E-Field malom: 8 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Lehet, hogy már tudja, hogy bármilyen érzékelőmérő alkalmazás rabja vagyok. Mindig szerettem volna nyomon követni a Föld mágneses térének ingadozásait, és engem is lenyűgözött a föld környezeti elektromos mezőjének mérése, amelyet a felhők és a föld felszíne közötti töltéselkülönítési folyamatok tartanak fenn. Az olyan események, mint a tiszta ég, az eső vagy a zivatar, drámai hatással vannak a minket körülvevő elektromos mezőre, és az új tudományos eredmények azt mutatják, hogy egészségünk nagymértékben függ a környező elektromos mezőktől.

Tehát ezért akartam magamnak megfelelő mérőeszközt készíteni a statikus elektromos mezőkhöz. Már létezik egy nagyon jó kivitel, amelyet elektromos mezőmalomnak is neveznek, és amelyet széles körben használnak. Ez az eszköz elektrosztatikus indukciónak nevezett effektust használ. Ez mindig akkor történik, amikor egy vezető anyagot elektromos mezőnek tesz ki. A mező vonzza vagy taszítja az anyagban lévő szabad elektronokat. Ha földhöz van csatlakoztatva (földpotenciál), akkor az anyagba be- vagy kiáramló töltéshordozók áramlanak. A föld leválasztása után töltés marad az anyagon, még akkor is, ha az elektromos mező eltűnik. Ez a töltés voltmérővel mérhető. Ez nagyjából a statikus elektromos mezők mérésének elve.

Néhány évvel ezelőtt építettem egy szántóföldi malmot az interneten talált tervek és rajzok alapján. Elsősorban egy rotorból áll, amelyen valamilyen propeller van. A légcsavar földelt fémszegmensek ikerkészlete. A rotor megfordul az indukciós lemezek halmaza körül, amelyeket a rotor elektromosan lefed és lefed. A környezeti elektromos mező elektrosztatikus indukciója minden feltáráskor töltéshordozók áramlását okozza. Ez az áramlás megfordul, amikor a rotor ismét lefedi az indukciós lemezeket. Egy váltakozó többé -kevésbé szinuszos áramot kapunk, amelynek amplitúdója a mért mező erősségét mutatja. Ez az első hiba. Nem statikus feszültséget kap, amely a térerőt mutatja, hanem egy váltakozó jel amplitúdóját kell felvennie, amelyet először ki kell javítani. A második kérdés még unalmasabb. A szántóföldi malom nagyon jól működik zavartalan környezetben -mondják a Hold sötét oldalán, amikor messze tartózkodik az elektromos vezeték zümmögésétől és ettől a bőséges elektromos ködtől, amely mindenhol behatol a környezetünkbe. Különösen az 50 Hz -es vagy 60 Hz -es hálózati vezeték zúgása zavarja közvetlenül a kívánt jelet. Ennek a problémának a kezelésére a terepi malom egy második indukciós lemezkészletet használ egy másik erősítővel, amely ugyanazt a jelet veszi 90 ° -os fáziseltolódással. Egy kiegészítő műveleti erősítőben mindkét jelet kivonják egymástól. Mivel a fázison kívül esnek, a kívánt jel maradéka megmarad, és az interferencia, amely mindkét jelben egyenlő, elméletileg megszűnik. Az, hogy ez mennyire működik, függ az interferencia egyenlőségétől mindkét mérési áramkörben, az erősítő CMRR -jétől és attól a kérdéstől, hogy az erősítőt túlhajtják -e vagy sem. A helyzetet még kellemetlenebbé teszi, hogy nagyjából megduplázta a hardver mennyiségét, csak hogy megszabaduljon az interferenciától.

Tavaly volt egy ötletem, hogy saját tervezéssel leküzdjem ezeket a problémákat. Ez egy kicsit több munka a szerelőn, de egyszerű az elektronika területén. Mint mindig, ez nem a teljes eszköz részletes, lépésről lépésre történő replikálása. Megmutatom a tervezés működési elveit, és megváltoztathatja azt különböző módokon, és személyre szabhatja saját igényeinek megfelelően. Miután bemutatta, hogyan kell felépíteni, elmagyarázom, hogyan működik, és megmutatom az első méréseim eredményét.

