Mlin za e-polje: 8 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

Možda već znate da sam ovisan o bilo kojoj vrsti mjerenja senzora. Oduvijek sam želio pratiti fluktuacije magnetskog polja Zemlje, a bio sam i fasciniran mjerenjem okolnog električnog polja Zemlje koje se održava procesima razdvajanja naboja koji se odvijaju između oblaka i površine zemlje. Incidenti poput vedrog neba, kiše ili oluje imaju dramatičan utjecaj na električno polje koje nas okružuje, a novi naučni nalazi pokazuju nam da naše zdravlje uvelike ovisi o okolnim električnim poljima.

Dakle, to je razlog zašto sam želio napraviti od sebe prikladan mjerni uređaj za statička električna polja. Već postoji jedan prilično dobar dizajn, koji se naziva i mlin na električno polje koji se široko koristi. Ovaj uređaj koristi efekt koji se naziva elektrostatička indukcija. To se uvijek događa kada izlažete vodljivi materijal električnom polju. Polje privlači ili odbija slobodne elektrone u materijalu. Ako je spojen na uzemljenje (potencijal uzemljenja), nosači naboja ulaze ili izlaze iz materijala. Nakon odspajanja zemlje, naboj ostaje na materijalu čak i ako električno polje nestane. Ovaj naboj se može mjeriti voltmetrom. Ovo je otprilike princip mjerenja statičkih električnih polja.

Prije nekoliko godina sagradio sam poljski mlin prema planovima i shemama koje sam pronašao na internetu. Uglavnom se sastoji od rotora s nekom vrstom propelera. Propeler je dvostruki skup metalnih segmenata koji su uzemljeni. Rotor se okreće oko niza indukcijskih ploča koje su rotorom električno prekrivene i otkrivene. Svaki put kad se otkriju, elektrostatička indukcija okolnog električnog polja uzrokuje protok nosača naboja. Ovaj protok se mijenja kada rotor ponovo prekrije indukcijske ploče. Dobivate naizmjeničnu više ili manje sinusoidnu struju čija amplituda predstavlja snagu izmjerenog polja. Ovo je prva mana. Ne dobivate statički napon koji pokazuje jakost polja, ali morate uzeti amplitudu izmjeničnog signala koji se prvo mora ispraviti. Drugo pitanje je još dosadnije. Poljski mlin radi prilično dobro u neometanom okruženju -recimo na tamnoj strani Mjeseca kada ste daleko od brujanja dalekovoda i sve ove obilne električne magle koja prodire u naše okruženje svugdje gdje se nalazimo. Posebno zujanje na 50Hz ili 60Hz napajanju izravno ometa željeni signal. Za rješavanje ovog problema poljski mlin koristi drugi set indukcijskih ploča s drugim pojačalom koje uzima isti signal s faznim pomakom od 90 °. U dodatnom operativnom pojačalu oba se signala oduzimaju jedan od drugog. Budući da su izvan faze, preostali dio željenog signala ostaje, a smetnje, koje su jednake u oba signala, teoretski se poništavaju. Koliko će ovo dobro funkcionirati ovisi o jednakosti smetnji u oba mjerna kruga, CMRR pojačala i o pitanju da li pojačalo radi prekoračeno ili ne. Ono što situaciju čini još neugodnijom je to što ste otprilike udvostručili količinu hardvera samo da biste se riješili smetnji.

Prošle godine sam imao ideju da tim problemom prevaziđem svoj dizajn. To je malo više posla na mehaničarstvu, ali jednostavno u vezi s elektronikom. Kao i uvijek ovo nije detaljna replikacija cijelog uređaja korak po korak. pokazat ću vam principe rada na svom dizajnu, a vi ga možete promijeniti na različite načine i prilagoditi svojim potrebama. Nakon što ću vam pokazati kako ga izgraditi, objasnit ću vam kako radi i pokazati vam rezultate mojih prvih mjerenja.

