E-Field Mill: 8 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:48

Võib -olla teate juba, et olen sõltuvuses igasugustest andurite mõõtmise rakendustest. Tahtsin alati jälgida Maa magnetvälja kõikumisi ja olin ka lummatud Maa ümbritseva elektrivälja mõõtmisest, mida hoiavad laengute eraldamise protsessid, mis toimuvad pilvede ja maapinna vahel. Sellised juhtumid nagu selge taevas, vihm või äike mõjuvad dramaatiliselt meid ümbritsevale elektriväljale ja uued teaduslikud tulemused näitavad meile, et meie tervis sõltub suuresti ümbritsevatest elektriväljadest.

Niisiis, see on põhjus, miks ma tahtsin teha endale sobiva mõõteseadme staatiliste elektriväljade jaoks. Olemas on juba üks päris hea disain, mida nimetatakse ka elektrivälja veskiks ja mida kasutatakse laialdaselt. See seade kasutab efekti nimega elektrostaatiline induktsioon. See juhtub alati, kui eksponeerite juhtivat materjali elektriväljale. Väli tõmbab ligi või tõrjub materjali vabad elektronid. Kui see on ühendatud maapinnaga (maanduspotentsiaal), voolavad materjali kandjad sisse või välja. Pärast maapinna lahtiühendamist jääb materjalile laeng isegi siis, kui elektriväli kaob. Seda laengut saab mõõta voltmeetriga. See on staatiliste elektriväljade mõõtmise põhimõte.

Paar aastat tagasi ehitasin põlluveski vastavalt Internetist leitud plaanidele ja skeemidele. Põhimõtteliselt koosneb see rootorist, millel on mingi propeller. Propeller on kaksikkomplekt metallist segmente, mis on maandatud. Rootor pöörleb ümber induktsioonplaatide komplekti, mis on elektriliselt kaetud ja rootoriga katmata. Iga kord, kui need avastatakse, põhjustab ümbritseva elektrivälja elektrostaatiline induktsioon laengukandjate voolu. See vool on vastupidine, kui rootor katab uuesti induktsioonplaadid. Saadud on vahelduv enam -vähem siinusvool, mille amplituud näitab mõõdetud välja tugevust. See on esimene viga. Te ei saa staatilist pinget, mis näitab välja tugevust, vaid peate võtma vahelduva signaali amplituudi, mis tuleb kõigepealt parandada. Teine teema on veelgi tüütum. Põlluveski töötab segamatus keskkonnas päris hästi -öeldakse kuu pimedal poolel, kui olete kaugel elektriliinide müristamisest ja kogu sellest rikkalikust elektrilisest udust, mis tungib meie keskkonda kõikjal, kus me oleme. Eriti 50Hz või 60Hz elektriliini müra häirib otse soovitud signaali. Selle probleemi lahendamiseks kasutab väliveski teist induktsioonplaatide komplekti koos teise võimendiga, mis võtab sama signaali 90 ° faasinihkega. Täiendavas operatsioonivõimendis lahutatakse mõlemad signaalid üksteisest. Kuna need on faasist väljas, jääb järelejäänud osa soovitud signaalist ja häired, mis on mõlemas signaalis võrdsed, kõrvaldatakse teoreetiliselt. Kui hästi see töötab, sõltub häirete võrdsusest mõlemas mõõteahelas, võimendi CMRR -is ja küsimusest, kas võimendi läheb üle või mitte. Olukorra muudab veelgi ebamugavamaks see, et te kahekordselt kahekordistasite riistvara, et häiretest vabaneda.

Eelmisel aastal tekkis mul idee nende probleemide lahendamiseks oma disainiga. See on natuke rohkem tööd mehaaniku kallal, kuid elektroonika osas on see lihtne. Nagu alati, pole see kogu seadme üksikasjalik samm -sammuline kopeerimine. näitan teile oma disaini tööpõhimõtteid ja te saate seda erineval viisil muuta ning kohandada vastavalt oma vajadustele. Pärast selle ehitamise näitamist selgitan teile, kuidas see töötab, ja näitan teile oma esimeste mõõtmiste tulemusi.

