E-Field Mill: 8 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Може би вече знаете, че съм пристрастен към всякакви приложения за измерване на сензори. Винаги съм искал да проследя колебанията на магнитното поле на Земята и също бях очарован от измерването на околното електрическо поле на Земята, което се поддържа от процесите на разделяне на заряди, протичащи между облаците и повърхността на земята. Инциденти като ясно небе, дъжд или гръмотевична буря имат драматично въздействие върху електрическото поле, което ни заобикаля и новите научни открития ни показват, че здравето ни зависи силно от околните електрически полета.

И така, това е причината, поради която исках да си направя подходящо измервателно устройство за статични електрически полета. Вече съществува един доста добър дизайн, наричан още мелница с електрическо поле, който се използва широко. Това устройство използва ефект, наречен електростатична индукция. Това винаги се случва, когато излагате проводящ материал на електрическо поле. Полето привлича или отблъсква свободните електрони в материала. Ако е свързан със земя (потенциал на земята) носители на заряд текат във или извън материала. След изключване на земята, върху материала остава заряд, дори ако електрическото поле изчезне. Този заряд може да бъде измерен с волтметър. Това е приблизително принципът на измерване на статични електрически полета.

Преди няколко години построих полева мелница според плановете и схемите, които намерих в интернет. По принцип се състои от ротор с някакъв вид витло върху него. Витлото е двоен набор от метални сегменти, които са заземени. Роторът се завърта около набор от индукционни плочи, които са електрически покрити и непокрити от ротора. Всеки път, когато бъдат открити, електростатичната индукция на околното електрическо поле предизвиква поток от носители на заряд. Този поток се обръща, когато роторът отново покрие индукционните плочи. Получавате променлив повече или по -малко синусоидален ток, чиято амплитуда е представяне на силата на измереното поле. Това е първият недостатък. Не получавате статично напрежение, показващо силата на полето, но трябва да вземете амплитудата на променлив сигнал, който първо трябва да бъде коригиран. Вторият въпрос е още по -досаден. Полевата мелница работи доста добре в необезпокоявана среда -да речем от тъмната страна на Луната, когато сте далеч от бръмченето на електропровода и цялата тази изобилна електрическа мъгла, която прониква в нашата среда навсякъде. Особено 50Hz или 60Hz бръмчене на електропровода пречи директно на желания сигнал. За справяне с този проблем полевата мелница използва втори набор от индукционни плочи с друг усилвател, който приема същия сигнал с фазово изместване от 90 °. В допълнителен операционен усилвател и двата сигнала се изваждат един от друг. Тъй като те са извън фаза, остава остатъкът от желания сигнал и интерференцията, която е равна и при двата сигнала, се отменя теоретично. Колко добре работи това зависи от равенството на смущенията в двете измервателни вериги, CMRR на усилвателя и от въпроса дали усилвателят се претоварва или не. Това, което прави ситуацията още по -неудобна, е, че приблизително удвоихте количеството хардуер, само за да се отървете от смущенията.

Миналата година имах идея да преодолея този проблем със собствения си дизайн. Това е малко повече работа по механиката, но просто по въпроса за електрониката. Както винаги, това не е подробна стъпка по стъпка репликация на цялото устройство. ще ви покажа принципите на работа на моя дизайн и можете да го промените по различни начини и да го приспособите към вашите собствени нужди. След като ви покажа как да го изградите, ще ви обясня как работи и ще ви покажа резултата от първите ми измервания.

Когато ми хрумна идеята за това устройство, бях горд до кости, но както знаете, арогантността предхожда всеки провал. Да, това беше моя собствена идея. Развих го сам. Но както винаги имаше някой преди мен. Разделянето на заряди чрез индукция и усилване чрез използване на кондензаторния ефект се използва в почти всеки дизайн на електростатичен генератор през последните 150 години. Така че няма нищо особено в моя дизайн, въпреки факта, че аз бях първият, който се сети да приложи тези концепции за измерване на слаби електростатични полета. Все още се надявам един ден да стана известен.

Стъпка 1: Списък на материалите и инструментите

Следният списък показва приблизително кои материали ще ви трябват. Можете да ги променяте и приспособявате колкото искате.

• Листове от 4 мм шперплат
• дървени греди 10х10 мм
• 8 мм алуминиева тръба
• 6 мм алуминиев прът
• 8 мм прът от плексиглас
• 120x160mm едностранно медно покритие на печатна платка
• месингова или медна тел 0,2 мм
• парче меден лист 0,2 мм
• спойка
• лепило
• 3 мм винтове и гайки
• 4 мм тестов гнездо
• проводима гумена тръба (Вътрешен диаметър 2 мм) Получавам моята от Amazon
• Електронни части според схемата (раздел за изтегляне)
• 68nF styroflex кондензатор като колектор за зарежданията. Можете да промените тази стойност по широк начин.
• Мотор с капак за 6V DC. Това са двигатели, специално проектирани за дискови плейъри и магнетофони. Оборотите им са регулирани! Все още можете да ги намерите в Ebay.
• Захранване 6V/1A.

