E-Field Mill: 8 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Du kanske redan vet att jag är beroende av alla typer av sensormätningar. Jag ville alltid spåra fluktuationerna i jordens magnetfält och jag fascinerades också av att mäta jordens omgivande elektriska fält som upprätthålls genom laddningsseparationsprocesser som äger rum mellan molnen och jordens yta. Incidenter som klar himmel, regn eller åska har alla en dramatisk inverkan på det elektriska fältet som omger oss och nya vetenskapliga fynd visar oss att vår hälsa är starkt beroende av de omgivande elektriska fälten.

Så det är anledningen till att jag ville göra mig till en lämplig mätanordning för statiska elektriska fält. Det finns redan en ganska bra design, även kallad elektrisk fältkvarn som används i stor utsträckning. Denna enhet använder en effekt som kallas elektrostatisk induktion. Detta händer alltid när du utsätter ett ledande material för ett elektriskt fält. Fältet lockar till sig eller stöter bort de fria elektronerna i materialet. Om den är ansluten till jord (jordpotential) flyter laddningsbärare in eller ut ur materialet. Efter frånkoppling av marken kvarstår en laddning på materialet även om det elektriska fältet försvinner. Denna laddning kan mätas med en voltmeter. Detta är mycket grovt principen för mätning av statiska elektriska fält.

För några år sedan byggde jag ett fältverk enligt de planer och scheman jag hittade på internet. Den består huvudsakligen av en rotor med någon form av propeller på den. Propellern är en dubbel uppsättning metallsegment som är jordade. Rotorn svänger runt en uppsättning induktionsplattor som är elektriskt täckta och avtäckta av rotorn. Varje gång de avslöjas orsakar den elektrostatiska induktionen av det omgivande elektriska fältet ett flöde av laddningsbärare. Detta flöde reverseras när rotorn åter täcker induktionsplattorna. Det du får är en växelvis mer eller mindre sinusformad ström vilken amplitud representerar styrkan hos det uppmätta fältet. Detta är den första bristen. Du får inte en statisk spänning som visar fältstyrkan men måste ta amplituden för en alternerande signal som måste åtgärdas först. Den andra frågan är ännu mer tråkig. Fältkvarnen fungerar ganska bra i en ostörd miljö -säger på den mörka sidan av månen när du är långt borta från kraftlinjen nynna och all denna rikliga elektriska dimma som tränger igenom vår miljö överallt där vi är. Speciellt 50 Hz eller 60 Hz kraftlinjen brum stör direkt den önskade signalen. För att lösa detta problem använder fältkvarnen en andra uppsättning induktionsplattor med en annan förstärkare som tar samma signal med ett 90 ° fasskift. I en ytterligare operationsförstärkare subtraheras båda signalerna från varandra. Eftersom de är ur fas återstår resten av den önskade signalen och störningen, som är lika i båda signalerna, avbryts teoretiskt. Hur bra detta fungerar beror på lika stor interferens i båda mätkretsarna, förstärkarens CMRR och på frågan om förstärkaren blir överdriven eller inte. Det som gör situationen ännu mer obekväm är att du ungefär fördubblade mängden hårdvara bara för att bli av med störningen.

Förra året hade jag en idé att övervinna dessa problem med min egen design. Det är lite mer arbete på mekanikern men enkelt i fråga om elektronik. Som alltid är detta inte en detaljerad steg för steg -replikering av komplett enhet. Jag kommer att visa dig arbetsprinciperna för min design och du kan ändra den på olika sätt och skräddarsy den efter dina egna behov. Efter att ha visat dig hur du bygger det kommer jag att förklara hur det fungerar och visa dig resultatet av mina första mätningar.

När jag fick idén till den här enheten var jag stolt över benen, men som du vet är arrogans föregående undergång. Ja, det var min egen idé. Jag utvecklade det på egen hand. Men som alltid var det någon före mig. Separationen av laddningar genom induktion och förstärkning med hjälp av kondensatoreffekten användes i nästan varje elektrostatisk generatordesign under de senaste 150 åren. Så det är inget speciellt med min design trots att jag var den första som funderade på att tillämpa dessa koncept för att mäta svaga elektrostatiska fält. Jag hoppas fortfarande att jag en dag kommer att bli känd.

Steg 1: Lista över material och verktyg

Följande lista visar ungefär vilka material du behöver. Du kan ändra och skräddarsy dem så mycket du vill.

