E-poljski mlin: 8 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Morda že veste, da sem odvisen od kakršnih koli aplikacij za merjenje senzorjev. Vedno sem želel izslediti nihanja magnetnega polja zemlje, navdušil pa me je tudi merjenje električnega polja zemlje, ki ga vzdržujejo procesi ločevanja nabojev med oblaki in površjem zemlje. Incidenti, kot so jasno nebo, dež ali nevihta, imajo dramatičen vpliv na električno polje, ki nas obdaja, nove znanstvene ugotovitve pa kažejo, da je naše zdravje močno odvisno od okoliških električnih polj.

Zato sem si želel narediti primerno merilno napravo za statična električna polja. Obstaja že en precej dober dizajn, imenovan tudi električni poljski mlin, ki se pogosto uporablja. Ta naprava uporablja učinek, imenovan Elektrostatična indukcija. To se vedno zgodi, ko prevodni material izpostavite električnemu polju. Polje privlači ali odbija proste elektrone v materialu. Če je priključen na ozemljitev (potencial ozemljitve), nosilci naboja pritečejo v material ali iz njega. Po odklopu tal na material ostane naboj, tudi če električno polje izgine. Ta naboj je mogoče izmeriti z voltmetrom. To je zelo grobo načelo merjenja statičnih električnih polj.

Pred nekaj leti sem zgradil poljski mlin po načrtih in shemah, ki sem jih našel na internetu. V glavnem je sestavljen iz rotorja, na katerem je nekakšen propeler. Propeler je dvojni niz kovinskih segmentov, ki so ozemljeni. Rotor se vrti okoli niza indukcijskih plošč, ki jih rotor električno pokrije in odkrije. Vsakič, ko jih odkrijemo, elektrostatična indukcija zunanjega električnega polja povzroči tok nosilcev naboja. Ta tok se obrne, ko rotor ponovno prekrije indukcijske plošče. Dobiš izmenični bolj ali manj sinusni tok, katerega amplituda predstavlja jakost izmerjenega polja. To je prva pomanjkljivost. Ne dobite statične napetosti, ki prikazuje jakost polja, vendar morate vzeti amplitudo izmeničnega signala, ki ga je treba najprej odpraviti. Drugo vprašanje je še bolj dolgočasno. Poljski mlin deluje zelo dobro v nemotenem okolju -recimo na temni strani lune, ko ste daleč od šumenja daljnovoda in vse te obilne električne megle, ki prodira v naše okolje povsod. Zlasti zvok daljnovoda 50Hz ali 60Hz neposredno moti želeni signal. Za reševanje tega problema poljski mlin uporablja drugi niz indukcijskih plošč z drugim ojačevalnikom, ki sprejema isti signal s faznim premikom za 90 °. V dodatnem operacijskem ojačevalniku se oba signala odštejeta drug od drugega. Ker sta zunaj faze, ostane preostali del želenega signala, motnje, ki so pri obeh signalih enake, pa teoretično izginejo. Kako dobro to deluje, je odvisno od enakosti motenj v obeh merilnih vezjih, CMRR ojačevalnika in od vprašanja, ali se ojačevalnik preobremeni ali ne. Še bolj neprijetno je, da ste približno podvojili količino strojne opreme, samo da se znebite motenj.

Lani sem imel idejo, da bi te težave premagal z lastnim dizajnom. To je malo več dela na mehaniki, vendar preprosto glede elektronike. Kot vedno to ni podrobno posnemanje celotne naprave po korakih. Pokazal vam bom delovna načela mojega oblikovanja, ki ga lahko spremenite na različne načine in ga prilagodite svojim potrebam. Ko vam bom pokazal, kako ga zgraditi, vam bom razložil, kako deluje, in vam pokazal rezultat mojih prvih meritev.

Ko sem dobil idejo za to napravo, sem bil do kosti ponosen, a kot veste, je aroganca pred vsakim padcem. Ja, to je bila moja lastna ideja. Sam sem ga razvil. Ampak kot vedno je bil nekdo pred mano. Ločevanje nabojev z indukcijo in ojačanjem z učinkom kondenzatorja je bilo v zadnjih 150 letih uporabljeno v skoraj vseh konstrukcijah elektrostatičnega generatorja. Torej v mojem dizajnu ni nič posebnega, kljub dejstvu, da sem bil prvi, ki je razmišljal o uporabi teh konceptov za merjenje šibkih elektrostatičnih polj. Še vedno upam, da bom nekega dne postala slavna.

