E-Field Mill: 8 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:26

U weet miskien al dat ek verslaaf is aan enige soort sensormetingstoepassings. Ek wou altyd die skommelinge van die magnetiese veld van die aarde opspoor, en ek was ook gefassineer deur die meting van die omringende elektriese veld van die aarde wat gehandhaaf word deur ladingsskeidingsprosesse wat plaasvind tussen die wolke en die oppervlak van die aarde. Voorvalle soos helder lug, reën of donderstorm het almal 'n dramatiese impak op die elektriese veld wat ons omring en nuwe wetenskaplike bevindings toon dat ons gesondheid sterk afhang van die omliggende elektriese velde.

Dit is die rede waarom ek vir myself 'n geskikte meetapparaat vir statiese elektriese velde wou maak. Daar bestaan reeds 'n redelik goeie ontwerp, ook genoem elektriese veldmeul, wat wyd gebruik word. Hierdie toestel gebruik 'n effek genaamd elektrostatiese induksie. Dit gebeur altyd as u 'n geleidende materiaal blootstel aan 'n elektriese veld. Die veld lok of stoot die vrye elektrone in die materiaal af. As dit met grond (aardpotensiaal) verbind is, vloei laaddraers in of uit die materiaal. Na ontkoppeling van die grond bly 'n lading op die materiaal, selfs al verdwyn die elektriese veld. Hierdie lading kan met 'n voltmeter gemeet word. Dit is baie min die meting van statiese elektriese velde.

'N Paar jaar gelede het ek 'n veldmeul gebou volgens planne en skemas wat ek op die internet gevind het. Dit bestaan hoofsaaklik uit 'n rotor met 'n soort skroef daarop. Die skroef is 'n dubbele stel metalsegmente wat gegrond is. Die rotor draai om 'n stel induksieplate wat deur die rotor bedek en blootgestel word. Elke keer as hulle ontbloot word, veroorsaak die elektrostatiese induksie van die omringende elektriese veld 'n vloei van ladingsdraers. Hierdie vloei word omgekeer wanneer die rotor die induksieplate weer bedek. Wat u kry, is 'n min of meer sinusvormige stroom wat amplitude 'n voorstelling is van die sterkte van die gemete veld. Dit is die eerste fout. U kry nie 'n statiese spanning wat die veldsterkte toon nie, maar moet die amplitude van 'n afwisselende sein neem wat eers reggestel moet word. Die tweede uitgawe is nog meer vervelig. Die veldmeule werk redelik goed in 'n ongestoorde omgewing -sê aan die donker kant van die maan as u ver weg is van die kraglyn en al die oorvloedige elektriese mis wat ons omgewing oral binnedring. Veral die 50Hz of 60Hz kraglyn neurie steur direk in op die gewenste sein. Om hierdie probleem aan te pak, gebruik die veldmeule 'n tweede stel induksiesplate met 'n ander versterker wat dieselfde sein neem met 'n 90 ° faseverskuiwing. In 'n bykomende operasionele versterker word beide seine van mekaar afgetrek. Omdat hulle uit fase is, bly 'n res van die gewenste sein oor en word die interferensie, wat in beide seine gelyk is, teoreties uitgeskakel. Hoe goed dit werk, hang af van die gelyke interferensie in beide metingbane, die CMRR van die versterker en die vraag of die versterker te veel aangedryf word of nie. Wat die situasie nog meer ongemaklik maak, is dat u die hoeveelheid hardeware ongeveer verdubbel het net om van die inmenging ontslae te raak.

Verlede jaar het ek 'n idee gehad om die probleem met my eie ontwerp te oorkom. Dit is 'n bietjie meer werk oor die werktuigkundige, maar eenvoudig met betrekking tot elektronika. Soos altyd is dit nie 'n gedetailleerde stap -vir -stap replikasie van die volledige toestel nie. Ek sal u die werkbeginsels van my ontwerp wys, en u kan dit op verskillende maniere verander en aanpas by u eie behoeftes. Nadat ek jou gewys het hoe om dit te bou, sal ek verduidelik hoe dit werk en die resultaat van my eerste metings wys.

