E-Field Mill: 8 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Možná už víte, že jsem závislý na jakémkoli druhu aplikací pro měření senzorů. Vždy jsem chtěl sledovat fluktuace magnetického pole Země a také mě fascinovalo měření okolního elektrického pole Země, které je udržováno procesy separace náboje probíhajícími mezi mraky a povrchem Země. Události, jako je jasná obloha, déšť nebo bouřka, mají dramatický dopad na elektrické pole, které nás obklopuje, a nové vědecké poznatky nám ukazují, že naše zdraví do značné míry závisí na okolních elektrických polích.

To je důvod, proč jsem si chtěl udělat vhodné měřicí zařízení pro statická elektrická pole. Již existuje jeden docela dobrý design, také nazývaný elektrický polní mlýn, který je široce používán. Toto zařízení používá efekt zvaný elektrostatická indukce. To se vždy stane, když vystavíte vodivý materiál elektrickému poli. Pole přitahuje nebo odpuzuje volné elektrony v materiálu. Pokud je připojen k zemi (zemní potenciál), nosiče náboje proudí dovnitř nebo ven z materiálu. Po odpojení země zůstane na materiálu náboj, i když elektrické pole zmizí. Tento náboj lze měřit voltmetrem. To je velmi zhruba princip měření statických elektrických polí.

Před několika lety jsem postavil polní mlýn podle plánů a schémat, které jsem našel na internetu. V zásadě se skládá z rotoru s nějakým druhem vrtule. Vrtule je dvojitá sada kovových segmentů, které jsou uzemněny. Rotor se otáčí kolem sady indukčních desek, které jsou elektricky zakryty a odkryty rotorem. Pokaždé, když jsou odkryty, elektrostatická indukce okolního elektrického pole způsobí tok nosičů náboje. Tento proud se obrátí, když rotor opět zakryje indukční desky. Získáte střídavý víceméně sinusový proud, jehož amplituda je vyjádřením síly měřeného pole. Toto je první chyba. Nedostanete statické napětí ukazující sílu pole, ale musíte vzít amplitudu střídavého signálu, který musí být nejprve opraven. Druhý problém je ještě nudnější. Polní mlýn funguje docela dobře v nerušeném prostředí -řekněme na temné straně měsíce, když jste daleko od hučení elektrického vedení a veškeré té hojné elektrické mlhy, která proniká do našeho prostředí všude, kde jsme. Zejména šum 50 Hz nebo 60 Hz v elektrickém vedení přímo ruší požadovaný signál. K řešení tohoto problému používá polní mlýn druhou sadu indukčních desek s dalším zesilovačem, který odebírá stejný signál s fázovým posunem 90 °. V přídavném operačním zesilovači jsou oba signály od sebe odečteny. Protože jsou mimo fázi, zbývá zbytek požadovaného signálu a interference, která je u obou signálů stejná, je teoreticky zrušena. Jak dobře to funguje, závisí na rovnosti interference v obou měřicích obvodech, CMRR zesilovače a na otázce, zda se zesilovač přeplní nebo ne. Situaci ještě více znepříjemňuje to, že jste zhruba zdvojnásobili množství hardwaru, abyste se zbavili rušení.

V loňském roce jsem měl nápad tyto problémy překonat pomocí vlastního návrhu. Je to trochu více práce na mechanice, ale v otázce elektroniky je to jednoduché. Jako vždy se nejedná o podrobnou replikaci celého zařízení krok za krokem. Ukážu vám principy práce na mém návrhu a můžete je různě měnit a přizpůsobovat svým vlastním potřebám. Poté, co vám ukážu, jak to postavit, vysvětlím, jak to funguje, a ukážu vám výsledek mých prvních měření.

Když jsem dostal nápad na toto zařízení, byl jsem hrdý na kost, ale jak víte, arogance předchází jakémukoli pádu. Ano, byl to můj vlastní nápad. Vyvinul jsem to sám. Ale jako vždy tu byl někdo přede mnou. Oddělení nábojů indukcí a zesílením pomocí kondenzátorového efektu bylo během posledních 150 let použito téměř v každé konstrukci elektrostatického generátoru. Na mém návrhu tedy není nic zvláštního, přestože jsem byl první, kdo přemýšlel o použití těchto konceptů pro měření slabých elektrostatických polí. Stále doufám, že jednoho dne budu slavný.

