E-Field Mill: 8 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Saatat jo tietää, että olen riippuvainen kaikentyyppisistä anturimittaussovelluksista. Olen aina halunnut jäljittää maan magneettikentän vaihtelut, ja minua kiehtoi myös maan ympäristön sähkökentän mittaaminen, jota ylläpitävät pilvien ja maan pinnan väliset varauksenerotusprosessit. Tapahtumat, kuten kirkas taivas, sade tai ukkonen, vaikuttavat dramaattisesti meitä ympäröivään sähkökenttään, ja uudet tieteelliset havainnot osoittavat, että terveytemme riippuu suuresti ympäröivistä sähkökentistä.

Siksi halusin tehdä itselleni sopivan mittalaitteen staattisille sähkökentille. On jo olemassa yksi melko hyvä muotoilu, jota kutsutaan myös sähkökenttämyllyksi ja jota käytetään laajasti. Tämä laite käyttää elektrostaattisen induktion tehostetta. Tämä tapahtuu aina, kun altistat johtavan materiaalin sähkökentälle. Kenttä houkuttelee tai hylkii materiaalin vapaita elektroneja. Jos se on kytketty maahan (maadoituspotentiaali), varauskannattimet virtaavat materiaalista sisään tai ulos. Maadoituksen jälkeen materiaaliin jää varausta, vaikka sähkökenttä katoaa. Tämä varaus voidaan mitata voltimittarilla. Tämä on hyvin karkeasti staattisten sähkökenttien mittaamisen periaate.

Muutama vuosi sitten rakensin kenttämyllyn Internetistä löytämieni suunnitelmien ja kaavioiden mukaan. Pääasiassa se koostuu roottorista, jossa on jonkinlainen potkuri. Potkuri on kaksoissarja metallisegmenttejä, jotka on maadoitettu. Roottori kääntyy ympäri induktiolevyjä, jotka on sähköisesti peitetty ja roottorin peittämä. Joka kerta kun ne paljastetaan, ympäröivän sähkökentän sähköstaattinen induktio aiheuttaa varauskantoaallon virtauksen. Tämä virtaus kääntyy, kun roottori peittää uudelleen induktiolevyt. Tuloksena on vuorotellen enemmän tai vähemmän sinimuotoinen virta, jonka amplitudi edustaa mitatun kentän voimakkuutta. Tämä on ensimmäinen vika. Et saa staattista jännitettä, joka näyttää kentänvoimakkuuden, mutta sinun on otettava vaihtosignaalin amplitudi, joka on ensin korjattava. Toinen kysymys on vieläkin tylsempi. Kenttämylly toimii melko hyvin häiriöttömässä ympäristössä -sanotaan kuun pimeällä puolella, kun olet kaukana voimajohdon huminaa ja kaikkea tätä runsasta sähköistä sumua, joka tunkeutuu ympäristöön kaikkialla. Erityisesti 50 Hz: n tai 60 Hz: n voimalinjan humina häiritsee suoraan haluttua signaalia. Tämän ongelman ratkaisemiseksi kenttämylly käyttää toista induktiolevyjoukkoa toisen vahvistimen kanssa, joka vastaanottaa saman signaalin 90 ° vaihesiirrossa. Ylimääräisessä operaatiovahvistimessa molemmat signaalit vähennetään toisistaan. Koska ne ovat vaiheen ulkopuolella, haluttu signaali jää jäljelle ja häiriöt, jotka ovat yhtä suuret molemmissa signaaleissa, poistuvat teoreettisesti. Kuinka hyvin tämä toimii, riippuu häiriöiden yhtäläisyydestä molemmissa mittauspiireissä, vahvistimen CMRR: stä ja siitä, onko vahvistin ylikäytetty vai ei. Tilanteen tekee vieläkin epämukavammaksi se, että kaksinkertaistitte laitteiston määrän vain päästäksesi eroon häiriöistä.

