„E-Field Mill“: 8 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:47

Galbūt jau žinote, kad esu priklausomas nuo bet kokių jutiklių matavimo programų. Aš visada norėjau sekti žemės magnetinio lauko svyravimus, o mane taip pat sužavėjo išmatuoti žemės aplinkos elektrinį lauką, kurį palaiko krūvių atskyrimo procesai, vykstantys tarp debesų ir žemės paviršiaus. Įvykiai, tokie kaip giedras dangus, lietus ar perkūnija, daro didžiulį poveikį mus supančiam elektriniam laukui, o naujos mokslinės išvados rodo, kad mūsų sveikata labai priklauso nuo aplinkinių elektrinių laukų.

Taigi, dėl šios priežasties norėjau pasidaryti sau tinkamą matavimo prietaisą statiniams elektriniams laukams. Jau yra vienas gana geras dizainas, taip pat vadinamas elektrinio lauko malūnu, kuris yra plačiai naudojamas. Šis prietaisas naudoja efektą, vadinamą elektrostatine indukcija. Tai visada atsitinka, kai laidžią medžiagą veikiate elektriniame lauke. Laukas pritraukia arba atstumia laisvus medžiagos elektronus. Jei jis prijungtas prie įžeminimo (žemės potencialo), krūvininkai teka į medžiagą arba iš jos. Atjungus žemę, ant medžiagos lieka krūvis, net jei elektrinis laukas išnyksta. Šį krūvį galima išmatuoti voltmetru. Tai labai apytikslis statinių elektrinių laukų matavimo principas.

Prieš keletą metų aš pastatiau lauko malūną pagal planus ir schemas, kurias radau internete. Iš esmės jis susideda iš rotoriaus su tam tikru sraigtu. Sraigtas yra dvigubas metalinių segmentų rinkinys, kuris yra įžemintas. Rotorius sukasi aplink indukcinių plokščių rinkinį, kuris yra elektra padengtas ir atidengtas rotoriaus. Kiekvieną kartą, kai jie atidengiami, aplinkos elektrinio lauko elektrostatinė indukcija sukelia krūvininkų srautą. Šis srautas pasikeičia, kai rotorius vėl uždengia indukcines plokšteles. Tai yra kintama daugiau ar mažiau sinusinė srovė, kurios amplitudė atspindi išmatuoto lauko stiprumą. Tai pirmasis trūkumas. Jūs negaunate statinės įtampos, rodančios lauko stiprumą, bet turite paimti kintamojo signalo amplitudę, kuri pirmiausia turi būti ištaisyta. Antrasis klausimas yra dar varginantis. Lauko malūnas veikia gana gerai netrikdomoje aplinkoje -sako vietos tamsoje mėnulio pusėje, kai esate toli nuo elektros linijos dūzgimo ir viso to gausaus elektros rūko, kuris skverbiasi į mūsų aplinką visur, kur esame. Ypač 50 Hz arba 60 Hz elektros linijos dūzgimas tiesiogiai trukdo norimam signalui. Norėdami išspręsti šią problemą, lauko malūnas naudoja antrą indukcinių plokščių rinkinį su kitu stiprintuvu, kuris priima tą patį signalą su 90 ° fazės poslinkiu. Papildomame operaciniame stiprintuve abu signalai atimami vienas nuo kito. Kadangi jie nėra fazėje, likusi norimo signalo dalis išlieka, o abiejų signalų trukdžiai teoriškai panaikinami. Ar tai gerai veikia, priklauso nuo abiejų matavimo grandinių trukdžių, stiprintuvo CMRR ir nuo to, ar stiprintuvas bus perjungtas, ar ne. Padaryti situaciją dar labiau nepatogu yra tai, kad apytiksliai padvigubinote aparatūros kiekį, kad atsikratytumėte trukdžių.