1. korak: Seznam materialov in orodij

Naslednji seznam približno prikazuje, katere materiale boste potrebovali. Lahko jih spreminjate in prilagajate, kolikor želite.

• Listi iz vezanega lesa 4 mm
• leseni tramovi 10x10 mm
• 8 mm aluminijasta cev
• 6 mm aluminijasta palica
• 8 mm palica iz pleksi stekla
• 120x160mm enostransko bakreno pocinkano vezje
• medenina ali bakrena žica 0,2 mm
• kos 0,2 mm bakrene pločevine
• spajkanje
• lepilo
• 3 mm vijaki in matice
• Testna vtičnica 4 mm
• prevodna gumijasta cev (notranji premer 2 mm) sem jo dobil iz amazona
• Elektronski deli po shemi (razdelek za prenos)
• Stirofleksni kondenzator 68nF kot zbiralnik nabojev. To vrednost lahko spremenite na široko.
• Močni motor za 6V DC. To so motorji, ki so bili posebej zasnovani za predvajalnike plošč in magnetofone. Njihovi vrtljaji so regulirani! Še vedno jih najdete na Ebayu.
• Napajanje 6V/1A.

To so orodja, ki jih potrebujete

• Spajkalnik
• Razvojno okolje Arduino na vašem osebnem računalniku/prenosnem računalniku
• Kabel USB-A do B
• pilico ali bolje stružnico
• električni vrtalnik
• majhna žaga ali ročna žaga
• pinceto
• rezalnik žice

2. korak: Izdelava mehanike

Na prvi sliki lahko vidite, da celotna zasnova temelji na dveh listih vezanega lesa dimenzij 210 mm x 140 mm. Nameščeni so drug nad drugim, povezani s 4 kosi lesenih nosilcev, ki jih držijo 50 mm na razdalji. Med obema listoma sta motor in ožičenje. Motor je nameščen z dvema vijakoma M3, nameščenima v dveh 3 mm luknjah, izvrtanih skozi zgornjo ploščo vezanega lesa. List iz PCB materiala deluje kot ščit pred zunanjim električnim poljem. Nameščen je 85 mm nad zgornjo ploščo vezanega lesa, njegov notranji rob pa se konča le okoli gredi motorja.

Osrednja komponenta te naprave je disk. Ima premer 110 mm in je narejen iz enostranskega materiala PCB, prevlečenega z bakrom. Z mlinom sem izrezal okrogel disk iz tiskanega vezja. Mlin sem uporabil tudi za razrez bakrene prevleke na štiri segmente, ki so električno izolirani. Zelo pomembno je tudi, da okoli sredine diska prerežete obroč, skozi katerega bo gred motorja. V nasprotnem primeru bi segmente električno ozemljil! Na stružnici sem izrezal majhen kos 6 -milimetrske aluminijaste palice tako, da na dnu vzame luknjo 3 mm z dvema pravokotnima 2,5 -milimetrskimi luknjami, na katerih sta zarezani niti M3. Drugi konec odrežem na majhno gred 3 mm, namestite v srednjo luknjo diska. Adapter je bil nato super lepljen na dno diska. Diskovni sklop lahko nato privijete na gred motorja.

Potem vidite drugo pomembno komponento. Odsek velikosti tistih na disku, narejen iz 0,2 mm bakrene pločevine Ta segment je nameščen na dveh listih vezanega lesa. Ko je disk nameščen, je ta segment zelo ozko pod vrtljivim diskom. razdalja je le 1 mm. Pomembno je, da je ta razdalja čim manjša!