Viime vuonna minulla oli idea ratkaista nämä ongelmat omalla suunnittelullani. Se on hieman enemmän työtä mekaanikon parissa, mutta yksinkertainen elektroniikan osalta. Kuten aina, tämä ei ole yksityiskohtainen vaiheittainen kopio koko laitteesta. Näytän suunnitteluni toimintaperiaatteet ja voit muuttaa sitä eri tavoilla ja räätälöidä sen omien tarpeidesi mukaan. Kun olen näyttänyt sinulle, miten se rakennetaan, selitän, miten se toimii, ja näytän sinulle ensimmäisten mittausten tulokset.

Kun sain idean tästä laitteesta, olin luuhun ylpeä, mutta kuten tiedät, ylimielisyys edeltää kaatumista. Kyllä, se oli oma ajatukseni. Kehitin sen itse. Mutta kuten aina, joku oli edessäni. Varausten erottamista induktiolla ja vahvistuksella kondensaattoriefektin avulla käytettiin lähes kaikissa sähköstaattisissa generaattoreissa viimeisten 150 vuoden aikana. Suunnittelussani ei siis ole mitään erityistä huolimatta siitä, että olin ensimmäinen, joka ajattelin soveltaa näitä käsitteitä heikkojen sähköstaattisten kenttien mittaamiseen. Toivon edelleen, että jonain päivänä minusta tulee kuuluisa.

Vaihe 1: Luettelo materiaaleista ja työkaluista

Seuraava luettelo näyttää suunnilleen mitä materiaaleja tarvitset. Voit muuttaa ja muokata niitä niin paljon kuin haluat.

• Arkit 4 mm vaneria
• puupalkit 10x10mm
• 8mm alumiiniputki
• 6mm alumiinitanko
• 8 mm plexiglass sauva
• 120x160 mm yksipuolinen kuparipinnoitettu piirilevy
• messinki- tai kuparilanka 0,2 mm
• pala 0,2 mm kuparilevyä
• juottaa
• liima
• 3 mm ruuvit ja mutterit
• 4mm koestuspistorasia
• johtava kumiputki (sisähalkaisija 2 mm) Sain omani amazonista
• Elektroniset osat kaavion mukaan (latausosa)
• 68nF styroflex -kondensaattori varausten kerääjäksi. Voit muuttaa tätä arvoa monin tavoin.
• Kääntömoottori 6 V DC: lle. Nämä moottorit on suunniteltu erityisesti levysoittimille ja nauhureille. Niiden rpm on säädetty! Löydät ne edelleen Ebaysta.
• 6V/1A virtalähde.

Nämä ovat tarvitsemasi työkalut

• Juotin
• Arduino -kehitysympäristö tietokoneellasi/kannettavallasi
• USB-A-B-kaapeli
• tiedosto tai parempi sorvi
• sähköpora
• pieni suminaha tai käsisaha
• pinsetit
• langanleikkuri

Vaihe 2: Mekaniikan valmistus

Ensimmäisessä kuvassa näet, että koko malli perustuu kahteen 210 mm x 140 mm: n vanerilevyyn. Ne on asennettu toistensa yläpuolelle ja yhdistetty 4 puupalkilla, jotka pitävät ne 50 mm: n etäisyydellä. Molempien levyjen välissä on moottori ja johdot. Moottori on asennettu kahdella M3 -ruuvilla, jotka sopivat kahteen 3 mm: n reikään, jotka on porattu ylemmän vanerilevyn läpi. Arkki PCB -materiaalia toimii suojana ympäristön sähkökenttää vastaan. Se on asennettu 85 mm ylemmän vanerilevyn yläpuolelle ja sen sisäreuna päättyy juuri moottorin akseliin.