• Ark av 4 mm plywood
• träbjälkar 10x10mm
• 8 mm aluminiumrör
• 6 mm aluminiumstav
• 8 mm plexiglasstång
• 120x160mm enkelsidig kopparpläterad kretskort
• mässing eller koppartråd 0,2 mm
• en bit 0,2 mm kopparark
• löda
• lim
• 3 mm skruvar och muttrar
• Ett 4 mm testuttag
• ledande gummirör (innerdiameter 2 mm) Jag fick mitt från amazon
• Elektroniska delar enligt schemat (nedladdningsavsnitt)
• En 68nF styroflexkondensator som uppsamlare för laddningarna. Du kan ändra detta värde på många sätt.
• En kapstanmotor för 6V DC. Det här är motorer som var särskilt utformade för skivspelare och bandspelare. Deras varvtal är reglerat! Du kan fortfarande hitta dem på Ebay.
• En 6V/1A strömförsörjning.

Det här är verktygen du behöver

• Lödkolv
• Arduino utvecklingsmiljö på din dator/bärbar dator
• USB-A till B-kabel
• fil eller bättre en svarv
• elektrisk borr
• liten surrsåg eller handsåg
• pincett
• avbitartång

Steg 2: Gör mekaniken

På den första bilden kan du se att hela designen är baserad på två plywoodskivor på 210 mm x 140 mm. De är monterade ovanför varandra, anslutna med 4 bitar av träbjälkar som håller dem 50 mm på avstånd. Mellan båda arken finns motor och ledningar. Motorn är monterad med två M3 -skruvar som sitter i två 3 mm hål som borrats genom det övre plywoodskiktet. Ett ark PCB -material fungerar som en skydd mot det omgivande elektriska fältet. Den är monterad 85 mm ovanför det övre plywoodskiktet och dess inre kant slutar precis runt motoraxeln.

Kärnkomponenten i den här enheten är en disk. Den har en diameter på 110 mm och är tillverkad av enstaka kopparbelagt PCB -material. Jag använde en kvarn för att skära ut en rund disk av PCB. Jag använde också en kvarn för att skära kopparbeläggningen i fyra segment som är elektriskt isolerade. Det är också mycket viktigt att skära en ring runt mitten av skivan där motoraxeln kommer att gå igenom. Annars skulle det elektriskt slipa segmenten! På min svarv skär jag en liten bit av 6 mm aluminiumstång på ett sätt så att det tar ett 3 mm hål i botten med två rektangulära 2, 5 mm hål som har M3 -gängor skurna i. Den andra änden skär jag ner till en liten 3 mm axel för att passar i skivans mitthål. Adaptern limmades sedan på botten av skivan. Skivanordningen kan sedan skruvas fast på motoraxeln.

Då ser du en annan viktig komponent. Ett segment av storleken på dem på skivan, gjord av 0, 2 mm kopparark Detta segment är monterat på två skivor av plywood. När disken är monterad är detta segment mycket smalt under den roterande skivan. avståndet är bara ca 1 mm. Det är viktigt att hålla detta avstånd så litet som möjligt!

Nästa viktiga saker är markhåren och laddningshämtningen. Båda är gjorda av aluminiumrör och stavar med inskurna trådar för att montera dem alla tillsammans. Du kan göra vilken typ av variation du vill här. Du behöver bara något ledande som löper över diskens yta. För morrhåren försökte jag mycket material. De flesta skadade skivsegmenten efter ett tag. Slutligen hittade jag en ledtråd i en bok om elektrostatiska enheter. Använd ledande gummislang! Det skadar inte kopparbeläggningen och slitage …

Markhåren placeras på en plats så att den tappar kontakten med det underliggande skivsegmentet när den börjar avslöja markplattan. Laddningsupptagningen är placerad så att den tar segmentet i mitten när det är på maximalt avstånd från markplattan. Se till att laddningsupptagaren är monterad på en bit plexiglasstång. Detta är viktigt eftersom vi behöver en bra isolering här. Annars skulle vi tappa avgifter!

Då ser du att 4 mm testuttaget är placerat i "källaren" på enheten. Jag gav denna anslutning eftersom jag inte var säker på om jag skulle behöva en riktig "jord" -anslutning eller inte. Under normala förhållanden har vi att göra med så låga strömmar att vi ändå har en inneboende jordning. Men kanske kommer det att finnas ett testupplägg i framtiden där vi kan behöva det, vem vet?

Steg 3: Ledningen

Nu måste du koppla ihop allt så att det fungerar som det ska. Använd mässingstråden och löd ihop följande delar.

• 4 mm testplugg
• Marken morrhår
• Skölden
• en ledning av laddningskollektorn

Löd kondensatorns andra ledning till laddningsupptagaren.

Steg 4: Gör elektroniken

Följ schemat för att placera de elektroniska komponenterna på en bit skiva. Jag lödde stifthuvuden till kanterna på brädet för att ansluta det till Arduino Uno. Kretsen är jävligt enkel. Den insamlade laddningen tas upp vid kondensatorn och matas till en högimpedansförstärkare som ökar signalen med 100. Signalen filtreras med lågpass och dirigeras sedan in i en ingång på arduinoens analog-till-digital-omvandlaringångar. En MOSFET används för Arduino för att slå på/av diskmotorn.

