E-lauka dzirnavas: 8 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

Jūs, iespējams, jau zināt, ka esmu atkarīgs no jebkāda veida sensoru mērīšanas lietojumprogrammām. Es vienmēr gribēju izsekot Zemes magnētiskā lauka svārstībām, un mani arī fascinēja zemes apkārtējā elektriskā lauka mērīšana, ko uztur lādiņu atdalīšanas procesi starp mākoņiem un zemes virsmu. Tiem starpgadījumiem kā skaidras debesis, lietus vai pērkona negaiss dramatiski ietekmē mūs ieskaujošo elektrisko lauku, un jauni zinātniski atklājumi liecina, ka mūsu veselība lielā mērā ir atkarīga no apkārtējiem elektriskajiem laukiem.

Tāpēc es gribēju izveidot sev piemērotu mērīšanas ierīci statiskiem elektriskiem laukiem. Jau pastāv viens diezgan labs dizains, ko sauc arī par elektriskā lauka dzirnavām, ko plaši izmanto. Šī ierīce izmanto efektu, ko sauc par elektrostatisko indukciju. Tas vienmēr notiek, ja jūs pakļaujat vadošu materiālu elektriskam laukam. Lauks piesaista vai atbaida materiāla brīvos elektronus. Ja tas ir savienots ar zemi (zemes potenciāls), lādēšanas nesēji plūst materiālā vai no tā. Pēc zemes atvienošanas uz materiāla paliek lādiņš pat tad, ja pazūd elektriskais lauks. Šo lādiņu var izmērīt ar voltmetru. Tas ir aptuveni aptuvens statisko elektrisko lauku mērīšanas princips.

Pirms dažiem gadiem es uzbūvēju lauka dzirnavas saskaņā ar plāniem un shēmām, kuras atradu internetā. Galvenokārt tas sastāv no rotora ar kādu dzenskrūvi. Propellers ir dubults metāla segmentu komplekts, kas ir iezemēts. Rotors griežas ap indukcijas plākšņu komplektu, ko elektriski pārklāj un neaizsedz rotors. Katru reizi, kad tie tiek atklāti, apkārtējā elektriskā lauka elektrostatiskā indukcija izraisa lādiņu nesēju plūsmu. Šī plūsma tiek mainīta, kad rotors atkal pārklāj indukcijas plāksnes. Jūs iegūstat mainīgu vairāk vai mazāk sinusoidālu strāvu, kuras amplitūda atspoguļo izmērītā lauka stiprumu. Tas ir pirmais trūkums. Jūs nesaņemat statisku spriegumu, kas parāda lauka intensitāti, bet jums ir jāizmanto mainīgā signāla amplitūda, kas vispirms ir jānovērš. Otrais jautājums ir vēl garlaicīgāks. Lauka dzirnavas darbojas diezgan labi netraucētā vidē -tā saka mēness tumšajā pusē, kad atrodaties tālu no elektrolīnijas dārdoņa un visas šīs bagātīgās elektriskās miglas, kas iekļūst mūsu vidē visur, kur atrodamies. Īpaši 50 Hz vai 60 Hz strāvas līnijas dūkoņa tieši traucē vēlamajam signālam. Lai risinātu šo problēmu, lauka dzirnavas izmanto otru indukcijas plākšņu komplektu ar citu pastiprinātāju, kas uztver to pašu signālu ar 90 ° fāzes nobīdi. Papildu darbības pastiprinātājā abi signāli tiek atņemti viens no otra. Tā kā tie ir beigušies, paliek vēlamā signāla atlikums un traucējumi, kas abos signālos ir vienādi, teorētiski tiek atcelti. Tas, cik labi tas darbojas, ir atkarīgs no traucējumu vienlīdzības abās mērīšanas ķēdēs, pastiprinātāja CMRR un no jautājuma, vai pastiprinātājs tiek pārslēgts vai nē. Situāciju padara vēl neērtāku tas, ka jūs aptuveni dubultojāt aparatūras daudzumu, lai atbrīvotos no traucējumiem.