Toe ek die idee vir hierdie toestel kry, was ek trots tot op die been, maar soos u weet, is arrogansie die ondergang vooraf. Ja, dit was my eie idee. Ek het dit op my eie ontwikkel. Maar soos altyd was daar iemand voor my. Die skeiding van ladings deur induksie en versterking deur die gebruik van die kapasitor -effek is gedurende die afgelope 150 jaar in byna elke ontwerp van die elektrostatiese generator gebruik. Daar is dus niks besonders aan my ontwerp nie, ondanks die feit dat ek die eerste persoon was wat daaraan gedink het om die konsepte toe te pas om swak elektrostatiese velde te meet. Ek hoop nog steeds dat ek eendag beroemd sal wees.

Stap 1: Lys van materiale en gereedskap

Die volgende lys toon ongeveer watter materiaal u benodig. U kan dit verander en aanpas soos u wil.

• Velle van 4 mm laaghout
• houtbalke 10x10mm
• 8 mm aluminium buis
• 6 mm aluminium staaf
• 8 mm plexiglas staaf
• 120x160mm enkelbladige koperplaat PCB
• koper of koperdraad 0,2 mm
• 'n stuk koperblad van 0,2 mm
• soldeer
• gom
• 3 mm skroewe en moere
• 'N 4 mm toetsaansluiting
• geleidende rubberbuis (binnediameter 2 mm) Ek het myne by Amazon gekry
• Elektroniese onderdele volgens die skematiese (aflaai -afdeling)
• 'N Styrofleks -kondensator van 68nF as versamelaar vir die ladings. U kan hierdie waarde op groot maniere verander.
• 'N Kapstanmotor vir 6V DC. Dit is motors wat spesiaal ontwerp is vir skyfspelers en bandopnemers. Hulle rpm is gereguleer! U kan dit steeds op Ebay vind.
• 'N 6V/1A kragtoevoer.

Dit is die gereedskap wat u nodig het

• Soldeerbout
• Arduino -ontwikkelingsomgewing op u rekenaar/notebook
• USB-A tot B-kabel
• lêer of beter 'n draaibank
• elektriese boor
• klein gonsaag of handsaag
• pincet
• draad snyer

Stap 2: Maak die meganika

Op die eerste foto kan u sien dat die hele ontwerp gebaseer is op twee velle laaghout van 210 mm x 140 mm. Hulle is bo mekaar gemonteer, verbind deur 4 stukke houtbalke wat hulle 50 mm in afstand hou. Tussen beide velle is die motor en die bedrading vervat. Die motor is gemonteer met twee M3 -skroewe wat in twee 3 mm -gate aangebring is wat deur die boonste laaghoutblad geboor is. 'N Vlak PCB -materiaal werk as 'n skild teen die omringende elektriese veld. Dit is 85 mm bo die boonste laaghoutblad gemonteer en die binnekant eindig net om die motoras.

Die kernkomponent van hierdie toestel is 'n skyf. Dit het 'n deursnee van 110 mm en bestaan uit enkelbladige koperbedekte PCB -materiaal. Ek het 'n meul gebruik om 'n ronde skyf van die PCB uit te sny. Ek het ook 'n meul gebruik om die koperlaag in vier segmente te sny wat elektries geïsoleer is. Dit is ook baie belangrik om 'n ring in die middel van die skyf te sny waar die motoras sal deurloop. Anders sou dit die segmente elektries maal! Op my draaibank sny ek 'n klein stukkie 6mm aluminiumstaaf op 'n manier dat dit 'n gat van 3 mm onderaan neem met twee reghoekige 2, 5 mm gate met M3 -drade. Die ander kant sny ek af tot 'n klein 3 mm -as om pas in die middelste gat van die skyf. Die adapter is toe aan die onderkant van die skyf vasgeplak. Die skyfeenheid kan dan aan die motoras vasgeskroef word.

Dan sien u nog 'n belangrike komponent. 'N Segment van die grootte van die op die skyf, gemaak van 0, 2 mm koperplaat Hierdie segment is gemonteer op twee velle laaghout. As die skyf gemonteer is, is hierdie segment baie eng onder die roterende skyf. die afstand is ongeveer 1 mm. Dit is belangrik om hierdie afstand so klein as moontlik te hou!

