E-Field Mill: 8 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Возможно, вы уже знаете, что я пристрастился к любым приложениям для измерения датчиков. Я всегда хотел отследить колебания магнитного поля Земли, а также был очарован измерением окружающего электрического поля Земли, которое поддерживается процессами разделения зарядов, происходящими между облаками и поверхностью Земли. Такие инциденты, как ясное небо, дождь или гроза, оказывают драматическое влияние на электрическое поле, которое нас окружает, и новые научные открытия показывают нам, что наше здоровье в значительной степени зависит от окружающих электрических полей.

Вот почему я хотел сделать себе подходящий прибор для измерения статических электрических полей. Уже существует одна довольно хорошая конструкция, также известная как мельница с электрическим полем, которая широко используется. В этом устройстве используется эффект, называемый электростатической индукцией. Это всегда происходит, когда вы подвергаете проводящий материал воздействию электрического поля. Поле притягивает или отталкивает свободные электроны в материале. Если он подключен к земле (потенциал земли), носители заряда втекают в материал или выходят из него. После отключения заземления на материале остается заряд, даже если электрическое поле исчезает. Этот заряд можно измерить с помощью вольтметра. Это очень примерно принцип измерения статических электрических полей.

Несколько лет назад я построил полевую мельницу по планам и схемам, которые нашел в Интернете. В основном он состоит из ротора с пропеллером на нем. Пропеллер представляет собой двойной набор заземленных металлических сегментов. Ротор вращается вокруг набора индукционных пластин, которые электрически закрыты и не закрыты ротором. Каждый раз, когда они открываются, электростатическая индукция окружающего электрического поля вызывает поток носителей заряда. Этот поток меняется на противоположный, когда ротор снова закрывает индукционные пластины. Вы получаете переменный более или менее синусоидальный ток, амплитуда которого отражает силу измеряемого поля. Это первый недостаток. Вы не получаете статическое напряжение, показывающее напряженность поля, но должны измерять амплитуду переменного сигнала, который необходимо сначала выпрямить. Второй вопрос еще более утомительный. Полевая мельница довольно хорошо работает в ненарушенной окружающей среде - допустим, на темной стороне Луны, когда вы находитесь вдали от шума линии электропередач и всего этого обильного электрического тумана, который проникает в окружающую среду повсюду, где мы находимся. Жужжание линии электропередачи 50 или 60 Гц напрямую мешает желаемому сигналу. Для решения этой проблемы в полевой мельнице используется второй набор индукционных пластин с другим усилителем, который принимает тот же сигнал с фазовым сдвигом на 90 °. В дополнительном операционном усилителе оба сигнала вычитаются друг из друга. Поскольку они не совпадают по фазе, остается остаток полезного сигнала, а помехи, равные в обоих сигналах, теоретически нейтрализуются. Насколько хорошо это работает, зависит от равенства помех в обеих схемах измерения, CMRR усилителя и от вопроса, перегружается усилитель или нет. Что делает ситуацию еще более неудобной, так это то, что вы примерно вдвое увеличили количество оборудования, просто чтобы избавиться от помех.

В прошлом году у меня появилась идея решить эту проблему с помощью собственного дизайна. Это немного больше работы над механикой, но с электроникой проще. Как всегда, это не подробная пошаговая репликация всего устройства. Я покажу вам принципы работы над своим дизайном, и вы можете изменить его по-разному и адаптировать под свои нужды. После того, как я покажу вам, как его построить, я объясню, как он работает, и покажу вам результат моих первых измерений.

Когда мне пришла в голову идея этого устройства, я был горд до мозга костей, но, как вы знаете, высокомерие предшествует любому падению. Да, это была моя собственная идея. Я разработал его самостоятельно. Но, как всегда, до меня кто-то был. Разделение зарядов с помощью индукции и усиления с использованием эффекта конденсатора использовалось почти в каждой конструкции электростатического генератора за последние 150 лет. Так что в моем дизайне нет ничего особенного, несмотря на то, что я был первым, кто подумал о применении этих концепций для измерения слабых электростатических полей. Я все еще надеюсь, что однажды я стану знаменитым.

Шаг 1: Список материалов и инструментов

В следующем списке примерно показано, какие материалы вам понадобятся. Вы можете изменять и адаптировать их столько, сколько захотите.

