E-Field Mill - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Je weet misschien al dat ik verslaafd ben aan alle soorten sensormeettoepassingen. Ik heb altijd al de fluctuaties van het aardmagnetisch veld willen opsporen en ik was ook gefascineerd door het meten van het elektrische omgevingsveld van de aarde dat in stand wordt gehouden door ladingsscheidingsprocessen die plaatsvinden tussen de wolken en het aardoppervlak. Incidenten zoals heldere lucht, regen of onweer hebben allemaal een dramatische impact op het elektrische veld dat ons omringt en nieuwe wetenschappelijke bevindingen laten ons zien dat onze gezondheid sterk afhankelijk is van de omringende elektrische velden.

Daarom wilde ik voor mezelf een geschikt meetapparaat maken voor statische elektrische velden. Er is al een vrij goed ontwerp dat veel wordt gebruikt, ook wel elektrische veldmolen genoemd. Dit apparaat maakt gebruik van een effect dat elektrostatische inductie wordt genoemd. Dit gebeurt altijd wanneer u een geleidend materiaal blootstelt aan een elektrisch veld. Het veld trekt de vrije elektronen in het materiaal aan of stoot ze af. Als het is verbonden met aarde (aardpotentiaal), stromen ladingsdragers in of uit het materiaal. Na het loskoppelen van de aarde blijft er een lading op het materiaal, ook als het elektrische veld verdwijnt. Deze lading kan worden gemeten met een voltmeter. Dit is grofweg het principe van het meten van statische elektrische velden.

Een paar jaar geleden heb ik een veldmolen gebouwd volgens plannen en schema's die ik op internet vond. Het bestaat in principe uit een rotor met een soort propeller erop. De propeller is een dubbele set metalen segmenten die geaard zijn. De rotor draait rond een set inductieplaten die elektrisch worden bedekt en blootgelegd door de rotor. Elke keer dat ze worden ontdekt, veroorzaakt de elektrostatische inductie van het elektrische veld in de omgeving een stroom van ladingsdragers. Deze stroom wordt omgekeerd wanneer de rotor de inductieplaten weer afdekt. Wat je krijgt is een min of meer sinusvormige wisselstroom waarvan de amplitude een weergave is van de sterkte van het gemeten veld. Dit is de eerste fout. Je krijgt geen statische spanning die de veldsterkte aangeeft, maar moet de amplitude nemen van een wisselsignaal dat eerst moet worden gecorrigeerd. Het tweede probleem is nog vervelender. De veldmolen werkt redelijk goed in een ongestoorde omgeving - laten we zeggen aan de donkere kant van de maan wanneer je ver weg bent van het gezoem van hoogspanningslijnen en al deze overvloedige elektrische mist die onze omgeving overal binnendringt. Vooral de 50Hz of 60Hz powerline brom interfereert direct met het gewenste signaal. Om dit probleem aan te pakken, gebruikt de veldmolen een tweede set inductieplaten met een andere versterker die hetzelfde signaal opneemt met een faseverschuiving van 90°. In een extra operationele versterker worden beide signalen van elkaar afgetrokken. Omdat ze uit fase zijn, blijft er een restant van het gewenste signaal over en wordt de interferentie, die in beide signalen gelijk is, theoretisch opgeheven. Hoe goed dit werkt hangt af van de gelijkheid van de interferentie in beide meetcircuits, de CMRR van de versterker en van de vraag of de versterker overstuurd raakt of niet. Wat de situatie nog ongemakkelijker maakt, is dat je de hoeveelheid hardware ruwweg hebt verdubbeld om van de interferentie af te komen.

Vorig jaar had ik een idee om dat probleem op te lossen met mijn eigen ontwerp. Het is wat meer werk aan de monteur, maar eenvoudig in kwestie van elektronica. Zoals altijd is dit geen gedetailleerde stapsgewijze replicatie van het volledige apparaat. ik zal je de werkingsprincipes van mijn ontwerp laten zien en je kunt het op verschillende manieren veranderen en aanpassen aan je eigen behoeften. Nadat ik je heb laten zien hoe je het moet bouwen, zal ik je uitleggen hoe het werkt en je het resultaat van mijn eerste metingen laten zien.