Die volgende belangrike dinge is die snor en die laai van die lading. Albei is gemaak van aluminiumbuis en stange met ingesnyde drade om hulle almal saam te monteer. U kan hier enige tipe variasie doen wat u wil. U benodig net iets geleidend oor die oppervlak van die skyf. Vir die snorhare het ek baie materiaal probeer. Die meeste van hulle beskadig na 'n rukkie die skyfsegmente. Uiteindelik het ek 'n wenk gevind in 'n boek oor elektrostatiese toestelle. Gebruik geleidende rubberbuise! Dit beskadig nie die koperlaag nie en dra en dra …

Die gemaalde snor word op 'n plek geplaas sodat dit kontak met die onderliggende skyfsegment verloor wanneer dit die grondplaat begin ontbloot. Die laaipak word so geplaas dat dit die segment in die middel neem wanneer dit op 'n maksimum afstand van die grondplaat is. Kyk dat die laaipak op 'n stuk plexiglasstaaf gemonteer is. Dit is belangrik, want ons benodig 'n goeie isolasie hier. Anders sou ons 'n verlies van koste hê!

Dan sien u dat die 4 mm -toetsaansluiting in die "kelder" van die eenheid geplaas word. Ek het hierdie verbinding verskaf, want ek was nie seker of ek 'n regte 'grond' -verbinding nodig sou hê of nie. Onder normale omstandighede het ons te doen met sulke lae strome dat ons in elk geval 'n intrinsieke grondslag het. Maar miskien is daar in die toekoms 'n toetsopstelling waar ons dit dalk nodig sal hê, wie weet?

Stap 3: Die bedrading

Nou moet u alles elektries koppel sodat dit behoorlik werk. Gebruik die koperdraad en soldeer die volgende dele saam.

• Die 4 mm toetsprop
• Die grond snor
• Die skild
• een draad van die lading versamel kapasitor

Soldeer die 2de draad van die kapasitor aan die laaipak.

Stap 4: Maak die elektronika

Volg die skema om die elektroniese komponente op 'n stuk perfboard te plaas. Ek het penkoppe aan die rande van die bord gesoldeer om dit met die Arduino Uno te verbind. Die kring is eenvoudig eenvoudig. Die ingesamelde lading word by die kapasitor opgeneem en gevoer in 'n versterker met 'n hoë impedansie wat die sein met 100 versterk. Die sein word laagdeurlaat gefiltreer en dan na een ingang van die arduino se analoog-na-digitale omskakelaar-insette gelei. 'N MOSFET word gebruik vir die Arduino om die skyfmotor aan/uit te skakel.

Dit is baie belangrik om die grond van die werktuigkundige eenheid aan te sluit op die virtuele grond van die elektroniese stroombaan, waar R1/R2/C1/C2 mekaar ontmoet! Dit is ook die grondslag van die ladingversamelkapasitor. U kan dit sien op die laaste prentjie in hierdie hoofstuk,

Stap 5: Die sagteware

Daar is nie veel te sê oor die sagteware nie. Dit is baie eenvoudig geskryf. Die toepassing ken 'n paar opdragte om behoorlik op te stel. U het toegang tot die arduino as u die Arduino IDE op u stelsel geïnstalleer het, omdat u die virtuele komportbestuurders benodig. Koppel dan 'n USB-kabel aan die arduino en u rekenaar/notebook en gebruik 'n terminale program soos HTerm om die arduino via die geëmuleerde komport met 9600 bauds, geen pariteit en 1 stopbit en CR-LF aan te sluit.

• "setdate dd-mm-jj" stel die datum in van die RTC-module wat aan die arduino gekoppel is
• "settime hh: mm: ss" stel die tyd in van die RTC-module wat aan die arduino gekoppel is
• "getdate" druk datum en tyd af
• "setintervall 10 … 3600" Stel die monsterinterval in sekondes in van 10s tot 1h
• "begin" begin die metingsessie nadat dit met die komende volle minuut gesinkroniseer is
• 'sync' doen dieselfde, maar wag vir die komende volle uur
• "stop" stop die metingsessie

Nadat hy 'begin' of 'sinchroniseer' ontvang het en die sinchronisasie gedoen het, neem die aansoek eers 'n voorbeeld om te sien waar die nulpunt of vooroordeel is. Dan begin dit die motor en wag 8s totdat die rpm stabiliseer. Daarna word die monster geneem. Oor die algemeen is daar 'n gemiddelde algoritme vir sagteware wat die monsters voortdurend gemiddeld oor die afgelope 10 monsters bereken om foute te vermy. Die voorheen nulwaarde word nou van die meting afgetrek en die resultaat word saam met die datum en tyd van die meting oor die kompos gestuur. 'N Voorbeeld van 'n metingsessie lyk so:

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

Die metings word dus getoon as afwykings van nul gemeet in syfers wat positief of negatief kan wees, afhangende van die ruimtelike rigting van die elektriese vloed. Daar is natuurlik 'n rede waarom ek besluit het om die data in kolomme van datum, tyd en meetwaardes op te stel. Dit is die perfekte formaat om die data te visualiseer met die beroemde "gnuplot" -program!

