E-Field Mill: 8 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Možno už viete, že som závislý na akomkoľvek druhu aplikácií na meranie senzorov. Vždy som chcel sledovať výkyvy magnetického poľa Zeme a tiež ma fascinovalo meranie okolitého elektrického poľa Zeme, ktoré je udržiavané procesmi separácie náboja prebiehajúcimi medzi mrakmi a povrchom Zeme. Incidenty, ako je jasná obloha, dážď alebo búrka, majú dramatický vplyv na elektrické pole, ktoré nás obklopuje, a nové vedecké poznatky nám ukazujú, že naše zdravie do značnej miery závisí od okolitých elektrických polí.

To je dôvod, prečo som sa chcel urobiť vhodným meracím zariadením pre statické elektrické polia. Existuje už jeden celkom dobrý dizajn, ktorý sa tiež nazýva elektrický poľný mlyn a je široko používaný. Toto zariadenie používa efekt nazývaný elektrostatická indukcia. To sa vždy stane, keď vystavíte vodivý materiál elektrickému poľu. Toto pole priťahuje alebo odpudzuje voľné elektróny v materiáli. Ak je pripojený k zemi (potenciál zeme), nosiče náboja prúdia dovnútra alebo von z materiálu. Po odpojení zeme zostane na materiáli náboj, aj keď elektrické pole zmizne. Tento náboj je možné merať voltmetrom. Toto je veľmi zhruba princíp merania statických elektrických polí.

Pred niekoľkými rokmi som postavil poľný mlyn podľa plánov a schém, ktoré som našiel na internete. V zásade pozostáva z rotora s nejakým druhom vrtule. Vrtuľa je dvojitá sada kovových segmentov, ktoré sú uzemnené. Rotor sa otáča okolo sady indukčných dosiek, ktoré sú elektricky zakryté a odkryté rotorom. Zakaždým, keď sú odhalené, elektrostatická indukcia okolitého elektrického poľa spôsobí tok nosičov náboja. Tento prúd sa obráti, keď rotor opäť zakryje indukčné platne. Získate striedavý viac -menej sínusový prúd, ktorého amplitúda je vyjadrením sily meraného poľa. Toto je prvá chyba. Nedostanete statické napätie ukazujúce intenzitu poľa, ale musíte vziať amplitúdu striedavého signálu, ktorý je potrebné najskôr napraviť. Druhá otázka je ešte únavnejšia. Poľný mlyn funguje celkom dobre v nerušenom prostredí -povedzme na temnej strane mesiaca, keď ste ďaleko od hukotu elektrického vedenia a všetkej tejto výdatnej elektrickej hmly, ktorá preniká do nášho prostredia kdekoľvek. Zvlášť hluk elektrického vedenia 50 Hz alebo 60 Hz priamo interferuje s požadovaným signálom. Na vyriešenie tohto problému používa poľný mlyn druhú sadu indukčných platní s iným zosilňovačom, ktorý zachytáva rovnaký signál s 90 ° fázovým posunom. V dodatočnom operačnom zosilňovači sa oba signály od seba odpočítajú. Pretože sú mimo fázy, zostáva požadovaný signál a interferencia, ktorá je v oboch signáloch rovnaká, sa teoreticky zruší. Ako dobre to funguje, závisí od rovnosti rušenia v oboch meracích obvodoch, CMRR zosilňovača a od otázky, či sa zosilňovač preplní alebo nie. Situáciu ešte viac znepríjemňuje to, že ste zhruba zdvojnásobili množstvo hardvéru, aby ste sa zbavili rušenia.

Minulý rok som mal nápad prekonať tieto problémy pomocou vlastného návrhu. Je to trochu viac práce na mechanike, ale v otázke elektroniky je to jednoduché. Ako vždy, nejde o podrobnú replikáciu celého zariadenia krok za krokom. Ukážem vám pracovné princípy môjho návrhu a môžete ho rôznymi spôsobmi zmeniť a prispôsobiť podľa vlastných potrieb. Potom, čo vám ukážem, ako ho postaviť, vysvetlím, ako to funguje, a ukážem vám výsledok mojich prvých meraní.