Pagājušajā gadā man bija ideja pārvarēt šīs problēmas ar savu dizainu. Tas ir nedaudz vairāk darbs pie mehāniķa, bet vienkāršs jautājums par elektroniku. Kā vienmēr, šī nav detalizēta soli pa solim visas ierīces atkārtošana. Es jums parādīšu sava dizaina darba principus, un jūs varat to mainīt dažādos veidos un pielāgot savām vajadzībām. Pēc tam, kad esmu parādījis, kā to izveidot, es paskaidrošu, kā tas darbojas, un parādīšu savu pirmo mērījumu rezultātu.

Kad man radās ideja par šo ierīci, es biju lepns līdz kauliem, bet, kā jūs zināt, augstprātība ir pirms jebkāda sabrukuma. Jā, tā bija mana ideja. Es to izstrādāju pati. Bet kā vienmēr kāds bija pirms manis. Lādiņu atdalīšana ar indukciju un pastiprināšanu, izmantojot kondensatora efektu, tika izmantota gandrīz katrā elektrostatiskā ģeneratora konstrukcijā pēdējo 150 gadu laikā. Tātad manā dizainā nav nekā īpaša, neskatoties uz to, ka es biju pirmais, kurš domāja par šo jēdzienu izmantošanu vāju elektrostatisko lauku mērīšanai. Es joprojām ceru, ka kādu dienu es būšu slavens.

1. darbība: materiālu un instrumentu saraksts

Šajā sarakstā ir aptuveni parādīts, kādi materiāli jums būs nepieciešami. Jūs varat tos mainīt un pielāgot, cik vēlaties.

• Loksnes no 4 mm saplākšņa
• koka sijas 10x10mm
• 8 mm alumīnija caurule
• 6 mm alumīnija stienis
• 8 mm plexiglass stienis
• 120x160mm vienpusēja vara pārklāta PCB
• misiņa vai vara stieple 0,2 mm
• 0,2 mm vara loksnes gabals
• lodēt
• līme
• 3 mm skrūves un uzgriežņi
• 4 mm testa ligzda
• vadoša gumijas caurule (iekšējais diametrs 2mm) Es ieguvu raktuves no amazon
• Elektroniskās detaļas saskaņā ar shēmu (lejupielādes sadaļa)
• 68nF styroflex kondensators kā lādiņu savācējs. Šo vērtību varat mainīt dažādos veidos.
• 6V līdzstrāvas dzinējs. Tie ir motori, kas īpaši paredzēti disku atskaņotājiem un magnetofoniem. Viņu apgriezieni ir regulēti! Jūs joprojām varat tos atrast ebay.
• 6V/1A barošanas avots.

Šie ir nepieciešamie rīki

• Lodāmurs
• Arduino izstrādes vide datorā/piezīmjdatorā
• USB-A līdz B kabelis
• failu vai labāk virpu
• elektriskais urbis
• mazs buzz zāģis vai rokas zāģis
• pincetes
• stieples griezējs

2. darbība: mehānikas izgatavošana

Pirmajā attēlā redzams, ka viss dizains ir balstīts uz divām saplākšņa loksnēm, kuru izmērs ir 210 mm x 140 mm. Tie ir uzstādīti virs otra, savienoti ar 4 koka siju gabaliem, kas tos saglabā 50 mm attālumā. Starp abām loksnēm atrodas motors un elektroinstalācija. Motors ir uzstādīts ar divām M3 skrūvēm, kas ievietotas divos 3 mm caurumos, kas izurbti caur augšējo saplākšņa loksni. PCB materiāla loksne darbojas kā vairogs pret apkārtējo elektrisko lauku. Tas ir uzstādīts 85 mm virs saplākšņa loksnes, un tā iekšējā mala beidzas ap motora vārpstu.

