E-Field Mill: 8 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Być może już wiesz, że jestem uzależniony od wszelkiego rodzaju aplikacji do pomiaru czujników. Zawsze chciałem śledzić fluktuacje ziemskiego pola magnetycznego, a także fascynowały mnie pomiary otaczającego pola elektrycznego Ziemi, które jest utrzymywane przez procesy separacji ładunków zachodzące między chmurami a powierzchnią Ziemi. Zdarzenia takie jak bezchmurne niebo, deszcz czy burza mają ogromny wpływ na otaczające nas pole elektryczne, a nowe odkrycia naukowe pokazują nam, że nasze zdrowie w dużym stopniu zależy od otaczających pól elektrycznych.

Dlatego chciałem zrobić sobie odpowiednie urządzenie do pomiaru statycznych pól elektrycznych. Istnieje już jeden całkiem niezły projekt, zwany także elektrycznym młynem polowym, który jest szeroko stosowany. To urządzenie wykorzystuje efekt zwany indukcją elektrostatyczną. Dzieje się tak zawsze, gdy wystawiasz materiał przewodzący na działanie pola elektrycznego. Pole przyciąga lub odpycha wolne elektrony w materiale. Jeśli jest podłączony do ziemi (potencjał ziemi), nośniki ładunku wpływają do materiału lub z niego wypływają. Po odłączeniu uziemienia ładunek pozostaje na materiale nawet po zaniku pola elektrycznego. Ładunek ten można zmierzyć woltomierzem. Jest to bardzo z grubsza zasada pomiaru statycznych pól elektrycznych.

Kilka lat temu zbudowałem młyn polowy według planów i schematów znalezionych w internecie. Zasadniczo składa się z wirnika z jakimś śmigłem. Śmigło to podwójny zestaw metalowych segmentów, które są uziemione. Wirnik obraca się wokół zestawu płyt indukcyjnych, które są elektrycznie pokryte i odkryte przez wirnik. Za każdym razem, gdy są odkryte, indukcja elektrostatyczna otaczającego pola elektrycznego powoduje przepływ nośników ładunku. Ten przepływ jest odwracany, gdy wirnik ponownie zakrywa płyty indukcyjne. Otrzymujesz zmienny, mniej lub bardziej sinusoidalny prąd, którego amplituda jest reprezentacją natężenia mierzonego pola. To jest pierwsza wada. Nie otrzymujesz napięcia statycznego pokazującego natężenie pola, ale musisz wziąć amplitudę sygnału przemiennego, który musi być najpierw wyprostowany. Druga sprawa jest jeszcze bardziej żmudna. Młyn polowy działa całkiem dobrze w niezakłóconym środowisku - powiedzmy po ciemnej stronie księżyca, gdy jesteś daleko od szumu linii energetycznej i całej tej obfitej mgły elektrycznej, która przenika nasze środowisko wszędzie, gdzie jesteśmy. Szczególnie szum linii energetycznej 50Hz lub 60Hz zakłóca bezpośrednio pożądany sygnał. Aby rozwiązać ten problem, młyn polowy wykorzystuje drugi zestaw płytek indukcyjnych z innym wzmacniaczem, który odbiera ten sam sygnał z przesunięciem fazy o 90°. W dodatkowym wzmacniaczu operacyjnym oba sygnały są od siebie odejmowane. Ponieważ są w przeciwfazie, pozostała część pożądanego sygnału pozostaje, a zakłócenia, które są równe w obu sygnałach, są teoretycznie eliminowane. To, jak dobrze to działa, zależy od równości zakłóceń w obu obwodach pomiarowych, CMRR wzmacniacza i od pytania, czy wzmacniacz jest przesterowany, czy nie. Tym, co sprawia, że sytuacja jest jeszcze bardziej niekomfortowa, jest to, że mniej więcej podwoiłeś ilość sprzętu tylko po to, aby pozbyć się zakłóceń.

W zeszłym roku wpadłem na pomysł, aby przezwyciężyć ten problem własnym projektem. To trochę więcej pracy przy mechanice, ale proste w kwestii elektroniki. Jak zawsze nie jest to szczegółowa, krok po kroku replikacja kompletnego urządzenia. Pokażę Ci zasady pracy nad moim projektem, a Ty możesz go zmienić na różne sposoby i dostosować do własnych potrzeb. Po tym, jak pokażę Ci, jak go zbudować, wyjaśnię, jak to działa i pokażę wynik moich pierwszych pomiarów.