Tämän laitteen ydinkomponentti on levy. Sen halkaisija on 110 mm ja se on valmistettu yksipuolisesta kuparipinnoitetusta PCB -materiaalista. Leikkasin jyrsimellä pyöreän levyn PCB: stä. Leikkasin myös myllyllä kuparipinnoitteen neljään sähköeristettyyn segmenttiin. On myös erittäin tärkeää leikata rengas levyn keskelle, josta moottorin akseli kulkee. Muuten se maadoita segmentit sähköisesti! Sorvin kohdalla leikkasin pienen palan 6 mm: n alumiinitankoa siten, että se vie 3 mm: n reiän alareunaan, jossa on kaksi suorakulmaista 2, 5 mm: n reikää, joissa on M3 -kierteet. Toinen pää leikkaan pieneksi 3 mm: n varre mahtuu levyn keskireikään. Sitten sovitin liimattiin levyn pohjaan. Levykokoonpano voidaan ruuvata moottorin akseliin.

Sitten näet toisen tärkeän komponentin. Levyllä olevien osien kokoinen segmentti, joka on valmistettu 0, 2 mm: n kuparilevystä Tämä segmentti on asennettu kahdelle vanerilevylle. Kun levy on asennettu, tämä segmentti on hyvin kapeasti pyörivän levyn alla. etäisyys on vain noin 1 mm. On tärkeää pitää tämä etäisyys mahdollisimman pienenä!

Seuraavat tärkeät asiat ovat maanpinta ja laturin poiminta. Molemmat on valmistettu alumiiniputkesta ja tangoista, joiden kierteet on katkaistu, jotta ne voidaan asentaa yhteen. Täällä voit tehdä minkä tahansa muunnelman. Tarvitset vain jotain johtavaa, joka kulkee levyn pinnan yli. Viiksille kokeilin paljon materiaaleja. Useimmat niistä vahingoittivat levysegmenttejä jonkin ajan kuluttua. Lopulta löysin vihjeen kirjasta sähköstaattisista laitteista. Käytä johtavia kumiputkia! Se ei vahingoita kuparipinnoitetta ja kuluu ja kuluu…

Maapiikki asetetaan paikkaan siten, että se menettää kosketuksen alla olevaan levysegmenttiin, kun se alkaa paljastaa maadoituslevyä. Latausnosturi on sijoitettu siten, että se ottaa segmentin keskelle, kun se on suurimmalla etäisyydellä maadoituslevystä. Katso, että latauksen nouto on asennettu pleksilasitankoon. Tämä on tärkeää, koska tarvitsemme hyvän eristyksen. Muuten menetämme maksut!

Sitten näet, että 4 mm: n testiliitin on sijoitettu kokoonpanon "kellariin". Annoin tämän yhteyden, koska en ollut varma, tarvitsenko todellista "maadoitusyhteyttä" vai ei. Normaaliolosuhteissa on kyse niin pienistä virroista, että meillä on joka tapauksessa luontainen maadoitus. Mutta ehkä tulevaisuudessa järjestetään testi, jossa tarvitsemme sitä, kuka tietää?

Vaihe 3: Johdotus

Nyt sinun on yhdistettävä kaikki sähköisesti, jotta se toimii oikein. Käytä messinkijohtoa ja juotettaessa seuraavat osat.

• 4mm testitulppa
• Maan viikset
• Kilpi
• yksi varauksen keräyskondensaattorin johto

Juotos kondensaattorin toinen johto varauksenottoon.

Vaihe 4: Elektroniikan valmistus

Noudata kaaviota sijoittaaksesi elektroniset komponentit perfboard -palalle. Juotin tapin otsikot levyn reunoihin liittääksesi sen Arduino Unoon. Piiri on helvetin yksinkertainen. Kerätty varaus kerätään kondensaattorista ja syötetään suurimpedanssivahvistimeen, joka lisää signaalia 100: lla. Signaali suodatetaan alipäästösignaalilla ja reititetään sitten yhteen tuloon arduinon analogia-digitaalimuuntimen tuloista. Arduino käyttää MOSFETia kytkemään levymoottori päälle/pois.