Krok 1: Seznam materiálů a nástrojů

Následující seznam zhruba ukazuje, jaké materiály budete potřebovat. Můžete je změnit a upravit tak, jak chcete.

• Listy 4mm překližky
• dřevěné trámy 10x10mm
• 8mm hliníková trubka
• 6mm hliníková tyč
• 8mm tyč z plexiskla
• Jednostranná měděná deska plošných spojů 120x160 mm
• mosazný nebo měděný drát 0,2 mm
• kus měděného plechu 0,2 mm
• pájka
• lepidlo
• 3mm šrouby a matice
• Testovací zdířka 4 mm
• vodivá gumová trubka (vnitřní průměr 2 mm) tu moji jsem dostal z amazonu
• Elektronické součástky podle schématu (část ke stažení)
• Styroflexový kondenzátor 68nF jako kolektor pro náboje. Tuto hodnotu můžete široce změnit.
• Převodový motor pro 6 V DC. Jedná se o motory, které byly speciálně navrženy pro přehrávače disků a magnetofony. Jejich otáčky jsou regulovány! Stále je můžete najít na Ebay.
• Napájení 6V/1A.

Toto jsou nástroje, které potřebujete

• Páječka
• Vývojové prostředí Arduino na vašem PC/notebooku
• Kabel USB-A na B
• pilník nebo lépe soustruh
• elektrická vrtačka
• malá píšťalka nebo ruční pila
• pinzeta
• štípačky

Krok 2: Výroba mechaniky

Na prvním obrázku můžete vidět, že celý design je založen na dvou listech překližky o rozměrech 210 mm x 140 mm. Jsou namontovány nad sebou a spojeny 4 kusy dřevěných trámů, které je drží ve vzdálenosti 50 mm. Mezi oběma listy je uložen motor a kabeláž. Motor je upevněn dvěma šrouby M3, které jsou uloženy ve dvou 3mm otvorech vyvrtaných přes horní překližkovou desku. List materiálu PCB funguje jako štít proti okolnímu elektrickému poli. Je namontován 85 mm nad horním překližkovým plechem a jeho vnitřní okraj právě končí kolem hřídele motoru.

Základní součástí tohoto zařízení je disk. Má průměr 110 mm a je vyroben z jednostranného měděného PCB materiálu. Mlýnem jsem vyřízl kulatý disk PCB. Také jsem mlýnem rozřezal měděný povlak na čtyři segmenty, které jsou elektricky izolované. Je také velmi důležité proříznout prstenec kolem středu disku, kterým bude procházet hřídel motoru. Jinak by segmenty elektricky uzemnily! Na svém soustruhu jsem nařezal malý kousek 6mm hliníkové tyče tak, že ve spodní části potřebuje 3mm otvor se dvěma obdélníkovými 2, 5mm otvory, do kterých jsou zaříznuty závity M3. Druhý konec jsem seřízl na malý 3mm hřídel, abych vejde do středního otvoru disku. Adaptér byl poté nalepen na spodní část disku. Sestavu kotouče by pak bylo možné přišroubovat k hřídeli motoru.

Pak uvidíte další důležitou součást. Segment velikosti těch na disku, vyrobený z měděného plechu 0, 2 mm Tento segment je připevněn na dva listy překližky. Když je disk namontován, je tento segment velmi úzce pod rotujícím diskem. vzdálenost je jen asi 1 mm. Je důležité, aby tato vzdálenost byla co nejmenší!