Това са инструментите, от които се нуждаете

• Поялник
• Среда за разработка на Arduino на вашия компютър/преносим компютър
• USB-A към B кабел
• файл или по -добре струг
• електрическа бормашина
• малък трион или ръчен трион
• пинсети
• нож за тел

Стъпка 2: Изработване на механиката

На първата снимка можете да видите целия дизайн се основава на два листа шперплат с размери 210 мм х 140 мм. Те са монтирани един над друг, свързани с 4 парчета дървени греди, които ги държат на 50 мм разстояние. Между двата листа моторът и окабеляването се съдържат. Двигателят е монтиран с два винта M3, монтирани в две 3 мм отвори, пробити през горния лист от шперплат. Лист от печатна платка работи като щит срещу околното електрическо поле. Той е монтиран на 85 мм над горния шперплат и вътрешният му ръб току -що завършва около вала на двигателя.

Основният компонент на това устройство е диск. Той е с диаметър 110 мм и е изработен от едностранно медно покрито ПХБ материал. Използвах мелница, за да изрежа кръгъл диск от печатната платка. Използвах и мелница, за да нарязвам медното покритие на четири сегмента, които са електрически изолирани. Също така е много важно да изрежете пръстен около средата на диска, през който ще премине валът на двигателя. В противен случай това ще заземи електрически сегментите! На моя струг изрязах малко парче алуминиев прът от 6 мм по начин, който отнема 3 мм отвор в долната част с два правоъгълни отвора с диаметър 2, 5 мм, в които са нарязани резби М3. Другият край отрязах до малък вал от 3 мм, за да поставете в средния отвор на диска. След това адаптерът беше супер залепен към дъното на диска. След това дисковият възел може да се завинтва към вала на двигателя.

Тогава виждате друг важен компонент. Сегмент с размерите на тези на диска, изработен от меден лист 0,2 мм Този сегмент е монтиран върху два листа шперплат. Когато дискът е монтиран, този сегмент е много тясно под въртящия се диск. разстоянието е само около 1 мм. Важно е това разстояние да бъде възможно най -малко!

Следващите важни неща са земната мустачка и вземането на заряда. И двете са изработени от алуминиева тръба и пръти с нарязани нишки, за да се монтират всички заедно. Тук можете да направите всякакъв вид вариации, които харесвате. Просто се нуждаете от нещо проводимо по повърхността на диска. За мустаците опитах много материали. Повечето от тях повреждат дисковите сегменти след известно време. Най -накрая намерих намек в книга за електростатични устройства. Използвайте проводими гумени тръби! Не уврежда медното покритие и се износва …

Шлифованият мустак се поставя на място по начин, по който той губи контакт с основния сегмент на диска, когато започва да разкрива заземената плоча. Вземането на такса е поставено така, че да поема сегмента в средата, когато е на максимално разстояние от заземителната плоча. Вижте, че захващането на заряда е монтирано на парче от плексигласов прът. Това е важно, защото тук се нуждаем от добра изолация. В противен случай бихме загубили таксите!

След това виждате, че 4 -милиметровият гнездо за изпитване е поставено в "мазето" на монтажа. Предоставих тази връзка, защото не бях сигурен дали ще се нуждая от истинска "наземна" връзка или не. При нормални условия имаме работа с толкова ниски токове, че така или иначе имаме вътрешно заземяване. Но може би в бъдеще ще има тестова настройка, където може да ни потрябва, кой знае?

Стъпка 3: Окабеляване

Сега трябва да свържете електрически всичко, така че да работи правилно. Използвайте месинговия проводник и запоявайте заедно следните части.

• Тестовият щепсел с диаметър 4 мм
• Земният мустак
• Щита
• един проводник на кондензатора за събиране на заряд

Запоявайте втория проводник на кондензатора към захващащия заряд.

Стъпка 4: Създаване на електроника

Следвайте схемата, за да поставите електронните компоненти върху парче перфорирана дъска. Запоявах щифтове към ръбовете на платката, за да я свържа с Arduino Uno. Схемата е адски проста. Събраният заряд се улавя от кондензатора и се подава в усилвател с висок импеданс, който усилва сигнала със 100. Сигналът е нискочестотен филтриран и след това се насочва към един вход на входовете на аналогово-цифровия преобразувател на arduino. MOSFET се използва за Arduino за включване/изключване на дисковия двигател.