Naslednji pomembni stvari sta talni brk in dvig naboja. Oba sta izdelana iz aluminijaste cevi in palic z zarezanimi nitmi, da ju pritrdite skupaj. Tu lahko naredite katero koli vrsto variacije, ki vam je všeč. Potrebujete le nekaj prevodnega, ki teče po površini diska. Za brke sem preizkusil veliko materialov. Večina jih je čez nekaj časa poškodovala segmente diska. Nazadnje sem v knjigi našel namig o elektrostatičnih napravah. Uporabite prevodne gumijaste cevi! Ne poškoduje bakrene prevleke in se nosi in nosi …

Zemeljski brk je nameščen na mesto, tako da izgubi stik z osnovnim segmentom diska, ko začne odkrivati talno ploščo. Pobiralnik naboja je nameščen tako, da odsek vzame na sredino, ko je na največji razdalji od talne plošče. Prepričajte se, da je pobiralnik napolnjen na kos palice iz pleksi stekla. To je pomembno, ker tukaj potrebujemo dobro izolacijo. V nasprotnem primeru bi izgubili stroške!

Nato vidite, da je 4 -milimetrska testna vtičnica nameščena v "kleti" sklopa. To povezavo sem zagotovil, ker nisem bil prepričan, ali bom potreboval pravo "zemeljsko" povezavo ali ne. V normalnih pogojih imamo opravka s tako nizkimi tokovi, da imamo tako ali tako notranjo ozemljitev. Morda pa bo v prihodnosti prišlo do testne nastavitve, kjer jo bomo morda potrebovali, kdo ve?

3. korak: Ožičenje

Zdaj morate vse električno povezati, da deluje pravilno. Medeninasto žico in spajkajte skupaj z naslednjimi deli.

• 4 mm preskusni vtič
• Zemeljski brk
• Ščit
• ena žica kondenzatorja za zbiranje naboja

Spajkajte 2. žico kondenzatorja na prevzem naboja.

4. korak: Izdelava elektronike

Sledite shemi, da elektronske komponente postavite na kos lesene plošče. Na robove plošče sem spajkal glave zatičev, da jih povežem z Arduino Uno. Vezje je prekleto preprosto. Zbrani naboj se pobere v kondenzatorju in se vnese v visoko impedančni ojačevalnik, ki poveča signal za 100. Signal je nizkoprepustni filtriran in nato preusmerjen na en vhod vhodov analogno-digitalnega pretvornika arduino. Za vklop/izklop diskovnega motorja se uporablja MOSFET.

Zelo pomembno je, da ozemljitev mehanskega sklopa priključite na virtualno ozemljitev elektronskega vezja, kjer se stikata R1/R2/C1/C2! To je tudi osnova kondenzatorja za zbiranje naboja. To lahko vidite na zadnji sliki v tem poglavju,

5. korak: programska oprema

O programski opremi ni veliko za povedati. Napisano je zelo preprosto. Aplikacija pozna nekaj ukazov za pravilno konfiguracijo. Do arduina lahko dostopate, če imate v sistemu nameščen Arduino IDE, ker potrebujete gonilnike za virtualno primerjavo. Nato priključite kabel USB na arduino in vaš računalnik/prenosni računalnik ter uporabite terminalski program, kot je HTerm, da povežete arduino prek emuliranega comport-a s 9600 baudi, brez parnosti in 1 stopbitom ter CR-LF pri vhodu.

• "setdate dd-mm-yy" nastavi datum modula RTC, priključenega na arduino
• "settime hh: mm: ss" nastavi čas modula RTC, priključenega na arduino
• "getdate" natisne datum in čas
• "setintervall 10… 3600" Nastavi intervall vzorčenja v nekaj sekundah od 10s do 1h
• "start" začne meritveno sejo po sinhronizaciji s prihajajočo polno minuto
• "sync" počne enako, vendar čaka na prihajajočo polno uro
• "stop" ustavi merilno sejo

Ko prejme "start" ali "sync" in opravi sinhronizacijo, aplikacija najprej vzame vzorec, da vidi, kje je ničelna točka ali pristranskost. Nato zažene motor in počaka 8 sekund, da se število vrtljajev stabilizira. Nato se odvzame vzorec. Na splošno obstaja algoritem povprečenja programske opreme, ki vzorce neprekinjeno povpreči za zadnjih 10 vzorcev, da se izogne napakam. Predhodno sprejeta ničelna vrednost se zdaj odšteje od meritve, rezultat pa se pošlje preko primerjave skupaj z datumom in časom meritve. Primer merilne seje izgleda takole:

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

Torej so meritve prikazane kot odkloni od nič, merjeni v številkah, ki so lahko pozitivne ali negativne, odvisno od prostorske smeri električnega toka. Seveda obstaja razlog, zakaj sem se odločil formatirati podatke v stolpce datuma, časa in merilnih vrednosti. To je popolna oblika za vizualizacijo podatkov s slavnim programom "gnuplot"!

