E-Field Mill: 8 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Du ved måske allerede, at jeg er afhængig af enhver form for sensormåling. Jeg har altid ønsket at spore udsvingene i jordens magnetfelt, og jeg var også fascineret af at måle det omgivende elektriske felt på jorden, der opretholdes ved ladningsseparationsprocesser, der finder sted mellem skyerne og jordoverfladen. Hændelser som klar himmel, regn eller tordenvejr har alle en dramatisk indvirkning på det elektriske felt, der omgiver os, og nye videnskabelige fund viser os, at vores helbred afhænger meget af de omkringliggende elektriske felter.

Så det er grunden til, at jeg ville gøre mig selv til en passende måleenhed til statiske elektriske felter. Der findes allerede et ret godt design, også kaldet elektrisk feltmølle, der er meget udbredt. Denne enhed bruger en effekt kaldet elektrostatisk induktion. Dette sker altid, når du udsætter et ledende materiale for et elektrisk felt. Feltet tiltrækker eller afviser de frie elektroner i materialet. Hvis den er forbundet til jord (jordpotentiale), strømmer ladningsbærere ind eller ud af materialet. Efter frakobling af jorden forbliver en ladning på materialet, selvom det elektriske felt forsvinder. Denne ladning kan måles med et voltmeter. Dette er meget groft princippet om måling af statiske elektriske felter.

For et par år siden byggede jeg en markmølle efter planer og skemaer, jeg fandt på internettet. Den består hovedsageligt af en rotor med en slags propel på. Propellen er et dobbelt sæt metalsegmenter, der er jordet. Rotoren drejer rundt om et sæt induktionsplader, der er elektrisk dækket og afdækket af rotoren. Hver gang de afdækkes, forårsager den elektrostatiske induktion af det omgivende elektriske felt en strøm af ladningsbærere. Denne strømning vendes, når rotoren igen dækker induktionspladerne. Det du får er en vekslende mere eller mindre sinusformet strøm, hvilken amplitude er en repræsentation af styrken af det målte felt. Dette er den første fejl. Du får ikke en statisk spænding, der viser feltstyrken, men skal tage amplituden af et vekslende signal, der først skal udbedres. Det andet nummer er endnu mere kedeligt. Markmøllen fungerer temmelig godt i et uforstyrret miljø -siger på den mørke side af månen, når du er langt væk fra strømlinjen, og al denne rigelige elektriske tåge, der trænger ind i vores miljø overalt, hvor vi er. Især 50Hz eller 60Hz strømlinjen brummer forstyrrer direkte det ønskede signal. For at løse dette problem bruger feltmøllen et andet sæt induktionsplader med en anden forstærker, der tager det samme signal med et 90 ° faseskift. I en ekstra operationsforstærker trækkes begge signaler fra hinanden. Fordi de er ude af fase, forbliver en rest af det ønskede signal, og interferensen, der er lig i begge signaler, afbrydes teoretisk. Hvor godt dette virker afhænger af ligheden af interferensen i begge målekredsløb, forstærkerens CMRR og af spørgsmålet om forstærkeren bliver overdrevet eller ej. Hvad der gør situationen endnu mere ubehagelig er, at du omtrent fordobler mængden af hardware bare for at slippe af med interferensen.

Sidste år havde jeg en idé om at overvinde disse problemer med mit eget design. Det er lidt mere arbejde med mekanikeren, men simpelt om elektronik. Som altid er dette ikke en detaljeret trin for trin replikering af komplet enhed. Jeg vil vise dig arbejdsprincipperne for mit design, og du kan ændre det på forskellige måder og tilpasse det til dine egne behov. Efter at have vist dig, hvordan du bygger det, vil jeg forklare, hvordan det fungerer og vise dig resultatet af mine første målinger.

