E-Field Mill: 8 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Du vet kanskje allerede at jeg er avhengig av alle slags sensormåling. Jeg har alltid ønsket å spore svingningene i jordas magnetfelt, og jeg var også fascinert av å måle det omgivende elektriske feltet på jorden som opprettholdes av ladningsseparasjonsprosesser som finner sted mellom skyene og jordoverflaten. Hendelser som klar himmel, regn eller tordenvær har alle en dramatisk innvirkning på det elektriske feltet som omgir oss, og nye vitenskapelige funn viser oss at helsen vår er sterkt avhengig av de omkringliggende elektriske feltene.

Så det er grunnen til at jeg ønsket å gjøre meg til en egnet måleenhet for statiske elektriske felt. Det finnes allerede en ganske god design, også kalt elektrisk feltmølle som er mye brukt. Denne enheten bruker en effekt som kalles elektrostatisk induksjon. Dette skjer alltid når du utsetter et ledende materiale for et elektrisk felt. Feltet tiltrekker eller frastøter de frie elektronene i materialet. Hvis den er koblet til jord (jordpotensial), strømmer ladningsbærere inn eller ut av materialet. Etter frakobling av bakken forblir en ladning på materialet selv om det elektriske feltet forsvinner. Denne ladningen kan måles med et voltmeter. Dette er veldig grovt prinsippet for måling av statiske elektriske felt.

For noen år siden bygde jeg et feltfabrikk i henhold til planer og skjemaer jeg fant på internett. Den består hovedsakelig av en rotor med en slags propell på. Propellen er et dobbelt sett med metalsegmenter som er jordet. Rotoren svinger rundt et sett med induksjonsplater som er elektrisk dekket og avdekket av rotoren. Hver gang de blir avdekket, forårsaker den elektrostatiske induksjonen av det omgivende elektriske feltet en strøm av ladningsbærere. Denne strømmen reverseres når rotoren igjen dekker induksjonsplatene. Det du får er en vekslende mer eller mindre sinusformet strøm som amplitude er en representasjon av styrken til det målte feltet. Dette er den første feilen. Du får ikke en statisk spenning som viser feltstyrken, men må ta amplituden til et alternerende signal som må utbedres først. Den andre utgaven er enda mer kjedelig. Feltmøllen fungerer ganske bra i et uforstyrret miljø -sier på den mørke siden av månen når du er langt borte fra kraftlinjen og all denne store elektriske tåken som trenger inn i miljøet vårt overalt hvor vi er. Spesielt 50Hz eller 60Hz kraftlinje brummer forstyrrer direkte det ønskede signalet. For å løse dette problemet bruker feltfabrikken et andre sett med induksjonsplater med en annen forsterker som tar det samme signalet med et 90 ° faseskift. I en ekstra operasjonsforsterker trekkes begge signalene fra hverandre. Fordi de er ute av fasen, forblir en rest av det ønskede signalet, og interferensen, som er lik i begge signalene, blir avbrutt teoretisk. Hvor godt dette fungerer, avhenger av likheten mellom forstyrrelser i begge målekretser, forsterkerens CMRR og spørsmålet om forsterkeren blir overdrevet eller ikke. Det som gjør situasjonen enda mer ubehagelig er at du omtrent doblet mengden maskinvare bare for å bli kvitt forstyrrelsen.

I fjor hadde jeg en idé om å løse disse problemene med mitt eget design. Det er litt mer arbeid på mekanikeren, men enkelt når det gjelder elektronikk. Som alltid er dette ikke en detaljert trinnvis replikasjon av komplett enhet. Jeg vil vise deg arbeidsprinsippene for designet mitt, og du kan endre det på forskjellige måter og tilpasse det til dine egne behov. Etter å ha vist deg hvordan du bygger det, vil jeg forklare hvordan det fungerer og vise deg resultatet av mine første målinger.