Dalšími důležitými věcmi jsou zemní vous a sběrač náboje. Oba jsou vyrobeny z hliníkové trubky a tyčí s proříznutými závity, které je všechny spojují dohromady. Zde můžete provádět jakýkoli typ variace, který se vám líbí. Potřebujete, aby po povrchu disku běželo něco vodivého. Na vousy jsem vyzkoušel spoustu materiálů. Většina z nich po chvíli poškodila segmenty disku. Nakonec jsem našel nápovědu v knize o elektrostatických zařízeních. Používejte vodivé gumové hadičky! Nepoškozuje měděný povlak a nosí a nosí …

Zemní vous je umístěn na místo takovým způsobem, že ztrácí kontakt s podkladovým segmentem disku, když začíná odkrývat zemní desku. Sběrač náboje je umístěn tak, že vezme segment uprostřed, když je v maximální vzdálenosti od základní desky. Podívejte se, že sběrač náboje je namontován na kusu tyče z plexiskla. To je důležité, protože zde potřebujeme dobrou izolaci. Jinak bychom ztratili poplatky!

Poté uvidíte, že testovací zásuvka 4 mm je umístěna ve „suterénu“sestavy. Toto připojení jsem poskytl, protože jsem si nebyl jistý, zda budu potřebovat skutečné „pozemní“připojení, nebo ne. Za normálních podmínek se potýkáme s tak nízkými proudy, že stejně máme vnitřní uzemnění. Možná ale v budoucnu dojde k nastavení testu, kde bychom jej mohli potřebovat, kdo ví?

Krok 3: Zapojení

Nyní musíte vše elektricky propojit, aby to fungovalo správně. Použijte mosazný drát a pájejte dohromady následující části.

• Testovací zástrčka 4 mm
• Zemní vous
• Štít
• jeden vodič kondenzátoru pro shromažďování náboje

Připájejte druhý vodič kondenzátoru k nabíječi.

Krok 4: Výroba elektroniky

Podle schématu umístěte elektronické součástky na kus desky. Na okraje desky jsem připájel kolíkové hlavičky, abych je spojil s Arduino Uno. Obvod je zatraceně jednoduchý. Shromážděný náboj je zachycen na kondenzátoru a přiveden do zesilovače s vysokou impedancí, který zesiluje signál o 100. Signál je filtrován dolním průchodem a poté směrován do jednoho vstupu analogových a digitálních převodníkových vstupů arduina. K zapnutí a vypnutí motoru disku používá Arduino MOSFET.

Je velmi důležité připojit uzemnění mechanické sestavy k virtuálnímu uzemnění elektronického obvodu, kde se setkávají R1/R2/C1/C2! To je také důvod kondenzátoru shromažďujícího náboje. Můžete to vidět na posledním obrázku v této kapitole,

Krok 5: Software

K Softwaru není moc co říci. Je to napsané velmi jednoduše. Aplikace zná některé příkazy pro správnou konfiguraci. K arduinu můžete přistupovat, pokud máte v systému nainstalované Arduino IDE, protože potřebujete ovladače virtuálního comportu. Poté připojte USB kabel k arduinu a vašemu PC/Notebooku a pomocí terminálového programu jako HTerm připojte arduino přes emulovaný port s 9600 baudy, bez parity a 1 stopbitem a CR-LF při vstupu.

• "setdate dd-mm-yy" nastavuje datum modulu RTC připojeného k arduinu
• "osadime hh: mm: ss" nastavuje čas modulu RTC připojeného k arduinu
• „getdate“vytiskne datum a čas
• "setintervall 10… 3600" Nastaví vzorkovací intervenall během několika sekund od 10 s do 1 h
• „start“spustí relaci měření po synchronizaci s nadcházející celou minutou
• „Sync“dělá totéž, ale čeká na nadcházející celou hodinu
• „stop“zastaví relaci měření

Po obdržení příkazu „start“nebo „synchronizace“a provedení synchronizačních akcí aplikace nejprve odebere vzorek, aby zjistila, kde je nulový bod nebo předpojatost. Poté nastartuje motor a čeká 8 s, než se otáčky stabilizují. Poté se odebere vzorek. Obecně existuje softwarový průměrující algoritmus, který průběžně průměruje vzorky za posledních 10 vzorků, aby se předešlo závadám. Dříve odebraná nulová hodnota je nyní odečtena od měření a výsledek odeslán přes komport spolu s datem a časem měření. Příklad relace měření vypadá takto:

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

Měření jsou tedy znázorněna jako výchylky od nuly měřené v číslicích, které mohou být kladné nebo záporné v závislosti na prostorovém směru elektrického toku. Samozřejmě existuje důvod, proč jsem se rozhodl formátovat data ve sloupcích data, času a naměřených hodnot. Toto je perfektní formát pro vizualizaci dat pomocí slavného programu „gnuplot“!