Da jeg fik ideen til denne enhed, var jeg stolt over knoglerne, men som du ved, er arrogance forud for enhver undergang. Ja, det var min egen idé. Jeg udviklede det på egen hånd. Men som altid var der nogen før mig. Adskillelsen af ladninger ved induktion og forstærkning ved hjælp af kondensatoreffekten blev brugt i næsten alle elektrostatiske generatordesign i løbet af de sidste 150 år. Så der er ikke noget særligt ved mit design på trods af, at jeg var den første, der tænkte på at anvende disse begreber til måling af svage elektrostatiske felter. Jeg håber stadig, at jeg en dag bliver berømt.

Trin 1: Liste over materialer og værktøjer

Følgende liste viser nogenlunde, hvilke materialer du skal bruge. Du kan ændre og skræddersy dem, så meget du vil.

• Plader af 4 mm krydsfiner
• træbjælker 10x10mm
• 8 mm aluminiumsrør
• 6 mm aluminiumsstang
• 8 mm plexiglasstang
• 120x160mm enkelt side kobberbelagt PCB
• messing eller kobbertråd 0,2 mm
• et stykke 0,2 mm kobberplade
• loddetin
• lim
• 3 mm skruer og møtrikker
• En 4 mm teststik
• ledende gummirør (indvendig diameter 2 mm) Jeg fik mit fra amazon
• Elektroniske dele i henhold til skematisk (download sektion)
• En 68nF styroflex kondensator som opsamler til opladningerne. Du kan ændre denne værdi på mange måder.
• En kapstanmotor til 6V DC. Disse er motorer, der var specielt designet til diskafspillere og båndoptagere. Deres omdr./min er reguleret! Du kan stadig finde dem på Ebay.
• En 6V/1A strømforsyning.

Dette er de værktøjer, du har brug for

• Loddekolbe
• Arduino udviklingsmiljø på din pc/notebook
• USB-A til B-kabel
• fil eller bedre en drejebænk
• elektrisk bor
• lille summesav eller håndsav
• pincet
• trådskærer

Trin 2: Fremstilling af mekanikken

På det første billede kan du se, at hele designet er baseret på to ark krydsfiner 210 mm x 140 mm i dimension. De er monteret over hinanden, forbundet med 4 stykker træbjælker, der holder dem 50 mm i afstand. Mellem begge ark er motoren og ledningerne indeholdt. Motoren er monteret med to M3 skruer, der er monteret i to 3 mm huller boret gennem det øverste krydsfinerark. Et ark PCB -materiale fungerer som et skjold mod det omgivende elektriske felt. Den er monteret 85 mm over den øverste krydsfinerplade, og dens inderkant slutter lige omkring motorakslen.

Kernekomponenten i denne enhed er en disk. Den har en diameter på 110 mm og er lavet af kobberbelagt PCB -materiale på én side. Jeg brugte en mølle til at skære en rund disk af PCB'et ud. Jeg brugte også en mølle til at skære kobberbelægningen i fire segmenter, der er elektrisk isoleret. Det er også meget vigtigt at skære en ring omkring midten af skiven, hvor motorakslen vil gå igennem. Ellers ville det elektrisk jordet segmenterne! På min drejebænk skærer jeg et lille stykke 6 mm aluminiumsstang på en måde, så det tager et 3 mm hul i bunden med to rektangulære 2, 5 mm huller, der har M3 -gevind skåret i. Den anden ende skærer jeg ned til et lille 3 mm skaft for at passer i diskens midterste hul. Adapteren blev derefter superlimet til bunden af disken. Skivenheden kunne derefter skrues fast på motorakslen.

Så ser du en anden vigtig komponent. Et segment af størrelsen på dem på disken, lavet af 0, 2 mm kobberplade Dette segment er monteret på to plader af krydsfiner. Når disken er monteret, er dette segment meget snævert under den roterende disk. afstanden er cirka 1 mm. Det er vigtigt at holde denne afstand så lille som muligt!