Da jeg fikk ideen til denne enheten var jeg stolt til beinet, men som du vet er arroganse forut for enhver undergang. Ja, det var min egen idé. Jeg utviklet det på egen hånd. Men som alltid var det noen før meg. Separasjonen av ladninger ved induksjon og forsterkning ved bruk av kondensatoreffekten ble brukt i nesten alle elektrostatiske generatorutforminger i løpet av de siste 150 årene. Så det er ikke noe spesielt med designet mitt til tross for at jeg var den første som tenkte på å bruke disse konseptene for å måle svake elektrostatiske felt. Jeg håper fortsatt at jeg en dag blir berømt.

Trinn 1: Liste over materialer og verktøy

Følgende liste viser omtrent hvilke materialer du trenger. Du kan endre og skreddersy dem så mye du vil.

• Ark av 4 mm kryssfiner
• tømmerbjelker 10x10mm
• 8 mm aluminiumsrør
• 6 mm aluminiumsstang
• 8 mm plexiglassstang
• 120x160mm enkeltsidig kobberbelagt PCB
• messing eller kobbertråd 0,2 mm
• et stykke 0,2 mm kobberark
• loddetinn
• lim
• 3 mm skruer og muttere
• En 4 mm testkontakt
• ledende gummirør (innvendig diameter 2 mm) Jeg fikk min fra amazon
• Elektroniske deler i henhold til skjematisk del (nedlasting)
• En 68nF styroflekk kondensator som oppsamler for ladningene. Du kan endre denne verdien på mange måter.
• En kapstanmotor for 6V DC. Dette er motorer som er spesielt designet for platespillere og båndopptakere. Rpm er regulert! Du kan fremdeles finne dem på Ebay.
• En 6V/1A strømforsyning.

Dette er verktøyene du trenger

• Loddejern
• Arduino utviklingsmiljø på din PC/bærbare
• USB-A til B-kabel
• fil eller bedre en dreiebenk
• elektrisk drill
• liten buzz sag eller håndsag
• pinsett
• wire cutter

Trinn 2: Gjør mekanikken

På det første bildet kan du se at hele designet er basert på to ark med kryssfiner 210 mm x 140 mm i dimensjon. De er montert over hverandre, forbundet med 4 stykker tømmerbjelker som holder dem 50 mm i avstand. Mellom begge arkene er motoren og ledningene inneholdt. Motoren er montert med to M3 -skruer som monteres i to 3 mm hull boret gjennom det øvre kryssfinerarket. Et ark PCB -materiale fungerer som et skjold mot det omgivende elektriske feltet. Den er montert 85 mm over den øvre kryssfinerplaten, og den indre kanten slutter akkurat rundt motorakselen.

Kjernekomponenten til denne enheten er en disk. Den har en diameter på 110 mm og er laget av enkeltsidig kobberbelagt PCB -materiale. Jeg brukte en kvern for å kutte ut en rund plate av PCB. Jeg brukte også en kvern for å kutte kobberbelegget i fire segmenter som er elektrisk isolert. Det er også veldig viktig å kutte en ring rundt midten av skiven hvor motorakselen skal gå gjennom. Ellers ville det elektrisk kuttet segmentene! På min dreiebenk kutter jeg et lite stykke 6 mm aluminiumsstang på en måte at det tar et 3 mm hull nederst med to rektangulære 2, 5 mm hull som har M3 -tråder skåret i. Den andre enden kutter jeg ned til et lite 3 mm skaft for å passer i det midterste hullet på disken. Adapteren ble deretter superlimt til bunnen av disken. Skivenheten kan deretter skrus til motorakselen.

Så ser du en annen viktig komponent. Et segment av størrelsen på de på skiven, laget av 0, 2 mm kobberplate Dette segmentet er montert på to ark med kryssfiner. Når disken er montert, er dette segmentet svært smalt under den roterende skiven. avstanden er omtrent 1 mm. Det er viktig å holde denne avstanden så liten som mulig!