Toen ik het idee voor dit apparaat kreeg, was ik tot op het bot trots, maar zoals je weet gaat arrogantie vooraf aan elke ondergang. Ja, het was mijn eigen idee. Ik heb het zelf ontwikkeld. Maar zoals altijd was er iemand voor mij. De scheiding van ladingen door inductie en versterking door gebruik te maken van het condensatoreffect werd de afgelopen 150 jaar in bijna elk ontwerp van elektrostatische generatoren gebruikt. Er is dus niets bijzonders aan mijn ontwerp, ondanks het feit dat ik de eerste was die erover dacht om die concepten toe te passen voor het meten van zwakke elektrostatische velden. Ik hoop nog steeds dat ik ooit beroemd zal worden.

Stap 1: Lijst met materialen en gereedschappen

In de volgende lijst ziet u ongeveer welke materialen u nodig heeft. U kunt deze zo vaak wijzigen en aanpassen als u wilt.

• Vellen van 4 mm multiplex
• houten balken 10x10mm
• 8 mm aluminium buis
• 6 mm aluminium staaf
• 8 mm plexiglas staaf
• 120x160mm enkelzijdige verkoperde PCB
• messing of koperdraad 0.2mm
• een stuk koperen plaat van 0,2 mm
• soldeer
• lijm
• 3 mm schroeven en moeren
• Een testbus van 4 mm
• geleidende rubberen buis (binnendiameter 2 mm) Ik heb de mijne van amazon
• Elektronische onderdelen volgens het schema (downloadsectie)
• Een 68nF styroflex condensator als collector voor de ladingen. U kunt deze waarde op vele manieren wijzigen.
• Een kaapstandermotor voor 6V DC. Dit zijn motoren die speciaal zijn ontworpen voor schijfspelers en bandrecorders. Hun toerental is geregeld! Je kunt ze nog steeds vinden op Ebay.
• Een 6V/1A voeding.

Dit zijn de tools die je nodig hebt

• Soldeerbout
• Arduino-ontwikkelomgeving op uw pc/notebook
• USB-A naar B-kabel
• vijl of beter een draaibank
• elektrische boor
• kleine cirkelzaag of handzaag
• pincet
• draadknipper

Stap 2: De mechanica maken

Op de eerste foto ziet u dat het hele ontwerp is gebaseerd op twee platen multiplex met een afmeting van 210 mm x 140 mm. Ze zijn boven elkaar gemonteerd, verbonden door 4 stukken houten balken die ze 50 mm uit elkaar houden. Tussen beide platen zit de motor en de bedrading. De motor is gemonteerd met twee M3-schroeven die passen in twee gaten van 3 mm die door de bovenste triplexplaat zijn geboord. Een plaat PCB-materiaal werkt als een schild tegen het omringende elektrische veld. Het is 85 mm boven de bovenste multiplexplaat gemonteerd en de binnenrand eindigt net om de motoras.

Het kernonderdeel van dit apparaat is een schijf. Het heeft een diameter van 110 mm en is gemaakt van enkelzijdig met koper bekleed PCB-materiaal. Ik heb met een frees een ronde schijf uit de printplaat gesneden. Ik heb ook een molen gebruikt om de kopercoating in vier elektrisch geïsoleerde segmenten te snijden. Het is ook erg belangrijk om een ring rond het midden van de schijf te snijden waar de motoras doorheen gaat. Anders zouden de segmenten elektrisch worden geaard! Op mijn draaibank heb ik een klein stukje aluminium staaf van 6 mm gesneden op een manier dat er aan de onderkant een gat van 3 mm nodig is met twee rechthoekige gaten van 2,5 mm waarin M3-schroefdraad is gesneden. Het andere uiteinde heb ik tot een kleine as van 3 mm gesneden om passen in het middelste gat van de schijf. De adapter werd vervolgens supergelijmd aan de onderkant van de schijf. Het schijfsamenstel kan dan op de motoras worden geschroefd.

Dan zie je nog een belangrijk onderdeel. Een segment ter grootte van die op de schijf, gemaakt van 0,2 mm koperplaat. Dit segment is gemonteerd op twee platen multiplex. Wanneer de schijf is gemonteerd, bevindt dit segment zich zeer smal onder de roterende schijf. de afstand is slechts ongeveer 1 mm. Het is belangrijk om deze afstand zo klein mogelijk te houden!