Šīs ierīces galvenā sastāvdaļa ir disks. Tā diametrs ir 110 mm, un tas ir izgatavots no vienas puses ar vara pārklātu PCB materiālu. Es izmantoju dzirnavas, lai izgrieztu PCB apaļo disku. Es arī izmantoju dzirnavas, lai vara pārklājumu sagrieztu četros segmentos, kas ir elektriski izolēti. Ir arī ļoti svarīgi izgriezt gredzenu ap diska vidusdaļu, kur iet motora vārpsta. Pretējā gadījumā tas elektriski noslīpētu segmentus! Savā virpā es sagriezu nelielu 6 mm alumīnija stieņa gabalu tā, lai tā apakšā būtu 3 mm caurums ar diviem taisnstūrveida 2, 5 mm caurumiem, kuros ir iegriezti M3 pavedieni. Otru galu es nogriezu līdz mazai 3 mm vārpstai iederas diska vidējā atverē. Pēc tam adapteris tika superlīmēts diska apakšā. Pēc tam diska komplektu var pieskrūvēt pie motora vārpstas.

Tad jūs redzat vēl vienu svarīgu sastāvdaļu. Diska izmēra segments, kas izgatavots no 0, 2 mm vara loksnes Šis segments ir uzstādīts uz divām saplākšņa loksnēm. Kad disks ir uzstādīts, šis segments atrodas ļoti šauri zem rotējošā diska. attālums ir tikai apmēram 1 mm. Ir svarīgi saglabāt šo attālumu pēc iespējas mazāku!

Nākamās svarīgās lietas ir zemes ūsas un lādiņa savākšana. Abi ir izgatavoti no alumīnija caurules un stieņiem ar sagrieztiem pavedieniem, lai tos visus montētu kopā. Šeit varat veikt jebkura veida variācijas, kas jums patīk. Jums vienkārši nepieciešams kaut kas vadošs, kas darbojas virs diska virsmas. Ūsām es izmēģināju daudz materiālu. Lielākā daļa no tiem pēc kāda laika sabojāja diska segmentus. Visbeidzot es atradu mājienu grāmatā par elektrostatiskajām ierīcēm. Izmantojiet vadošas gumijas caurules! Tas nebojā vara pārklājumu un nēsā un nēsā …

Zemes ūsas ir novietotas uz vietas tā, ka, zaudējot zemējuma plāksni, tā zaudē kontaktu ar zemāk esošo diska segmentu. Uzlādes uztvērējs ir novietots tā, lai segments būtu pa vidu, kad tas atrodas maksimālā attālumā no iezemētās plāksnes. Pārliecinieties, ka uzlādes uztvērējs ir uzstādīts uz organiskā stikla stieņa gabala. Tas ir svarīgi, jo šeit ir nepieciešama laba izolācija. Pretējā gadījumā mēs zaudētu maksu!

Tad jūs redzat, ka 4 mm testa ligzda ir novietota montāžas "pagrabā". Es nodrošināju šo savienojumu, jo nebiju pārliecināts, vai man būs vajadzīgs īsts "zemes" savienojums vai nē. Normālos apstākļos mēs strādājam ar tik zemām strāvām, ka mums katrā ziņā ir raksturīga iezemēšana. Bet varbūt nākotnē būs testa iestatīšana, kur mums tas varētu būt vajadzīgs, kas zina?

3. solis: elektroinstalācija

Tagad jums ir elektriski jāsavieno viss, lai tas darbotos pareizi. Izmantojiet misiņa stiepli un lodēt kopā šādas detaļas.

• 4 mm testa spraudnis
• Zemes ūsas
• Vairogs
• viens lādiņa savākšanas kondensatora vads

Lodējiet kondensatora 2. vadu pie uzlādes uztvērēja.

4. solis: elektronikas izgatavošana

Ievietojiet shēmu, lai elektroniskos komponentus novietotu uz plātnes. Es lodēju tapu galvenes pie tāfeles malām, lai savienotu to ar Arduino Uno. Ķēde ir sasodīti vienkārša. Savāktais lādiņš tiek savākts kondensatorā un tiek ievadīts augstas pretestības pastiprinātājā, kas pastiprina signālu par 100. Signāls tiek filtrēts ar zemas caurlaides spēju un pēc tam tiek novirzīts uz vienu arduino analogā-digitālā pārveidotāja ieejas ieeju. Lai ieslēgtu/izslēgtu diska motoru, Arduino izmanto MOSFET.