De neste viktige tingene er bakkenhåren og ladingen. Begge er laget av aluminiumsrør og stenger med innskårne tråder for å montere dem alle sammen. Du kan gjøre hvilken som helst variasjon du liker her. Du trenger bare noe ledende som løper over diskens overflate. For whiskers prøvde jeg mange materialer. De fleste av dem skadet disksegmentene etter en stund. Til slutt fant jeg et hint i en bok om elektrostatiske enheter. Bruk ledende gummislanger! Det skader ikke kobberbelegget og slites …

Bakkenhåren er plassert på et sted på en måte som mister kontakten til det underliggende disksegmentet når den begynner å avdekke bakken. Ladeopptakeren er plassert slik at den tar segmentet i midten når den er på maksimal avstand fra bakken. Se at ladestasjonen er montert på et stykke plexiglassstang. Dette er viktig fordi vi trenger en god isolasjon her. Ellers ville vi miste kostnader!

Så ser du at 4 mm testkontakten er plassert i "kjelleren" på enheten. Jeg ga denne tilkoblingen fordi jeg ikke var sikker på om jeg ville trenge en ekte "bakken" tilkobling eller ikke. Under normale forhold har vi å gjøre med så lave strømmer at vi uansett har en egen forankring. Men kanskje det vil bli et testoppsett i fremtiden der vi kanskje trenger det, hvem vet?

Trinn 3: Kabling

Nå må du koble alt sammen elektrisk, slik at det fungerer som det skal. Bruk messingtråden og loddetinn sammen følgende deler.

• 4 mm testplugg
• Bakken whisker
• Skjoldet
• en ledning av ladningssamlekondensatoren

Lodd den andre ledningen til kondensatoren til ladestasjonen.

Trinn 4: Lag elektronikk

Følg skjemaet for å plassere de elektroniske komponentene på et stykke perfboard. Jeg loddet pinnehoder til kantene på brettet for å koble det til Arduino Uno. Kretsen er forbannet enkel. Den oppsamlede ladningen hentes opp ved kondensatoren og mates til en høyimpedansforsterker som øker signalet med 100. Signalet blir lavpassfiltrert og deretter dirigert til en inngang på arduinoens analog-til-digitale omformerinnganger. En MOSFET brukes for Arduino for å slå på/av diskmotoren.

Det er veldig viktig å koble bakken til den mekaniske enheten til den virtuelle bakken til den elektroniske kretsen, hvor R1/R2/C1/C2 møtes! Dette er også grunnlaget for ladningssamlingskondensatoren. Du kan se dette på det siste bildet i dette kapitlet,

Trinn 5: Programvaren

Det er ikke mye å si om programvaren. Det er skrevet veldig greit. Programmet kjenner noen kommandoer for å bli riktig konfigurert. Du kan få tilgang til arduino hvis du har Arduino IDE installert på systemet fordi du trenger de virtuelle komportdriverne. Koble deretter en USB-kabel til arduino og PC/bærbar PC og bruk et terminalprogram som HTerm for å koble arduinoen via den emulerte komporten med 9600 bauds, ingen paritet og 1 stoppbit og CR-LF på enter.

• "setdate dd-mm-åå" angir datoen for RTC-modulen som er koblet til arduinoen
• "settime hh: mm: ss" angir tidspunktet for RTC-modulen som er koblet til arduinoen
• "getdate" skriver ut dato og klokkeslett
• "setintervall 10 … 3600" Angir prøvetakingsintervallet i sekunder fra 10s til 1t
• "start" starter målesesjonen etter synkronisering til det kommende hele minuttet
• "synkronisering" gjør det samme, men venter på den kommende hele timen
• "stopp" stopper målesesjonen

Etter å ha mottatt "start" eller "synkronisering" og gjort synkroniserings ting, tar programmet først en prøve for å se hvor nullpunktet eller skjevheten er. Deretter starter den motoren og venter 8 sekunder på omdreiningene for å stabilisere seg. Deretter tas prøven. Vanligvis er det en algoritme for gjennomsnitt av programvare som gjennomsnittlig prøver gjennomsnittlig de siste 10 prøvene for å unngå feil. Den tidligere nullverdien trekkes nå fra målingen og resultatet sendes over komporten sammen med dato og klokkeslett for målingen. Et eksempel på en målesession ser slik ut:

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

Så målingene er vist som nedbøyninger fra null målt i sifre som kan være positive eller negative, avhengig av den elektriske fluxens romlige retning. Selvfølgelig er det en grunn til at jeg bestemte meg for å formatere dataene i kolonner med dato, klokkeslett og måleverdier. Dette er det perfekte formatet for å visualisere dataene med det berømte "gnuplot" -programmet!