Kad sam dobio ideju za ovaj uređaj bio sam ponosan do kostiju, ali kao što znate, arogancija prethodi svakom padu. Da, to je bila moja vlastita ideja. Sam sam ga razvio. Ali kao i uvijek, prije mene je bio neko. Odvajanje naboja indukcijom i pojačanjem pomoću efekta kondenzatora korišteno je u gotovo svakom dizajnu elektrostatičkog generatora u posljednjih 150 godina. Dakle, nema ništa posebno u mom dizajnu uprkos činjenici da sam ja prvi koji je razmišljao o primjeni tih koncepata za mjerenje slabih elektrostatičkih polja. I dalje se nadam da ću jednog dana biti slavan.

Korak 1: Lista materijala i alata

Sljedeći popis prikazuje otprilike koji će vam materijali biti potrebni. Možete ih menjati i prilagođavati koliko god želite.

• Listovi šperploče od 4 mm
• drvene grede 10x10mm
• Aluminijumska cev 8 mm
• Aluminijumska šipka 6 mm
• Šipka od pleksiglasa debljine 8 mm
• 120x160mm jednostrana PCB bakarna ploča
• mesingana ili bakrena žica 0,2 mm
• komad bakarnog lima 0,2 mm
• lemljenje
• ljepilo
• 3 mm vijci i matice
• Testna utičnica od 4 mm
• provodljiva gumena cev (unutrašnji prečnik 2 mm) Nabavio sam svoju iz Amazona
• Elektronski dijelovi prema shemi (odjeljak za preuzimanje)
• Styroflex kondenzator od 68nF kao kolektor za naboje. Ovu vrijednost možete promijeniti na mnogo načina.
• Kapstan motor za 6V DC. To su motori koji su posebno dizajnirani za uređaje za reprodukciju diskova i magnetofone. Njihov broj okretaja je reguliran! I dalje ih možete pronaći na Ebayu.
• Napajanje 6V/1A.

Ovo su alati koji su vam potrebni

• Lemilica
• Arduino razvojno okruženje na vašem računaru/laptopu
• USB-A do B kabel
• turpija ili bolje tokarski stroj
• električna bušilica
• mala zujna pila ili ručna pila
• pinceta
• rezač žice

Korak 2: Izrada mehanike

Na prvoj slici možete vidjeti cijeli dizajn zasnovan na dva lista šperploče dimenzija 210 mm x 140 mm. Montiraju se jedan iznad drugog, povezani su 4 komada drvenih greda koje ih drže na udaljenosti od 50 mm. Između oba lista nalaze se motor i ožičenje. Motor je montiran s dva vijka M3 koji se uklapaju u dvije rupe od 3 mm izbušene kroz gornji list šperploče. List PCB materijala radi kao štit protiv električnog polja okoline. Montira se 85 mm iznad gornjeg lima šperploče, a njegov unutrašnji rub upravo završava oko osovine motora.

Osnovna komponenta ovog uređaja je disk. Ima promjer 110 mm i izrađen je od jednostranog PCB materijala presvučenog bakrom. Mlinom sam izrezao okrugli disk od tiskane ploče. Također sam upotrijebio mlin za rezanje bakrene prevlake na četiri segmenta koji su električno izolirani. Također je vrlo važno izrezati prsten oko sredine diska kroz koji će proći osovina motora. U suprotnom bi električno uzemljio segmente! Na svom tokarskom stroju izrezao sam mali komad aluminijske šipke od 6 mm na način da zauzme otvor od 3 mm na dnu s dvije pravokutne rupe od 2, 5 mm na kojima su urezani navoji M3. Drugi kraj režem na malu osovinu od 3 mm stane u srednju rupu diska. Adapter je zatim superlijepljen na dno diska. Sklop diska bi se zatim mogao pričvrstiti na osovinu motora.

Tada vidite drugu važnu komponentu. Segment veličine onih na disku, napravljen od bakarnog lima debljine 0,2 mm Ovaj segment je montiran na dva lista šperploče. Kada je disk montiran, ovaj segment je vrlo usko ispod rotirajućeg diska. udaljenost je samo oko 1 mm. Važno je da ova udaljenost bude što manja!