Stap 6: Hoe dit werk

Ek het u net vertel dat die werkbeginsel van hierdie toestel elektrostatiese induksie is. So hoe werk dit in detail? Kom ons aanvaar vir eers dat ons een van die segmente op die skyf sou wees. Ons draai konstant teen 'n konstante snelheid en word blootgestel aan die omringende elektriese veld en verberg ons dan weer vir die vloed onder die beskerming van die skild. Stel jou voor dat ons eintlik uit die skaduwee in die veld sou kom. Ons sou in aanraking kom met die grondsnor. Die elektriese veld sal op ons vrye elektrone inwerk en laat ons sê dat die veld hulle sal afstoot. Omdat ons gegrond is, vlieg daar 'n hoeveelheid elektrone van ons af en verdwyn in die aarde.

Grond verloor

Terwyl die draai van die skyf op 'n stadium aanhou, verloor ons die kontak met die snor. Nou kan geen aanklag meer van ons af wegkom nie, maar die pad terug vir die aanklagte wat reeds weg is, is ook gesluit. Ons bly dus agter met 'n gebrek aan elektrone. As ons daarvan hou of nie, word ons nou gehef! En ons lading is eweredig aan die sterkte van die elektriese vloed.

Hoeveel hef ons?

Gedurende die tyd wat ons aan die elektriese veld blootgestel is, het ons 'n paar elektrone verloor. Hoeveel het ons verloor? Met elke elektron wat ons verloor het, het ons lading gestyg. Hierdie lading genereer 'n stygende elektriese veld tussen ons en die grond. Hierdie veld is teenoor die omringende een wat die induksie gegenereer het. Dus gaan die verlies aan elektrone voort tot op die punt waar albei veld gelyk is en mekaar uitskakel! Nadat ons kontak met die grond verloor het, het ons steeds ons eie elektriese veld teen die geaarde plaat met aardpotensiaal. Weet u hoe ons twee geleidende plate met 'n elektriese veld tussenin noem? Dit is 'n kondensator! Ons is deel van 'n gelaaide kapasitor.

Ons is nou 'n kondensator!

Ken u die verband tussen lading en spanning op 'n kondensator? Laat ek u vertel, dit is U = Q/C waar U die spanning is, Q die lading en C die kapasiteit is. Die kapasiteit van 'n kondensator is omgekeerd eweredig aan die afstand van sy plate! Dit beteken dat hoe groter die afstand, hoe laer die kapasiteit. Nou wat gebeur terwyl ons aanhou om die wiel aan te draai sonder om aan die grond te raak? Ons vergroot die afstand tot die grondplaat. Terwyl ons dit doen, daal ons kapasiteit dramaties. Kyk nou weer na U = Q/C. Wat gebeur as Q konstant is en C daal? Ja, die spanning styg! Dit is 'n baie slim manier om die spanning te versterk deur slegs meganiese middele toe te pas. U het nie 'n operasionele versterker, ruisfilter en statistiese berekening hier nodig nie. Dit is net 'n slim en eenvoudige fisika wat ons sein verhoog tot 'n vlak waar seinverwerking met elektronika net 'n vervelige taak word. Al die slimheid van hierdie toestel is afhanklik van elektrostatiese induksie en die kapasitor -effek!

Wat beteken dit?

Maar wat het ons presies op hierdie manier versterk? Het ons nou meer elektrone? Geen! Het ons in elk geval meer koste? Geen! Wat ons 'n hupstoot gegee het, is die ENERGIE van die elektrone, en dit is wat ons in staat stel om eenvoudiger elektroniese stroombane en minder filter te gebruik. Nou kom ons by die aphel van ons baan, en uiteindelik neem die ladingopneem ons elektrone met energie en versamel dit in die ladingversamelaarskondensator.