Keď som dostal nápad na toto zariadenie, bol som hrdý na kosť, ale ako viete, arogancia predchádza každému pádu. Áno, bol to môj vlastný nápad. Vyvinul som to sám. Ale ako vždy tu bol niekto predo mnou. Oddelenie nábojov indukciou a zosilnením pomocou kondenzátorového efektu sa za posledných 150 rokov používalo takmer v každom návrhu elektrostatického generátora. Na mojom návrhu teda nie je nič zvláštne, napriek tomu, že som bol prvý, kto premýšľal o použití týchto konceptov na meranie slabých elektrostatických polí. Stále dúfam, že jedného dňa budem slávny.

Krok 1: Zoznam materiálov a nástrojov

Nasledujúci zoznam zhruba ukazuje, aké materiály budete potrebovať. Môžete ich zmeniť a prispôsobiť tak, ako chcete.

• Listy 4 mm preglejky
• drevené trámy 10x10 mm
• 8 mm hliníková trubica
• 6 mm hliníková tyč
• 8 mm tyč z plexiskla
• Jednostranná medená PCB 120x160 mm
• mosadzný alebo medený drôt 0,2 mm
• kus medeného plechu 0,2 mm
• spájka
• lepidlo
• 3 mm skrutky a matice
• Testovacia zásuvka 4 mm
• vodivá gumová trubica (vnútorný priemer 2 mm) moju som dostal z amazonu
• Elektronické diely podľa schémy (časť na stiahnutie)
• Styroflexový kondenzátor 68nF ako kolektor nábojov. Túto hodnotu môžete zmeniť rôznymi spôsobmi.
• Obvodový motor pre 6 V DC. Jedná sa o motory, ktoré boli navrhnuté špeciálne pre prehrávače diskov a magnetofóny. Ich otáčky sú regulované! Stále ich nájdete na Ebay.
• Napájanie 6V/1A.

Toto sú nástroje, ktoré potrebujete

• Spájkovačka
• Vývojové prostredie Arduino na vašom PC/notebooku
• Kábel USB-A na B
• pilník alebo lepšie sústruh
• elektrická vŕtačka
• ručná alebo ručná píla
• pinzeta
• drôtová rezačka

Krok 2: Výroba mechaniky

Na prvom obrázku môžete vidieť, že celý dizajn je založený na dvoch listoch preglejky s rozmermi 210 mm x 140 mm. Sú namontované nad sebou a spojené sú 4 kusmi drevených nosníkov, ktoré ich držia vo vzdialenosti 50 mm. Medzi oboma listami je uložený motor a vedenie. Motor je namontovaný pomocou dvoch skrutiek M3, ktoré sú namontované v dvoch 3 mm otvoroch vyvŕtaných cez horný preglejkový plech. List materiálu PCB funguje ako štít proti okolitému elektrickému poľu. Je namontovaný 85 mm nad horným listom preglejky a jeho vnútorný okraj končí len okolo hriadeľa motora.

Hlavnou súčasťou tohto zariadenia je disk. Má priemer 110 mm a je vyrobený z jednostranného medeného PCB materiálu. Mlynom som vyrezal okrúhly disk DPS. Tiež som pomocou mlyna rozrezal medený povlak na štyri segmenty, ktoré sú elektricky izolované. Je tiež veľmi dôležité prerezať krúžok okolo stredu disku, kadiaľ bude prechádzať hriadeľ motora. V opačnom prípade by segmenty elektricky uzemnili! Na svojom sústruhu som narezal malý kúsok 6 mm hliníkovej tyče tak, že v spodnej časti potrebuje 3 mm otvor s dvoma obdĺžnikovými 2, 5 mm otvormi, v ktorých sú vyrezané závity M3. Druhý koniec som narezal na malý 3 mm hriadeľ, aby zmestí sa do stredového otvoru disku. Potom bol adaptér super prilepený k spodnej časti disku. Zostavu disku je potom možné priskrutkovať k hriadeľu motora.

Potom uvidíte ďalší dôležitý komponent. Segment veľkosti tých, ktoré sú na disku, vyrobený z medeného plechu 0, 2 mm Tento segment je namontovaný na dvoch listoch preglejky. Keď je disk namontovaný, tento segment je veľmi úzko pod rotujúcim diskom. vzdialenosť je asi 1 mm. Je dôležité, aby bola táto vzdialenosť čo najmenšia!