Kiedy wpadłem na pomysł tego urządzenia, byłem dumny do szpiku kości, ale jak wiecie arogancja poprzedza każdy upadek. Tak, to był mój własny pomysł. Opracowałem go sam. Ale jak zawsze był ktoś przede mną. Oddzielenie ładunków przez indukcję i wzmocnienie przy użyciu efektu kondensatora było stosowane w prawie każdym projekcie generatora elektrostatycznego w ciągu ostatnich 150 lat. Nie ma więc nic szczególnego w moim projekcie, mimo że jako pierwszy pomyślałem o zastosowaniu tych koncepcji do pomiaru słabych pól elektrostatycznych. Nadal mam nadzieję, że pewnego dnia będę sławny.

Krok 1: Lista materiałów i narzędzi

Poniższa lista pokazuje w przybliżeniu, jakich materiałów będziesz potrzebować. Możesz je zmieniać i dostosowywać do swoich potrzeb.

• Arkusze ze sklejki 4mm
• belki drewniane 10x10mm
• Rura aluminiowa 8mm
• Pręt aluminiowy 6mm
• Pręt z pleksi 8mm
• 120x160mm jednostronnie miedziowana płytka drukowana
• drut mosiężny lub miedziany 0,2 mm
• kawałek blachy miedzianej o grubości 0,2 mm;
• lutować
• klej
• 3mm śruby i nakrętki
• Gniazdo testowe 4mm
• przewodząca gumowa rurka (średnica wewnętrzna 2 mm) dostałem swoją z amazon
• Części elektroniczne według schematu (sekcja download)
• Kondensator styroflex 68nF jako kolektor ładunków. Możesz zmienić tę wartość na wiele sposobów.
• Silnik kabestanowy na 6V DC. Są to silniki, które zostały specjalnie zaprojektowane do odtwarzaczy płyt i magnetofonów. Ich obroty są regulowane! Nadal możesz je znaleźć w serwisie eBay.
• Zasilacz 6V/1A.

To są narzędzia, których potrzebujesz

• Lutownica
• Środowisko programistyczne Arduino na komputerze PC/notebooku
• Kabel USB-A do B
• pilnik lub lepiej tokarka
• wiertarka elektryczna
• mała piła lub piła ręczna
• pinceta
• przecinak do drutu

Krok 2: Tworzenie mechaniki

Na pierwszym zdjęciu widać, że całość oparta jest na dwóch arkuszach sklejki o wymiarach 210mm x 140mm. Są one montowane jeden nad drugim, połączone 4 kawałkami belek drewnianych, które utrzymują je w odległości 50mm. Pomiędzy obiema blachami znajduje się silnik i okablowanie. Silnik montowany jest za pomocą dwóch śrub M3, które mocowane są w dwóch 3mm otworach przewierconych przez górny arkusz sklejki. Arkusz materiału PCB działa jako osłona przed otaczającym polem elektrycznym. Jest on montowany 85mm nad górną warstwą sklejki, a jego wewnętrzna krawędź kończy się na wale silnika.

Podstawowym elementem tego urządzenia jest dysk. Ma średnicę 110 mm i jest wykonany z jednostronnie powlekanego miedzią materiału PCB. Użyłem freza do wycięcia okrągłego krążka płytki PCB. Użyłem również młynka do pocięcia miedzianej powłoki na cztery segmenty, które są izolowane elektrycznie. Bardzo ważne jest również wycięcie pierścienia wokół środka dysku, przez który przejdzie wał silnika. W przeciwnym razie spowoduje to elektryczne uziemienie segmentów! Na mojej tokarce wyciąłem mały kawałek aluminiowego pręta o średnicy 6 mm w taki sposób, że zajmuje on 3 mm otwór na dole z dwoma prostokątnymi otworami 2,5 mm z wyciętymi gwintami M3. Drugi koniec przyciąłem do małego 3 mm wałka, aby pasują do środkowego otworu dysku. Następnie adapter został super przyklejony do spodu dysku. Zespół dysku można następnie przykręcić do wału silnika.

Wtedy widzisz kolejny ważny składnik. Segment wielkości tych na tarczy wykonany z blachy miedzianej 0,2mm Ten segment jest montowany na dwóch arkuszach sklejki. Gdy tarcza jest zamontowana, segment ten znajduje się bardzo wąsko pod obracającą się tarczą. odległość to tylko około 1mm. Ważne jest, aby odległość ta była jak najmniejsza!

