טחנת E-Field: 8 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

אתם אולי כבר יודעים שאני מכור לכל סוג של יישומי מדידת חיישנים. תמיד רציתי לאתר את תנודות השדה המגנטי של כדור הארץ וגם הוקסמתי ממדידת השדה החשמלי הסביבתי של כדור הארץ המתוחזק על ידי תהליכי הפרדת מטענים המתרחשים בין העננים לפני השטח של כדור הארץ. לאירועים כמו שמיים בהירים, גשם או סופת רעמים יש השפעה דרמטית על השדה החשמלי המקיף אותנו וממצאים מדעיים חדשים מראים לנו כי בריאותנו תלויה במידה רבה בשדות החשמל שמסביב.

לכן, זו הסיבה שרציתי להפוך את עצמי למכשיר מדידה מתאים לשדות חשמליים סטטיים. קיים כבר עיצוב אחד די טוב, הנקרא גם טחנת שדות חשמליים הנמצאת בשימוש נרחב. מכשיר זה משתמש באפקט הנקרא אינדוקציה אלקטרוסטטית. זה תמיד קורה כאשר אתה חושף חומר מוליך לשדה חשמלי. השדה מושך או דוחה את האלקטרונים החופשיים בחומר. אם הוא מחובר לאדמה (פוטנציאל אדמה) נושאי מטען זורמים פנימה או החוצה מהחומר. לאחר ניתוק הקרקע נשאר מטען על החומר גם אם השדה החשמלי נעלם. ניתן למדוד מטען זה באמצעות מד מתח. זהו בערך העיקרון של מדידת שדות חשמליים סטטיים.

לפני כמה שנים בניתי טחנת שדה לפי תוכניות וסכימות שמצאתי באינטרנט. בעיקרון הוא מורכב מרוטור שעליו סוג של מדחף. המדחף הוא קבוצה כפולה של מקטעי מתכת אשר מקורקעים. הרוטור מסתובב סביב מערכת לוחות אינדוקציה המכוסים חשמלית וחשופים על ידי הרוטור. בכל פעם שהם נחשפים ההשראה האלקטרוסטטית של השדה החשמלי הסביבתי גורמת לזרימה של נושאי מטען. זרימה זו מתהפכת כאשר הרוטור מכסה שוב את לוחות האינדוקציה. מה שאתה מקבל הוא זרם סינוסואידאלי פחות או יותר לסירוגין אשר משרעת היא ייצוג של חוזק השדה הנמדד. זהו הפגם הראשון. אינך מקבל מתח סטטי המראה את חוזק השדה אך עליך לקחת את משרעת האות המתחלף שיש לתקן תחילה. הנושא השני מייגע עוד יותר. טחנת השדה עובדת די טוב בסביבה בלתי מופרעת -אומרים בצד האפל של הירח כשאתה רחוק מזמזום קו החשמל וכל הערפל החשמלי השופע הזה שחודר לסביבה שלנו בכל מקום בו אנו נמצאים. במיוחד זמזום קו החשמל של 50 הרץ או 60 הרץ מפריע ישירות לאות הרצוי. כדי לטפל בבעיה זו טחנת השדה משתמשת בקבוצה שנייה של לוחות אינדוקציות עם מגבר אחר שלוקח את אותו אות עם שינוי פאזה של 90 °. במגבר תפעולי נוסף שני האותות מופחתים זה מזה. מכיוון שהם מחוץ לשלב שארית האות הרצוי נשארת וההפרעה, השווה בשני האותות, מתבטלת באופן תיאורטי. כמה טוב זה עובד תלוי בשוויון ההפרעה בשני מעגלי המדידה, ב- CMRR של המגבר ובשאלה אם המגבר מופעל יתר על המידה או לא. מה שעושה את המצב עוד יותר לא נוח הוא שהכפלת בערך את כמות החומרה רק כדי להיפטר מההפרעה.