Praėjusiais metais turėjau idėją įveikti šias problemas savo dizainu. Tai šiek tiek daugiau darbo su mechaniku, bet paprasta elektronikos klausimu. Kaip visada, tai nėra išsamus viso įrenginio kopijavimas žingsnis po žingsnio. Aš jums parodysiu savo dizaino darbo principus, o jūs galite jį pakeisti įvairiais būdais ir pritaikyti savo poreikiams. Parodęs, kaip jį sukurti, paaiškinsiu, kaip jis veikia, ir parodysiu pirmųjų matavimų rezultatus.

Kai sugalvojau šį įrenginį, didžiavausi iki kaulų smegenų, tačiau, kaip žinote, arogancija yra prieš bet kokį žlugimą. Taip, tai buvo mano paties idėja. Aš ją sukūriau pati. Bet kaip visada prieš mane buvo kažkas. Įkrovimų atskyrimas indukcijos ir stiprinimo būdu naudojant kondensatoriaus efektą buvo naudojamas beveik kiekvienoje elektrostatinio generatoriaus konstrukcijoje per pastaruosius 150 metų. Taigi mano dizaine nėra nieko ypatingo, nepaisant to, kad aš buvau pirmasis, kuris sumanė pritaikyti šias sąvokas silpniems elektrostatiniams laukams matuoti. Aš vis dar tikiuosi, kad vieną dieną būsiu garsus.

1 žingsnis: medžiagų ir įrankių sąrašas

Toliau pateiktame sąraše rodoma, kokių medžiagų jums reikės. Galite juos keisti ir pritaikyti tiek, kiek norite.

• Lakštai iš 4 mm faneros
• medinės sijos 10x10 mm
• 8 mm aliuminio vamzdis
• 6 mm aliuminio strypas
• 8 mm plexiglass strypas
• 120x160 mm vienpusis variu padengtas PCB
• žalvario arba vario viela 0,2 mm
• 0,2 mm vario lakšto gabalas
• lituoklis
• klijai
• 3 mm varžtai ir veržlės
• 4 mm bandymo lizdas
• laidus guminis vamzdis (vidinis skersmuo 2 mm) Aš gavau savo iš „Amazon“
• Elektroninės dalys pagal schemą (parsisiųsti skyrius)
• 68nF styroflex kondensatorius kaip įkroviklių surinkėjas. Šią vertę galite pakeisti įvairiais būdais.
• Variklis 6V DC. Tai varikliai, specialiai sukurti diskų grotuvams ir magnetofonams. Jų apsisukimų dažnis yra reguliuojamas! Vis dar galite juos rasti „Ebay“.
• 6V/1A maitinimo šaltinis.

Tai yra įrankiai, kurių jums reikia

• Lituoklis
• „Arduino“kūrimo aplinka jūsų kompiuteryje/nešiojamajame kompiuteryje
• USB-A-B kabelis
• failas arba geriau tekinimo staklės
• Elektrinis grąžtas
• mažas buzz pjūklas arba rankinis pjūklas
• pincetas
• vielos pjaustytuvas

2 žingsnis: sukurkite mechaniką

Pirmame paveikslėlyje matote, kad visas dizainas yra pagrįstas dviem 210 mm x 140 mm faneros lakštais. Jie yra sumontuoti vienas virš kito, sujungti 4 medinių sijų gabalėliais, todėl jie yra 50 mm atstumu. Tarp abiejų lakštų yra variklis ir laidai. Variklis sumontuotas dviem M3 varžtais, pritvirtintais prie dviejų 3 mm skylių, išgręžtų per viršutinį faneros lakštą. PCB medžiagos lapas veikia kaip skydas nuo aplinkos elektrinio lauko. Jis sumontuotas 85 mm virš viršutinio faneros lakšto, o jo vidinis kraštas baigiasi aplink variklio veleną.