Det är mycket viktigt att ansluta den mekaniska enhetens mark till den virtuella marken i den elektroniska kretsen, där R1/R2/C1/C2 möts! Detta är också grunden för laddningsuppsamlingskondensatorn. Du kan se detta på den sista bilden i detta kapitel,

Steg 5: Programvaran

Det finns inte mycket att säga om programvaran. Det är skrivet väldigt enkelt. Programmet kan några kommandon för att konfigureras korrekt. Du kan komma åt arduino om du har Arduino IDE installerat på ditt system eftersom du behöver de virtuella komportdrivrutinerna. Anslut sedan en USB-kabel till arduino och din PC/Notebook och använd ett terminalprogram som HTerm för att ansluta arduino via den emulerade komporten med 9600 bauds, ingen paritet och 1 stopbit och CR-LF vid enter.

• "setdate dd-mm-åå" anger datum för RTC-modulen som är ansluten till arduino
• "settime hh: mm: ss" anger tiden för RTC-modulen som är ansluten till arduino
• "getdate" skriver ut datum och tid
• "setintervall 10 … 3600" Ställer in provtagningsintervallet i sekunder från 10s till 1h
• "start" startar mätsessionen efter synkronisering till den kommande hela minuten
• "synkronisering" gör detsamma men väntar på den kommande hela timmen
• "stopp" stoppar mätsessionen

Efter att ha fått "start" eller "synkronisering" och gjort synkroniseringsgrejer tar programmet först ett prov för att se var nollpunkten eller förspänningen är. Sedan startar den motorn och väntar 8 sekunder på att varvtalet stabiliseras. Därefter tas provet. I allmänhet finns det en mjukvara för medelvärdesalgoritm som kontinuerligt medelvärderar proverna under de senaste 10 proverna för att undvika fel. Det tidigare tagna nollvärdet subtraheras nu från mätningen och resultatet skickas över komporten tillsammans med datum och tid för mätningen. Ett exempel på en mätsession ser ut så här:

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 mätningarna visas som avböjningar från noll mätt i siffror som kan vara positiva eller negativa beroende på den elektriska flödets rumsliga riktning. Naturligtvis finns det en anledning till att jag bestämde mig för att formatera data i kolumner med datum, tid och mätvärden. Detta är det perfekta formatet för att visualisera data med det berömda "gnuplot" -programmet!

Steg 6: Hur det fungerar

Jag sa just att arbetsprincipen för denna enhet är elektrostatisk induktion. Så hur fungerar det i detalj? Låt oss anta att vi för närvarande skulle vara ett av de segmenten på skivan. Vi roterar med konstant hastighet och exponeras kontinuerligt för det omgivande elektriska fältet och gömmer oss sedan igen från flödet under skydd av skyddet. Tänk att vi faktiskt skulle komma ut ur skuggan till fältet. Vi skulle komma i kontakt med den jordade morrhåren. Det elektriska fältet skulle verka på våra fria elektroner och låter säga att fältet skulle avvisa dem. Eftersom vi är jordade skulle det finnas en mängd elektroner som flyr från oss och försvinner i jorden.

Förlorar mark

Nu, medan vridningen av skivan fortsätter någon gång skulle vi tappa kontakten med marken. Nu kan ingen mer avgift fly från oss men vägen tillbaka för de avgifter som redan är borta är också stängd. Så vi är kvar med brist på elektroner. Om vi gillar det eller inte, debiteras vi nu! Och vår laddning är proportionell mot styrkan hos det elektriska flödet.

Hur mycket avgift har vi?

Under den tid vi blev utsatta för det elektriska fältet tappade vi några elektroner. Hur mycket har vi förlorat? Tja, för varje elektron vi förlorade, steg vår laddning upp. Denna laddning genererar ett stigande eget elektriskt fält mellan oss och marken. Detta fält är motsatt det omgivande som skapade induktionen. Så förlusten av elektroner fortsätter upp till den punkt där båda fälten är lika och avbryter varandra! Efter att vi tappat kontakten med marken har vi fortfarande vårt eget elektriska fält mot den jordade plattan som har jordpotential. Du vet hur vi kallar två ledande plattor med ett elektriskt fält emellan? Detta är en kondensator! Vi är en del av laddad kondensator.

Vi är en kondensator nu!