Ir ļoti svarīgi savienot mehāniķa mezgla zemi ar elektroniskās shēmas virtuālo zemējumu, kur satiekas R1/R2/C1/C2! Tas ir arī lādiņu savākšanas kondensatora pamats. To var redzēt šīs nodaļas pēdējā attēlā,

5. solis: programmatūra

Par programmatūru nav daudz ko teikt. Tas ir uzrakstīts ļoti vienkārši. Lietojumprogramma zina dažas komandas, lai pareizi konfigurētu. Jūs varat piekļūt arduino, ja jūsu sistēmā ir instalēta Arduino IDE, jo jums ir nepieciešami virtuālie saderības draiveri. Pēc tam pievienojiet USB kabeli arduino un datoram/piezīmjdatoram un izmantojiet tādu termināla programmu kā HTerm, lai savienotu arduino, izmantojot emulēto portu ar 9600 bodu, bez paritātes un 1 pieturas bitu un CR-LF.

• "setdate dd-mm-yy" nosaka datumu, kad RTC modulis ir pievienots arduino
• "settime hh: mm: ss" nosaka arduino savienotā RTC moduļa laiku
• "getdate" izdrukā datumu un laiku
• "setintervall 10… 3600" Iestata paraugu ņemšanas intervālu sekundēs no 10 s līdz 1 h
• "start" sāk mērīšanas sesiju pēc sinhronizācijas ar gaidāmo pilno minūti
• "sinhronizācija" dara to pašu, bet gaida gaidāmo pilno stundu
• "stop" pārtrauc mērīšanas sesiju

Pēc “start” vai “sinhronizācijas” saņemšanas un sinhronizācijas veikšanas lietojumprogramma vispirms ņem paraugu, lai redzētu, kur atrodas nulles punkts vai neobjektivitāte. Tad tas iedarbina motoru un gaida 8 sekundes, lai apgriezieni stabilizētos. Pēc tam tiek ņemts paraugs. Parasti ir programmatūras vidējās aprēķināšanas algoritms, kas nepārtraukti aprēķina paraugus pēdējos 10 paraugos, lai izvairītos no traucējumiem. Iepriekš iegūtā nulles vērtība tagad tiek atņemta no mērījuma, un rezultāts tiek nosūtīts pa komportu kopā ar mērījuma datumu un laiku. Mērīšanas sesijas piemērs izskatās šādi:

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

Tātad mērījumi tiek parādīti kā novirzes no nulles, ko mēra ar cipariem, kas var būt pozitīvi rūdas negatīvi atkarībā no elektriskās plūsmas telpiskā virziena. Protams, ir iemesls, kāpēc es nolēmu formatēt datus datuma, laika un mērījumu vērtību kolonnās. Šis ir ideāls formāts datu vizualizēšanai, izmantojot slaveno "gnuplot" programmu!

6. darbība. Kā tas darbojas

Es tikko teicu, ka šīs ierīces darbības princips ir elektrostatiskā indukcija. Tātad, kā tas darbojas detalizēti? Pieņemsim, ka uz brīdi mēs būtu viens no šiem diska segmentiem. Mēs rotējam nemainīgā ātrumā, nepārtraukti pakļaujoties apkārtējā elektriskajam laukam un pēc tam atkal slēpjamies no plūsmas zem vairoga aizsardzības. Iedomājieties, ka mēs patiesībā izkļūsim no ēnas laukā. Mēs sazinātos ar zemējuma ūsu. Elektriskais lauks iedarbotos uz mūsu brīvajiem elektroniem un ļauj teikt, ka lauks tos atvairīs. Tā kā mēs esam iezemēti, būtu daudz elektronu, kas bēgtu no mums un pazustu zemē.