Pagrindinis šio įrenginio komponentas yra diskas. Jis yra 110 mm skersmens ir pagamintas iš vienos pusės variu padengtos PCB medžiagos. Aš naudoju malūną, norėdamas iškirpti apvalų PCB diską. Aš taip pat naudojau malūną, kad supjaustyčiau vario dangą į keturis segmentus, kurie yra izoliuoti elektra. Taip pat labai svarbu išpjauti žiedą disko viduryje, kur eis variklio velenas. Priešingu atveju segmentai būtų elektriškai įžeminti! Ant savo tekinimo staklių aš supjaustiau nedidelį 6 mm aliuminio strypo gabalėlį taip, kad jo apačioje būtų 3 mm skylė su dviem stačiakampėmis 2, 5 mm skylėmis, kuriose būtų įpjauti M3 sriegiai. Kitas galas supjaustau iki mažo 3 mm ašies tilptų į vidurinę disko angą. Tada adapteris buvo labai priklijuotas prie disko apačios. Tada disko mazgas gali būti prisukamas prie variklio veleno.

Tada pamatysite kitą svarbų komponentą. Disko dydžio segmentas, pagamintas iš 0, 2 mm vario lakšto Šis segmentas montuojamas ant dviejų faneros lakštų. Kai diskas yra sumontuotas, šis segmentas yra labai siaurai po besisukančiu disku. atstumas yra tik apie 1 mm. Svarbu, kad šis atstumas būtų kuo mažesnis!

Kitas svarbus dalykas yra antžeminis ūsas ir įkrovos surinkimas. Abu yra pagaminti iš aliuminio vamzdžio ir strypų su supjaustytais sriegiais, kad juos visus būtų galima pritvirtinti. Čia galite atlikti bet kokį jums patinkantį variantą. Jums tiesiog reikia kažko laidžiojo, einančio per disko paviršių. Dėl ūsų išbandžiau daug medžiagų. Dauguma jų po kurio laiko sugadino disko segmentus. Galiausiai knygoje radau užuominą apie elektrostatinius prietaisus. Naudokite laidžius guminius vamzdžius! Tai nepažeidžia vario dangos ir nusidėvi …

Įžemintas ūsas dedamas į vietą taip, kad pradėjus atskleisti įžeminimo plokštę, jis praranda kontaktą su po juo esančiu disko segmentu. Įkroviklis imamas taip, kad segmentas būtų per vidurį, kai jis yra maksimaliu atstumu nuo įžeminimo plokštės. Įsitikinkite, kad įkroviklis yra sumontuotas ant organinio stiklo strypo. Tai svarbu, nes čia reikia geros izoliacijos. Priešingu atveju mes prarastume mokesčius!

Tada matote, kad 4 mm bandymo lizdas yra sumontuotas „rūsyje“. Pateikiau šį ryšį, nes nebuvau tikras, ar man reikės tikro „antžeminio“ryšio, ar ne. Normaliomis sąlygomis susiduriame su tokiomis mažomis srovėmis, kad vis tiek turime vidinį įžeminimą. Bet gal ateityje bus bandomoji sąranka, kur mums to gali prireikti, kas žino?

3 žingsnis: laidai

Dabar jūs turite viską elektra sujungti, kad jis tinkamai veiktų. Toliau nurodytas dalis naudokite žalvarinę vielą ir lydmetalį.

• 4 mm bandymo kištukas
• Žemės ūsas
• Skydas
• vienas įkrovimo kondensatoriaus laidas

Lituokite antrąjį kondensatoriaus laidą prie įkroviklio.

4 žingsnis: Elektronikos gamyba

Laikykitės schemos, kad elektroninius komponentus padėtumėte ant plokštės. Prie plokštės kraštų lituodavau kaiščių antraštes, kad sujungčiau ją su „Arduino Uno“. Grandinė yra velniškai paprasta. Surinktas krūvis paimamas iš kondensatoriaus ir paduodamas į didelės varžos stiprintuvą, kuris padidina signalą 100. Signalas filtruojamas žemo dažnio ir tada nukreipiamas į vieną „arduino“analoginio-skaitmeninio keitiklio įvesties įvestį. „Arduino“naudojamas MOSFET disko varikliui įjungti/išjungti.