• Листы фанеры 4мм
• брус 10х10мм
• Алюминиевая трубка 8 мм
• Алюминиевый стержень 6 мм
• Штанга из оргстекла 8 мм
• Печатная плата с односторонним медным покрытием 120x160 мм
• латунная или медная проволока 0,2 мм
• кусок медного листа толщиной 0,2 мм
• припаять
• клей
• Винты и гайки 3 мм
• Тестовое гнездо 4 мм
• проводящая резиновая трубка (внутренний диаметр 2 мм) мне досталась моя от амазонки
• Электронные детали по схеме (раздел загрузки)
• Конденсатор из пенополистирола 68 нФ в качестве коллектора зарядов. Вы можете изменять это значение в широких пределах.
• Ведущий двигатель на 6 В постоянного тока. Эти моторы были специально разработаны для проигрывателей дисков и магнитофонов. Их частота вращения регулируется! Вы все еще можете найти их на Ebay.
• Источник питания 6 В / 1 А.

Это инструменты, которые вам нужны

• Паяльник
• Среда разработки Arduino на вашем ПК / ноутбуке
• Кабель USB-A - B
• напильник или лучше токарный станок
• электрическая дрель
• небольшая циркулярная пила или ручная пила
• пинцет
• кусачки

Шаг 2: создание механики

На первой картинке вы видите, что вся конструкция основана на двух листах фанеры размером 210 х 140 мм. Они установлены друг над другом и соединены 4 деревянными балками, которые удерживают их на расстоянии 50 мм. Между обоими листами заключен мотор и проводка. Двигатель крепится двумя винтами M3, вставленными в два отверстия диаметром 3 мм, просверленных в верхнем листе фанеры. Лист материала печатной платы работает как экран от внешнего электрического поля. Он установлен на 85 мм над верхним листом фанеры, а его внутренний край почти заканчивается валом двигателя.

Основным компонентом этого устройства является диск. Он имеет диаметр 110 мм и изготовлен из материала печатной платы с односторонним медным покрытием. Я использовал фрезу, чтобы вырезать круглый диск из печатной платы. Я также использовал фрезу, чтобы разрезать медное покрытие на четыре сегмента, которые электрически изолированы. Также очень важно вырезать кольцо вокруг середины диска, через которое будет проходить вал двигателя. В противном случае это приведет к электрическому заземлению сегментов! На моем токарном станке я вырезал небольшой кусок 6-миллиметрового алюминиевого стержня таким образом, чтобы у него было 3-миллиметровое отверстие внизу с двумя прямоугольными 2,5-миллиметровыми отверстиями с врезанной резьбой M3. Другой конец я отрезал до небольшого 3-миллиметрового вала, чтобы поместиться в среднее отверстие диска. Затем адаптер был приклеен к нижней части диска. Затем диск в сборе можно было прикрутить к валу двигателя.

Затем вы видите еще один важный компонент. Сегмент размером с диск, сделанный из листа меди 0,2 мм. Этот сегмент закреплен на двух листах фанеры. Когда диск установлен, этот сегмент находится очень узко под вращающимся диском. расстояние составляет всего около 1 мм. Важно, чтобы это расстояние было как можно меньше!

Следующие важные вещи - это усы земли и сбор заряда. Оба изготовлены из алюминиевой трубки и стержней с нарезанной резьбой для их крепления. Здесь вы можете делать любые вариации, которые вам нравятся. Вам просто нужно что-то проводящее по поверхности диска. Для усов перепробовала много материалов. Большинство из них через некоторое время повреждали сегменты диска. Наконец я нашел подсказку в книге об электростатических устройствах. Используйте токопроводящую резиновую трубку! Не повреждает медное покрытие и изнашивается…

Земной ус размещается в таком месте, что он теряет контакт с нижележащим сегментом диска, когда начинает открывать пластину заземления. Зарядный датчик размещается так, чтобы он занимал сегмент посередине, когда он находится на максимальном расстоянии от пластины заземления. Убедитесь, что датчик заряда установлен на стержне из оргстекла. Это важно, потому что здесь нужна хорошая изоляция. В противном случае мы потеряли бы заряды!

Затем вы видите, что 4-миллиметровый тестовый патрон находится в «подвале» сборки. Я предоставил это соединение, потому что не был уверен, нужно ли мне настоящее "заземление" или нет. В нормальных условиях мы имеем дело с такими низкими токами, что у нас в любом случае есть внутреннее заземление. Но, может быть, в будущем появится тестовая установка, где она нам может понадобиться, кто знает?

Шаг 3: Электромонтаж

Теперь вам нужно электрически соединить все, чтобы оно работало правильно. Используйте латунную проволоку и спаяйте вместе следующие детали.

• Тестовый штекер 4 мм
• Земляной ус
• Щит
• один провод конденсатора накопителя заряда

Припаяйте 2-й провод конденсатора к датчику заряда.

Шаг 4: Изготовление электроники

Следуйте схеме, чтобы разместить электронные компоненты на перфорированной плате. Я припаял контакты к краям платы, чтобы подключить ее к Arduino Uno. Схема чертовски проста. Собранный заряд улавливается конденсатором и подается в усилитель с высоким сопротивлением, который усиливает сигнал на 100. Сигнал фильтруется нижними частотами и затем направляется на один вход входов аналого-цифрового преобразователя Arduino. MOSFET используется Arduino для включения / выключения дискового двигателя.