Ďalšími dôležitými vecami sú mletý fúz a nabíjačka. Oba sú vyrobené z hliníkovej trubice a tyčí s narezanými závitmi, ktoré ich všetky spájajú dohromady. Tu môžete urobiť ľubovoľný typ variácií. Potrebujete, aby po povrchu disku prechádzalo niečo vodivé. Na fúzy som vyskúšal veľa materiálov. Väčšina z nich po chvíli poškodila segmenty disku. Nakoniec som našiel náznak v knihe o elektrostatických zariadeniach. Používajte vodivé gumové hadičky! Nepoškodzuje medený povlak a nosí a nosí …

Zemný fúz je umiestnený na mieste takým spôsobom, že stratí kontakt s podkladovým segmentom disku, keď začína odkrývať základovú dosku. Nabíjač náboja je umiestnený tak, aby zachytil segment v strede, keď je v maximálnej vzdialenosti od základnej dosky. Pozrite sa, že zberač náboja je namontovaný na kúsku tyče z plexiskla. To je dôležité, pretože tu potrebujeme dobrú izoláciu. V opačnom prípade by sme stratili poplatky!

Potom uvidíte, že testovací otvor 4 mm je umiestnený v „suteréne“zostavy. Toto pripojenie som poskytol, pretože som si nebol istý, či budem potrebovať skutočné „pozemné“pripojenie alebo nie. Za normálnych podmienok sa stretávame s tak nízkymi prúdmi, že aj tak máme vnútorné uzemnenie. Ale možno v budúcnosti príde k testovaniu, kde by sme to mohli potrebovať, ktovie?

Krok 3: Zapojenie

Teraz musíte všetko elektricky prepojiť, aby fungovalo správne. Použite mosadzný drôt a spájkujte nasledujúce časti.

• Testovacia zástrčka 4 mm
• Zemný fúz
• Štít
• jeden vodič kondenzátora na zber náboja

Spájkujte 2. vodič kondenzátora k snímaču náboja.

Krok 4: Výroba elektroniky

Podľa schémy umiestnite elektronické súčiastky na kus dosky. Na okraje dosky som spájkoval kolíkové hlavičky, aby som ich spojil s Arduino Uno. Okruh je sakra jednoduchý. Zhromaždený náboj je zachytený na kondenzátore a vedený do zosilňovača s vysokou impedanciou, ktorý zosilňuje signál o 100. Signál je filtrovaný dolnou priepustou a potom je smerovaný do jedného vstupu vstupov analógovo-digitálneho prevodníka arduina. Na zapnutie/vypnutie motora disku používa Arduino MOSFET.

Je veľmi dôležité spojiť uzemnenie mechanickej zostavy s virtuálnym uzemnením elektronického obvodu, kde sa stretávajú R1/R2/C1/C2! To je tiež dôvod kondenzátora na zber náboja. Môžete to vidieť na poslednom obrázku v tejto kapitole,

Krok 5: Softvér

K Softvéru sa nedá veľa povedať. Je to napísané veľmi jednoducho. Aplikácia pozná niektoré príkazy na správnu konfiguráciu. K arduinu máte prístup, ak máte vo svojom systéme nainštalované Arduino IDE, pretože potrebujete ovládače virtuálneho počítača. Potom zapojte kábel USB do arduina a počítača/notebooku a pomocou terminálového programu, akým je HTerm, pripojte arduino prostredníctvom emulovaného portu s 9600 baudmi, bez parity a 1 stopbitom a CR-LF pri vstupe.

• "setdate dd-mm-yy" nastavuje dátum modulu RTC pripojeného k arduinu
• "osadime hh: mm: ss" nastavuje čas modulu RTC pripojeného k arduinu
• „getdate“vytlačí dátum a čas
• "setintervall 10… 3600" Nastaví intervenčný odber vzoriek v sekundách od 10 s do 1 h
• „štart“spustí reláciu merania po synchronizácii s nadchádzajúcou celou minútou
• „synchronizácia“robí to isté, ale čaká na nadchádzajúcu celú hodinu
• „stop“zastaví reláciu merania

Po prijatí príkazu „štart“alebo „synchronizácia“a vykonaní synchronizácie aplikácia najskôr odoberie vzorku, aby zistila, kde je nulový bod alebo zaujatosť. Potom naštartuje motor a čaká 8 s, kým sa otáčky stabilizujú. Potom sa odoberie vzorka. Spravidla existuje algoritmus priemerovania softvéru, ktorý vzorky priebežne priemeruje za posledných 10 vzoriek, aby sa predišlo problémom. Predtým odobratá nulová hodnota sa teraz odpočíta od merania a výsledok sa odošle cez komport spolu s dátumom a časom merania. Príklad relácie merania vyzerá takto:

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

Merania sú teda znázornené ako odchýlky od nuly merané v čísliciach, ktoré môžu byť kladné alebo záporné v závislosti od priestorového smeru elektrického toku. Samozrejme, existuje dôvod, prečo som sa rozhodol formátovať údaje v stĺpcoch dátumu, času a nameraných hodnôt. Toto je perfektný formát na vizualizáciu údajov pomocou známeho programu „gnuplot“!