Amikor eszembe jutott ez a készülék, csontig büszke voltam, de mint tudják, az arrogancia minden bukást megelőz. Igen, ez a saját ötletem volt. Saját erőből fejlesztettem. De mint mindig, volt valaki előttem. Az elmúlt 150 évben szinte minden elektrosztatikus generátor kialakításánál használták a töltések indukcióval és erősítéssel történő szétválasztását a kondenzátorhatás segítségével. Tehát semmi különös nincs a tervezésemben annak ellenére, hogy én voltam az első, aki ezen a koncepción gondolkodott a gyenge elektrosztatikus mezők mérésére. Még mindig remélem, hogy egyszer híres leszek.

1. lépés: Az anyagok és eszközök listája

A következő lista nagyjából bemutatja, hogy milyen anyagokra lesz szüksége. Ezeket megváltoztathatja és személyre szabhatja, amennyit csak akar.

• 4 mm -es rétegelt lemez
• fagerendák 10x10mm
• 8 mm -es alumínium cső
• 6 mm -es alumínium rúd
• 8 mm -es plexi rúd
• 120x160 mm egyoldalas rézbevonatú NYÁK
• sárgaréz vagy rézhuzal 0,2 mm
• egy darab 0,2 mm -es rézlemez
• forrasztani
• ragasztó
• 3 mm -es csavarok és anyák
• 4 mm -es tesztaljzat
• vezetőképes gumi cső (belső átmérő 2mm) az enyémet az Amazon -tól kaptam
• Elektronikus alkatrészek a vázlat szerint (letöltési rész)
• 68nF -es styroflex kondenzátor a töltések gyűjtőjeként. Ezt az értéket széles körben módosíthatja.
• Kapcsolómotor 6V DC -hez. Ezeket a motorokat kifejezetten lemezlejátszókhoz és magnókhoz tervezték. A fordulatszámuk szabályozott! Még mindig megtalálod őket az Ebay -en.
• 6V/1A tápegység.

Ezek a szükséges eszközök

• Forrasztópáka
• Arduino fejlesztői környezet a PC -n/notebookon
• USB-A-B kábel
• reszelő vagy jobb eszterga
• elektromos fúró
• kis buzz fűrész vagy kézi fűrész
• csipesz
• drótvágó

2. lépés: A mechanika elkészítése

Az első képen látható, hogy a teljes kivitel két 210 mm x 140 mm méretű rétegelt lemezlapon alapul. Egymás fölé vannak szerelve, 4 darab fagerendával összekötve, amelyek 50 mm távolságot tartanak. Mindkét lap között a motor és a vezetékek találhatók. A motor két M3 csavarral van felszerelve, amelyek két 3 mm -es lyukba illeszkednek a felső rétegelt lemezből. Egy PCB -anyaglap védőpajzsként működik a környezeti elektromos mező ellen. 85 mm -rel a felső rétegelt lemez fölé van szerelve, és belső széle éppen a motor tengelye körül ér véget.

Ennek az eszköznek a fő összetevője egy lemez. Átmérője 110 mm, és egyoldalas rézbevonatú PCB anyagból készül. Malom segítségével kivágtam a PCB kerek korongját. A malom segítségével négy részre vágtam a rézbevonatot, amelyek elektromosan szigeteltek. Az is nagyon fontos, hogy a tárcsa közepén gyűrűt vágjunk, ahol a motor tengelye áthalad. Ellenkező esetben elektromosan földelné a szegmenseket! Esztergagépemen egy 6 mm -es alumínium rudat vágtam le úgy, hogy az alján 3 mm -es lyukat vegyen, két téglalap alakú, 2, 5 mm -es lyukkal, amelyekbe M3 menet van bevésve. A másik végét egy 3 mm -es kis tengelyre vágtam illeszkedjen a lemez középső lyukába. Az adaptert ezután a lemez aljára ragasztották. A tárcsa szerelvényt ezután a motor tengelyére lehet csavarozni.

Akkor lát egy másik fontos összetevőt. A lemezen lévők mérete 0,2 mm -es rézlemezből Ez a szegmens két rétegelt lemezre van felszerelve. Amikor a lemezt szerelik, ez a szegmens nagyon keskenyen van a forgó tárcsa alatt. a távolság csak 1 mm. Fontos, hogy ezt a távolságot a lehető legkisebbre tartsuk!