Kui ma selle seadme idee sain, olin luude üle uhke, kuid nagu teate, eelneb igale allakäigule ülbus. Jah, see oli minu enda idee. Arendasin selle ise välja. Aga nagu alati, oli keegi enne mind. Laengute eraldamist induktsiooni ja võimenduse abil kondensaatoriefekti abil kasutati viimase 150 aasta jooksul peaaegu igas elektrostaatilise generaatori konstruktsioonis. Nii et minu disainis pole midagi erilist hoolimata asjaolust, et olin esimene, kes mõtles nende kontseptsioonide rakendamisele nõrkade elektrostaatiliste väljade mõõtmiseks. Loodan ikka, et ühel päeval saan kuulsaks.

Samm: materjalide ja tööriistade loend

Järgmine loend näitab ligikaudselt, milliseid materjale vajate. Saate neid muuta ja kohandada nii palju kui soovite.

• Lehed 4 mm vineerist
• puittalad 10x10mm
• 8 mm alumiiniumtoru
• 6mm alumiiniumist varras
• 8 mm pleksiklaasist varras
• 120x160 mm ühepoolne vaskplastitud trükkplaat
• messingist või vasktraadist 0,2 mm
• tükk 0,2 mm vasest lehte
• jootma
• liimi
• 3 mm kruvid ja mutrid
• 4 mm testpesa
• juhtiv kummist toru (siseläbimõõt 2mm) sain oma Amazonist
• Elektroonilised osad vastavalt skeemile (allalaadimisjaotis)
• 68nF styroflex kondensaator laengute kogujana. Saate seda väärtust mitmel viisil muuta.
• Klapimootor 6V alalisvoolule. Need on mootorid, mis olid mõeldud spetsiaalselt plaadimängijatele ja magnetofonidele. Nende pöörete arv on reguleeritud! Neid leiate endiselt Ebayst.
• 6V/1A toiteallikas.

Need on vajalikud tööriistad

• Jootekolb
• Arduino arenduskeskkond teie arvutis/sülearvutis
• USB-A kuni B kaabel
• viil või parem treipink
• elektriline puur
• väike buzz saag või käsisaag
• pintsetid
• traadi lõikur

Samm: mehaanika valmistamine

Esimesel pildil näete, et kogu disain põhineb kahel vineerilehel, mille mõõtmed on 210 mm x 140 mm. Need on paigaldatud üksteise kohale, ühendatud 4 puittalaga, mis hoiab neid 50 mm kaugusel. Mõlema lehe vahel on mootor ja juhtmestik. Mootor on paigaldatud kahe M3 kruviga, mis sobivad kahte 3 mm auku, mis on puuritud läbi ülemise vineerilehe. PCB -materjali leht töötab kaitsena ümbritseva elektrivälja vastu. See on paigaldatud 85 mm ülemise vineerilehe kohale ja selle siseserv on mootori võlli ümber.

Selle seadme põhikomponent on ketas. Selle läbimõõt on 110 mm ja see on valmistatud ühest küljest vasest kaetud PCB materjalist. PCB ümmarguse ketta lõikamiseks kasutasin veskit. Samuti kasutasin veskit, et lõigata vaskkate neljaks segmendiks, mis on elektriliselt isoleeritud. Samuti on väga oluline lõigata rõngas ketta keskele, kust mootori võll läbi läheb. Vastasel juhul maandaks see segmendid elektriliselt! Lõikasin oma treipingil väikese tüki 6 mm alumiiniumvarrast nii, et selle allosas oleks 3 mm auk kahe ristkülikukujulise 2, 5 mm auguga, millesse on lõigatud M3 niidid. Teine ots ma lõikasin väikese 3 mm võllini mahtuda ketta keskmisse auku. Seejärel liimiti adapter ketta põhjaga superliimiga. Seejärel saab ketasõlme kruvida mootori võlli külge.

Siis näete veel üht olulist komponenti. Kettal olevate suurusega segment, mis on valmistatud 0, 2 mm vasest lehest See segment on paigaldatud kahele vineerilehele. Kui ketas on paigaldatud, jääb see segment pöörleva ketta alla väga kitsalt. vahemaa on umbes 1 mm. Oluline on hoida see vahemaa võimalikult väike!