6. korak: Kako deluje

Pravkar sem vam povedal, da je načelo delovanja te naprave elektrostatična indukcija. Kako torej deluje podrobno? Predpostavimo, da bi bili za trenutek eden od tistih segmentov na disku. Rotiramo s konstantno hitrostjo in smo neprestano izpostavljeni zunanjemu električnemu polju, nato pa se spet skrivamo pred tokom pod zaščito ščita. Predstavljajte si, da bi dejansko prišli iz sence na polje. Bili bi v stiku z ozemljitvenim brkom. Električno polje bi delovalo na naše proste elektrone in recimo, da bi jih polje odbilo. Ker smo ozemljeni, bi pred nami pobegnilo veliko elektronov, ki bi izginili v zemlji.

Izguba tal

Medtem ko se obračanje diska na neki točki nadaljuje, bi izgubili stik s talnim brkom. Zdaj od nas ne more več pobegniti, vendar je zaprta tudi pot nazaj po že obremenjenih obtožbah. Tako smo ostali s pomanjkanjem elektronov. Če nam je všeč ali ne, smo zdaj zaračunani! In naš naboj je sorazmeren z močjo električnega toka.

Koliko naboja imamo?

V času, ko smo bili izpostavljeni električnemu polju, smo izgubili nekaj elektronov. Koliko smo izgubili? No, z vsakim izgubljenim elektronom se je naš naboj dvignil. Ta naboj ustvari naraščajoče električno polje med nami in tlemi. To polje je nasprotno od okolja, ki je ustvarilo indukcijo. Tako se izguba elektronov nadaljuje do točke, ko sta obe polji enaki in se izničita! Ko smo izgubili stik z zemljo, imamo še vedno lastno električno polje proti ozemljeni plošči, ki ima zemeljski potencial. Veste, kako imenujemo dve prevodni plošči z električnim poljem vmes? To je kondenzator! Smo del napolnjenega kondenzatorja.

Zdaj smo kondenzator!

Ali poznate razmerje med nabojem in napetostjo na kondenzatorju? Naj vam povem, da je U = Q/C, kjer je U napetost, Q naboj in C zmogljivost. Zmogljivost kondenzatorja je obratno sorazmerna z razdaljo njegovih plošč! To pomeni, da je širša razdalja, manjša je zmogljivost. Kaj se zgodi, ko nenehno vklapljamo kolo brez stika z zemljo? Povečujemo razdaljo do talne plošče. Medtem ko to počnemo, se naše zmogljivosti močno zmanjšujejo. Zdaj pa ponovno poglejte U = Q/C. Kaj se zgodi, če je Q konstanten in C upada? Ja, napetost narašča! To je zelo pameten način za povečanje napetosti z uporabo mehanskih sredstev. Tu ne potrebujete operacijskega ojačevalnika, filtriranja hrupa in statističnega računanja. Samo pametna in preprosta fizika povečuje naš signal do stopnje, ko obdelava signala z elektroniko postane dolgočasna naloga. Vsa pamet te naprave temelji na elektrostatični indukciji in učinku kondenzatorja!

Kaj to pomeni?

Kaj pa smo na ta način točno povečali? Ali imamo zdaj več elektronov? Ne! Ali imamo vseeno večji strošek? Ne! Povečali smo ENERGIJO elektronov in to nam omogoča uporabo enostavnejših elektronskih vezij in manj filtriranja. Zdaj smo prišli do afela naše poti in na koncu pobiranje naboja vzame naše napolnjene elektrone in jih zbere v kondenzator zbiralnika naboja.