Krok 6: Ako to funguje

Práve som vám povedal, že princípom fungovania tohto zariadenia je elektrostatická indukcia. Ako to teda detailne funguje? Predpokladajme na chvíľu, že budeme jedným z týchto segmentov na disku. Rotujeme konštantnou rýchlosťou, pričom sme neustále vystavení okolitému elektrickému poľu a potom sa opäť skrývame pred tokom pod ochranou štítu. Predstavte si, že by sme sa skutočne dostali z tieňa do poľa. Dostali by sme sa do kontaktu s uzemňovacím fúzom. Elektrické pole by pôsobilo na naše voľné elektróny a povedzme, že by ho pole odpudilo. Pretože sme uzemnení, uniklo by z nás množstvo elektrónov, ktoré by na Zemi zmizlo.

Strata pôdy

Teraz, keď otáčanie disku v určitom bode pokračuje, stratíme kontakt s pozemným fúzom. Teraz už od nás nemôže utiecť žiaden náboj, ale cesta späť k už preč preč obvineniam je tiež uzavretá. Zostávame teda s nedostatkom elektrónov. Ak sa nám to páči alebo nie, je nám to teraz účtované! A náš náboj je úmerný sile elektrického toku.

Aký veľký poplatok máme?

Počas toho, ako sme boli vystavení elektrickému poľu, sme stratili niekoľko elektrónov. Koľko sme stratili? No s každým strateným elektrónom sa náš náboj vyšplhal hore. Tento náboj vytvára vlastné stúpajúce elektrické pole medzi nami a zemou. Toto pole je opačné ako okolité pole, ktoré generovalo indukciu. Strata elektrónov teda pokračuje až do bodu, kedy sú obe polia rovnaké a navzájom sa rušia! Potom, čo sme stratili kontakt so zemou, máme stále vlastné elektrické pole proti uzemnenej doske, ktorá má zemský potenciál. Viete, ako nazývame dve vodivé dosky s elektrickým poľom medzi nimi? Toto je kondenzátor! Sme súčasťou nabitého kondenzátora.

Teraz sme kondenzátor!

Viete, aký je vzťah medzi nábojom a napätím na kondenzátore? Poviem vám, je to U = Q/C, kde U je napätie, Q je náboj a C kapacita. Kapacita kondenzátora je spätne úmerná vzdialenosti jeho dosiek! To znamená, že čím väčšia je vzdialenosť, tým nižšia je kapacita. Čo sa teraz stane, keď budeme naďalej otáčať koleso bez kontaktu so zemou? Zvyšujeme vzdialenosť k základnej doske. Keď to robíme, naša kapacita dramaticky klesá. Teraz sa znova pozrite na U = Q/C. Ak je Q konštantné a C klesá, čo sa stane? Áno, napätie stúpa! Toto je veľmi šikovný spôsob, ako zosilniť napätie iba mechanickými prostriedkami. Tu nepotrebujete operačný zosilňovač, filtrovanie šumu a štatistické výpočty. Je to len šikovná a obyčajná fyzika, ktorá zvyšuje náš signál až na úroveň, kde sa spracovanie signálu s elektronikou stáva nudnou úlohou. Celá múdrosť tohto zariadenia sa spolieha na elektrostatickú indukciu a kondenzátorový efekt!

Čo to znamená?

Ale čo konkrétne sme týmto spôsobom posilnili? Máme teraz viac elektrónov? Nie! Máme napriek tomu vyšší poplatok? Nie! To, čo sme posilnili, je ENERGIA elektrónov a to nám umožňuje používať jednoduchšie elektronické obvody a menej filtrovania. Teraz sme dosiahli aphel našej trajektórie a nakoniec zachytenie náboja vezme naše energizované elektróny a zhromaždí ich do kondenzátora kolektora náboja.