A következő fontos dolgok a földi bajusz és a töltésfelvétel. Mindkettő alumínium csőből és rúdból áll, amelyek menetbe vannak vágva, hogy mindegyiket össze lehessen szerelni. Itt bármilyen tetszés szerinti variációt elvégezhet. Csak valami vezetőképes kell a lemez felületén. A bajuszhoz sok anyagot próbáltam. Legtöbbjük egy idő után károsította a lemezszegmenseket. Végül találtam egy tippet egy könyvben az elektrosztatikus eszközökről. Használjon vezető gumi csövet! Nem károsítja a rézbevonatot, elhasználódik…

A földi bajuszt olyan helyre kell helyezni, amely elveszíti a kapcsolatot az alatta lévő lemezszegmenssel, amikor elkezdi feltárni a földelőlemezt. A töltésfelvevő úgy van elhelyezve, hogy középen veszi a szegmenst, amikor a maximális távolságra van a földelőlemeztől. Győződjön meg arról, hogy a töltésfelvevő egy plexi rúddarabra van szerelve. Ez azért fontos, mert itt jó szigetelésre van szükségünk. Ellenkező esetben veszteségeket szenvedünk el!

Ezután látja, hogy a 4 mm -es tesztaljzat a szerelvény "alagsorában" van elhelyezve. Azért adtam ezt a kapcsolatot, mert nem voltam biztos abban, hogy szükségem lesz -e valódi "földi" kapcsolatra vagy sem. Normál körülmények között olyan alacsony áramokkal van dolgunk, hogy amúgy is belső földelésünk van. De talán lesz olyan tesztbeállítás a jövőben, ahol szükségünk lehet rá, ki tudja?

3. lépés: A huzalozás

Most mindent össze kell kapcsolnia elektromosan, hogy megfelelően működjön. Használja a sárgaréz drótot és a forrasztást a következő részekkel együtt.

• 4 mm -es tesztdugó
• A földi bajusz
• A pajzs
• a töltésgyűjtő kondenzátor egyik vezetéke

Forrasztja a kondenzátor 2. vezetékét a töltésfelvevőhöz.

4. lépés: Az elektronika elkészítése

Kövesse a vázlatot, és helyezze az elektronikus alkatrészeket egy darab deszkára. A csapok fejét forrasztottam a tábla széleire, hogy összekapcsolhassam az Arduino Unóval. Az áramkör rohadtul egyszerű. Az összegyűjtött töltést a kondenzátor veszi fel, és egy nagy impedanciájú erősítőbe táplálja, amely 100-zal növeli a jelet. A jelet aluláteresztő szűréssel, majd az arduino analóg-digitális átalakító bemenetének egyik bemenetére vezeti. MOSFET -et használnak az Arduino -hoz a lemezmotor be- és kikapcsolásához.

Nagyon fontos, hogy a szerelőegység földjét csatlakoztassa az elektronikus áramkör virtuális földeléséhez, ahol az R1/R2/C1/C2 találkozik! Ez a töltésgyűjtő kondenzátor talaja is. Ezt a fejezet utolsó képén láthatja,

5. lépés: A szoftver

Nincs sok mondanivaló a szoftverről. Nagyon egyértelműen van megírva. Az alkalmazás ismer néhány parancsot a megfelelő konfiguráláshoz. Hozzáférhet az arduino -hoz, ha az Arduino IDE telepítve van a rendszerre, mert szüksége van a virtuális komport illesztőprogramokra. Ezután csatlakoztasson egy USB-kábelt az arduino-hoz és a számítógépéhez/notebookjához, és használjon egy terminálprogramot, például a HTerm-et, hogy csatlakoztassa az arduino-t az emulált porton keresztül, 9600 bauddal, paritás nélkül, 1 stopbit és CR-LF belépéssel.

• "setdate dd-mm-yy" beállítja az arduino-hoz csatlakoztatott RTC-modul dátumát
• "settime hh: mm: ss" állítja be az arduino-hoz csatlakoztatott RTC-modul idejét
• A "getdate" dátumot és időt nyomtat
• "setintervall 10… 3600" Beállítja a mintavételi intervallumot másodpercben 10 másodperc és 1 óra között
• A "start" elindítja a mérési munkamenetet a következő teljes percre való szinkronizálás után
• A "sync" ugyanezt teszi, de várja a közelgő teljes órát
• A "stop" leállítja a mérést

Az "indítás" vagy "szinkronizálás" fogadása és a szinkronizálás elvégzése után az alkalmazás először mintát vesz, hogy megtudja, hol van a nulla pont vagy az elfogultság. Ezután elindítja a motort, és 8 másodpercet vár, amíg a fordulatszám stabilizálódik. Ezután a mintát veszik. Általában létezik egy szoftverátlagoló algoritmus, amely folyamatosan átlagolja a mintákat az utolsó 10 mintában, hogy elkerülje a hibákat. A korábban vett nulla értéket levonjuk a mérésből, és az eredményt a mérési dátummal és idővel együtt elküldjük a porton. Egy példa a mérési munkamenetre így néz ki:

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

Tehát a mérések a nullától való eltérésekként jelennek meg számjegyekkel mérve, amelyek pozitív érces negatívak lehetnek az elektromos fluxus térbeli irányától függően. Természetesen megvan az oka annak, hogy úgy döntöttem, hogy az adatokat dátum, idő és mérési érték oszlopokban formázom. Ez a tökéletes formátum az adatok megjelenítéséhez a híres "gnuplot" programmal!

6. lépés: Hogyan működik?

Most mondtam, hogy ennek az eszköznek az elve az elektrosztatikus indukció. Tehát hogyan működik részletesen? Tegyük fel, hogy egy pillanatra mi leszünk a lemez egyik szegmense. Állandó sebességgel forogunk, folyamatosan kitéve a környezeti elektromos mezőnek, majd újra elrejtőzünk a fluxus elől a pajzs védelme alatt. Képzeld el, hogy valójában kijutnánk az árnyékból a mezőre. Kapcsolatba lépnénk a földelő bajusszal. Az elektromos mező hatna a szabad elektronjainkra, és azt mondanánk, hogy a mező taszítja őket. Mivel földeltek vagyunk, rengeteg elektron menekül el tőlünk, és eltűnik a földön.

Talajvesztés

Most, míg a korong forgatása valamikor folytatódik, elveszítjük a kapcsolatot a földi bajusszal. Most már több vád sem menekülhet előlünk, de a már eltűnt vádakhoz vezető visszaút is le van zárva. Tehát lemaradunk az elektronhiányról. Ha szeretjük, ha nem, most felszámolunk! Töltésünk arányos az elektromos fluxus erősségével.

Mennyi díjat számítunk fel?

Az idő alatt, amikor kitettük az elektromos mezőt, elvesztettünk néhány elektronot. Mennyit vesztettünk? Nos, minden elvesztett elektronunkkal a töltésünk felfelé emelkedett. Ez a töltés növekvő elektromos mezőt hoz létre köztünk és a föld között. Ez a mező ellentétes az indukciót generáló környezettel. Tehát az elektronveszteség addig tart, amíg mindkét mező egyenlő és kioltja egymást! Miután elvesztettük a kapcsolatot a földdel, még mindig van saját elektromos mezőnk a földelt lemez ellen, amely földpotenciállal rendelkezik. Tudod, hogy nevezünk két vezető lemezt, amelyek között elektromos mező van? Ez egy kondenzátor! A feltöltött kondenzátor részei vagyunk.

Most kondenzátorok vagyunk!

Tudod a kondenzátor töltése és feszültsége közötti összefüggést? Hadd mondjam el, hogy U = Q/C ahol U a feszültség, Q a töltés és C a kapacitás. A kondenzátor kapacitása fordítottan arányos a lemezek távolságával! Ez azt jelenti, hogy minél nagyobb a távolság, annál kisebb a kapacitás. Most mi történik, miközben folyamatosan bekapcsoljuk a kereket anélkül, hogy érintkeznénk a talajjal? Növeljük a földelőlap távolságát. Miközben ezt tesszük, kapacitásunk drámaian csökken. Most nézze meg újra az U = Q/C -t. Ha Q állandó és C csökken, mi történik? Igen, a feszültség emelkedik! Ez egy nagyon okos módszer a feszültség erősítésére, csak mechanikus eszközökkel. Itt nincs szüksége műveleti erősítőre, zajszűrésre és statisztikai számítástechnikára. Ez csak okos és sima fizika, amely olyan szintre emeli a jelünket, hogy az elektronikával végzett jelfeldolgozás unalmas feladatokká válik. Ennek az eszköznek minden okossága az elektrosztatikus indukción és a kondenzátorhatáson alapul!

Mit jelent?

De mit is erősítettünk ilyen módon? Most több elektronunk van? Nem! Egyébként több díjat számítunk fel? Nem! Fokoztuk az elektronok ENERGIÁJÁT, és ez teszi lehetővé egyszerűbb elektronikus áramkörök és kevesebb szűrés használatát. Most elértük pályánk apheljét, és végül a töltésfelvétel felveszi a feszültség alatt álló elektronjainkat, és összegyűjti őket a töltésgyűjtő kondenzátorába.