Zemes zaudēšana

Tagad, kamēr diska griešanās kādā brīdī turpinās, mēs zaudēsim kontaktu ar zemes ūsām. Tagad no mums vairs nevar aizbēgt, bet ir slēgts arī ceļš atpakaļ par jau aizturētajām apsūdzībām. Tātad mēs atpaliekam no elektronu trūkuma. Ja mums tas patīk vai nē, mēs tagad esam iekasēti! Un mūsu lādiņš ir proporcionāls elektriskās plūsmas stiprumam.

Cik mums ir maksa?

Laikā, kad mēs bijām pakļauti elektriskajam laukam, mēs zaudējām dažus elektronus. Cik mēs esam zaudējuši? Ar katru zaudēto elektronu mūsu lādiņš uzkāpa. Šis lādiņš rada pieaugošu elektrisko lauku starp mums un zemi. Šis lauks ir pretējs apkārtējam, kas izraisīja indukciju. Tātad elektronu zudums turpinās līdz vietai, kur abi lauki ir vienādi un atceļ viens otru! Kad mēs zaudējām kontaktu ar zemi, mums joprojām ir savs elektriskais lauks pret iezemēto plāksni, kurai ir zemes potenciāls. Jūs zināt, kā mēs saucam divas vadošas plāksnes ar elektrisko lauku starp tām? Tas ir kondensators! Mēs esam daļa no uzlādēta kondensatora.

Mēs tagad esam kondensators!

Vai jūs zināt saistību starp kondensatora uzlādi un spriegumu? Ļaujiet man jums pateikt, ka U = Q/C kur U ir spriegums, Q ir lādiņš un C jauda. Kondensatora jauda ir apgriezti proporcionāla tā plākšņu attālumam! Tas nozīmē, ka jo lielāks attālums, jo zemāka jauda. Kas notiek, kamēr mēs ieslēdzam riteni bez saskares ar zemi? Mēs palielinām attālumu līdz zemes plāksnei. Kamēr mēs to darām, mūsu spējas krasi samazinās. Tagad paskatieties vēlreiz uz U = Q/C. Ja Q ir nemainīgs un C samazinās, kas notiek? Jā, spriegums pieaug! Tas ir ļoti gudrs veids, kā pastiprināt spriegumu, izmantojot tikai mehāniskus līdzekļus. Šeit jums nav nepieciešams operatīvais pastiprinātājs, trokšņu filtrēšana un statistikas skaitļošana. Tā ir vienkārši gudra un vienkārša fizika, kas palielina mūsu signālu līdz līmenim, kad signālu apstrāde ar elektroniku kļūst par garlaicīgu uzdevumu. Visa šīs ierīces gudrība ir atkarīga no elektrostatiskās indukcijas un kondensatora efekta!

Ko tas nozīmē?

Bet ko tieši mēs šādā veidā veicinājām? Vai mums tagad ir vairāk elektronu? Nē! Vai mums tomēr ir lielāka maksa? Nē! Mēs palielinājām elektronu ENERĢIJU, un tas ļauj mums izmantot vienkāršākas elektroniskās shēmas un mazāk filtrēt. Tagad mēs sasniedzām mūsu trajektorijas aferi un beidzot uzlādes uztveršana paņem mūsu enerģētiskos elektronus un savāc tos lādiņu kolektora kondensatorā.

Imunitāte pret iejaukšanos

Aplūkojot videoklipu, jūs redzēsit, ka, neskatoties uz parastajiem traucējumiem manās mājās, ierīces izejas signāls ir stabils un praktiski bez trokšņa. Kā tas ir iespējams? Nu es domāju, ka tas ir tāpēc, ka signāls un traucējumi nenotiek atsevišķi līdz pastiprinātājam, kā klasiskajā lauka dzirnavās. Manā dizainā traucējumi ietekmē iekasēto maksu tieši no brīža, kad tiek zaudēts savienojums ar zemi. Tas nozīmē, ka katrs paraugs ir kaut kādā veidā ietekmēts. Bet, tā kā šim traucējumam nav līdzstrāvas komponenta, kamēr tas ir simetriski, traucējumu rezultāts vienmēr tiek vidēji aprēķināts uzlādes kolektora kondensatorā. Pēc pietiekamiem diska pagriezieniem un paraugiem, kas ievadīti uzlādes kolektorā, traucējumu vidējais lielums ir nulle. Es domāju, ka tas ir triks!