Очень важно подключить заземление механического узла к виртуальному заземлению электронной схемы, где встречаются R1 / R2 / C1 / C2! Это также земля собирающего заряд конденсатора. Вы можете увидеть это на последней картинке в этой главе,

Шаг 5: Программное обеспечение

О Программном обеспечении особо нечего сказать. Написано очень просто. Приложение знает некоторые команды для правильной настройки. Вы можете получить доступ к Arduino, если у вас установлена IDE Arduino в вашей системе, потому что вам нужны драйверы виртуального компорта. Затем подключите USB-кабель к arduino и вашему ПК / ноутбуку и используйте терминальную программу, такую как HTerm, для подключения arduino через эмулированный компорт с 9600 бод, без четности и 1 стоповый бит и CR-LF при входе.

• "setdate dd-mm-yy" устанавливает дату RTC-модуля, подключенного к arduino
• "settime hh: mm: ss" устанавливает время RTC-модуля, подключенного к arduino
• "getdate" печатает дату и время
• "setintervall 10… 3600" Устанавливает интервал выборки в секундах от 10 секунд до 1 часа.
• "start" запускает сеанс измерения после синхронизации с предстоящей полной минутой.
• "синхронизация" делает то же самое, но ждет следующего часа
• «стоп» останавливает сеанс измерения

После получения «start» или «sync» и выполнения работы по синхронизации приложение сначала берет образец, чтобы увидеть, где находится нулевая точка или смещение. Затем он запускает двигатель и ждет 8 с, пока обороты не стабилизируются. Затем берется образец. Обычно существует программный алгоритм усреднения, который непрерывно усредняет выборки по последним 10 выборкам, чтобы избежать сбоев. Ранее принятое нулевое значение теперь вычитается из измерения, и результат отправляется через порт вместе с датой и временем измерения. Пример сеанса измерения выглядит так:

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

Таким образом, измерения показаны как отклонения от нуля, измеренные цифрами, которые могут быть положительными или отрицательными в зависимости от пространственного направления электрического потока. Конечно, есть причина, по которой я решил отформатировать данные в столбцах с датой, временем и значениями измерений. Это идеальный формат для визуализации данных с помощью знаменитой программы "gnuplot"!

Шаг 6: как это работает

Я только что сказал вам, что принцип работы этого устройства - электростатическая индукция. Итак, как это работает подробно? Предположим на мгновение, что мы будем одним из тех сегментов на диске. Мы вращаемся с постоянной скоростью, постоянно подвергаясь воздействию окружающего электрического поля, а затем снова прячемся от потока под защитой экрана. Представьте, что мы действительно выходим из тени в поле. Мы войдем в контакт с заземляющим усом. Электрическое поле действовало бы на наши свободные электроны и, скажем так, оно отталкивало бы их. Поскольку мы заземлены, некоторое количество электронов будет убегать от нас и исчезать в земле.

Терять почву

Теперь, когда вращение диска продолжается, в какой-то момент мы потеряем контакт с земным усом. Теперь от нас не может ускользнуть ни один заряд, но обратный путь для уже снятых обвинений также закрыт. Итак, мы остались с нехваткой электронов. Хотим мы того или нет, мы платим прямо сейчас! А наш заряд пропорционален силе электрического потока.

Сколько у нас заряда?

За время воздействия электрического поля мы потеряли несколько электронов. Сколько мы потеряли? Что ж, с каждым электроном, который мы теряли, наш заряд рос. Этот заряд создает собственное нарастающее электрическое поле между нами и землей. Это поле противоположно тому окружающему полю, которое вызвало индукцию. Таким образом, потеря электронов продолжается до точки, где оба поля равны и компенсируют друг друга! После того, как мы потеряли контакт с землей, у нас все еще есть собственное электрическое поле против заземленной пластины, которая имеет потенциал земли. Вы знаете, как мы называем две проводящие пластины с электрическим полем между ними? Это конденсатор! Мы часть заряженного конденсатора.

Теперь мы конденсатор!

Вы знаете связь между зарядом и напряжением на конденсаторе? Позвольте мне сказать вам, что это U = Q / C, где U - напряжение, Q - заряд, а C - емкость. Емкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между его пластинами! Это означает, что чем шире расстояние, тем меньше емкость. Что же происходит, когда мы продолжаем вращать колесо, не касаясь земли? Увеличиваем расстояние до плиты заземления. Пока мы делаем это, наши возможности резко падают. Теперь снова посмотрим на U = Q / C. Что происходит, если Q постоянно, а C уменьшается? Да напряжение нарастает! Это очень умный способ увеличить напряжение, просто применяя механические средства. Здесь не нужен операционный усилитель, фильтрация шума и статистические вычисления. Это просто умная и простая физика, которая повышает наш сигнал до уровня, когда обработка сигнала с помощью электроники становится просто скучной задачей. Вся хитрость этого устройства основана на электростатической индукции и конденсаторном эффекте!