On erittäin tärkeää kytkeä mekaanisen kokoonpanon maa sähköisen piirin virtuaaliseen maahan, jossa R1/R2/C1/C2 kohtaavat! Tämä on myös varauksen keräävän kondensaattorin maa. Tämän näet tämän luvun viimeisessä kuvassa,

Vaihe 5: Ohjelmisto

Ohjelmistosta ei ole paljon sanottavaa. Se on kirjoitettu hyvin suoraviivaisesti. Sovellus tietää joitakin komentoja, joiden avulla se voidaan määrittää oikein. Voit käyttää arduinoa, jos järjestelmään on asennettu Arduino IDE, koska tarvitset virtuaalisia comport -ohjaimia. Kytke sitten USB-kaapeli arduinoon ja tietokoneeseesi/kannettavaasi ja käytä pääteohjelmaa, kuten HTerm, yhdistä arduino emuloidun portin kautta, jossa on 9600 baudia, ei pariteettia ja 1 stopbit ja CR-LF enter.

• "setdate dd-mm-yy" asettaa arduinoon yhdistetyn RTC-moduulin päivämäärän
• "setime hh: mm: ss" asettaa arduinoon yhdistetyn RTC-moduulin ajan
• "getdate" tulostaa päivämäärän ja kellonajan
• "setintervall 10… 3600" Asettaa näytteenottovälin sekunneissa 10 sekunnista 1 tuntiin
• "start" aloittaa mittausistunnon, kun se on synkronoitu tulevaan minuuttiin
• "sync" tekee saman, mutta odottaa tulevaa täyttä tuntia
• "stop" lopettaa mittausistunnon

Kun "start" tai "sync" on vastaanotettu ja synkronointiasiat suoritettu, sovellus ottaa ensin näytteen nähdäkseen, missä nollapiste tai bias on. Sitten se käynnistää moottorin ja odottaa 8 sekuntia, kunnes kierrosluku vakautuu. Sitten otetaan näyte. Yleensä on olemassa ohjelmiston keskiarvoistamisalgoritmi, joka keskimäärin laskee näytteet jatkuvasti viimeisten 10 näytteen välillä häiriöiden välttämiseksi. Aiemmin otettu nolla-arvo vähennetään nyt mittauksesta ja tulos lähetetään portin kautta yhdessä mittauksen päivämäärän ja kellonajan kanssa. Esimerkki mittausistunnosta näyttää tältä:

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

Mittaukset näytetään siis poikkeamina nollasta, mitattuna numeroina, jotka voivat olla positiivisia malminegatiivisia riippuen sähkövirran spatiaalisesta suunnasta. Tietenkin on syy, miksi päätin muotoilla tiedot päivämäärän, ajan ja mittausarvojen sarakkeisiin. Tämä on täydellinen muoto tietojen visualisoimiseksi kuuluisalla "gnuplot" -ohjelmalla!

Vaihe 6: Näin se toimii

Kerroin juuri, että tämän laitteen toimintaperiaate on sähköstaattinen induktio. Joten miten se toimii yksityiskohtaisesti? Oletetaan hetkeksi, että olisimme yksi levyn segmenteistä. Pyörimme tasaisella nopeudella jatkuvasti ympäristön sähkökentälle altistuen ja sitten piiloutumme jälleen vuon suojasta suojan alle. Kuvittele, että todella pääsisimme varjosta kentälle. Ottaisimme yhteyttä maadoitukseen. Sähkökenttä vaikuttaisi vapaisiin elektroneihimme ja sanoisi, että kenttä torjuisi ne. Koska olemme maadoitettuja, elektronit pakenevat meistä ja katoavat maahan.

Maan menettäminen

Nyt kun levyn kääntäminen jatkuu jossain vaiheessa, menetämme kosketuksen maan viikseen. Nyt emme voi enää pakottaa meiltä syytettä, mutta myös takaisin menneiden syytteiden tie on suljettu. Joten jäämme jälkeen elektronien puutteesta. Jos pidimme siitä tai emme, meitä veloitetaan nyt! Ja varauksemme on verrannollinen sähkövirran lujuuteen.