Imuniteta proti motnjam

Ko si ogledate video, boste videli, da je kljub običajnim motnjam v mojem domu izhodni signal naprave stabilen in praktično brez hrupa. Kako je to mogoče? No, mislim, da zato, ker signal in motnje ne gredo ločeno do ojačevalnika kot v klasičnem poljskem mlinu. V moji zasnovi motnje vplivajo na zbrani naboj že od trenutka, ko se izgubi povezava z zemljo. To pomeni, da na vsak vzorec na nek način vplivajo motnje. Ker pa te motnje nimajo enosmerne komponente, dokler je simetrična, je rezultat interference vedno povprečen v kondenzatorju zbiralnika naboja. Po dovolj obračanju diska in vzorcih, podanih v zbiralnik naboja, je povprečje motenj nič. Mislim, da je to trik!

7. korak: Testiranje

Po nekaj testiranjih, odpravljanju napak in izboljšanju sem namestil terenski mlin skupaj s starim prenosnim računalnikom win-xp na podstrešje in en dan opravil testni zagon. Rezultati so bili prikazani z gnuplotom. Oglejte si priloženo podatkovno datoteko "e-field-data.dat" in konfiguracijsko datoteko gnuplot "e-field.gp". Če si želite ogledati rezultate, preprosto zaženite gnuplot v svojem ciljnem sistemu in vnesite poziv> naložite "e-field.gp"

Oglejte si sliko, ki prikazuje rezultate. To je precej izjemno. Z meritvami sem začel leta 2018-10-03, ko smo imeli lepo vreme in modro nebo. Glejte, da je bilo električno polje precej močno in negativno, medtem ko moramo biti pozorni, kaj trenutno "negativno" in "pozitivno" ni razumno določeno. Za uskladitev z resnično fiziko bi potrebovali kalibracijo naše naprave. Kakorkoli že, lahko vidite, da se je v času merilnih ciklov jakost polja zmanjšala, vreme pa se je začelo slabšati, postajalo oblačno in deževno. Nekako sem bil presenečen nad temi ugotovitvami, vendar moram še preveriti, ali so te povezane s fiziko.

Zdaj si ti na vrsti. Pojdi in naredi svoj mlin za električno polje in razišči skrivnosti našega planeta na svojem iskanju! Zabavaj se!

8. korak: Zbiranje in razlaga podatkov

Ker vse (upajmo) deluje v redu, morate zbrati nekaj podatkov. Priporočam uporabo fiksnega mesta za poljski mlin. V nasprotnem primeru bi podatke težko primerjali. Lokalni parametri polja se lahko zelo razlikujejo od kraja do kraja. Mlin sem konfiguriral tako, da vsako uro vzame eno merilno vrednost. Mlin sem pustil delovati približno 3 mesece. Če pogledate grafe, ki predstavljajo zbrane podatke za mesec november 2018, december 2018 in januar 2019, boste videli nekaj izjemnih ugotovitev.

Najprej lahko vidite, da je bila jakost polja novembra le pozitivna in se je do konca meseca spremenila v negativno. Torej se je verjetno spremenilo nekaj splošnega, verjetno glede na vreme. Morda je prišlo do razumnega padca temperature. Potem je povprečni signal do konca merilnega cikla ostal negativen. Druga stvar je, da je v grafu signalov več trnov, ki kažejo na hitre spremembe polja, ki trajajo le nekaj minut. Mislim, da za to niso odgovorne spremembe v ozračju. Tudi lokalno vreme obsega ogromne mase plina in vgrajenih ionov. Tudi oblaki in dež ali sneg se običajno ne spremenijo v nekaj minutah. Zato menim, da je vpliv, ki ga je povzročil človek, morda povzročil te nenadne spremembe. A tudi to je težko razložiti. Vsi viri daljnovoda zagotavljajo le izmenično napetost. To ne velja za spremembe DC-ja, ki sem jih opazil. Sumim, da je prišlo do nekaterih procesov električnega naboja pri avtomobilih, ki so šli mimo asfalta ulice pred mojim stanovanjem. Možni so tudi procesi polnjenja, ki jih povzroča prah, ki ga nosi veter in pride v stik z obrazom moje hiše.