Trinn 6: Hvordan det fungerer

Jeg fortalte deg nettopp at arbeidsprinsippet for denne enheten er elektrostatisk induksjon. Så hvordan fungerer det i detalj? La oss anta at vi for øyeblikket ville være et av segmentene på platen. Vi roterer med konstant hastighet og blir kontinuerlig utsatt for det omgivende elektriske feltet og gjemmer oss deretter igjen for strømmen under beskyttelsen av skjoldet. Tenk at vi faktisk ville komme oss ut av skyggen og inn i feltet. Vi ville komme i kontakt med bakken. Det elektriske feltet ville virke på våre frie elektroner og la oss si at feltet ville frastøte dem. Fordi vi er jordet, vil det være en mengde elektroner som flykter fra oss og forsvinner i jorden.

Mister terreng

Nå, mens dreining av disken fortsetter på et tidspunkt ville vi miste kontakten med bakkenhår. Nå kan ikke mer kostnad flykte fra oss, men veien tilbake for anklagene som allerede er borte er også stengt. Så vi sitter igjen med mangel på elektroner. Hvis vi liker det eller ikke, blir vi belastet nå! Og ladningen vår er proporsjonal med styrken til den elektriske strømmen.

Hvor mye kostnad har vi?

I løpet av tiden vi ble utsatt for det elektriske feltet mistet vi noen elektroner. Hvor mye har vi tapt? Vel, for hvert elektron vi mistet, steg ladningen opp. Denne ladningen genererer et eget elektrisk felt mellom oss og bakken. Dette feltet er motsatt av det omgivende feltet som genererte induksjonen. Så tapet av elektroner fortsetter opp til det punktet hvor begge feltene er like og avbryter hverandre! Etter at vi mistet kontakten med bakken, har vi fortsatt vårt eget elektriske felt mot den jordede platen som har jordpotensial. Vet du hvordan vi kaller to ledende plater med et elektrisk felt i mellom? Dette er en kondensator! Vi er en del av ladet kondensator.

Vi er en kondensator nå!

Vet du forholdet mellom ladning og spenning på en kondensator? La meg fortelle deg, det er U = Q/C hvor U er spenningen, Q er ladningen og C kapasiteten. Kapasiteten til en kondensator er omvendt proporsjonal med avstanden til platene! Det betyr at jo større avstand jo lavere kapasitet. Hva skjer nå mens vi fortsetter å snu på hjulet uten kontakt med bakken? Vi øker avstanden til bakken. Mens vi gjør dette, faller kapasiteten dramatisk. Se nå igjen på U = Q/C. Hva skjer hvis Q er konstant og C synker? Ja, spenningen stiger! Dette er en veldig smart måte å forsterke spenningen ved å bare bruke mekaniske midler. Du trenger ikke en operasjonsforsterker, støyfiltrering og statistisk databehandling her. Det er bare smart og ren fysikk som øker signalet vårt opp til et nivå der signalbehandling med elektronikk bare blir kjedelige oppgaver. All smartheten til denne enheten er avhengig av elektrostatisk induksjon og kondensatoreffekten!

Hva betyr det?

Men hva økte vi egentlig på denne måten? Har vi flere elektroner nå? Nei! Har vi mer kostnad uansett? Nei! Det vi økte er ENERGIEN til elektronene, og det er dette som gjør oss i stand til å bruke enklere elektroniske kretser og mindre filtrering. Nå nådde vi aphel i vår bane, og til slutt tar ladingsopptaket våre energiserte elektroner og samler dem inn i ladekollektorkondensatoren.