Sljedeće važne stvari su brkovi sa zemlje i podizanje naboja. Obje su izrađene od aluminijske cijevi i šipki s urezanim navojima kako bi ih sve spojili. Ovdje možete napraviti bilo koju varijaciju koja vam se sviđa. Potrebno vam je samo da nešto provodljivo prelazi preko površine diska. Za brkove sam isprobao mnogo materijala. Većina njih je nakon nekog vremena oštetila segmente diska. Konačno sam u knjizi našao savjet o elektrostatičkim uređajima. Koristite provodljive gumene cijevi! Ne oštećuje bakreni premaz i nosi se i nosi …

Brkovi za mljevenje postavljaju se na mjesto na način da gube kontakt sa segmentom diska koji se nalazi ispod njih kada počinje otkrivati osnovnu ploču. Uređaj za prikupljanje naboja postavljen je tako da zauzima segment u sredini kada je na najvećoj udaljenosti od uzemljene ploče. Uvjerite se da je uređaj za prikupljanje naboja montiran na komad šipke od pleksiglasa. Ovo je važno jer nam ovdje treba dobra izolacija. U suprotnom bismo izgubili troškove!

Zatim vidite da je testna utičnica od 4 mm postavljena u "podrum" sklopa. Ovu vezu sam pružio jer nisam bio siguran da li će mi trebati prava "zemaljska" veza ili ne. U normalnim uvjetima imamo posla s tako malim strujama da ionako imamo unutarnje uzemljenje. Ali možda će u budućnosti biti postavka testa gdje će nam možda trebati, tko zna?

Korak 3: Ožičenje

Sada morate sve električno povezati kako bi radilo ispravno. Upotrijebite mjedenu žicu i lemite zajedno sljedeće dijelove.

• Testni utikač od 4 mm
• Brisak sa zemlje
• Štit
• jedna žica kondenzatora za prikupljanje naboja

Lemiti drugu žicu kondenzatora na uređaj za prikupljanje naboja.

Korak 4: Izrada elektronike

Slijedite shemu za postavljanje elektroničkih komponenti na komad perfarbona. Lemio sam pin zaglavlja na rubove ploče kako bih je povezao s Arduino Uno. Krug je prokleto jednostavan. Prikupljeni naboj se prikuplja na kondenzatoru i dovodi u pojačalo visoke impedanse koje pojačava signal za 100. Signal se filtrira niskim propusnim opsegom i zatim usmjerava na jedan ulaz ulaza analogno-digitalnog pretvarača arduina. MOSFET se koristi za Arduino za uključivanje/isključivanje diskovnog motora.

Vrlo je važno spojiti uzemljenje mehaničkog sklopa s virtualnim uzemljenjem elektroničkog kruga na kojem se spajaju R1/R2/C1/C2! Ovo je ujedno i osnova kondenzatora za prikupljanje naboja. To možete vidjeti na posljednjoj slici u ovom poglavlju,

Korak 5: Softver

O softveru nema mnogo toga da se kaže. Napisano je vrlo jednostavno. Aplikacija zna neke naredbe za pravilno konfiguriranje. Arduinu možete pristupiti ako imate Arduino IDE instaliran na vašem sistemu jer su vam potrebni upravljački programi za virtualno upoređivanje. Zatim priključite USB kabel na arduino i vaš PC/prijenosno računalo i upotrijebite terminalni program poput HTerm za povezivanje arduina putem emuliranog odabira s 9600 bauda, bez pariteta i 1 stopbitom i CR-LF pri ulasku.

• "setdate dd-mm-yy" postavlja datum RTC-modula spojenog na arduino
• "settime hh: mm: ss" postavlja vrijeme RTC-modula spojenog na arduino
• "getdate" ispisuje datum i vrijeme
• "setintervall 10… 3600" Postavlja intervall uzorkovanja u sekundama od 10s do 1h
• "start" započinje sesiju mjerenja nakon sinhronizacije s nadolazećim punim minutom
• "sync" radi isto, ali čeka nadolazeći cijeli sat
• "stop" zaustavlja sesiju merenja

Nakon što primi "start" ili "sync" i obavi sinhronizaciju, aplikacija prvo uzima uzorak da vidi gdje je nulta točka ili pristranost. Zatim pokreće motor i čeka 8 sekundi da se broj okretaja stabilizira. Zatim se uzima uzorak. Općenito postoji softverski algoritam za usrednjavanje koji kontinuirano daje prosjek uzoraka za posljednjih 10 uzoraka kako bi se izbjegli kvarovi. Prethodno uzeta nulta vrijednost sada se oduzima od mjerenja, a rezultat se šalje preko usporedbe zajedno s datumom i vremenom mjerenja. Primjer mjerne sesije izgleda ovako:

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

Dakle, mjerenja su prikazana kao otkloni od nule mjereni znamenkama koje mogu biti pozitivne ili negativne ovisno o prostornom smjeru električnog toka. Naravno da postoji razlog zašto sam odlučio formatirati podatke u stupce datuma, vremena i mjernih vrijednosti. Ovo je savršen format za vizualizaciju podataka s poznatim programom "gnuplot"!