בשנה שעברה היה לי רעיון להתגבר על הבעיה הזו בעיצוב שלי. זה קצת יותר עבודה על המכונאי אבל פשוט בשאלת האלקטרוניקה. כמו תמיד אין מדובר בשכפול מפורט של שלב אחר שלב של המכשיר השלם. אני אראה לך את עקרונות העבודה על העיצוב שלי ותוכל לשנות אותו בדרכים שונות ולהתאים אותו לצרכים שלך. לאחר שאראה לך כיצד לבנות אותו אסביר כיצד הוא פועל ואראה לך את התוצאה של המדידות הראשונות שלי.

כשקיבלתי את הרעיון למכשיר הזה הייתי גאה עד העצמות אבל כידוע יהירות קודמת לכל נפילה. כן, זה היה הרעיון שלי. פיתחתי את זה לבד. אבל כמו תמיד היה מישהו לפניי. הפרדת המטענים באמצעות אינדוקציה והגברה באמצעות אפקט הקבלים שימשה כמעט בכל עיצוב גנרטור אלקטרוסטטי במהלך 150 השנים האחרונות. אז אין שום דבר מיוחד בעיצוב שלי למרות שהייתי הראשון שחשב על יישום מושגים אלה למדידת שדות אלקטרוסטטיים חלשים. אני עדיין מקווה שיום אחד אהיה מפורסם.

שלב 1: רשימת חומרים וכלים

הרשימה הבאה מראה בערך אילו חומרים תזדקקו. אתה יכול לשנות ולהתאים אותם כמה שאתה רוצה.

• יריעות דיקט 4 מ"מ
• קורות עץ 10x10 מ"מ
• צינור אלומיניום 8 מ"מ
• מוט אלומיניום 6 מ"מ
• מוט 8 מ"מ פרספקס
• 120x160 מ"מ לוח אחד מצופה נחושת
• חוט פליז או נחושת 0.2 מ"מ
• חתיכת יריעת נחושת 0.2 מ"מ
• לְרַתֵך
• דֶבֶק
• ברגים ואומים 3 מ"מ
• שקע בדיקה בגודל 4 מ"מ
• צינור גומי מוליך (קוטר פנימי 2 מ"מ) קיבלתי את שלי מאמזון
• חלקים אלקטרוניים בהתאם לסכימה (קטע הורדה)
• קבל סטריפלקס 68nF כאספן לטעינות. אתה יכול לשנות ערך זה בדרכים רחבות.
• מנוע קפסטאן עבור 6V DC. מדובר במנועים שתוכננו במיוחד לנגני דיסקים ולהקלטות. סל"ד שלהם מוסדר! אתה עדיין יכול למצוא אותם ב- eBay.
• ספק כוח 6V/1A.

אלה הכלים שאתה צריך

• מלחם
• סביבת פיתוח Arduino במחשב האישי/במחברת שלך
• כבל USB-A עד B
• קובץ או יותר טוב מחרטה
• מקדחה חשמלית
• מסור זמזום קטן או מסור יד
• מַלְקֶטֶת
• קאטר

שלב 2: הכנת המכניקה

בתמונה הראשונה ניתן לראות שכל העיצוב מבוסס על שני יריעות דיקט בגודל 210 מ"מ על 140 מ"מ. הם מותקנים זה מעל זה, מחוברים על ידי 4 חתיכות קורות עץ ששומרות אותן במרחק של 50 מ"מ. בין שני הסדינים המנוע והחיווט נמצאים. המנוע מותקן עם שני ברגי M3 המתאימים לשני חורים בגודל 3 מ"מ שנקדחו דרך יריעת הדיקט העליונה. יריעת חומר PCB פועלת כמגן מפני השדה החשמלי הסביבתי. הוא מותקן 85 מ"מ מעל יריעת הדיקט העליונה והקצה הפנימי שלו מסתיים רק על ציר המנוע.