Immunitet mot forstyrrelser

Når du ser på videoen, vil du se at til tross for den vanlige forstyrrelsen i hjemmet mitt, er utgangssignalet til enheten jevnt og praktisk talt støyfri. Hvordan er dette mulig? Vel, jeg tror det er fordi signal og forstyrrelser ikke går separat vei til forsterkeren som i den klassiske feltfabrikken. I mitt design påvirker interferensen den innsamlede ladningen helt fra det øyeblikket forbindelsen til bakken er tapt. Det betyr at hver prøve på en eller annen måte påvirkes av forstyrrelser. Men fordi denne interferensen ikke har noen likestrømskomponent så lenge den er symmetrisk, blir interferensresultatet alltid gjennomsnittlig ut i ladekollektorkondensatoren. Etter at nok skiveomdreininger og prøver matet i ladekollektoren er gjennomsnittet av interferensen null. Jeg tror det er trikset!

Trinn 7: Testing

Etter noen tester, feilsøking og forbedring installerte jeg feltfabrikken sammen med min gamle win-xp notatblokk på loftet mitt og kjørte en testkjøring omtrentlig en dag. Resultatene ble visualisert med gnuplot. Se den vedlagte datafilen "e-field-data.dat" og gnuplot-konfigurasjonsfilen "e-field.gp". For å se resultatene, bare start gnuplot på målsystemet og skriv ved ledeteksten> last inn "e-field.gp"

Se bildet som viser resultatene. Det er ganske bemerkelsesverdig. Jeg startet målingen 2018-10-03 da vi hadde fint vær og blå himmel. Se at det elektriske feltet var ganske sterkt og negativt, mens vi må passe på fordi det som er "negativt" og "positivt" for øyeblikket ikke er rimelig spesifisert. Vi trenger en kalibrering av enheten vår for å samsvare med ekte fysikk. Men uansett kan du se at over målesyklusene gikk feltstyrken ned sammen med at været begynte å forverres og ble overskyet og regnfullt. Jeg var på en eller annen måte overrasket over disse funnene, men må fortsatt sjekke om disse korrelerer med fysikk.

Nå er det din tur. Fortsett og lag din egen elektriske feltmølle og utforsk hemmelighetene til planeten vår på din egen søken! Ha det gøy!

Trinn 8: Innsamling og tolkning av data

Siden alt (forhåpentligvis) fungerer bra, bør du samle inn data. Jeg vil anbefale å bruke et fast sted for feltfabrikken. Ellers ville dataene være vanskelig å sammenligne. De lokale feltparametrene kan variere mye fra sted til sted. Jeg konfigurerte møllen til at den tok en måleverdi hver time. Jeg lot møllen gå i omtrent 3 måneder. Hvis du tar en titt på grafene som presenterer de innsamlede dataene for måneden november 2018, desember 2018 og januar 2019, ser du noen bemerkelsesverdige funn.

Først kan du se at feltstyrken i november bare var positiv og ble negativ ved slutten av måneden. Så noe generelt må ha endret seg, sannsynligvis i henhold til været. Kanskje det var et rimelig temperaturfall. Da forble gjennomsnittssignalet negativt opp til slutten av målesyklusen. Den andre tingen er at det er flere pigger i signaldiagrammet som indikerer raske feltendringer som bare varer noen minutter. Jeg tror ikke at endringer i atmosfæren er ansvarlige for det. Selv det lokale været består av enorme mengder gass og innarbeidede ioner. Også skyer og regn eller snø endres vanligvis ikke i løpet av minutter. Så jeg tror menneskeskapt innflytelse kan ha forårsaket de plutselige endringene. Men dette er også vanskelig å forklare. Alle strømledningskilder gir bare vekselstrøm. Det teller ikke for DC-endringene jeg observerte. Jeg mistenker at det kan ha vært noen elektriske ladningsprosesser ved at biler passerte på asfalten i gaten foran leiligheten min. Tenkelig er også ladningsprosesser forårsaket av støv som bæres av vind og kommer i kontakt med ansiktet på huset mitt.