Järgmised olulised asjad on jahvatatud vunts ja laengu kogumine. Mõlemad on valmistatud alumiiniumtorust ja vardadest, mille kõik on kokku monteeritud. Siin saate teha mis tahes tüüpi variatsioone, mis teile meeldivad. Teil on vaja lihtsalt midagi juhtivat, mis jookseb üle ketta pinna. Vurrude jaoks proovisin palju materjale. Enamik neist kahjustas mõne aja pärast kettasegmente. Lõpuks leidsin raamatust vihje elektrostaatiliste seadmete kohta. Kasutage juhtivaid kummist torusid! See ei kahjusta vaskkatet ning kulub ja kulub…

Maapinnaga vurr asetatakse kohale nii, et see kaotab kontakti alusplaadi aluse avamisega, kui see alustab ketta segmenti. Laadimisseade on paigutatud nii, et see võtab segmendi keset, kui see on maapinnast maksimaalsel kaugusel. Veenduge, et laadimisseade on paigaldatud pleksiklaasist vardale. See on oluline, sest siin on vaja head isolatsiooni. Vastasel juhul jääksime tasudest ilma!

Siis näete, et 4 mm testpesa on paigutatud sõlme "keldrisse". Ma andsin selle ühenduse, sest ma polnud kindel, kas ma vajan tõelist "maapealset" ühendust või mitte. Normaaltingimustes on meil tegemist nii väikeste vooludega, et meil on niikuinii sisemine maandus. Aga võib -olla on tulevikus testimisseade, kus me seda vajame, kes teab?

Samm: juhtmestik

Nüüd peate kõik elektriliselt ühendama, et see korralikult töötaks. Kasutage messingtraati ja jootke järgmisi osi koos.

• 4 mm testpistik
• Jahvatatud vunts
• Kilp
• laengu kogumise kondensaatori üks juhe

Jootke kondensaatori teine juhe laadimisseadme külge.

Samm: elektroonika valmistamine

Elektroonikakomponentide paigutamiseks parvlauale järgige skeemi. Jootsin tahvli servad tahvli servade külge, et ühendada see Arduino Unoga. Ahel on kuradima lihtne. Kogutud laeng võetakse kondensaatorilt ja suunatakse suure takistusega võimendisse, mis suurendab signaali 100 võrra. Signaal filtreeritakse madalpääsuga ja suunatakse seejärel ühte arduino analoog-digitaalmuunduri sisendi sisendisse. Arduino jaoks kasutatakse ketasmootori sisse- ja väljalülitamiseks MOSFET -i.

On väga oluline ühendada mehaanikaseadme maandus elektroonilise vooluahela virtuaalse maandusega, kus R1/R2/C1/C2 kohtuvad! See on ka laengu kogumise kondensaatori alus. Seda näete selle peatüki viimasel pildil,

Samm 5: Tarkvara

Tarkvara kohta pole palju öelda. See on kirjutatud väga lihtsalt. Rakendus teab mõningaid käske õigesti konfigureerimiseks. Arduinole pääsete juurde, kui teie arvutisse on installitud Arduino IDE, kuna vajate virtuaalseid ühilduvaid draivereid. Seejärel ühendage USB-kaabel arduino ja arvuti/sülearvutiga ning kasutage terminaliprogrammi, näiteks HTerm, et ühendada arduino emuleeritud porti kaudu, kasutades 9600 baudi, pariteeti ja 1 stopbit ja CR-LF sisestamisel.

• "setdate dd-mm-yy" määrab arduinoga ühendatud RTC-mooduli kuupäeva
• "settime hh: mm: ss" määrab arduinoga ühendatud RTC-mooduli aja
• "getdate" prindib kuupäeva ja kellaaja
• "setintervall 10… 3600" Määrab proovivõtuintervalli sekundites 10 s kuni 1 h
• "start" alustab mõõteseanssi pärast sünkroonimist eelseisva täispikkusega
• "sync" teeb sama, kuid ootab eelseisvat täistundi
• "stop" peatab mõõteseansi

Pärast alguse või sünkroonimise saamist ja sünkroonimistööde tegemist võtab rakendus kõigepealt proovi, et näha, kus on nullpunkt või nihke. Seejärel käivitab see mootori ja ootab 8 sekundit, kuni pöörlemiskiirus stabiliseerub. Seejärel võetakse proov. Üldiselt on olemas tarkvara keskmistamise algoritm, mis tõkete vältimiseks keskmistab pidevalt viimase 10 proovi proove. Varem võetud nullväärtus lahutatakse nüüd mõõtmistest ja tulemus saadetakse üle ühenduse koos mõõtmise kuupäeva ja kellaajaga. Mõõteseansi näide näeb välja selline:

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

Seega on mõõtmised näidatud nullist läbipaindena, mõõdetuna numbritega, mis võivad sõltuvalt elektrivoo ruumilisest suunast olla positiivse maagi negatiivsed. Muidugi on põhjus, miks otsustasin vormindada andmed kuupäeva, kellaaja ja mõõtmisväärtuste veergudes. See on ideaalne formaat andmete visualiseerimiseks kuulsa programmi "gnuplot" abil!