Korak 6: Kako to funkcionira

Upravo sam vam rekao da je princip rada ovog uređaja elektrostatička indukcija. Pa kako to funkcionira detaljno? Pretpostavimo na trenutak da bismo bili jedan od onih segmenata na disku. Rotiramo se konstantnom brzinom i stalno smo izloženi vanjskom električnom polju, a zatim se opet skrivamo od fluksa pod zaštitom štita. Zamislite da bismo zapravo izašli iz sjene na polje. Došli bismo u kontakt sa uzemljenim brkovima. Električno polje djelovalo bi na naše slobodne elektrone i recimo da bi ih polje odbilo. Budući da smo uzemljeni, postojala bi količina elektrona koji bježe od nas i nestaju u zemlji.

Gubitak tla

Sada, dok se okretanje diska nastavlja u nekom trenutku, izgubili bismo kontakt sa zemaljskim brkom. Sada nam više ne može pobjeći nikakva optužba, ali je i zatvoren put za već naplaćene optužbe. Zaostajemo s nedostatkom elektrona. Sviđalo nam se to ili ne, sada smo naplaćeni! A naš naboj je proporcionalan jačini električnog fluksa.

Koliko naplaćujemo?

Tokom vremena dok smo bili izloženi električnom polju izgubili smo neke elektrone. Koliko smo izgubili? Pa, sa svakim izgubljenim elektronom, naš naboj se penjao. Ovaj naboj stvara vlastito rastuće električno polje između nas i tla. Ovo polje je suprotno od ambijentalnog koje je generiralo indukciju. Gubitak elektrona se nastavlja do tačke u kojoj su oba polja jednaka i poništavaju jedno drugo! Nakon što smo izgubili kontakt sa zemljom, još uvijek imamo vlastito električno polje u odnosu na uzemljenu ploču koja ima potencijal zemlje. Znate kako nazivamo dvije provodljive ploče s električnim poljem između? Ovo je kondenzator! Mi smo dio napunjenog kondenzatora.

Sad smo kondenzator!

Znate li vezu između naboja i napona na kondenzatoru? Dopustite mi da vam kažem, to je U = Q/C gdje je U napon, Q naboj, a C kapacitet. Kapacitet kondenzatora je obrnuto proporcionalan udaljenosti njegovih ploča! To znači da što je veća udaljenost, to je manji kapacitet. Što se događa dok nastavljamo uključivati kotač bez dodira s tlom? Povećavamo udaljenost do uzemljene ploče. Dok ovo radimo, naš kapacitet dramatično opada. Sada ponovo pogledajte U = Q/C. Šta se događa ako je Q konstanta, a C opada? Da, napon raste! Ovo je vrlo pametan način za pojačavanje napona samo primjenom mehaničkih sredstava. Ovdje vam ne trebaju operativno pojačalo, filtriranje šuma i statističko računanje. Pametna i jasna fizika pojačava naš signal do razine na kojoj obrada signala elektronikom postaje dosadan zadatak. Sva pamet ovog uređaja oslanja se na elektrostatičku indukciju i efekt kondenzatora!

Šta to znači?

Ali šta smo tačno povećali na ovaj način? Imamo li sada više elektrona? Ne! Imamo li uopće više naplate? Ne! Ono što smo pojačali je ENERGIJA elektrona i to nam omogućava da koristimo jednostavnija elektronička kola i manje filtriranja. Sada smo došli do afela naše putanje i konačno nakupljanje naboja uzima naše napajane elektrone i prikuplja ih u kondenzator sakupljača naboja.