מרכיב הליבה של התקן זה הוא דיסק. יש לו קוטר של 110 מ"מ והוא עשוי מחומר PCB מצופה נחושת בצד אחד. השתמשתי בטחנה כדי לחתוך דיסק עגול של ה- PCB. השתמשתי גם בטחנה כדי לחתוך את ציפוי הנחושת לארבעה מקטעים המבודדים חשמלית. חשוב מאוד גם לחתוך טבעת באמצע הדיסק לאן יעבור פיר המנוע. אחרת זה היה טחון חשמלי את הקטעים! על המחרטה שלי חתכתי חתיכה קטנה של מוט אלומיניום 6 מ"מ באופן שהוא לוקח חור בגודל 3 מ"מ בתחתית עם שני חורים מלבניים של 2, 5 מ"מ עם חוטי M3 החתוכים. בקצה השני חתכתי לפיר קטן של 3 מ"מ כדי להתאים לחור האמצעי של הדיסק. המתאם לאחר מכן הודבק במיוחד לתחתית הדיסק. לאחר מכן ניתן להבריג את מכלול הדיסק לציר המנוע.

ואז אתה רואה מרכיב חשוב נוסף. קטע בגודל של אלה על הדיסק, עשוי 0, 2 מ"מ נחושת יריעה קטע זה מותקן על שני יריעות דיקט. כאשר הדיסק מותקן קטע זה נמצא מאוד צר מתחת לדיסק המסתובב. המרחק הוא בערך 1 מ"מ. חשוב לשמור על המרחק הזה קטן ככל האפשר!

הדברים החשובים הבאים הם שפם הקרקע ואיסוף המטען. שניהם עשויים צינור אלומיניום ומוטות עם חוטים חתוכים כדי להרכיב את כולם יחד. אתה יכול לעשות כל סוג של וריאציה שאתה אוהב כאן. אתה רק צריך משהו מוליך שרץ על פני השטח של הדיסק. עבור השפם ניסיתי הרבה חומרים. רובם פגעו בקטעי הדיסק לאחר זמן מה. לבסוף מצאתי רמז בספר על מכשירים אלקטרוסטטיים. השתמש בצינורות גומי מוליכים! זה לא פוגע בציפוי הנחושת ובלאי ומתבלה …

שפם הקרקע מונח במיקום באופן שהוא מאבד מגע עם קטע הדיסק הבסיסי כאשר הוא מתחיל לחשוף את צלחת הקרקע. איסוף המטען ממוקם כך שהוא לוקח את הקטע באמצע כשהוא נמצא במרחק מרבי מלוחית הקרקע. ראו כי איסוף המטען מותקן על פיסת מוט פרספקס. זה חשוב מכיוון שאנו זקוקים לבידוד טוב כאן. אחרת יהיה לנו אובדן חיובים!

לאחר מכן אתה רואה ששקע הבדיקה בגודל 4 מ"מ ממוקם ב"מרתף "המכלול. סיפקתי חיבור זה מכיוון שלא הייתי בטוח אם אצטרך חיבור "קרקע" אמיתי או לא. בתנאים רגילים אנו מתמודדים עם זרמים כה נמוכים שיש לנו ביסוס מהותי ממילא. אבל אולי בעתיד תהיה התקנת בדיקה שבה נזדקק לה, מי יודע?

שלב 3: החיווט

עכשיו אתה צריך לחבר חשמלית הכל כדי שזה יעבוד כמו שצריך. השתמש בחוט הפליז והלחמה יחד את החלקים הבאים.

• תקע הבדיקה בגודל 4 מ"מ
• שפם הקרקע
• המגן
• חוט אחד של קבל איסוף המטען

הלחם את החוט השני של הקבל לאיסוף המטען.

שלב 4: הכנת האלקטרוניקה

עקוב אחר הסכימה כדי למקם את הרכיבים האלקטרוניים על פיסת לוח. הלחמתי כותרות סיכות לקצוות הלוח כדי לחבר אותו עם ה- Arduino Uno. המעגל פשוט לעזאזל. המטען שנאסף נאסף בקבל ומוזן למגבר בעל עכבה גבוהה אשר מגביר את האות ב -100. האות מסונן במעבר נמוך ואז מנותב לכניסה אחת של כניסות ממיר האנלוגי לדיגיטלי של הארדואינו. MOSFET משמש עבור Arduino להפעלה/כיבוי של מנוע הדיסק.