Kolejne ważne rzeczy to wąsy naziemne i podnoszenie ładunku. Obydwa wykonane są z aluminiowej rurki i prętów z naciętymi gwintami do ich montażu. Tutaj możesz zrobić dowolny rodzaj wariacji. Potrzebujesz tylko czegoś przewodzącego biegnącego po powierzchni dysku. Do wąsów próbowałem wielu materiałów. Większość z nich po pewnym czasie uszkadzała segmenty dysku. W końcu znalazłem wskazówkę w książce o urządzeniach elektrostatycznych. Użyj przewodzących rurek gumowych! Nie niszczy miedzianej powłoki, zużywa się i zużywa…

Wąs uziemiający jest umieszczany w miejscu w taki sposób, że traci kontakt z leżącym poniżej segmentem dysku, gdy zaczyna odkrywać płytę uziemiającą. Podbieracz ładunku jest umieszczony w taki sposób, że chwyta segment pośrodku, gdy znajduje się on w maksymalnej odległości od płyty uziemiającej. Zobacz, czy pobieracz ładunku jest zamontowany na kawałku pręta z pleksiglasu. Jest to ważne, ponieważ potrzebujemy tutaj dobrej izolacji. W przeciwnym razie mielibyśmy stratę ładunków!

Wtedy widzisz, że gniazdo testowe 4mm jest umieszczone w „piwnicy” montażu. Dostarczyłem to połączenie, ponieważ nie byłem pewien, czy będę potrzebował prawdziwego połączenia „masowego”, czy nie. W normalnych warunkach mamy do czynienia z tak niskimi prądami, że i tak mamy wewnętrzne uziemienie. Ale może w przyszłości pojawi się konfiguracja testowa, w której będziemy jej potrzebować, kto wie?

Krok 3: Okablowanie

Teraz musisz wszystko połączyć elektrycznie, aby działało poprawnie. Użyj drutu mosiężnego i lutuj razem następujące części.

• Wtyczka testowa 4mm
• Zmielony wąs
• Tarcza
• jeden przewód kondensatora zbierającego ładunek

Przylutuj drugi przewód kondensatora do gniazda ładowania.

Krok 4: Tworzenie elektroniki

Postępuj zgodnie ze schematem, aby umieścić elementy elektroniczne na kawałku płyty perforowanej. Do krawędzi płytki przylutowałem listwy pinowe, aby połączyć je z Arduino Uno. Obwód jest cholernie prosty. Zebrany ładunek jest zbierany na kondensatorze i podawany do wzmacniacza o wysokiej impedancji, który wzmacnia sygnał o 100. Sygnał jest filtrowany dolnoprzepustowo, a następnie kierowany do jednego wejścia wejść przetwornika analogowo-cyfrowego arduino. MOSFET jest używany dla Arduino do włączania/wyłączania silnika dysku.

Bardzo ważne jest, aby połączyć masę zespołu mechanicznego z wirtualną masą obwodu elektronicznego, gdzie spotykają się R1/R2/C1/C2! Jest to również uziemienie kondensatora zbierającego ładunek. Możesz to zobaczyć na ostatnim obrazku w tym rozdziale,

Krok 5: Oprogramowanie

Nie ma wiele do powiedzenia na temat Oprogramowania. Jest napisany bardzo prosto. Aplikacja zna niektóre polecenia, aby poprawnie skonfigurować. Możesz uzyskać dostęp do arduino, jeśli masz zainstalowane Arduino IDE w swoim systemie, ponieważ potrzebujesz wirtualnych sterowników comport. Następnie podłącz kabel USB do arduino i komputera/notebooka i użyj programu terminalowego, takiego jak HTerm, aby połączyć arduino przez emulowany port comport z 9600 bodów, bez parzystości i 1 bitem stopu i CR-LF przy wejściu.

• "setdate dd-mm-rr" ustawia datę modułu RTC podłączonego do arduino
• "settime hh:mm:ss" ustawia czas modułu RTC podłączonego do arduino
• "getdate" wyświetla datę i godzinę
• "setintervall 10…3600" Ustawia interwał próbkowania w sekundach od 10s do 1h
• "start" rozpoczyna sesję pomiarową po zsynchronizowaniu z nadchodzącą pełną minutą
• „sync” robi to samo, ale czeka na nadchodzącą pełną godzinę
• "stop" zatrzymuje sesję pomiarową

Po otrzymaniu polecenia „start” lub „synchronizacja” i wykonaniu synchronizacji aplikacja najpierw pobiera próbkę, aby zobaczyć, gdzie znajduje się punkt zerowy lub odchylenie. Następnie uruchamia silnik i czeka 8s na stabilizację obrotów. Następnie pobierana jest próbka. Ogólnie rzecz biorąc, istnieje algorytm uśredniania oprogramowania, który w sposób ciągły uśrednia próbki z ostatnich 10 próbek, aby uniknąć zakłóceń. Poprzednio pobrana wartość zerowa jest teraz odejmowana od pomiaru, a wynik przesyłany przez port wraz z datą i godziną pomiaru. Przykładowa sesja pomiarowa wygląda tak:

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

Tak więc pomiary są pokazane jako odchylenia od zera mierzone cyframi, które mogą być dodatnie lub ujemne w zależności od kierunku przestrzennego strumienia elektrycznego. Oczywiście nie bez powodu zdecydowałem się sformatować dane w kolumnach daty, czasu i wartości pomiarowych. Jest to idealny format do wizualizacji danych za pomocą słynnego programu "gnuplot"!

Krok 6: Jak to działa

Właśnie powiedziałem, że zasadą działania tego urządzenia jest indukcja elektrostatyczna. Więc jak to działa w szczegółach? Załóżmy na chwilę, że bylibyśmy jednym z tych segmentów na płycie. Obracamy się ze stałą prędkością, będąc stale narażeni na otaczające pole elektryczne, a następnie ponownie chowamy się przed strumieniem pod osłoną tarczy. Wyobraź sobie, że faktycznie wyjdziemy z cienia na pole. Kontaktowaliśmy się z uziemiającym wąsem. Pole elektryczne działałoby na nasze wolne elektrony i powiedzmy, że odpycha je. Ponieważ jesteśmy uziemieni, pewna ilość elektronów ucieknie od nas i zniknie w ziemi.

Tracić grunt pod stopami

Teraz, podczas gdy w pewnym momencie obracanie się dysku będzie kontynuowane, stracimy kontakt z wąsem naziemnym. Teraz żadna szarża nie może od nas uciec, ale droga powrotna dla tych, które już zniknęły, również jest zamknięta. Zostajemy więc z brakiem elektronów. Czy nam się to podoba, czy nie, teraz jesteśmy obciążani! A nasz ładunek jest proporcjonalny do siły strumienia elektrycznego.

Ile mamy ładunku?

W czasie, gdy byliśmy wystawieni na działanie pola elektrycznego, straciliśmy trochę elektronów. Ile straciliśmy? Cóż, z każdym utraconym elektronem nasz ładunek wzrastał. Ten ładunek generuje własne, rosnące pole elektryczne między nami a ziemią. Pole to jest przeciwne do pola otoczenia, które wygenerowało indukcję. Tak więc utrata elektronów trwa do punktu, w którym oba pola są równe i znoszą się nawzajem! Po utracie kontaktu z ziemią nadal mamy własne pole elektryczne do uziemionej płyty o potencjale ziemi. Wiesz, jak nazywamy dwie płytki przewodzące z polem elektrycznym pomiędzy nimi? To jest kondensator! Jesteśmy częścią naładowanego kondensatora.

Jesteśmy teraz kondensatorem!

Znasz zależność między ładunkiem a napięciem na kondensatorze? Powiem ci, że jest to U=Q/C, gdzie U to napięcie, Q to ładunek, a C pojemność. Pojemność kondensatora jest odwrotnie proporcjonalna do odległości jego płytek! Oznacza to, że im większa odległość, tym mniejsza pojemność. Co się dzieje, gdy wciąż kręcimy kołem bez kontaktu z podłożem? Zwiększamy odległość do płyty naziemnej. Kiedy to robimy, nasza zdolność dramatycznie spada. Teraz spójrz ponownie na U=Q/C. Jeśli Q jest stałe, a C maleje, co się dzieje? Tak, napięcie rośnie! To bardzo sprytny sposób na wzmocnienie napięcia poprzez zastosowanie środków mechanicznych. Nie potrzebujesz tutaj wzmacniacza operacyjnego, filtrowania szumów i obliczeń statystycznych. To po prostu sprytna i prosta fizyka, która wzmacnia nasz sygnał do poziomu, w którym przetwarzanie sygnału za pomocą elektroniki staje się nudnym zadaniem. Cała sprytność tego urządzenia polega na indukcji elektrostatycznej i efekcie kondensatora!

Co to znaczy?

Ale co dokładnie w ten sposób wzmocniliśmy? Czy mamy teraz więcej elektronów? Nie! Czy i tak mamy więcej opłat? Nie! To, co zwiększyliśmy, to ENERGIA elektronów i to pozwala nam używać prostszych obwodów elektronicznych i mniej filtrowania. Teraz dotarliśmy do szczytu naszej trajektorii iw końcu ładunek pobiera nasze naładowane elektrony i gromadzi je w kondensatorze kolektora ładunku.