Paljonko meillä on maksua?

Aikana, jona altistuimme sähkökentälle, menetimme joitain elektroneja. Kuinka paljon olemme menettäneet? No, jokaisen menettämämme elektronin kanssa varauksemme nousi. Tämä varaus synnyttää oman nousevan sähkökentän meidän ja maan välille. Tämä kenttä on vastakkainen ympäristön kanssa, joka aiheutti induktion. Joten elektronien häviäminen jatkuu siihen pisteeseen asti, että molemmat kentät ovat yhtä suuret ja kumoavat toisensa! Kun olemme menettäneet kosketuksen maahan, meillä on edelleen oma sähkökenttä maadoitettua levyä vasten, jolla on maapotentiaali. Tiedätkö, kuinka me kutsumme kahta johtavaa levyä, joiden välissä on sähkökenttä? Tämä on kondensaattori! Olemme osa ladattua kondensaattoria.

Olemme nyt kondensaattori!

Tiedätkö kondensaattorin varauksen ja jännitteen välisen suhteen? Kerron teille, että U = Q/C missä U on jännite, Q on varaus ja C kapasiteetti. Kondensaattorin kapasiteetti on kääntäen verrannollinen sen levyjen etäisyyteen! Tämä tarkoittaa sitä, että mitä suurempi etäisyys, sitä pienempi kapasiteetti. Mitä tapahtuu nyt, kun pyöritämme pyörää ilman kosketusta maahan? Lisäämme etäisyyttä maadoituslevyyn. Kun teemme tätä, kapasiteettimme laskee dramaattisesti. Katso nyt uudelleen U = Q/C. Jos Q on vakio ja C pienenee, mitä tapahtuu? Kyllä jännite nousee! Tämä on erittäin fiksu tapa lisätä jännitettä vain käyttämällä mekaanisia keinoja. Tässä ei tarvita operaatiovahvistinta, kohinan suodatusta ja tilastollista laskentaa. Se on vain älykästä ja selkeää fysiikkaa, joka nostaa signaalimme tasolle, jossa signaalinkäsittelystä elektroniikalla tulee vain tylsää. Kaikki tämän laitteen älykkyys perustuu sähköstaattiseen induktioon ja kondensaattorivaikutukseen!

Mitä se tarkoittaa?

Mutta mitä tarkalleen ottaen vahvistimme tällä tavalla? Onko meillä nyt enemmän elektroneja? Ei! Onko meillä kuitenkin enemmän maksua? Ei! Me lisäsimme elektronien ENERGIAA, ja tämän ansiosta voimme käyttää yksinkertaisempia elektronisia piirejä ja vähemmän suodatusta. Nyt saavuimme liikeradamme afeeliin ja lopulta varauksenotto ottaa jännitteiset elektronimme ja kerää ne varauksenkeräimen kondensaattoriin.

Immuniteetti häiriöitä vastaan

Kun katsot videota, huomaat, että kodin tavanomaisista häiriöistä huolimatta laitteen lähtösignaali on tasainen ja käytännössä kohinaton. Kuinka tämä on mahdollista? No, mielestäni se johtuu siitä, että signaali ja häiriöt eivät mene erillään vahvistimeen kuten klassisessa kenttämyllyssä. Suunnittelussani häiriöt vaikuttavat kerättyyn varaukseen heti siitä hetkestä, kun yhteys maahan katkeaa. Tämä tarkoittaa, että jokainen näyte vaikuttaa jollakin tavalla häiriöihin. Mutta koska tällä häiriöllä ei ole tasavirtakomponenttia niin kauan kuin se on symmetrisesti, häiriötulos lasketaan aina keskimäärin varauskollektorin kondensaattorissa. Kun tarpeeksi levyjä on käännetty ja näytteet on syötetty varauskollektoriin, häiriöiden keskiarvo on nolla. Minusta se on temppu!