חשוב מאוד לחבר את הקרקע של מכלול המכונאים לקרקע הווירטואלית של המעגל האלקטרוני שבו R1/R2/C1/C2 נפגשים! זהו גם הקרקע של קבל איסוף המטען. אתה יכול לראות זאת בתמונה האחרונה בפרק זה,

שלב 5: התוכנה

אין הרבה מה להגיד על התוכנה. זה כתוב מאוד פשוט. היישום יודע כמה פקודות כדי להגדיר את התצורה כראוי. אתה יכול לגשת ל- arduino אם מותקן ב- Arduino IDE במערכת שלך מכיוון שאתה צריך את מנהלי ההתקנים הווירטואליים. לאחר מכן חבר כבל USB ל- arduino ולמחשב האישי/מחברת שלך והשתמש בתוכנית מסוף כמו HTerm כדי לחבר את הארדואינו באמצעות הקונספט המחושב עם 9600 באדים, ללא שוויון ו- stopbit אחד ו- CR-LF בכניסה.

• "setdate dd-mm-yy" קובע את תאריך מודול ה- RTC המחובר לארדואינו
• "settime hh: mm: ss" קובע את הזמן של מודול ה- RTC המחובר לארדואינו
• "getdate" מדפיס תאריך ושעה
• "setintervall 10 … 3600" קובע את אינטרוול הדגימה תוך שניות בין 10 שניות לשעה
• "התחל" מתחיל את מפגש המדידה לאחר הסנכרון לדקה המלאה הקרובה
• "סנכרון" עושה את אותו הדבר אך מחכה לשעה המלאה הקרובה
• "עצור" מפסיק את מפגש המדידה

לאחר קבלת "התחל" או "סנכרון" וביצוע פעולות הסינכרון, היישום לוקח תחילה דוגמה כדי לראות היכן נקודת האפס או הטיה. ואז הוא מניע את המנוע ומחכה 8 שניות עד שהסל"ד יתייצב. ואז הדגימה נלקחת. באופן כללי יש אלגוריתם ממוצע תוכנה שממוצע את הדגימות באופן רציף בעשרת הדגימות האחרונות כדי להימנע מתקלות. ערך האפס שנלקח בעבר מופחת כעת מהמדידה והתוצאה נשלחת מעל הקומפורט יחד עם תאריך ושעה של המדידה. דוגמה לפגישת מדידה נראית כך:

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

לכן, המדידות מוצגות כסטייה מאפס הנמדדות בספרות שיכולות להיות שליליות עפרות חיוביות בהתאם לכיוון המרחבי של השטף החשמלי. כמובן שיש סיבה מדוע החלטתי לעצב את הנתונים בעמודות של תאריך, שעה וערכי מדידה. זהו הפורמט המושלם להדמיית הנתונים בעזרת התוכנית המפורסמת "gnuplot"!

שלב 6: איך זה עובד

בדיוק אמרתי לך שעיקרון העבודה של המכשיר הזה הוא אינדוקציה אלקטרוסטטית. אז איך זה עובד בפירוט? בואו נניח לרגע שאנחנו אחד מהקטעים האלה בדיסק. אנו מסתובבים במהירות קבועה ונחשפים ללא הרף לשדה החשמלי הסביבתי ואז מתחבאים שוב מהשטף תחת הגנת המגן. תארו לעצמכם שבעצם היינו יוצאים מהצל לתוך השדה. היינו יוצרים קשר עם שפם הארקה. השדה החשמלי יפעל על האלקטרונים החופשיים שלנו ואפשר לומר שהשדה ידחה אותם. מכיוון שאנו מקורקעים תהיה כמות אלקטרונים שיברחו מאיתנו ונעלמים בכדור הארץ.