7. darbība: pārbaude

Pēc dažām pārbaudēm, atkļūdošanas un uzlabošanas es uzstādīju lauka dzirnavas kopā ar veco win-xp piezīmjdatoru manā bēniņos un aptuveni vienu dienu veicu testa braucienu. Rezultāti tika vizualizēti ar gnuplot. Skatiet pievienoto datu failu "e-field-data.dat" un gnuplot konfigurācijas failu "e-field.gp". Lai skatītu rezultātus, vienkārši sāciet gnuplot savā mērķa sistēmā un ierakstiet uzvednē> ielādējiet "e-field.gp"

Skatiet attēlu, kurā parādīti rezultāti. Tas ir diezgan ievērojams. Es sāku mērījumus 2018-10-03, kad mums bija labs laiks un zilas debesis. Redziet, ka elektriskais lauks bija diezgan spēcīgs un negatīvs, bet mums ir jārūpējas, jo tas, kas pašlaik ir “negatīvs” un “pozitīvs”, nav pamatoti norādīts. Mums būtu nepieciešama mūsu ierīces kalibrēšana, lai tā atbilstu reālajai fizikai. Bet jebkurā gadījumā jūs varat redzēt, ka mērījumu ciklu laikā lauka intensitāte samazinājās līdz ar laika apstākļu pasliktināšanos un kļuva duļķains un lietains. Es biju kaut kā pārsteigts par šiem atklājumiem, bet man joprojām ir jāpārbauda, vai tie korelē ar fiziku.

Tagad ir tava kārta. Dodieties tālāk un izveidojiet savas elektriskā lauka dzirnavas un izpētiet mūsu planētas noslēpumus, veicot savus meklējumus! Izklaidējieties!

8. darbība: datu apkopošana un interpretēšana

Tagad, kad viss (cerams) darbojas labi, jums vajadzētu apkopot dažus datus. Es ieteiktu lauka dzirnavām izmantot noteiktu vietu. Pretējā gadījumā datus būtu grūti salīdzināt. Vietējie lauka parametri dažādās vietās var ievērojami atšķirties. Es konfigurēju dzirnavas, lai katru stundu būtu viena mērījuma vērtība. Es ļāvu dzirnavām darboties apmēram 3 mēnešus. Ja paskatāties uz grafikiem, kuros attēloti apkopotie dati par 2018. gada novembri, 2018. gada decembri un 2019. gada janvāri, redzat dažus ievērojamus atklājumus.

Vispirms var redzēt, ka lauka intensitāte novembrī bija tikai pozitīva un mēneša beigās pārvērtās negatīvā. Tātad kaut kas vispārējs ir mainījies, iespējams, atkarībā no laika apstākļiem. Varbūt bija saprātīga temperatūras pazemināšanās. Tad vidējais signāls līdz mērīšanas cikla beigām palika negatīvs. Otra lieta ir tā, ka signālu grafikā ir vairāki tapas, kas norāda uz straujām lauka izmaiņām, kas ilgst tikai dažas minūtes. Es nedomāju, ka atmosfēras izmaiņas ir atbildīgas par to. Pat vietējie laika apstākļi ietver milzīgas gāzes masas un iestrādātus jonus. Arī mākoņi un lietus vai sniegs parasti nemainās dažu minūšu laikā. Tāpēc es domāju, ka cilvēka radīta ietekme varēja izraisīt šīs pēkšņās izmaiņas. Bet arī to ir grūti izskaidrot. Visi elektrolīnijas avoti nodrošina tikai maiņstrāvas spriegumu. Tas neņem vērā dc izmaiņas, kuras es novēroju. Man ir aizdomas, ka automašīnām, kas gāja garām asfaltam uz ielas pretī manam dzīvoklim, varētu būt notikuši daži elektriskās uzlādes procesi. Varētu domāt arī par uzlādes procesiem, ko izraisa vēja pārnēsātie putekļi un saskare ar manas mājas seju.