De volgende belangrijke dingen zijn de grondwhisker en de ladingsopname. Beide zijn gemaakt van aluminium buis en staven met ingesneden schroefdraad om ze allemaal samen te monteren. Je kunt hier elk type variatie doen dat je wilt. Je hebt alleen iets geleidends nodig dat over het oppervlak van de schijf loopt. Voor de snorharen heb ik veel materialen geprobeerd. De meeste beschadigden na een tijdje de schijfsegmenten. Eindelijk vond ik een hint in een boek over elektrostatische apparaten. Gebruik geleidende rubberen slangen! Het beschadigt de koperen coating niet en slijt en verslijt…

De grondwhisker wordt zodanig op een plaats geplaatst dat deze het contact met het onderliggende schijfsegment verliest wanneer deze de grondplaat begint bloot te leggen. De ladingopnemer is zo geplaatst dat deze het middensegment pakt wanneer deze zich op maximale afstand van de grondplaat bevindt. Let erop dat de laadopnemer op een stuk plexiglas staaf is gemonteerd. Dit is belangrijk omdat we hier een goede isolatie nodig hebben. Anders zouden we lastenverlies hebben!

Dan zie je dat de 4mm testbus in de "kelder" van het geheel is geplaatst. Ik heb deze verbinding geleverd omdat ik niet zeker wist of ik een echte "aarde" -verbinding nodig zou hebben of niet. Onder normale omstandigheden hebben we te maken met zulke lage stromen dat we sowieso een intrinsieke aarding hebben. Maar misschien komt er in de toekomst een testopstelling waar we die misschien nodig hebben, wie weet?

Stap 3: De bedrading

Nu moet je alles elektrisch met elkaar verbinden zodat het goed werkt. Gebruik de koperdraad en soldeer de volgende onderdelen aan elkaar.

• De 4 mm testplug
• De grond snorhaar
• Het schild
• een draad van de ladingsverzamelcondensator;

Soldeer de 2e draad van de condensator aan de laadopnemer.

Stap 4: Het maken van de elektronica

Volg het schema om de elektronische componenten op een stuk perfboard te plaatsen. Ik heb pin-headers aan de randen van het bord gesoldeerd om het te verbinden met de Arduino Uno. De schakeling is verdomd eenvoudig. De verzamelde lading wordt opgevangen bij de condensator en toegevoerd aan een versterker met hoge impedantie die het signaal met 100 versterkt. Het signaal wordt laagdoorlaatgefilterd en vervolgens naar één ingang van de analoog-naar-digitaal-omzetteringangen van de arduino geleid. Een MOSFET wordt gebruikt voor de Arduino om de schijfmotor in/uit te schakelen.

Het is erg belangrijk om de aarde van de mechanische assemblage te verbinden met de virtuele aarde van het elektronische circuit, waar R1/R2/C1/C2 samenkomen! Dit is ook de aarde van de condensator voor het verzamelen van lading. Dit zie je op de laatste foto in dit hoofdstuk,

Stap 5: De software

Over de software valt niet veel te zeggen. Het is heel eenvoudig geschreven. De applicatie kent enkele commando's om correct geconfigureerd te worden. Je hebt toegang tot de Arduino als je de Arduino IDE op je systeem hebt geïnstalleerd, omdat je de virtuele comport-stuurprogramma's nodig hebt. Sluit vervolgens een USB-kabel aan op de arduino en uw pc / notebook en gebruik een terminalprogramma zoals HTerm om de arduino aan te sluiten via de geëmuleerde comport met 9600 bauds, geen pariteit en 1 stopbit en CR-LF bij enter.

• "setdate dd-mm-yy" stelt de datum in van de RTC-module die is aangesloten op de arduino
• "settime hh:mm:ss" stelt de tijd in van de RTC-module die is aangesloten op de arduino
• "getdate" drukt datum en tijd af
• "setintervall 10…3600" Stelt het bemonsteringsinterval in seconden in van 10s tot 1h
• "start" start de meetsessie na synchronisatie met de komende volledige minuut
• "sync" doet hetzelfde, maar wacht op het komende volledige uur
• "stop" stopt de meetsessie

Na het ontvangen van "start" of "sync" en het uitvoeren van de synchronisatie-dingen neemt de applicatie eerst een monster om te zien waar het nulpunt of de bias zit. Daarna start hij de motor en wacht 8 seconden totdat het toerental is gestabiliseerd. Daarna wordt het monster genomen. Over het algemeen is er een softwaremiddelingsalgoritme dat continu de samples gemiddeld over de laatste 10 samples om glitches te voorkomen. De eerder genomen nulwaarde wordt nu afgetrokken van de meting en het resultaat wordt samen met de datum en tijd van de meting over de comport gestuurd. Een voorbeeld van een meetsessie ziet er als volgt uit:

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

De metingen worden dus weergegeven als afbuigingen van nul, gemeten in cijfers, die positief of negatief kunnen zijn, afhankelijk van de ruimtelijke richting van de elektrische flux. Natuurlijk is er een reden waarom ik heb besloten om de gegevens op te maken in kolommen met datum, tijd en meetwaarden. Dit is het perfecte formaat om de data te visualiseren met het bekende "gnuplot" programma!