מפסידים

עכשיו, בזמן שהסיבוב של הדיסק ממשיך בשלב כלשהו היינו מאבדים את הקשר לשפם הקרקע. כעת לא ניתן לברוח מאיתנו עוד מטען, אך הדרך חזרה לחיובים שכבר נעלמו סגורה. אז אנחנו נשארים מאחור עם מחסור באלקטרונים. אם נרצה או לא, אנו מחויבים כעת! והמטען שלנו פרופורציונלי לחוזק השטף החשמלי.

כמה תשלום יש לנו?

במהלך הזמן שנחשפנו לשדה החשמלי איבדנו כמה אלקטרונים. כמה הפסדנו? ובכן, עם כל אלקטרון שאיבדנו, המטען שלנו טיפס למעלה. מטען זה מייצר שדה חשמלי עולה משלו בינינו לבין הקרקע. שדה זה מנוגד לשדה הסביבתי שיצר את האינדוקציה. אז אובדן האלקטרונים ממשיך עד לנקודה שבה שני השדות שווים ומבטלים זה את זה! לאחר שאיבדנו קשר עם הקרקע עדיין יש לנו שדה חשמלי משלנו כנגד הצלחת המונחתת שיש לה פוטנציאל אדמה. אתה יודע כיצד אנו קוראים שתי לוחות מוליכים עם שדה חשמלי ביניהם? זהו קבל! אנו חלק מקבל טעון.

אנחנו קבלים עכשיו!

אתה יודע את הקשר בין מטען למתח על קבל? תן לי להגיד לך, זה U = Q/C שבו U הוא המתח, Q הוא המטען ו- C הקיבולת. הקיבולת של הקבל היא ביחס הפוך למרחק הלוחות שלו! המשמעות היא שככל שהמרחק רחב יותר כך הקיבולת נמוכה יותר. עכשיו מה קורה בזמן שאנו ממשיכים להפעיל את ההגה ללא מגע עם הקרקע? אנו מגדילים את המרחק לצלחת הקרקע. בזמן שאנחנו עושים זאת היכולת שלנו יורדת באופן דרמטי. עכשיו תסתכל שוב על U = Q/C. אם Q קבוע ו- C יורד, מה קורה? כן, המתח עולה! זוהי דרך חכמה מאוד להגביר את המתח על ידי יישום אמצעים מכניים בלבד. לא צריך כאן מגבר תפעולי, סינון רעשים ומחשוב סטטיסטי. פשוט פיזיקה חכמה ופשוטה מגבירה את האות שלנו עד לרמה שבה עיבוד אותות עם אלקטרוניקה הופך פשוט למשימות משעממות. כל החוכמה של מכשיר זה מסתמכת על אינדוקציה אלקטרוסטטית ואפקט הקבלים!

מה זה אומר?

אבל מה בדיוק הגברנו בצורה הזו? האם יש לנו יותר אלקטרונים עכשיו? לא! האם בכל זאת יש לנו יותר תשלום? לא! מה שחיזקנו הוא האנרגיה של האלקטרונים וזה מה שמאפשר לנו להשתמש במעגלים אלקטרוניים פשוטים יותר ובפחות סינון. עכשיו הגענו לאפלה של המסלול שלנו ולבסוף איסוף המטען לוקח את האלקטרונים המופעלים שלנו ואוסף אותם לתוך קבל אספן המטען.

חסינות מפני הפרעות

כאשר תסתכל על הסרטון תראה שלמרות ההפרעות הרגילות בבית שלי אות הפלט של המכשיר הוא יציב ולמעשה נטול רעשים. איך זה אפשרי? ובכן, אני חושב שזה בגלל שהאות וההפרעה אינם עולים בנפרד למגבר כמו בטחנת השדה הקלאסית. בעיצובי ההפרעה משפיעה על המטען שנאסף ממש מהרגע שהחיבור לקרקע אבד. כלומר כל דגימה מושפעת בדרך כלשהי מהפרעה. אך מכיוון שלהפרעה זו אין רכיב DC כל עוד היא סימטרית, תוצאת ההפרעה תמיד ממוצעת בממוצע בקבל אספן המטען. לאחר מספיק סיבובי דיסק ודגימות המוזנות באוסף המטען ממוצע ההפרעה הוא אפס. אני חושב שזה הטריק!