Много е важно да свържете заземяването на механичния агрегат към виртуалното заземяване на електронната верига, където се срещат R1/R2/C1/C2! Това е и основата на кондензатора за събиране на заряд. Можете да видите това на последната снимка в тази глава,

Стъпка 5: Софтуерът

Няма много какво да се каже за софтуера. Написано е много ясно. Приложението знае някои команди за правилно конфигуриране. Можете да получите достъп до arduino, ако имате инсталирана Arduino IDE на вашата система, защото имате нужда от драйвери за виртуално сравнение. След това включете USB кабел към arduino и вашия компютър/преносим компютър и използвайте терминална програма като HTerm, за да свържете arduino чрез емулирания порт с 9600 бода, без паритет и 1 стопбит и CR-LF при влизане.

• "setdate dd-mm-yy" задава датата на RTC-модула, свързан към arduino
• "settime hh: mm: ss" задава времето на RTC-модула, свързан към arduino
• "getdate" отпечатва дата и час
• "setintervall 10… 3600" Задава интервала на извадката за секунди от 10s до 1h
• "start" стартира измервателната сесия след синхронизиране с предстоящата пълна минута
• "sync" прави същото, но чака предстоящия цял час
• "стоп" спира сесията за измерване

След като получи „стартиране“или „синхронизиране“и извърши неща за синхронизация, приложението първо взема проба, за да види къде е нулевата точка или отклонението. След това стартира двигателя и изчаква 8 секунди, докато оборотите се стабилизират. След това се взема пробата. Като цяло има софтуерен алгоритъм за усредняване, който непрекъснато осреднява пробите за последните 10 проби, за да се избегнат проблеми. Взетата по-рано нулева стойност сега се изважда от измерването и резултатът се изпраща по сравнението заедно с датата и часа на измерването. Пример за измервателна сесия изглежда така:

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

Така че измерванията се показват като отклонения от нулата, измерени в цифри, които могат да бъдат положителни или отрицателни в зависимост от пространствената посока на електрическия поток. Разбира се, има причина, поради която реших да форматирам данните в колони с дата, час и стойности на измерване. Това е идеалният формат за визуализиране на данните с известната програма "gnuplot"!

Стъпка 6: Как работи

Току -що ви казах, че принципът на работа на това устройство е електростатична индукция. И така, как работи подробно? Да предположим за момент, че бихме били един от тези сегменти на диска. Ние се въртим с постоянна скорост, непрекъснато изложени на околното електрическо поле и след това отново се крием от потока под защитата на щита. Представете си, че всъщност ще излезем от сянката на полето. Щяхме да влезем в контакт с мустака за заземяване. Електрическото поле би действало върху нашите свободни електрони и да кажем, че полето ще ги отблъсне. Тъй като сме заземени, ще има количество електрони, бягащи от нас и изчезващи в земята.

Загуба на почва

Сега, докато завъртането на диска продължава в един момент, ще загубим контакт със земния мустак. Сега повече такси не могат да избягат от нас, но обратният път за вече изтеглените такси също е затворен. Така че оставаме с недостиг на електрони. Ако ни харесва или не, сега сме таксувани! И нашият заряд е пропорционален на силата на електрическия поток.

Колко такси имаме?

За времето, когато се изложихме на електрическото поле, загубихме някои електрони. Колко сме загубили? Е, с всеки загубен електрон зарядът ни се покачваше. Този заряд генерира собствено нарастващо електрическо поле между нас и земята. Това поле е противоположно на околното, което генерира индукцията. Така че загубата на електрони продължава до точката, в която двете полета са равни и се анулират взаимно! След като загубихме контакт със земята, ние все още имаме собствено електрическо поле срещу заземената плоча, която има потенциал за земя. Знаете ли как наричаме две проводими плочи с електрическо поле между тях? Това е кондензатор! Ние сме част от заредения кондензатор.

Вече сме кондензатор!

Знаете ли връзката между заряд и напрежение на кондензатор? Нека ви кажа, това е U = Q/C, където U е напрежението, Q е зарядът, а C капацитетът. Капацитетът на кондензатор е обратно пропорционален на разстоянието на неговите плочи! Това означава, че колкото по -голямо е разстоянието, толкова по -нисък е капацитетът. Какво се случва, докато продължаваме да включваме колелото без контакт със земята? Увеличаваме разстоянието до заземителната плоча. Докато правим това, капацитетът ни драстично пада. Сега погледнете отново U = Q/C. Какво се случва, ако Q е константа и C намалява? Да, напрежението расте! Това е много умен начин за усилване на напрежението само чрез прилагане на механични средства. Тук не се нуждаете от операционен усилвател, филтриране на шума и статистически изчисления. Това е просто умна и проста физика, която повишава сигнала ни до ниво, при което обработката на сигнала с електроника просто се превръща в скучна задача. Цялата хитрост на това устройство разчита на електростатичната индукция и кондензаторния ефект!