Stap 6: Hoe het werkt

Ik heb je net verteld dat het werkingsprincipe van dit apparaat elektrostatische inductie is. Dus hoe werkt het in detail? Laten we even aannemen dat we een van die segmenten op de schijf zouden zijn. We draaien met een constante snelheid, worden continu blootgesteld aan het elektrische veld in de omgeving en verbergen ons vervolgens weer voor de flux onder de bescherming van het schild. Stel je voor dat we daadwerkelijk uit de schaduw het veld in zouden gaan. We zouden in contact komen met de aardende snorhaar. Het elektrische veld zou inwerken op onze vrije elektronen en laten we zeggen dat het veld ze zou afstoten. Omdat we geaard zijn, zou er een hoeveelheid elektronen van ons wegvluchten en in de aarde verdwijnen.

terrein verliezen

Nu, terwijl het draaien van de schijf op een bepaald moment doorgaat, zouden we het contact met de grondwhisker verliezen. Nu kan er geen lading meer van ons wegvluchten maar ook de weg terug voor de reeds verdwenen ladingen is afgesloten. We blijven dus achter met een gebrek aan elektronen. Of we het nu leuk vinden of niet, we worden nu in rekening gebracht! En onze lading is evenredig met de sterkte van de elektrische flux.

Hoeveel lading hebben we?

Gedurende de tijd dat we werden blootgesteld aan het elektrische veld, verloren we een aantal elektronen. Hoeveel hebben we verloren? Met elk elektron dat we verloren, klom onze lading omhoog. Deze lading genereert een eigen stijgend elektrisch veld tussen ons en de grond. Dit veld is tegengesteld aan het omgevingsveld dat de inductie genereerde. Dus het verlies van elektronen gaat door tot het punt waarop beide velden gelijk zijn en elkaar opheffen! Nadat we het contact met aarde hebben verloren, hebben we nog steeds ons eigen elektrische veld tegen de geaarde plaat die aardpotentiaal heeft. Weet je hoe we twee geleidende platen noemen met een elektrisch veld ertussen? Dit is een condensator! We maken deel uit van een geladen condensator.

We zijn nu een condensator!

Kent u de relatie tussen lading en spanning op een condensator? Laat me je vertellen, het is U=Q/C waarbij U de spanning is, Q de lading en C de capaciteit. De capaciteit van een condensator is omgekeerd evenredig met de afstand van zijn platen! Dat betekent dat hoe groter de afstand, hoe lager de capaciteit. Wat gebeurt er nu als we aan het stuur blijven draaien zonder contact met de grond? We vergroten de afstand tot de grondplaat. Terwijl we dit doen, daalt onze capaciteit dramatisch. Kijk nu nog eens naar U=Q/C. Als Q constant is en C afneemt, wat gebeurt er dan? Ja, de spanning stijgt! Dit is een zeer slimme manier om de spanning te versterken door alleen mechanische middelen toe te passen. Je hebt hier geen operationele versterker, ruisfiltering en statistische berekeningen nodig. Het is gewoon slimme en eenvoudige fysica die ons signaal op een niveau brengt waar signaalverwerking met elektronica een saaie taak wordt. Alle slimheid van dit apparaat is gebaseerd op elektrostatische inductie en het condensatoreffect!

Wat betekent het?

Maar wat hebben we op deze manier precies gestimuleerd? Hebben we nu meer elektronen? Nee! Hebben we sowieso meer lading? Nee! Wat we hebben gestimuleerd, is de ENERGIE van de elektronen en dit is wat ons in staat stelt om eenvoudiger elektronische circuits en minder filtering te gebruiken. Nu hebben we de aphel van ons traject bereikt en uiteindelijk neemt de ladingsopname onze bekrachtigde elektronen en verzamelt ze in de ladingscollectorcondensator.