Vaihe 7: Testaus

Testin, virheenkorjauksen ja parantamisen jälkeen asensin kenttämyllyn yhdessä vanhan win-xp-muistikirjan kanssa ullakolleni ja tein koeajon noin yhden päivän ajan. Tulokset visualisoitiin gnuplotilla. Katso liitteenä oleva datatiedosto "e-field-data.dat" ja gnuplot-määritystiedosto "e-field.gp". Jos haluat nähdä tulokset, aloita gnuplot kohdejärjestelmässäsi ja kirjoita kehotteeseen> lataa "e-field.gp"

Katso kuva, joka näyttää tulokset. Se on varsin merkittävä. Aloitin mittauksen 03.10.2018, kun meillä oli hyvä sää ja sininen taivas. Katsokaa, että sähkökenttä oli melko vahva ja negatiivinen, kun taas meidän on pidettävä huolta, koska mitä "negatiivinen" ja mikä "positiivinen" tällä hetkellä ei ole kohtuullista. Tarvitsemme laitteemme kalibroinnin, jotta se vastaisi todellista fysiikkaa. Mutta joka tapauksessa voit nähdä, että mittausjaksojen aikana kentänvoimakkuus laski, kun sää alkoi huonontua ja muuttui pilviseksi ja sateiseksi. Olin jotenkin hämmästynyt näistä havainnoista, mutta minun on silti tarkistettava, vastaavatko nämä fysiikkaa.

Nyt on sinun vuorosi. Jatka ja tee oma sähkökenttämylly ja tutustu planeettamme salaisuuksiin omalla etsinnälläsi! Pidä hauskaa!

Vaihe 8: Tietojen kerääminen ja tulkinta

Nyt kun kaikki (toivottavasti) toimii hyvin, sinun pitäisi kerätä tietoja. Suosittelen käyttämään kiinteää paikkaa kenttämyllylle. Muuten tietoja olisi vaikea verrata. Paikalliset kenttäparametrit voivat vaihdella suuresti paikasta toiseen. Määritin myllyn siten, että se otti yhden mittausarvon joka tunti. Annoin myllyn käydä noin 3 kuukautta. Jos katsot kaavioita, jotka esittävät kerättyjä tietoja marraskuusta 2018, joulukuusta 2018 ja tammikuusta 2019, näet joitain merkittäviä havaintoja.

Ensinnäkin voit nähdä, että kenttävoimakkuus marraskuussa oli pelkästään positiivinen ja muuttui negatiiviseksi kuukauden loppuun mennessä. Joten jotain yleistä on täytynyt muuttaa, todennäköisesti sään mukaan. Ehkä lämpötila on laskenut kohtuullisesti. Sitten keskimääräinen signaali pysyi negatiivisena mittausjakson loppuun asti. Toinen asia on, että signaalikaaviossa on useita piikkejä, jotka osoittavat nopeita kenttämuutoksia, jotka kestävät vain muutaman minuutin. En usko, että ilmastonmuutos on vastuussa tästä. Jopa paikallinen sää käsittää valtavia kaasumassoja ja sisällytettyjä ioneja. Myös pilvet ja sade tai lumi eivät yleensä muutu muutamassa minuutissa. Joten luulen, että ihmisen aiheuttama vaikutus saattoi aiheuttaa nämä äkilliset muutokset. Mutta tätä on myös vaikea selittää. Kaikki voimalinjan lähteet tarjoavat vain vaihtojännitettä. Sitä ei lasketa havaittuihin tasavirtamuutoksiin. Epäilen, että asunnon edessä kadun asfaltilla ohi kulkevat autot ovat saattaneet suorittaa sähkövarausprosesseja. Ajateltavissa olisivat myös latausprosessit, jotka johtuvat tuulen kuljettamasta pölystä ja kosketuksesta taloni kasvojen kanssa.