Immunitás az interferencia ellen

Ha megnézi a videót, látni fogja, hogy az otthoni szokásos interferencia ellenére a készülék kimenőjele egyenletes és gyakorlatilag zajmentes. Hogyan lehetséges ez? Nos, szerintem azért, mert a jel és az interferencia nem megy külön az erősítőhöz, mint a klasszikus terepi malomban. Tervezésemben az interferencia közvetlenül a földhöz való csatlakozás elvesztésének pillanatától érinti a begyűjtött töltést. Ez azt jelenti, hogy minden mintát valamilyen módon befolyásol az interferencia. De mivel ennek az interferenciának nincs egyenáramú komponense, amíg szimmetrikusan van, az interferencia eredménye mindig átlagolt a töltésgyűjtő kondenzátorban. Elég korongfordulás és a töltésgyűjtőben beadagolt minták után az interferencia átlaga nulla. Szerintem ez a trükk!

7. lépés: Tesztelés

Némi tesztelés, hibakeresés és fejlesztés után telepítettem a terepi malmot a régi win-xp notebookommal együtt a padlásomra, és körülbelül egy napig teszteltem. Az eredményeket a gnuplot segítségével vizualizáltuk. Lásd a mellékelt "e-field-data.dat" adatfájlt és az "e-field.gp" gnuplot konfigurációs fájlt. Az eredmények megtekintéséhez indítsa el a gnuplot programot a célrendszeren, és írja be a parancssorba, majd töltse be az "e-field.gp" fájlt

Lásd az eredményeket bemutató képet. Egészen figyelemre méltó. A mérést 2018-10-03-án kezdtem, amikor szép időnk és kék égünk volt. Nézze meg, hogy az elektromos mező meglehetősen erős és negatív volt, miközben vigyáznunk kell, mert a "negatív" és a "pozitív" jelenleg nem ésszerű. Szükségünk lenne eszközünk kalibrálására, hogy igazodjunk a valódi fizikához. De mindenesetre látható, hogy a mérési ciklusok során a térerősség csökkent, az időjárás kezdett romlani, és felhős és esős lett. Valahogy meglepődtem ezeken a megállapításokon, de még mindig ellenőriznem kell, hogy ezek összefüggnek -e a fizikával.

Te következel. Folytassa, és készítse el saját elektromos mező malmát, és fedezze fel bolygónk titkait saját küldetésén! Érezd jól magad!

8. lépés: Adatok gyűjtése és értelmezése

Most, hogy minden (remélhetőleg) jól működik, össze kell gyűjtenie néhány adatot. Azt javaslom, hogy rögzített helyet használjon a szántóföldi malom számára. Ellenkező esetben az adatokat nehéz lenne összehasonlítani. A helyi terepi paraméterek helytől függően nagyon eltérőek lehetnek. A malmot úgy konfiguráltam, hogy óránként egy mérési értéket vegyen igénybe. Kb. 3 hónapig hagytam járni a malmot. Ha megnézi azokat a grafikonokat, amelyek a 2018. november, 2018. december és 2019. január havi adatokat gyűjtötték össze, figyelemre méltó eredményeket láthat.

Először is látható, hogy a novemberi térerő csupán pozitív volt, és a hónap végére negatív lett. Tehát valami általános változásnak kellett történnie, valószínűleg az időjárástól függően. Talán ésszerű hőmérsékletcsökkenés történt. Ezután az átlagos jel negatív maradt a mérési ciklus végéig. A második dolog az, hogy a jelgráfban több tüske található, amelyek csak néhány percig tartó gyors mezőváltozásokat jeleznek. Nem hiszem, hogy a légkör változásai felelősek ezért. Még a helyi időjárás is hatalmas gáztömegeket és beépített ionokat tartalmaz. A felhők és az eső vagy a hó általában nem változik perceken belül. Tehát azt gondolom, hogy az ember alkotta befolyás okozhatta ezeket a hirtelen változásokat. De ezt is nehéz megmagyarázni. Minden tápvezeték-forrás csak váltakozó feszültséget biztosít. Ez nem számít az általam észlelt egyenáramú változásokhoz. Gyanítom, hogy a lakásom előtti utca aszfaltján elhaladó autók okozhattak elektromos töltési folyamatokat. Elképzelhetőek a töltési folyamatok is, amelyeket a szél által szállított por és a házam arcával való érintkezés okoz.