Какво означава?

Но какво точно подобрихме по този начин? Имаме ли повече електрони сега? Не! Имаме ли все пак повече такса? Не! Това, което повишихме, е ЕНЕРГИЯТА на електроните и това ни позволява да използваме по -прости електронни схеми и по -малко филтриране. Сега стигнахме до афела на нашата траектория и накрая захващането на заряда отнема нашите енергизиращи електрони и ги събира в кондензатора на събирателния заряд.

Имунитет срещу намеса

Когато погледнете видеото, ще видите, че въпреки обичайните смущения в моя дом изходният сигнал на устройството е стабилен и практически безшумен. Как е възможно? Е, мисля, че това е така, защото сигналът и смущенията не вървят отделно към усилвателя, както в класическата мелница. В моя дизайн смущенията влияят върху събрания заряд точно от момента на прекъсване на връзката към земята. Това означава, че всяка проба е засегната по някакъв начин от смущения. Но тъй като тази намеса няма постоянен компонент, стига да е симетрично, резултатът от смущенията винаги е усреднен в кондензатора на колекторния заряд. След достатъчно завъртания на диска и проби, подадени в колектора за зареждане, средната стойност на смущенията е нула. Мисля, че това е трикът!

Стъпка 7: Тестване

След известно тестване, отстраняване на грешки и подобряване инсталирах полевата мелница заедно със стария ми преносим компютър win-xp на тавана и направих пробен тест приблизително един ден. Резултатите бяха визуализирани с gnuplot. Вижте прикачения файл с данни „e-field-data.dat“и конфигурационния файл на gnuplot „e-field.gp“. За да видите резултатите, просто стартирайте gnuplot на целевата си система и въведете в подканата> заредете "e-field.gp"

Вижте снимката, показваща резултатите. Това е доста забележително. Започнах измерването на 2018-10-03, когато имахме хубаво време и синьо небе. Вижте, че електрическото поле беше доста силно и отрицателно, докато трябва да се погрижим, защото кое е „отрицателно“и какво „положително“в момента не е разумно посочено. Ще се нуждаем от калибриране на нашето устройство, за да се приведе в съответствие с реалната физика. Но така или иначе можете да видите, че през измервателните цикли силата на полето намалява заедно с времето, което започва да се влошава, става облачно и дъждовно. По някакъв начин бях изумен от тези констатации, но все пак трябва да проверя дали те корелират с физиката.

Сега е твой ред. Продължете и направете своя собствена електрическа мелница и изследвайте тайните на нашата планета в собственото си търсене! Забавлявай се!

Стъпка 8: Събиране и тълкуване на данни

Тъй като всичко (надявам се) работи добре, трябва да съберете някои данни. Бих препоръчал да използвате фиксирано място за полската мелница. В противен случай данните ще бъдат трудни за сравнение. Локалните параметри на полето могат да варират много от място на място. Конфигурирах мелницата, че отнемаше една измервателна стойност на всеки час. Оставих мелницата да работи около 3 месеца. Ако погледнете графиките, представящи събраните данни за месец ноември 2018 г., декември 2018 г. и януари 2019 г., ще видите някои забележителни констатации.

Първо можете да видите, че силата на полето през ноември беше просто положителна и се превърна в отрицателна до края на месеца. Така че нещо общо трябва да се е променило, вероятно според времето. Може би е имало разумен спад на температурата. Тогава средният сигнал остава отрицателен до края на цикъла на измерване. Второто нещо е, че в графиката на сигнала има няколко скока, показващи бързи промени на полето, които продължават само няколко минути. Не мисля, че промените в атмосферата са виновни за това. Дори местното време включва огромни маси от газ и вградени йони. Също така облаците и дъждът или снегът обикновено не се променят в рамките на минути. Така че мисля, че човешкото влияние може да е причинило тези внезапни промени. Но и това е трудно за обяснение. Всички източници на електропроводи осигуряват само променливо напрежение. Това не се отчита за промените в DC, които наблюдавах. Подозирам, че може да е имало някакви процеси на електрическо зареждане от автомобили, минаващи по асфалта на улицата пред апартамента ми. Предполагаеми биха били и процесите на зареждане, причинени от прах, пренесен от вятъра и влизане в контакт с лицето на къщата ми.