שלב 7: בדיקה

לאחר כמה בדיקות, איתור באגים ושיפור התקנתי את טחנת השדה יחד עם מחברת ה- win-xp הישנה שלי בעליית הגג ועשיתי בדיקת יום בערך. התוצאות דמיינו באמצעות gnuplot. עיין בקובץ הנתונים המצורף "e-field-data.dat" ובקובץ התצורה של gnuplot "e-field.gp". כדי לצפות בתוצאות פשוט הפעל את gnuplot במערכת היעד שלך והקלד בהנחיה> טען "e-field.gp"

ראו את התמונה המציגה את התוצאות. זה די מדהים. התחלתי את המדידה בתאריך 2018-10-03 כאשר היה לנו מזג אוויר נאה ושמים כחולים. ראו כי השדה החשמלי היה די חזק ושלילי, בעוד שעלינו לדאוג כי מה ש"שלילי "ומה" חיובי "כרגע אינו סביר. היינו צריכים כיול של המכשיר שלנו כדי להתיישר עם הפיזיקה האמיתית. אבל בכל מקרה, אתה יכול לראות שבמהלך מחזורי המדידה כוח השדה ירד לצד מזג האוויר שהידרדר והיה מעונן וגשום. איכשהו הופתעתי מהממצאים האלה אבל עדיין צריך לבדוק אם אלה מתואמים עם הפיזיקה.

עכשיו תורך. המשיכו ותכינו טחנת שדה חשמלית משלכם וחקרו את סודות הכוכב שלנו במסע החיפוש שלכם! תעשה חיים!

שלב 8: איסוף ופרשנות נתונים

עכשיו מכיוון שהכל (בתקווה) עובד מצוין, עליך לאסוף כמה נתונים. אני ממליץ להשתמש במקום קבוע לטחנת השדה. אחרת יהיה קשה להשוות את הנתונים. פרמטרי השדה המקומי עשויים להשתנות מאוד ממקום למקום. הגדרתי את הטחנה שהוא לוקח ערך מדידה אחד בכל שעה. נתתי לטחנה לפעול כ -3 חודשים. אם תסתכל על הגרפים המציגים את הנתונים שנאספו לחודש נובמבר 2018, דצמבר 2018 וינואר 2019, אתה רואה כמה ממצאים יוצאי דופן.

ראשית אתה יכול לראות שחוזק השדה בנובמבר היה חיובי בלבד והפך לשלילי עד סוף החודש. אז משהו כללי בוודאי השתנה, ככל הנראה בהתאם למזג האוויר. אולי הייתה ירידת טמפרטורה סבירה. אז האות הממוצע נשאר שלילי עד סוף מחזור המדידה. הדבר השני הוא שישנן מספר קוצים בתרשים האותות המצביעים על שינויי שדה מהירים הנמשכים מספר דקות בלבד. אני לא חושב ששינויים באווירה אחראים לכך. אפילו מזג האוויר המקומי כולל המוני גז עצומים ויונים משולבים. כמו כן עננים וערער או שלג בדרך כלל אינם משתנים תוך דקות. אז אני חושב שההשפעה מעשה ידי אדם גרמה לשינויים הפתאומיים האלה. אבל גם את זה קשה להסביר. כל מקורות קווי החשמל מספקים מתח AC בלבד. זה לא נחשב לשינויי DC שראיתי. אני חושד שאולי היו כמה תהליכי מטען חשמליים של מכוניות שחלפו על פני האספלט של הרחוב מול הדירה שלי. ניתן להעלות על הדעת גם תהליכי טעינה הנגרמים כתוצאה מאבק הנישא על ידי הרוח ויצירת קשר עם פני הבית שלי.