Odolnosť proti rušeniu

Keď sa pozriete na video, uvidíte, že napriek obvyklému rušeniu v mojom dome je výstupný signál zariadenia stabilný a prakticky bez šumu. Ako je to možné? Myslím si, že je to preto, že signál a rušenie nejdú oddelene až k zosilňovaču ako v klasickom mlyne. V mojom návrhu rušenie ovplyvňuje zhromaždený náboj hneď od okamihu, keď sa stratí spojenie so zemou. To znamená, že každá vzorka je nejakým spôsobom ovplyvnená interferenciou. Pretože však toto rušenie nemá žiadnu DC zložku, pokiaľ je symetrické, je výsledok interferencie v kondenzátore kolektora náboja vždy spriemerovaný. Po dostatočnom otočení disku a vložení vzoriek do zberača náboja je priemer rušenia nulový. Myslím, že v tom je ten trik!

Krok 7: Testovanie

Po niekoľkých testovaniach, ladení a vylepšovaní som nainštaloval poľný mlyn spolu so svojim starým notebookom win-xp do môjho podkrovia a vykonal som testovací beh približne jeden deň. Výsledky boli vizualizované pomocou gnuplot. Pozrite si priložený dátový súbor „e-field-data.dat“a konfiguračný súbor gnuplot „e-field.gp“. Ak chcete zobraziť výsledky, spustite gnuplot vo svojom cieľovom systéme a na výzvu napíšte> načítať „e-field.gp“

Výsledky nájdete na obrázku. Je to celkom pozoruhodné. S meraním som začal v dňoch 2018-10-03, keď sme mali pekné počasie a modrú oblohu. Pozrite sa, že elektrické pole bolo dosť silné a negatívne, ale musíme sa o to starať, pretože to, čo je v súčasnosti „negatívne“a čo „pozitívne“, nie je rozumne špecifikované. Na zosúladenie so skutočnou fyzikou by sme potrebovali kalibráciu nášho zariadenia. Ale aj tak môžete vidieť, že v priebehu meracích cyklov intenzita poľa klesala spolu s tým, ako sa počasie začína zhoršovať a stáva sa oblačno a daždivo. Bol som z týchto zistení nejakým spôsobom ohromený, ale stále musím skontrolovať, či sú v súlade s fyzikou.

Teraz si na rade ty. Pokračujte a vyrobte si svoj vlastný elektrický mlyn na pole a preskúmajte tajomstvá našej planéty pri vlastnom hľadaní! Bavte sa!

Krok 8: Zhromažďovanie a interpretácia údajov

Keďže všetko (dúfajme) funguje dobre, mali by ste zhromaždiť nejaké údaje. Odporúčam použiť pevné miesto pre poľný mlyn. V opačnom prípade by bolo ťažké údaje porovnať. Miestne parametre poľa sa môžu od miesta k miestu veľmi líšiť. Mlyn som nakonfiguroval tak, že každú hodinu potreboval jednu nameranú hodnotu. Mlyn som nechal bežať asi 3 mesiace. Ak sa pozriete na grafy predstavujúce zhromaždené údaje za mesiac november 2018, december 2018 a január 2019, uvidíte niekoľko pozoruhodných zistení.

Najprv môžete vidieť, že sila poľa v novembri bola iba pozitívna a do konca mesiaca sa zmenila na zápornú. Takže niečo všeobecné sa muselo zmeniť, pravdepodobne podľa počasia. Možno došlo k rozumnému poklesu teploty. Potom priemerný signál zostal negatívny až do konca cyklu merania. Druhá vec je, že v grafe signálov je niekoľko špičiek, ktoré naznačujú rýchle zmeny poľa, ktoré trvajú iba niekoľko minút. Nemyslím si, že sú za to zodpovedné zmeny atmosféry. Aj miestne počasie obsahuje obrovské množstvo plynu a včlenených iónov. Tiež oblaky a zrážky alebo sneh sa zvyčajne nemenia do niekoľkých minút. Myslím si teda, že tieto náhle zmeny mohol spôsobiť vplyv spôsobený ľuďmi. Ale to je tiež ťažké vysvetliť. Všetky zdroje elektrického vedenia poskytujú iba striedavé napätie. To sa nepočíta na zmeny jednosmerného prúdu, ktoré som pozoroval. Mám podozrenie, že autá, ktoré prešli okolo na asfalte ulice pred mojím bytom, mohli prebehnúť nejaké procesy elektrického náboja. Mysliteľné by bolo aj nabíjanie spôsobené prachom prenášaným vetrom a kontaktom s tvárou môjho domu.