De næste vigtige ting er jordhvalp og ladning. Begge er lavet af aluminiumsrør og stænger med indskårne gevind for at montere dem alle sammen. Du kan foretage enhver form for variation, du kan lide her. Du skal bare have noget ledende, der kører over diskens overflade. Til whiskers prøvede jeg mange materialer. De fleste af dem beskadigede disksegmenterne efter et stykke tid. Endelig fandt jeg et tip i en bog om elektrostatiske enheder. Brug ledende gummislanger! Det skader ikke kobberbelægningen og er slidt og slidt …

Jordhvalken er placeret på et sted på en måde, så den mister kontakt til det underliggende disksegment, når den begynder at afdække jordpladen. Opladningsopsamleren er placeret sådan, at den tager segmentet i midten, når den er i maksimal afstand fra jordpladen. Se, at ladetilførslen er monteret på et stykke plexiglasstang. Dette er vigtigt, fordi vi har brug for en god isolering her. Ellers ville vi have et tab af gebyrer!

Så ser du, at 4 mm teststikket er placeret i "kælderen" af samlingen. Jeg gav denne forbindelse, fordi jeg ikke var sikker på, om jeg skulle bruge en rigtig "jord" -forbindelse eller ej. Under normale forhold har vi at gøre med så lave strømme, at vi alligevel har en iboende forankring. Men måske kommer der et testopsætning i fremtiden, hvor vi måske har brug for det, hvem ved?

Trin 3: Ledningerne

Nu skal du elektrisk forbinde alt, så det fungerer korrekt. Brug messingstråden og loddetøjet sammen følgende dele.

• 4 mm teststik
• Jordhvalken
• Skjoldet
• en ledning i ladningssamlerkondensatoren

Lod den anden ledning af kondensatoren til ladetilførslen.

Trin 4: Lav elektronikken

Følg skemaet for at placere de elektroniske komponenter på et stykke perfboard. Jeg loddet stifthoveder til kanterne af brættet for at forbinde det med Arduino Uno. Kredsløbet er forbandet enkelt. Den indsamlede ladning opsamles ved kondensatoren og føres ind i en højimpedansforstærker, der øger signalet med 100. Signalet filtreres med lavpas og derefter dirigeres ind i en indgang på arduinoens analog-til-digitale konverterindgange. En MOSFET bruges til Arduino til at tænde/slukke diskmotoren.

Det er meget vigtigt at forbinde jorden for den mekaniske samling til den virtuelle jord i det elektroniske kredsløb, hvor R1/R2/C1/C2 mødes! Dette er også grunden til den ladningopsamlende kondensator. Du kan se dette på det sidste billede i dette kapitel,

Trin 5: Softwaren

Der er ikke meget at sige om softwaren. Det er skrevet meget ligetil. Programmet kender nogle kommandoer til at blive konfigureret korrekt. Du kan få adgang til arduinoen, hvis du har Arduino IDE installeret på dit system, fordi du har brug for de virtuelle komportdrivere. Tilslut derefter et USB-kabel til arduinoen og din pc/notebook og brug et terminalprogram som HTerm til at forbinde arduinoen via den emulerede komport med 9600 bauds, ingen paritet og 1 stopbit og CR-LF ved enter.

• "setdate dd-mm-åå" angiver datoen for RTC-modulet, der er forbundet til arduinoen
• "settime hh: mm: ss" indstiller klokkeslættet for RTC-modulet forbundet til arduinoen
• "getdate" udskriver dato og klokkeslæt
• "setintervall 10 … 3600" Indstiller prøvetagningsintervallet i sekunder fra 10s til 1h
• "start" starter målesessionen efter synkronisering med det kommende fulde minut
• "synkronisering" gør det samme, men venter på den kommende hele time
• "stop" stopper målesessionen

Efter at have modtaget "start" eller "synkronisering" og foretaget synkroniseringsopgaver tager applikationen først en prøve for at se, hvor nulpunktet eller bias er. Derefter starter den motoren og venter 8 sekunder på, at omdrejningstallet stabiliserer sig. Derefter tages prøven. Generelt er der en software -gennemsnitsalgoritme, der løbende gennemsyrer prøverne i løbet af de sidste 10 prøver for at undgå fejl. Den tidligere taget nulværdi trækkes nu fra målingen, og resultatet sendes over komporten sammen med dato og klokkeslæt for målingen. Et eksempel på en målesession ser sådan ud:

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 målingerne vises som afbøjninger fra nul målt i cifre, som kan være positive eller negative afhængig af den elektriske fluxs rumlige retning. Selvfølgelig er der en grund til, at jeg besluttede at formatere dataene i kolonner med dato, tid og måleværdier. Dette er det perfekte format til at visualisere dataene med det berømte "gnuplot" program!