Krok 6: Jak to funguje

Právě jsem vám řekl, že principem fungování tohoto zařízení je elektrostatická indukce. Jak to tedy detailně funguje? Předpokládejme na chvíli, že bychom byli jedním z těchto segmentů na disku. Otáčíme se konstantní rychlostí, neustále jsme vystaveni okolnímu elektrickému poli a poté se opět schováváme před tokem pod ochranou štítu. Představte si, že bychom se vlastně dostali ze stínu do pole. Dostali bychom se do kontaktu s uzemňovacím vousem. Elektrické pole by působilo na naše volné elektrony a řekněme, že by je pole odrazilo. Protože jsme uzemněni, uteklo by z nás množství elektronů, které by na Zemi zmizely.

Ztrácí půdu pod nohama

Nyní, zatímco otáčení disku v určitém bodě pokračuje, bychom ztratili kontakt se zemským vousem. Nyní už před námi nemůže utéct žádný náboj, ale cesta zpět pro již zmizelá obvinění je také uzavřena. Zůstáváme tedy pozadu s nedostatkem elektronů. Jestli se nám to líbí, nebo ne, nyní jsme obviněni! A náš náboj je úměrný síle elektrického toku.

Kolik máme poplatku?

Během doby, kdy jsme byli vystaveni elektrickému poli, jsme ztratili nějaké elektrony. Kolik jsme ztratili? S každým ztraceným elektronem se náš náboj vyšplhal nahoru. Tento náboj generuje stoupající vlastní elektrické pole mezi námi a zemí. Toto pole je opačné k okolnímu, které generovalo indukci. Ztráta elektronů tedy pokračuje až do bodu, kdy jsou obě pole stejná a navzájem se ruší! Poté, co jsme ztratili kontakt se zemí, máme stále vlastní elektrické pole proti uzemněné desce, která má zemský potenciál. Víte, jak nazýváme dvě vodivé desky s elektrickým polem mezi nimi? Toto je kondenzátor! Jsme součástí nabitého kondenzátoru.

Nyní jsme kondenzátor!

Znáte vztah mezi nabíjením a napětím na kondenzátoru? Řeknu vám, že je U = Q/C, kde U je napětí, Q je náboj a C kapacita. Kapacita kondenzátoru je zpětně úměrná vzdálenosti jeho desek! To znamená, že čím větší vzdálenost, tím nižší kapacita. Co se teď stane, když budeme dál točit kolem bez kontaktu se zemí? Zvyšujeme vzdálenost k zemní desce. Zatímco to děláme, naše kapacita dramaticky klesá. Nyní se znovu podívejte na U = Q/C. Pokud je Q konstantní a C klesá, co se stane? Ano, napětí stoupá! Toto je velmi chytrý způsob, jak zesílit napětí pouhým použitím mechanických prostředků. Nepotřebujete zde operační zesilovač, filtrování šumu a statistické výpočty. Je to jen chytrá a prostá fyzika, která zvyšuje náš signál až na úroveň, kde se zpracování signálu elektronikou stává nudným úkolem. Veškerá chytrost tohoto zařízení závisí na elektrostatické indukci a kondenzátorovém efektu!

Co to znamená?

Ale co přesně jsme tímto způsobem posílili? Máme teď více elektronů? Ne! Máme přesto vyšší poplatek? Ne! To, co jsme posílili, je ENERGIE elektronů, a to nám umožňuje používat jednodušší elektronické obvody a méně filtrování. Nyní jsme dosáhli aphelu naší trajektorie a nakonec sběrač náboje vezme naše pod napětím elektrony a shromáždí je do kondenzátoru sběrače náboje.