Labai svarbu mechaninio mazgo įžeminimą prijungti prie virtualios elektroninės grandinės įžeminimo vietos, kur susitinka R1/R2/C1/C2! Tai taip pat yra krūvio surinkimo kondensatoriaus pagrindas. Tai galite pamatyti paskutinėje šio skyriaus nuotraukoje,

5 žingsnis: programinė įranga

Apie programinę įrangą nėra daug ką pasakyti. Tai parašyta labai tiesiai. Programa žino kai kurias komandas tinkamai sukonfigūruoti. Galite pasiekti „arduino“, jei jūsų sistemoje yra įdiegtas „Arduino IDE“, nes jums reikia virtualių suderinamumo tvarkyklių. Tada prijunkite USB kabelį prie „arduino“ir savo kompiuterio/nešiojamojo kompiuterio ir naudokite terminalo programą, pvz., „HTerm“, kad prijungtumėte „arduino“per emuliuotą jungtį su 9600 baudų, be pariteto ir 1 „stopbit“ir „CR-LF“.

• „setdate dd-mm-yy“nustato RTC modulio, prijungto prie arduino, datą
• „setime hh: mm: ss“nustato RTC modulio, prijungto prie arduino, laiką
• „getdate“spausdina datą ir laiką
• "setintervall 10… 3600" Nustato mėginių ėmimo intervalą per kelias sekundes nuo 10s iki 1h
• „start“pradeda matavimo seansą po sinchronizavimo su artėjančia visa minute
• „sync“daro tą patį, bet laukia artėjančios visos valandos
• „stop“sustabdo matavimo seansą

Gavusi „pradėti“arba „sinchronizuoti“ir atlikusi sinchronizavimo veiksmus, programa pirmiausia paima pavyzdį, kad pamatytų, kur yra nulinis taškas arba šališkumas. Tada jis paleidžia variklį ir laukia 8 s, kol apsisukimų dažnis stabilizuosis. Tada imamas mėginys. Paprastai yra programinės įrangos vidurkio nustatymo algoritmas, kuris nuolat vidurkina paskutinių 10 mėginių pavyzdžius, kad būtų išvengta trikdžių. Anksčiau paimta nulinė vertė dabar atimama iš matavimo, o rezultatas siunčiamas per skyrių kartu su matavimo data ir laiku. Matavimo seanso pavyzdys atrodo taip:

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

Taigi, matavimai rodomi kaip nukrypimai nuo nulio, išmatuoti skaitmenimis, kurie gali būti teigiami rūdos neigiami, atsižvelgiant į elektros srauto erdvinę kryptį. Žinoma, yra priežastis, kodėl nusprendžiau suformatuoti duomenis datos, laiko ir matavimo verčių stulpeliuose. Tai puikus formatas duomenims vizualizuoti naudojant garsiąją „gnuplot“programą!

6 veiksmas: kaip tai veikia

Aš ką tik jums pasakiau, kad šio prietaiso veikimo principas yra elektrostatinė indukcija. Taigi, kaip tai veikia išsamiai? Tarkime, kad mes būsime vienas iš tų disko segmentų. Mes sukamės pastoviu greičiu, nuolat veikiami aplinkos elektrinio lauko ir vėl slepiamės nuo srauto, apsaugodami skydą. Įsivaizduokite, kad iš tikrųjų išeisime iš šešėlio į lauką. Mes susisieksime su įžeminimo ūsu. Elektrinis laukas veiktų mūsų laisvuosius elektronus ir leistų pasakyti, kad laukas juos atstumtų. Kadangi mes esame įžeminti, daugybė elektronų bėgs nuo mūsų ir išnyks žemėje.

Žemės praradimas

Dabar, kol diskas sukasi tam tikru momentu, mes prarasime kontaktą su žemės ūsu. Dabar nuo mūsų nebegalima bėgti, bet kelias atgal už jau išleistus kaltinimus taip pat uždarytas. Taigi mes esame atsilikę nuo elektronų trūkumo. Jei mums tai patinka ar ne, dabar esame apmokestinti! Ir mūsų krūvis yra proporcingas elektros srauto stiprumui.