Imunitet protiv smetnji

Kada pogledate video, vidjet ćete da je, unatoč uobičajenim smetnjama u mojoj kući, izlazni signal uređaja stabilan i praktično bez šuma. Kako je to moguće? Pa mislim da je to zato što signal i smetnje ne idu odvojeno do pojačala kao u klasičnom poljskom mlinu. Po mom dizajnu, smetnje utječu na prikupljeno punjenje od trenutka kada se prekine veza sa uzemljenjem. To znači da je svaki uzorak na neki način pogođen smetnjama. No, budući da ove smetnje nemaju istosmjernu komponentu sve dok su simetrične, rezultat smetnji je uvijek prosječan u kondenzatoru kolektora naboja. Nakon dovoljno okretanja diska i uzoraka unesenih u sakupljač naboja, prosjek smetnji je nula. Mislim da je to trik!

Korak 7: Testiranje

Nakon nekog testiranja, otklanjanja grešaka i poboljšanja, instalirao sam mlin na terenu zajedno sa mojom starom win-xp bilježnicom na tavan i napravio probni rad otprilike jednog dana. Rezultati su vizualizirani pomoću gnuplota. Pogledajte priloženu datoteku podataka "e-field-data.dat" i gnuplot konfiguracijsku datoteku "e-field.gp". Za pregled rezultata samo pokrenite gnuplot na ciljnom sistemu i upišite upit> učitajte "e-field.gp"

Pogledajte sliku koja prikazuje rezultate. Prilično je izvanredno. Počeo sam mjerenje 2018-10-03 kada smo imali lijepo vrijeme i plavo nebo. Vidite da je električno polje bilo prilično jako i negativno, dok moramo voditi računa jer trenutno nije razumljivo što je "negativno", a šta "pozitivno". Trebala bi nam kalibracija našeg uređaja kako bi bila usklađena sa stvarnom fizikom. No, svejedno, možete vidjeti da se tokom ciklusa mjerenja jakost polja smanjivala zajedno s vremenom koje se počelo pogoršavati, postajalo je oblačno i kišovito. Nekako sam bio začuđen tim nalazima, ali još moram provjeriti jesu li oni u korelaciji s fizikom.

Sada ste vi na redu. Nastavite i napravite vlastiti mlin na električno polje i istražite tajne naše planete u vlastitoj potrazi! Zabavi se!

Korak 8: Prikupljanje i tumačenje podataka

Budući da sve (nadam se) radi dobro, trebali biste prikupiti neke podatke. Preporučio bih da za poljski mlin koristite fiksno mjesto. U suprotnom bi podatke bilo teško usporediti. Lokalni parametri polja mogu se jako razlikovati od mjesta do mjesta. Mlin sam konfigurirao tako da svaki sat uzima jednu mjernu vrijednost. Pustio sam mlin da radi oko 3 mjeseca. Ako pogledate grafikone koji prikazuju prikupljene podatke za mjesec novembar 2018., decembar 2018. i januar 2019., vidjet ćete neke izvanredne nalaze.

Prvo možete vidjeti da je snaga polja u novembru bila samo pozitivna, a da se do kraja mjeseca pretvorila u negativnu. Dakle, moralo se promijeniti nešto općenito, vjerovatno ovisno o vremenu. Možda je došlo do razumnog pada temperature. Tada je prosječni signal ostao negativan do kraja ciklusa mjerenja. Druga stvar je da u grafikonu signala postoji nekoliko skokova koji ukazuju na brze promjene polja koje traju samo nekoliko minuta. Mislim da za to nisu odgovorne promjene u atmosferi. Čak i lokalno vrijeme sadrži ogromne mase plina i ugrađenih iona. Također se oblaci i kiša ili snijeg obično ne mijenjaju u roku od nekoliko minuta. Tako da mislim da je utjecaj koji je stvorio čovjek mogao uzrokovati te nagle promjene. Ali i ovo je teško objasniti. Svi izvori dalekovoda daju samo izmjenični napon. To se ne računa za promjene dc-a koje sam primijetio. Pretpostavljam da je možda došlo do nekih procesa naelektrisanja automobila koji su prolazili asfaltom ulice ispred mog stana. Mogu se zamisliti i procesi naboja uzrokovani prašinom koju nosi vjetar i dolazi u dodir s licem moje kuće.