6. toiming: kuidas see toimib

Ma just ütlesin teile, et selle seadme tööpõhimõte on elektrostaatiline induktsioon. Niisiis, kuidas see üksikasjalikult töötab? Oletame hetkeks, et oleme plaadil üks nendest segmentidest. Me pöörleme konstantsel kiirusel pidevalt ümbritseva elektrivälja käes ja peidame end seejärel uuesti voolu eest kilbi kaitse alla. Kujutage ette, et pääseme tegelikult varjust põllule. Saaksime kontakti maandava vurruga. Elektriväli mõjutaks meie vabu elektrone ja ütleks, et väli tõrjub neid. Kuna oleme maandatud, põgeneks meie eest ja kaduks maa peale hulk elektrone.

Maa kaotamine

Nüüd, kui ketta pööramine mingil hetkel jätkub, kaotaksime kontakti maapinnaga. Nüüd ei saa enam meie eest põgeneda, kuid suletud on ka tagasitee juba läinud süüdistuste eest. Seega jääme elektronide puudusest maha. Kui see meile meeldib või mitte, oleme nüüd tasulised! Ja meie laeng on võrdeline elektrivoo tugevusega.

Kui palju tasu meil on?

Elektriväljaga kokku puutudes kaotasime mõned elektronid. Kui palju oleme kaotanud? Noh, iga kaotatud elektroniga tõusis meie laeng üles. See laeng tekitab meie ja maapinna vahel omaette tõusva elektrivälja. See väli on vastupidine ümbritsevale, mis tekitas induktsiooni. Seega jätkub elektronide kadu kuni punktini, kus mõlemad väljad on võrdsed ja tühistavad üksteise! Pärast maaga ühenduse kaotamist on meil endiselt oma elektriväli maandatud plaadi vastu, millel on maapotentsiaal. Kas teate, kuidas me nimetame kahte juhtivat plaati, mille vahel on elektriväli? See on kondensaator! Oleme osa laetud kondensaatorist.

Oleme nüüd kondensaator!

Kas teate kondensaatori laadimise ja pinge vahelist seost? Las ma ütlen teile, see on U = Q/C, kus U on pinge, Q on laeng ja C võimsus. Kondensaatori võimsus on pöördvõrdeline selle plaatide kaugusega! See tähendab, et mida suurem on vahemaa, seda väiksem on mahutavus. Mis juhtub siis, kui me pidevalt ratast sisse lülitame, ilma et see maapinnaga kokku puutuks? Suurendame kaugust maapinnast. Seda tehes langeb meie võimekus järsult. Nüüd vaadake uuesti U = Q/C. Kui Q on konstantne ja C väheneb, mis juhtub? Jah, pinge tõuseb! See on väga nutikas viis pinge võimendamiseks, kasutades ainult mehaanilisi vahendeid. Siin pole vaja operatsioonivõimendit, mürafiltreerimist ja statistilist andmetöötlust. See on lihtsalt tark ja lihtne füüsika, mis tõstab meie signaali tasemele, kus signaalitöötlus elektroonikaga muutub lihtsalt igavaks ülesandeks. Kogu selle seadme nutikus sõltub elektrostaatilisest induktsioonist ja kondensaatori efektist!

Mida see tähendab?

Aga mida me täpselt niimoodi võimendasime? Kas meil on nüüd rohkem elektrone? Ei! Kas meil on ikkagi rohkem tasu? Ei! See, mida me võimendasime, on elektronide ENERGIA ja see võimaldab meil kasutada lihtsamaid elektroonilisi ahelaid ja vähem filtreerimist. Nüüd jõudsime oma trajektoori aafelini ja lõpuks võtab laengu kogumine meie pingestatud elektronid ja kogub need laengukoguja kondensaatorisse.