Du känner till sambandet mellan laddning och spänning på en kondensator? Låt mig berätta, det är U = Q/C där U är spänningen, Q är laddningen och C kapaciteten. Kapaciteten hos en kondensator är omvänt proportionell mot avståndet från dess plattor! Det betyder att ju bredare avstånd desto lägre kapacitet. Vad händer nu medan vi fortsätter att slå på ratten utan kontakt med marken? Vi ökar avståndet till markplattan. Medan vi gör detta minskar vår kapacitet dramatiskt. Titta nu igen på U = Q/C. Om Q är konstant och C sjunker, vad händer? Ja, spänningen stiger! Detta är ett mycket smart sätt att förstärka spänningen genom att bara använda mekaniska medel. Du behöver inte en operationsförstärkare, brusfiltrering och statistisk beräkning här. Det är bara smart och ren fysik som ökar vår signal upp till en nivå där signalbehandling med elektronik bara blir tråkiga uppgifter. Hela smartheten hos denna enhet är beroende av elektrostatisk induktion och kondensatoreffekten!

Vad betyder det?

Men vad höjde vi exakt på det här sättet? Har vi fler elektroner nu? Nej! Har vi mer avgift ändå? Nej! Det vi förstärkte är elektronernas ENERGI och det är det som gör att vi kan använda enklare elektroniska kretsar och mindre filtrering. Nu nådde vi avloppet i vår bana och slutligen tar laddningsupptagningen våra energiserade elektroner och samlar dem i laddningskollektorns kondensator.

Immunitet mot störningar

När du tittar på videon ser du att trots vanliga störningar i mitt hem är utsignalen från enheten stabil och praktiskt taget brusfri. Hur är detta möjligt? Jag tror att det beror på att signal och störningar inte går åtskilda upp till förstärkaren som i den klassiska fältkvarnen. I min design påverkar störningen den insamlade laddningen redan från det att anslutningen till marken försvinner. Det betyder att varje prov påverkas på något sätt av störningar. Men eftersom denna störning inte har någon likströmskomponent så länge som den är symmetriskt, beräknas störningsresultatet alltid i genomsnitt i laddningskollektorns kondensator. Efter tillräckligt många skivvarv och prover som matas in i laddsamlaren är medelvärdet av störningen noll. Jag tror att det är tricket!

Steg 7: Testning

Efter några tester, felsökning och förbättring installerade jag fältkvarnen tillsammans med min gamla win-xp-anteckningsbok på vinden och gjorde ett testkörning ungefär en dag. Resultaten visualiserades med gnuplot. Se den bifogade datafilen "e-field-data.dat" och gnuplot-konfigurationsfilen "e-field.gp". För att se resultaten, starta bara gnuplot på ditt målsystem och skriv vid prompten> ladda "e-field.gp"

Se bilden som visar resultaten. Det är ganska anmärkningsvärt. Jag började mätningen 2018-10-03 när vi hade fint väder och blå himmel. Se att det elektriska fältet var ganska starkt och negativt, medan vi måste vara försiktiga eftersom vad som är "negativt" och "positivt" för närvarande inte är rimligt specificerat. Vi skulle behöva en kalibrering av vår enhet för att anpassa sig till verklig fysik. Men hur som helst kan du se att under mätcyklerna sjönk fältstyrkan tillsammans med att vädret började försämras och blev grumligt och regnigt. Jag blev på något sätt förvånad över dessa fynd men måste fortfarande kontrollera om dessa korrelerar med fysik.

Nu är det din tur. Fortsätt och gör ditt eget elektriska fältverk och utforska hemligheterna på vår planet på din egen strävan! Ha så kul!

Steg 8: Insamling och tolkning av data

Eftersom allt (förhoppningsvis) fungerar bra bör du samla in lite data. Jag skulle rekommendera att använda en fast plats för åkernbruket. Annars skulle uppgifterna vara svåra att jämföra. De lokala fältparametrarna kan variera mycket från plats till plats. Jag konfigurerade bruket att det tog ett mätvärde varje timme. Jag lät bruket gå i cirka 3 månader. Om du tar en titt på graferna som presenterar de insamlade data för månaden november 2018, december 2018 och januari 2019, ser du några anmärkningsvärda fynd.

Först kan du se att fältstyrkan i november bara var positiv och förvandlades till negativ i slutet av månaden. Så något generellt måste ha förändrats, troligtvis beroende på vädret. Kanske var det en rimlig temperaturfall. Sedan förblev medelsignalen negativ fram till slutet av mätcykeln. Den andra saken är att det finns flera spikar i signaldiagrammet som indikerar snabba fältförändringar som bara varar några minuter. Jag tror inte att förändringar i atmosfären är ansvariga för det. Även det lokala vädret består av enorma gasmassor och införlivade joner. Moln och regn eller snö förändras vanligtvis inte inom några minuter. Så jag tror att människans inflytande kan ha orsakat dessa plötsliga förändringar. Men detta är också svårt att förklara. Alla kraftledningskällor ger endast växelspänning. Det räknas inte för de DC-förändringar jag observerade. Jag misstänker att det kan ha skett några elektriska laddningsprocesser av bilar som passerade på asfalten på gatan framför min lägenhet. Tänkbart skulle också laddningsprocesser orsakas av att damm bärs av vind och kommer i kontakt med mitt hus.