Immuniteit tegen interferentie

Als je de video bekijkt, zul je zien dat ondanks de gebruikelijke interferentie in mijn huis het uitgangssignaal van het apparaat stabiel en vrijwel ruisvrij is. Hoe is dit mogelijk? Nou, ik denk dat het komt omdat signaal en interferentie niet gescheiden gaan naar de versterker zoals in de klassieke veldmolen. In mijn ontwerp heeft de interferentie invloed op de verzamelde lading vanaf het moment dat de verbinding met aarde wegvalt. Dat betekent dat elk monster op de een of andere manier wordt beïnvloed door interferentie. Maar omdat deze interferentie geen DC-component heeft zolang deze symmetrisch is, wordt het interferentieresultaat altijd uitgemiddeld in de condensator van de ladingscollector. Na voldoende schijfwisselingen en monsters die in de ladingcollector zijn ingevoerd, is het gemiddelde van de interferentie nul. Ik denk dat dat de truc is!

Stap 7: Testen

Na wat testen, debuggen en verbeteren installeerde ik de veldmolen samen met mijn oude win-xp notebook op mijn zolder en deed een testrun over ongeveer een dag. De resultaten werden gevisualiseerd met gnuplot. Zie het bijgevoegde gegevensbestand "e-field-data.dat" en het gnuplot-configuratiebestand "e-field.gp". Om de resultaten te bekijken, start u gnuplot op uw doelsysteem en typt u bij de prompt >load "e-field.gp"

Zie de afbeelding met de resultaten. Het is nogal opmerkelijk. Ik begon de meting op 03-10-2018 toen we mooi weer en een blauwe lucht hadden. Zie dat het elektrische veld behoorlijk sterk en negatief was, terwijl we moeten oppassen want wat "negatief" en wat "positief" is, is momenteel niet redelijk gespecificeerd. We zouden een kalibratie van ons apparaat nodig hebben om af te stemmen op echte fysica. Maar hoe dan ook, je kunt zien dat tijdens de meetcycli de veldsterkte afnam en het weer begon te verslechteren en bewolkt en regenachtig werd. Ik was op de een of andere manier verbaasd over die bevindingen, maar moet nog steeds controleren of deze correleren met de natuurkunde.

Nu is het uw beurt. Ga door en maak je eigen elektrische veldmolen en verken de geheimen van onze planeet op je eigen zoektocht! Veel plezier!

Stap 8: Gegevens verzamelen en interpreteren

Nu alles (hopelijk) goed werkt, zou je wat gegevens moeten verzamelen. Ik zou aanraden om een vaste plaats te gebruiken voor de veldmolen. Anders zouden de gegevens moeilijk te vergelijken zijn. De lokale veldparameters kunnen van plaats tot plaats sterk verschillen. Ik heb de molen zo geconfigureerd dat hij elk uur één meetwaarde nodig heeft. Ik heb de molen ongeveer 3 maanden laten draaien. Als je de grafieken bekijkt die de verzamelde gegevens van de maanden november 2018, december 2018 en januari 2019 presenteren, zie je een aantal opmerkelijke bevindingen.

Ten eerste kun je zien dat de veldsterkte in november alleen maar positief was en tegen het einde van de maand negatief werd. Er moet dus iets algemeens zijn veranderd, waarschijnlijk afhankelijk van het weer. Misschien was er een redelijke temperatuurdaling. Daarna bleef het gemiddelde signaal negatief tot het einde van de meetcyclus. Het tweede is dat er verschillende pieken in de signaalgrafiek zijn die wijzen op snelle veldveranderingen die slechts enkele minuten duren. Ik denk niet dat veranderingen in de atmosfeer daar verantwoordelijk voor zijn. Zelfs het lokale weer omvat enorme gasmassa's en ingebouwde ionen. Ook wolken en regen of sneeuw veranderen meestal niet binnen enkele minuten. Dus ik denk dat door de mens veroorzaakte invloed die plotselinge veranderingen kan hebben veroorzaakt. Maar ook dit is moeilijk uit te leggen. Alle stroombronnen leveren alleen wisselspanning. Dat geldt niet voor de dc-veranderingen die ik heb waargenomen. Ik vermoed dat er elektrische laadprocessen zijn geweest door voorbijrijdende auto's op het asfalt van de straat voor mijn flat. Denkbaar zijn ook laadprocessen veroorzaakt door stof dat door de wind wordt meegevoerd en in contact komt met de voorkant van mijn huis.