Immuunsus häirete vastu

Kui vaatate videot, näete, et hoolimata tavapärastest häiretest minu kodus on seadme väljundsignaal ühtlane ja praktiliselt müravaba. Kuidas on see võimalik? Noh, ma arvan, et see on sellepärast, et signaal ja häired ei lähe võimendisse eraldi, nagu klassikalises väljaveskis. Minu konstruktsioonis mõjutavad häired kogutud laengut kohe hetkest, mil ühendus maaga katkeb. See tähendab, et iga proovi mõjutavad mingil moel häired. Kuid kuna sellel häirel pole sümmeetriliselt alalisvoolukomponenti, on häire tulemus alati laengukollektori kondensaatoris keskmistatud. Pärast piisavat ketta pööret ja laadimiskollektorisse sisestatud proove on häirete keskmine null. Ma arvan, et see on trikk!

7. samm: testimine

Pärast mõningaid katsetusi, silumist ja täiustamist paigaldasin välivabriku koos oma vana win-xp sülearvutiga pööningule ja tegin proovisõidu umbes ühel päeval. Tulemused visualiseeriti gnuplotiga. Vaadake lisatud andmefaili "e-field-data.dat" ja gnuploti konfiguratsioonifaili "e-field.gp". Tulemuste vaatamiseks käivitage lihtsalt oma sihtsüsteemis gnuplot ja tippige käsk> laadige "e-field.gp"

Vaata pilti, mis näitab tulemusi. See on üsna tähelepanuväärne. Alustasin mõõtmist 2018-10-03, kui meil oli ilus ilm ja sinine taevas. Vaadake, et elektriväli oli päris tugev ja negatiivne, samas kui me peame hoolitsema, sest see, mis on praegu negatiivne ja mis on positiivne, pole mõistlik. Vajame oma seadme kalibreerimist, et see vastaks tegelikule füüsikale. Aga igatahes on näha, et mõõtmistsüklite jooksul vähenes väljatugevus koos ilmastiku halvenemisega ja muutus häguseks ja vihmaks. Olin nende tulemuste üle kuidagi üllatunud, kuid pean siiski kontrollima, kas need on füüsikaga korrelatsioonis.

Nüüd on teie kord. Jätkake ja tehke oma elektrivälja veski ning uurige meie planeedi saladusi omal otsingul! Lõbutse hästi!

8. samm: andmete kogumine ja tõlgendamine

Nüüd, kui kõik töötab (loodetavasti) hästi, peaksite koguma mõned andmed. Ma soovitaksin põlluveski jaoks kasutada kindlat kohta. Vastasel juhul oleks andmeid raske võrrelda. Kohalikud põllu parameetrid võivad kohati väga erineda. Ma seadistasin veski nii, et see võttis iga tunni jooksul ühe mõõtmisväärtuse. Lasin veskil umbes 3 kuud töötada. Kui vaatate graafikuid, mis esitavad novembri 2018, detsembri 2018 ja jaanuari 2019 kuu kogutud andmeid, näete mõningaid tähelepanuväärseid tulemusi.

Esiteks näete, et novembrikuu väljatugevus oli kuu lõpuks vaid positiivne, muutudes negatiivseks. Nii et midagi üldist on ilmselt muutunud, tõenäoliselt vastavalt ilmale. Võib -olla toimus mõistlik temperatuuri langus. Seejärel jäi keskmine signaal mõõtmistsükli lõpuni negatiivseks. Teine asi on see, et signaaligraafikul on mitu naelu, mis näitavad kiireid vaid mõne minuti kestvaid väljamuutusi. Ma ei usu, et atmosfääri muutused selle eest vastutavad. Isegi kohalik ilm sisaldab tohutuid gaasimasse ja liitunud ioone. Ka pilved ja vihm või lumi ei muutu tavaliselt mõne minuti jooksul. Nii et ma arvan, et inimese põhjustatud mõju võis need äkilised muutused põhjustada. Kuid seda on ka raske seletada. Kõik toiteliinide allikad pakuvad ainult vahelduvpinget. See ei võta arvesse alalisvoolu muutusi, mida ma täheldasin. Ma kahtlustan, et minu korteri ees asfaldil möödasõitvate autodega võis toimuda mõningaid elektrilaenguid. Mõeldavad oleksid ka laadimisprotsessid, mida põhjustab tuule poolt kantav tolm ja minu maja näoga kokkupuutumine.