Trin 6: Sådan fungerer det

Jeg har lige fortalt dig, at arbejdsprincippet for denne enhed er elektrostatisk induktion. Så hvordan fungerer det i detaljer? Lad os for øjeblikket antage, at vi ville være et af disse segmenter på disken. Vi roterer med en konstant hastighed og bliver konstant udsat for det omgivende elektriske felt og gemmer os derefter igen for strømmen under beskyttelsen af skjoldet. Forestil dig, at vi faktisk ville komme ud af skyggen i marken. Vi ville komme i kontakt med jordforbindelsen. Det elektriske felt ville virke på vores frie elektroner og siger, at feltet ville afvise dem. Fordi vi er jordet, ville der være en mængde elektroner, der flygtede fra os og forsvandt i jorden.

Taber terræn

Nu, mens drejningen af disken fortsætter på et tidspunkt, ville vi miste kontakten til jordhvalken. Nu kan der ikke flygte mere gebyr fra os, men vejen tilbage for de afgifter, der allerede er væk, er også lukket. Så vi står tilbage med mangel på elektroner. Hvis vi kan lide det eller ej, bliver vi debiteret nu! Og vores ladning er proportional med styrken af den elektriske flux.

Hvor meget gebyr har vi?

I løbet af den tid, vi blev udsat for det elektriske felt, mistede vi nogle elektroner. Hvor meget har vi tabt? Godt, for hver elektron vi mistede, steg vores ladning op. Denne ladning genererer et stigende eget elektrisk felt mellem os og jorden. Dette felt er modsat det omgivende, som genererede induktionen. Så tabet af elektroner fortsætter op til det punkt, hvor begge felter er ens og annullerer hinanden! Efter at vi mistede kontakten med jorden, har vi stadig vores eget elektriske felt mod den jordforbundne plade, der har jordpotentiale. Ved du, hvordan vi kalder to ledende plader med et elektrisk felt imellem? Dette er en kondensator! Vi er en del af ladet kondensator.

Vi er en kondensator nu!

Kender du forholdet mellem ladning og spænding på en kondensator? Lad mig fortælle dig, det er U = Q/C, hvor U er spændingen, Q er ladningen og C kapaciteten. Kapaciteten af en kondensator er omvendt proportional med afstanden af dens plader! Det betyder, at jo bredere afstand, jo lavere kapacitet. Hvad sker der nu, mens vi bliver ved med at dreje på hjulet uden kontakt til jorden? Vi øger afstanden til grundpladen. Mens vi gør dette, falder vores kapacitet dramatisk. Se nu igen på U = Q/C. Hvis Q er konstant og C falder, hvad sker der? Ja, spændingen stiger! Dette er en meget smart måde at forstærke spændingen ved blot at anvende mekaniske midler. Du behøver ikke en operationsforstærker, støjfiltrering og statistisk computing her. Det er bare smart og ren fysik, der øger vores signal op til et niveau, hvor signalbehandling med elektronik bare bliver en kedelig opgave. Hele smartheden i denne enhed er afhængig af elektrostatisk induktion og kondensatoreffekten!

Hvad betyder det?

Men hvad boostede vi egentlig på denne måde? Har vi flere elektroner nu? Ingen! Har vi alligevel mere gebyr? Ingen! Det, vi forstærkede, er elektronernes ENERGI, og det er det, der gør os i stand til at bruge enklere elektroniske kredsløb og mindre filtrering. Nu nåede vi til aphelen i vores bane, og til sidst tager ladningsoptagelsen vores energiserede elektroner og samler dem i ladningssamlerkondensatoren.