Odporność na zakłócenia

Gdy spojrzysz na wideo, zobaczysz, że pomimo zwykłych zakłóceń w moim domu sygnał wyjściowy urządzenia jest stabilny i praktycznie pozbawiony szumów. Jak to jest możliwe? Cóż, myślę, że to dlatego, że sygnał i zakłócenia nie idą osobno do wzmacniacza, jak w klasycznym młynie polowym. W moim projekcie zakłócenia wpływają na zebrany ładunek od momentu utraty połączenia z ziemią. Oznacza to, że na każdą próbkę wpływa w jakiś sposób interferencja. Ale ponieważ ta interferencja nie ma składowej stałej, o ile jest symetryczna, wynik interferencji jest zawsze uśredniany w kondensatorze kolektora ładunku. Po wystarczających obrotach dysku i próbkach wprowadzonych do kolektora ładunku średnia interferencji wynosi zero. Myślę, że to jest sztuczka!

Krok 7: Testowanie

Po kilku testach, debugowaniu i ulepszeniu zainstalowałem młyn polowy wraz z moim starym notebookiem win-xp na strychu i przeprowadziłem test około jednego dnia. Wyniki wizualizowano za pomocą gnuplot. Zobacz załączony plik danych "e-field-data.dat" i plik konfiguracyjny gnuplot "e-field.gp". Aby wyświetlić wyniki, po prostu uruchom gnuplot w systemie docelowym i wpisz po znaku zachęty >load "e-field.gp"

Zobacz zdjęcie przedstawiające wyniki. To dość niezwykłe. Rozpocząłem pomiar 03.10.2018, kiedy mieliśmy piękną pogodę i błękitne niebo. Zobacz, że pole elektryczne było dość silne i ujemne, podczas gdy musimy uważać, ponieważ co jest "ujemne" a co "dodatnie" obecnie nie jest rozsądnie określone. Potrzebowalibyśmy kalibracji naszego urządzenia, aby dostosować się do rzeczywistej fizyki. W każdym razie widać, że wraz z cyklami pomiarowymi natężenie pola spadało, a pogoda zaczynała się pogarszać, stawać się pochmurna i deszczowa. Byłem jakoś zdumiony tymi odkryciami, ale nadal muszę sprawdzić, czy są one skorelowane z fizyką.

Teraz twoja kolej. Idź dalej i stwórz swój własny elektryczny młyn polowy i odkryj tajemnice naszej planety na własną misję! Baw się dobrze!

Krok 8: Zbieranie i interpretacja danych

Teraz, gdy wszystko działa (miejmy nadzieję) dobrze, powinieneś zebrać trochę danych. Polecam użyć stałego miejsca na młyn polowy. W przeciwnym razie dane byłyby trudne do porównania. Lokalne parametry pola mogą się znacznie różnić w zależności od miejsca. Młyn skonfigurowałem tak, aby co godzinę przyjmował jedną wartość pomiaru. Uruchomiłem młyn przez około 3 miesiące. Jeśli spojrzysz na wykresy prezentujące zebrane dane za miesiąc listopad 2018, grudzień 2018 i styczeń 2019, zobaczysz kilka niezwykłych wyników.

Po pierwsze widać, że siła pola w listopadzie była jedynie dodatnia, a pod koniec miesiąca zmieniła się w ujemną. Więc coś ogólnego musiało się zmienić, prawdopodobnie w zależności od pogody. Może nastąpił rozsądny spadek temperatury. Następnie średni sygnał pozostawał ujemny do końca cyklu pomiarowego. Drugą rzeczą jest to, że na wykresie sygnału jest kilka skoków wskazujących na szybkie zmiany pola trwające tylko kilka minut. Nie sądzę, żeby były za to odpowiedzialne zmiany w atmosferze. Nawet lokalna pogoda składa się z ogromnych mas gazu i wbudowanych jonów. Również chmury i deszcz czy śnieg zwykle nie zmieniają się w ciągu kilku minut. Myślę więc, że wpływ człowieka mógł spowodować te nagłe zmiany. Ale to też jest trudne do wytłumaczenia. Wszystkie źródła zasilania dostarczają tylko napięcie przemienne. To się nie liczy dla obserwowanych przeze mnie zmian DC. Podejrzewam, że samochody przejeżdżające po asfalcie ulicy przed moim mieszkaniem mogły mieć do czynienia z ładunkami elektrycznymi. Do pomyślenia byłyby też procesy ładowania spowodowane przez kurz unoszony przez wiatr i kontakt z fasadą mojego domu.