Immuniteit teen inmenging

As u na die video kyk, sal u sien dat ondanks die gewone inmenging in my huis die uitsetsein van die toestel bestendig en feitlik geraasvry is. Hoe is dit moontlik? Ek dink dit is omdat sein en interferensie nie afsonderlik na die versterker gaan nie, soos in die klassieke veldmeul. In my ontwerp beïnvloed die inmenging die versamelde lading vanaf die oomblik dat die verbinding met die grond verlore gaan. Dit beteken dat elke monster op een of ander manier deur inmenging geraak word. Maar omdat hierdie interferensie geen GS-komponent het nie, solank dit simmetries is, word die interferensieresultaat altyd gemiddeld in die laadversamelaar-kapasitor. Na genoeg skyfdraaie en monsters wat in die laaikollektor ingevoer word, is die gemiddelde interferensie nul. Ek dink dit is die truuk!

Stap 7: Toets

Na 'n paar toetse, ontfouting en verbetering, het ek die veldmeul geïnstalleer, tesame met my ou win-xp-notaboek op my solder, en ek het eendag 'n proeflopie gedoen. Die resultate is gevisualiseer met gnuplot. Sien die aangehegte datalêer "e-field-data.dat" en die gnuplot-konfigurasie lêer "e-field.gp". Om die resultate te sien, begin net met gnuplot op u teikensisteem en tik onmiddellik> laai "e-field.gp"

Sien die prentjie wat die resultate toon. Dit is nogal merkwaardig. Ek het begin met die meting op 2018-10-03 toe ons mooi weer en 'n blou lug gehad het. Let daarop dat die elektriese veld redelik sterk en negatief was, terwyl ons aandag moet gee, want wat "negatief" en wat "positief" is, is tans nie redelik gespesifiseer nie. Ons het 'n kalibrasie van ons toestel nodig om by die regte fisika te pas. Maar in elk geval kan u sien dat die veldsterkte tydens die metingsiklusse afgeneem het, terwyl die weer begin versleg en troebel en reënerig word. Ek was op die een of ander manier verbaas oor die bevindings, maar ek moet nog kyk of dit met fisika verband hou.

Nou is dit jou beurt. Gaan voort en maak u eie elektriese veldmeul en verken die geheime van ons planeet tydens u eie soeke! Hê pret!

Stap 8: Versamel en interpreteer data

Aangesien alles (hopelik) goed werk, moet u data versamel. Ek beveel aan dat u 'n vaste plek vir die veldmeul gebruik. Anders sou die data moeilik wees om te vergelyk. Die plaaslike veldparameters kan baie van plek tot plek verskil. Ek het die meule opgestel dat dit elke uur een meetwaarde neem. Ek het die meule ongeveer 3 maande laat loop. As u na die grafieke kyk wat die versamelde data van die maand November 2018, Desember 2018 en Januarie 2019 bevat, sien u 'n paar merkwaardige bevindings.

Eerstens kan u sien dat die veldsterkte in November slegs positief was teen die einde van die maand in negatief. Iets algemeen moes dus verander het, waarskynlik volgens weer. Miskien was daar 'n redelike temperatuurverlaging. Dan bly die gemiddelde sein negatief tot aan die einde van die metingsiklus. Die tweede ding is dat daar verskeie spykers in die seingrafiek is wat dui op vinnige veldveranderinge wat slegs 'n paar minute duur. Ek dink nie dat veranderinge in die atmosfeer daarvoor verantwoordelik is nie. Selfs die plaaslike weer bestaan uit groot hoeveelhede gas en ingelyfde ione. Wolke en reën of sneeu verander gewoonlik nie binne minute nie. Ek dink dus dat die mensgemaakte invloed moontlik die skielike veranderinge veroorsaak het. Maar dit is ook moeilik om te verduidelik. Alle kraglynbronne verskaf slegs wisselspanning. Dit tel nie vir die DC-veranderinge wat ek waargeneem het nie. Ek vermoed dat daar 'n paar elektriese ladingsprosesse was deur motors wat op die asfalt van die straat voor my woonstel verbygery het. Dit is ook moontlik om laaiprosesse te veroorsaak wat veroorsaak word deur stof wat deur wind gedra word en in aanraking kom met die gesig van my huis.