Что это значит?

Но что именно мы таким образом повысили? У нас теперь больше электронов? Нет! В любом случае у нас есть больше заряда? Нет! Мы увеличили ЭНЕРГИЮ электронов, и это то, что позволяет нам использовать более простые электронные схемы и меньшую фильтрацию. Теперь мы достигли афеля нашей траектории, и, наконец, датчик заряда берет наши заряженные электроны и собирает их в конденсатор коллектора заряда.

Невосприимчивость к помехам

Когда вы посмотрите видео, вы увидите, что, несмотря на обычные помехи в моем доме, выходной сигнал устройства стабильный и практически без шумов. Как это возможно? Я думаю, это потому, что сигнал и помехи не идут отдельно от усилителя, как в классической полевой мельнице. В моем дизайне помехи влияют на накопленный заряд с момента потери связи с землей. Это означает, что на каждый образец так или иначе влияют помехи. Но поскольку эта помеха не имеет постоянной составляющей, пока она симметрична, результат интерференции всегда усредняется в конденсаторе коллектора заряда. После достаточного количества оборотов диска и подачи образцов в коллектор заряда среднее значение помехи равно нулю. Я думаю, что это уловка!

Шаг 7: Тестирование

После некоторого тестирования, отладки и улучшения я установил полевую мельницу вместе со своим старым ноутбуком win-xp на чердаке и примерно через день провел тестовый прогон. Результаты были визуализированы с помощью gnuplot. См. Прикрепленный файл данных «e-field-data.dat» и файл конфигурации gnuplot «e-field.gp». Чтобы просмотреть результаты, просто запустите gnuplot в целевой системе и введите в командной строке> load "e-field.gp".

Смотрите картинку, показывающую результаты. Это весьма примечательно. Я начал измерения 03.10.2018, когда у нас была хорошая погода и голубое небо. Обратите внимание, что электрическое поле было довольно сильным и отрицательным, в то время как мы должны позаботиться о том, что «отрицательное», а что «положительное» в настоящее время не определено разумно. Нам потребуется калибровка нашего устройства для согласования с реальной физикой. Но в любом случае вы можете видеть, что в течение циклов измерений напряженность поля снижалась вместе с погодой, которая начала ухудшаться и становилась пасмурной и дождливой. Меня как-то поразили эти открытия, но мне все еще нужно проверить, коррелируют ли они с физикой.

Теперь твоя очередь. Создайте свою собственную электрическую мельницу и исследуйте секреты нашей планеты в своем собственном поиске! Повеселись!

Шаг 8: Сбор и интерпретация данных

Теперь, когда все (надеюсь) работает нормально, вам следует собрать некоторые данные. Я бы рекомендовал использовать фиксированное место для полевой мельницы. В противном случае данные было бы сложно сравнивать. Параметры локального поля могут сильно отличаться от места к месту. Я настроил мельницу так, чтобы она принимала одно значение измерения каждый час. Я дал заводу поработать около 3 месяцев. Если вы посмотрите на графики, на которых представлены собранные данные за ноябрь 2018 г., декабрь 2018 г. и январь 2019 г., вы увидите некоторые замечательные выводы.

Во-первых, вы можете видеть, что напряженность поля в ноябре была просто положительной, а к концу месяца стала отрицательной. Так что что-то общее должно было измениться, вероятно, из-за погоды. Может, было разумное падение температуры. Затем средний сигнал оставался отрицательным до конца цикла измерения. Во-вторых, на графике сигнала есть несколько всплесков, указывающих на быстрые изменения поля, длящиеся всего несколько минут. Не думаю, что за это ответственны изменения в атмосфере. Даже местная погода включает в себя огромные массы газа и инкорпорированных ионов. Также облака, дождь или снег обычно не меняются в течение нескольких минут. Так что я думаю, что эти внезапные изменения могли быть вызваны антропогенным влиянием. Но это тоже сложно объяснить. Все источники питания в сети обеспечивают только переменное напряжение. Это не считается с изменениями постоянного тока, которые я наблюдал. Я подозреваю, что в проезжающих машинах по асфальту улицы перед моей квартирой могли произойти какие-то электрические разряды. Разумными были бы также процессы заряда, вызванные разносом пыли ветром и попаданием на поверхность моего дома.