Kiek mes turime mokestį?

Per tą laiką, kai susidūrėme su elektriniu lauku, praradome kai kuriuos elektronus. Kiek mes praradome? Na, su kiekvienu prarastu elektronu mūsų krūvis pakilo. Šis krūvis sukuria kylantį elektrinį lauką tarp mūsų ir žemės. Šis laukas yra priešingas aplinkai, kuri sukėlė indukciją. Taigi elektronų praradimas tęsiasi iki taško, kai abu laukai yra vienodi ir panaikina vienas kitą! Praradę ryšį su žeme, mes vis dar turime savo elektrinį lauką prieš įžemintą plokštę, turinčią žemės potencialą. Ar žinote, kaip mes vadiname dvi laidžias plokštes su elektriniu lauku? Tai yra kondensatorius! Mes esame įkrauto kondensatoriaus dalis.

Dabar mes esame kondensatorius!

Ar žinote ryšį tarp įkrovimo ir įtampos kondensatoriuje? Leiskite man jums pasakyti, tai yra U = Q/C, kur U yra įtampa, Q yra krūvis ir C talpa. Kondensatoriaus talpa yra atvirkščiai proporcinga jo plokščių atstumui! Tai reiškia, kad kuo didesnis atstumas, tuo mažesnė talpa. Kas atsitiks, kai mes ir toliau sukame ratą be sąlyčio su žeme? Mes didiname atstumą iki įžeminimo plokštės. Kol tai darome, mūsų pajėgumai smarkiai sumažėja. Dabar pažvelk į U = Q/C. Jei Q yra pastovus, o C mažėja, kas atsitiks? Taip, įtampa kyla! Tai labai protingas būdas padidinti įtampą tik naudojant mechanines priemones. Čia jums nereikia operacinio stiprintuvo, triukšmo filtravimo ir statistinio skaičiavimo. Tai tiesiog protinga ir paprasta fizika, kuri padidina mūsų signalą iki tokio lygio, kad signalų apdorojimas naudojant elektroniką tampa nuobodžia užduotimi. Visas šio prietaiso sumanumas priklauso nuo elektrostatinės indukcijos ir kondensatoriaus efekto!

Ką tai reiškia?

Bet ką tiksliai mes taip sustiprinome? Ar dabar turime daugiau elektronų? Ne! Ar vis tiek turime daugiau mokesčių? Ne! Mes padidinome elektronų ENERGIJĄ ir tai leidžia mums naudoti paprastesnes elektronines grandines ir mažiau filtruoti. Dabar mes pasiekėme savo trajektorijos aferą ir pagaliau įkrovimo imtuvas paima mūsų įkrautus elektronus ir surenka juos į krūvio kolektoriaus kondensatorių.

Imunitetas nuo trukdžių

Pažiūrėję į vaizdo įrašą pamatysite, kad, nepaisant įprastų trukdžių mano namuose, prietaiso išvesties signalas yra pastovus ir praktiškai be triukšmo. Kaip tai įmanoma? Na, aš manau, kad tai yra todėl, kad signalas ir trukdžiai nėra skirtingi keliai iki stiprintuvo, kaip klasikiniame lauko malūne. Mano konstrukcijoje trukdžiai daro įtaką surinktam mokesčiui nuo to momento, kai prarandamas ryšys su žeme. Tai reiškia, kad kiekvienas mėginys tam tikru būdu yra veikiamas trukdžių. Tačiau kadangi šie trukdžiai neturi nuolatinės srovės komponento, kol jie yra simetriški, trukdžių rezultatas visada apskaičiuojamas vidutiniškai įkrovimo kolektoriaus kondensatoriuje. Po pakankamai disko apsisukimų ir įkrovimo kolektoriuje paduotų mėginių trukdžių vidurkis yra lygus nuliui. Manau, kad tai triukas!