Immunitet mod interferens

Når du kigger på videoen, vil du se, at på trods af den sædvanlige interferens i mit hjem er enhedens output signal konstant og praktisk talt støjfrit. Hvordan er det muligt? Jeg tror godt, det er fordi signal og interferens ikke går adskilt til forstærkeren som i den klassiske feltmølle. I mit design påvirker interferensen den indsamlede ladning lige fra det øjeblik forbindelsen til jorden er tabt. Det betyder, at hver prøve på en eller anden måde påvirkes af interferens. Men fordi denne interferens ikke har nogen DC-komponent, så længe den er symmetrisk, er interferensresultatet altid gennemsnittet i ladningskollektorkondensatoren. Efter nok skiveomdrejninger og prøver indført i ladningssamleren er gennemsnittet af interferensen nul. Jeg tror, det er tricket!

Trin 7: Test

Efter nogle test, fejlfinding og forbedring installerede jeg feltmøllen sammen med min gamle win-xp notesbog på loftet og lavede et testkørsel cirka en dag. Resultaterne blev visualiseret med gnuplot. Se den vedhæftede datafil "e-field-data.dat" og gnuplot-konfigurationsfilen "e-field.gp". For at se resultaterne skal du bare starte gnuplot på dit målsystem og skrive ved prompten> indlæse "e-field.gp"

Se billedet, der viser resultaterne. Det er ganske bemærkelsesværdigt. Jeg startede målingen den 2018-10-03, da vi havde fint vejr og blå himmel. Se, at det elektriske felt var temmelig stærkt og negativt, mens vi skal passe på, fordi hvad der er "negativt" og hvad "positivt" i øjeblikket ikke er rimeligt specificeret. Vi skulle bruge en kalibrering af vores enhed for at tilpasse sig den virkelige fysik. Men alligevel kan du se, at feltstyrken faldt langs målecyklusserne sammen med, at vejret begyndte at forringes og blive overskyet og regnfuldt. Jeg var på en eller anden måde forbløffet over disse fund, men skal stadig kontrollere, om disse korrelerer med fysik.

Nu er det din tur. Fortsæt og lav din egen elektriske feltmølle, og udforsk hemmelighederne på vores planet på din egen søgen! Hav det sjovt!

Trin 8: Indsamling og fortolkning af data

Da alt (forhåbentlig) fungerer fint, bør du indsamle nogle data. Jeg vil anbefale at bruge et fast sted til markmøllen. Ellers ville dataene være svære at sammenligne. De lokale feltparametre kan variere meget fra sted til sted. Jeg konfigurerede møllen til, at den tog en måleværdi hver time. Jeg lod møllen køre i cirka 3 måneder. Hvis du tager et kig på graferne, der viser de indsamlede data for måneden november 2018, december 2018 og januar 2019, ser du nogle bemærkelsesværdige fund.

Først kan du se, at feltstyrken i november kun var positiv og blev til negativ ved udgangen af måneden. Så noget generelt må have ændret sig, sandsynligvis i henhold til vejret. Måske var der et rimeligt temperaturfald. Så forblev det gennemsnitlige signal negativt indtil slutningen af målecyklussen. Den anden ting er, at der er flere pigge i signaldiagrammet, der angiver hurtige feltændringer, der kun varer nogle minutter. Jeg tror ikke, at ændringer i atmosfæren er ansvarlige for det. Selv det lokale vejr omfatter enorme gasmasser og inkorporerede ioner. Også skyer og raain eller sne ændrer sig normalt ikke inden for få minutter. Så jeg tror, at menneskeskabt indflydelse kan have forårsaget de pludselige ændringer. Men dette er også svært at forklare. Alle strømledningskilder giver kun vekselstrøm. Det tæller ikke med for de DC-ændringer, jeg observerede. Jeg formoder, at der kan have været nogle elektriske ladningsprocesser ved, at biler passerede på asfalten på gaden foran min lejlighed. Tænkeligt ville også være opladningsprocesser forårsaget af støv båret af vind og komme i kontakt med mit hus.