câmpului electric ambiental și apoi ne ascundem din nou de flux sub protecția scutului. Imaginați-vă că de fapt am ieși din umbră în câmp. Am intra în contact cu mustața de împământare. Câmpul electric ar acționa asupra electronilor noștri liberi și să spunem că câmpul i-ar respinge. Deoarece suntem legați la pământ, ar exista o cantitate de electroni care fug de noi și dispar în pământ.

Pierderea terenului

Acum, în timp ce rotirea discului continuă la un moment dat, am pierde contactul cu mustața de la sol. Acum nu mai poate fugi de noi, dar și drumul înapoi pentru acuzațiile deja dispărute este închis. Așa că rămânem în urmă cu o lipsă de electroni. Dacă ne place sau nu, suntem taxați acum! Și sarcina noastră este proporțională cu puterea fluxului electric.

Câtă taxă avem?

În timpul în care am fost expuși câmpului electric, am pierdut niște electroni. Cât am pierdut? Ei bine, cu fiecare electron pe care l-am pierdut, sarcina noastră a crescut. Această încărcare generează un câmp electric în creștere propriu între noi și sol. Acest câmp este opus celui ambiental care a generat inducția. Deci pierderea de electroni continuă până la punctul în care ambele câmpuri sunt egale și se anulează reciproc! După ce am pierdut contactul cu solul, avem încă propriul nostru câmp electric împotriva plăcii împământate care are potențial de pământ. Știți cum numim două plăci conductoare cu un câmp electric între ele? Acesta este un condensator! Facem parte din condensatorul încărcat.

Acum suntem un condensator!

Știți relația dintre încărcare și tensiune pe un condensator? Permiteți-mi să vă spun, este U = Q / C unde U este tensiunea, Q este sarcina și C capacitatea. Capacitatea unui condensator este invers proporțională cu distanța plăcilor sale! Asta înseamnă că cu cât distanța este mai mare, cu atât este mai mică capacitatea. Ce se întâmplă acum în timp ce continuăm să pornim roata fără niciun contact cu solul? Creștem distanța până la placa de sol. În timp ce facem acest lucru, capacitatea noastră scade dramatic. Acum uită-te din nou la U = Q / C. Dacă Q este constant și C scade, ce se întâmplă? Da, tensiunea crește! Acesta este un mod foarte inteligent de a amplifica tensiunea doar prin aplicarea mijloacelor mecanice. Nu aveți nevoie de un amplificator operațional, filtrare a zgomotului și calcule statistice aici. Este doar o fizică inteligentă și simplă care ne crește semnalul până la un nivel în care procesarea semnalului cu electronică devine doar o sarcină plictisitoare. Toată inteligenta acestui dispozitiv se bazează pe inducția electrostatică și efectul condensatorului!

Ce înseamnă?

Dar ce anume am stimulat în acest fel? Avem acum mai mulți electroni? Nu! Avem oricum mai multă taxă? Nu! Ceea ce am stimulat este ENERGIA electronilor și aceasta ne permite să folosim circuite electronice mai simple și mai puține filtrări. Acum am ajuns la aphelul traiectoriei noastre și, în cele din urmă, preluarea sarcinii ne ia electronii energizați și îi colectează în condensatorul colectorului de sarcină.

Imunitate împotriva interferențelor

Când aruncați o privire la videoclip, veți vedea că, în ciuda interferențelor obișnuite din casa mea, semnalul de ieșire al dispozitivului este constant și practic fără zgomot. Cum este posibil acest lucru? Ei bine, cred că pentru că semnalul și interferențele nu merg separat până la amplificator, ca în fabrica de câmp clasică. În proiectarea mea, interferența afectează încărcarea colectată chiar din momentul pierderii conexiunii la sol. Asta înseamnă că fiecare eșantion este afectat într-un fel de interferențe. Dar, deoarece această interferență nu are componentă de curent continuu atâta timp cât este simetric, rezultatul interferenței este întotdeauna mediat în condensatorul colectorului de încărcare. După suficientă rotire a discului și eșantioane alimentate în colectorul de încărcare, media interferenței este zero. Cred că acesta este trucul!

Pasul 7: Testarea

După câteva testări, depanare și îmbunătățire, am instalat fabrica de câmp împreună cu vechiul meu notebook win-xp în podul meu și am efectuat un test de aproximativ o zi. Rezultatele au fost vizualizate cu gnuplot. Consultați fișierul de date atașat „e-field-data.dat” și fișierul de configurare gnuplot „e-field.gp”. Pentru a vizualiza rezultatele, pur și simplu porniți gnuplot pe sistemul dvs. țintă și tastați la prompt> încărcați „e-field.gp”

Vedeți imaginea care arată rezultatele. Este destul de remarcabil. Am început măsurarea pe 03-03-2018 când am avut vreme frumoasă și cer albastru. Vedeți că câmpul electric a fost destul de puternic și negativ, în timp ce trebuie să avem grijă, deoarece ceea ce este „negativ” și „pozitiv” în prezent nu este specificat în mod rezonabil. Am avea nevoie de o calibrare a dispozitivului nostru pentru a ne alinia la fizica reală. Dar oricum, puteți vedea că, pe parcursul ciclurilor de măsurare, intensitatea câmpului a scăzut odată cu vremea care a început să se deterioreze și să devină înnorată și ploioasă. Am fost cumva uimit de aceste descoperiri, dar totuși trebuie să verific dacă acestea sunt corelate cu fizica.

Acum e rândul tău. Continuați și creați-vă propria moară de câmp electric și explorați secretele planetei noastre în propria dvs. căutare! A se distra!

Pasul 8: Colectarea și interpretarea datelor

Acum, deoarece totul funcționează (sperăm) bine, ar trebui să adunați câteva date. Aș recomanda să folosiți un loc fix pentru moara de câmp. În caz contrar, datele ar fi greu de comparat. Parametrii câmpului local pot varia foarte mult de la un loc la altul. Am configurat moara ca să ia o valoare de măsurare în fiecare oră. Am lăsat moara să funcționeze aproximativ 3 luni. Dacă aruncați o privire asupra graficelor care prezintă datele colectate din luna noiembrie 2018, decembrie 2018 și ianuarie 2019, vedeți câteva descoperiri remarcabile.

Mai întâi puteți vedea că intensitatea câmpului din noiembrie a fost doar pozitivă, devenind negativă până la sfârșitul lunii. Deci, ceva general trebuie să se fi schimbat, probabil în funcție de vreme. Poate că a existat o scădere rezonabilă a temperaturii. Apoi semnalul mediu a rămas negativ până la sfârșitul ciclului de măsurare. Al doilea lucru este că există mai multe vârfuri în graficul semnalului care indică schimbări rapide de câmp care durează doar câteva minute. Nu cred că schimbările din atmosferă sunt responsabile pentru asta. Chiar și vremea locală cuprinde mase uriașe de gaz și ioni încorporați. De asemenea, norii și ploaia sau zăpada nu se schimbă de obicei în câteva minute. Deci, cred că influența provocată de om ar fi putut provoca aceste schimbări bruște. Dar acest lucru este, de asemenea, dificil de explicat. Toate sursele de curent electric furnizează doar tensiune alternativă. Asta nu contează pentru modificările DC pe care le-am observat. Bănuiesc că ar fi putut exista unele procese de încărcare electrică a mașinilor care treceau pe asfaltul străzii din fața apartamentului meu. De gândit ar fi și procesele de încărcare cauzate de praf transportat de vânt și care intră în contact cu fața casei mele.