7 žingsnis: bandymas

Po tam tikrų bandymų, derinimo ir patobulinimų aš sumontavau lauko malūną kartu su savo senu „win-xp“nešiojamu kompiuteriu savo palėpėje ir apytiksliai vieną dieną atlikau bandomąjį važiavimą. Rezultatai buvo vizualizuoti naudojant „gnuplot“. Žiūrėkite pridėtą duomenų failą „e-field-data.dat“ir „gnuplot“konfigūracijos failą „e-field.gp“. Norėdami peržiūrėti rezultatus, tiesiog paleiskite „gnuplot“savo tikslinėje sistemoje ir įveskite eilutėje> įkelti „e-field.gp“

Žiūrėkite paveikslėlį, rodantį rezultatus. Tai gana įspūdinga. Matavimą pradėjau 2018-10-03, kai buvo geras oras ir mėlynas dangus. Pažiūrėkite, kad elektrinis laukas buvo gana stiprus ir neigiamas, tuo tarpu turime pasirūpinti, nes tai, kas šiuo metu yra „neigiama“ir „teigiama“, nėra pagrįsta. Mums reikės mūsų prietaiso kalibravimo, kad jis atitiktų tikrąją fiziką. Bet kokiu atveju matote, kad per matavimo ciklus lauko stiprumas sumažėjo, oras pradėjo blogėti ir tapo drumstas ir lietingas. Aš kažkaip nustebau dėl tų išvadų, bet vis tiek turiu patikrinti, ar jie koreliuoja su fizika.

Dabar tavo eilė. Eikite ir sukurkite savo elektrinio lauko malūną ir tyrinėkite mūsų planetos paslaptis! Pasilinksmink!

8 veiksmas: duomenų rinkimas ir aiškinimas

Dabar, kai viskas (tikiuosi) gerai, turėtumėte surinkti tam tikrus duomenis. Aš rekomenduočiau lauko malūnui naudoti fiksuotą vietą. Priešingu atveju duomenis būtų sunku palyginti. Vietiniai lauko parametrai gali labai skirtis. Aš sukonfigūravau malūną, kad kas valandą reiktų vienos matavimo vertės. Leidau malūnui veikti apie 3 mėnesius. Jei pažvelgsite į diagramas, kuriose pateikiami surinkti 2018 m. Lapkričio, 2018 m. Gruodžio ir 2019 m. Sausio mėnesio duomenys, pamatysite keletą puikių išvadų.

Pirmiausia matote, kad lauko stiprumas lapkritį buvo tik teigiamas, o mėnesio pabaigoje jis tapo neigiamas. Taigi kažkas bendro turėjo pasikeisti, greičiausiai atsižvelgiant į orą. Galbūt buvo pagrįstas temperatūros kritimas. Tada vidutinis signalas iki matavimo ciklo pabaigos išliko neigiamas. Antras dalykas yra tai, kad signalo grafike yra keletas šuolių, rodančių greitus lauko pokyčius, trunkančius tik keletą minučių. Nemanau, kad atmosferos pokyčiai už tai atsakingi. Net vietiniai orai apima didžiulę dujų masę ir įtrauktus jonus. Taip pat debesys, lietus ar sniegas paprastai nepasikeičia per kelias minutes. Taigi manau, kad žmogaus įtaka galėjo sukelti tuos staigius pokyčius. Tačiau tai taip pat sunku paaiškinti. Visi elektros linijų šaltiniai teikia tik kintamosios srovės įtampą. Tai neįskaičiuojama į pastebėtus nuolatinės srovės pokyčius. Įtariu, kad priešais mano butą gatvės asfaltu važiuojantys automobiliai galėjo įveikti kai kuriuos elektros įkrovimo procesus. Taip pat būtų galima pagalvoti apie įkrovimo procesus, kuriuos sukelia vėjo nešamos dulkės ir kontaktas su mano namo veidu.