Odolnost proti rušení

Když se podíváte na video, uvidíte, že navzdory obvyklému rušení v mém domě je výstupní signál zařízení stabilní a prakticky bez šumu. Jak je tohle možné? Myslím, že je to proto, že signál a interference nejdou do zesilovače odděleně, jako v klasickém polním mlýnu. V mém návrhu rušení ovlivňuje vybitý náboj od okamžiku, kdy dojde ke ztrátě spojení se zemí. To znamená, že každý vzorek je nějakým způsobem ovlivněn interferencí. Protože ale toto rušení nemá žádnou stejnosměrnou složku, pokud je symetrické, je výsledek interference v kondenzátoru sběrače náboje vždy zprůměrován. Po dostatečném otočení disku a vložení vzorků do sběrače náboje je průměr rušení nulový. Myslím, že to je trik!

Krok 7: Testování

Po několika testech, ladění a vylepšení jsem nainstaloval polní mlýn spolu se svým starým notebookem win-xp do svého podkroví a provedl jsem testovací běh přibližně jeden den. Výsledky byly vizualizovány pomocí gnuplot. Viz přiložený datový soubor „e-field-data.dat“a konfigurační soubor gnuplot „e-field.gp“. Chcete-li zobrazit výsledky, spusťte na svém cílovém systému gnuplot a na výzvu zadejte> načíst „e-field.gp“

Výsledky viz obrázek. Je to docela pozoruhodné. Měření jsem zahájil 10. 10. 2018, když bylo pěkné počasí a modrá obloha. Podívejte se, že elektrické pole bylo docela silné a negativní, i když musíme dávat pozor, protože to, co je „negativní“a co „pozitivní“v současné době, není rozumně specifikováno. K zarovnání se skutečnou fyzikou bychom potřebovali kalibraci našeho zařízení. Ale každopádně můžete vidět, že v průběhu měřicích cyklů se intenzita pole snižovala spolu s tím, jak se počasí začalo zhoršovat a bylo zataženo a deštivo. Byl jsem z těchto zjištění nějak ohromen, ale stále musím zkontrolovat, zda korelují s fyzikou.

Teď jsi na řadě. Pokračujte a vyrobte si vlastní elektrický polní mlýn a prozkoumejte tajemství naší planety při svém vlastním hledání! Bavte se!

Krok 8: Shromažďování a interpretace dat

Nyní, když vše (doufejme) funguje dobře, byste měli shromáždit nějaká data. Doporučuji použít pro polní mlýn pevné místo. Jinak by bylo těžké data porovnat. Místní parametry pole se mohou hodně lišit od místa k místu. Mlýn jsem nakonfiguroval tak, aby každou hodinu měřil jednu měřenou hodnotu. Nechal jsem mlýn běžet asi 3 měsíce. Když se podíváte na grafy představující shromážděná data za měsíc listopad 2018, prosinec 2018 a leden 2019, uvidíte několik pozoruhodných zjištění.

Nejprve můžete vidět, že síla pole v listopadu byla pouze pozitivní a do konce měsíce se změnila na zápornou. Něco obecného se tedy muselo změnit, pravděpodobně podle počasí. Možná došlo k rozumnému poklesu teploty. Poté průměrný signál zůstal záporný až do konce cyklu měření. Druhá věc je, že v signálovém grafu je několik špiček indikujících rychlé změny pole trvající jen několik minut. Nemyslím si, že za to mohou změny v atmosféře. I místní počasí obsahuje obrovské množství plynu a zabudovaných iontů. Také mraky a dešťové srážky nebo sníh se obvykle nemění během několika minut. Myslím si tedy, že tyto náhlé změny mohl způsobit vliv způsobený člověkem. Ale to je také těžké vysvětlit. Všechny zdroje elektrického vedení poskytují pouze střídavé napětí. To se nepočítá se stejnosměrnými změnami, které jsem pozoroval. Mám podezření, že mohlo dojít k nějakým procesům elektrického náboje kolem projíždějících aut po asfaltu ulice před mým bytem. Myslitelné by byly také nabíjecí procesy způsobené prachem přenášeným větrem a dostat se do kontaktu s tváří mého domu.