E-Field Mill: 8 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Potresti già sapere che sono dipendente da qualsiasi tipo di applicazione di misurazione dei sensori. Ho sempre voluto tracciare le fluttuazioni del campo magnetico terrestre ed ero anche affascinato dalla misurazione del campo elettrico ambientale della terra che viene mantenuto dai processi di separazione di carica che avvengono tra le nuvole e la superficie della terra. Incidenti come cielo sereno, pioggia o temporale hanno tutti un impatto drammatico sul campo elettrico che ci circonda e nuove scoperte scientifiche ci mostrano che la nostra salute dipende fortemente dai campi elettrici circostanti.

Quindi, questo è il motivo per cui ho voluto creare un dispositivo di misurazione adatto per i campi elettrici statici. Esiste già un design abbastanza buono, chiamato anche mulino a campo elettrico, ampiamente utilizzato. Questo dispositivo utilizza un effetto chiamato induzione elettrostatica. Questo accade sempre quando esponi un materiale conduttivo a un campo elettrico. Il campo attrae o respinge gli elettroni liberi nel materiale. Se è collegato a terra (potenziale di terra) i portatori di carica scorrono dentro o fuori dal materiale. Dopo la disconnessione della terra rimane una carica sul materiale anche se il campo elettrico si annulla. Questa carica può essere misurata con un voltmetro. Questo è molto approssimativamente il principio della misurazione dei campi elettrici statici.

Alcuni anni fa ho costruito un mulino da campo secondo i piani e gli schemi che ho trovato su Internet. Principalmente è costituito da un rotore con una sorta di elica su di esso. L'elica è un doppio set di segmenti metallici collegati a terra. Il rotore ruota attorno a una serie di piastre a induzione coperte e scoperte elettricamente dal rotore. Ogni volta che vengono scoperti l'induzione elettrostatica del campo elettrico ambientale provoca un flusso di portatori di carica. Questo flusso viene invertito quando il rotore copre nuovamente le piastre ad induzione. Quello che si ottiene è una corrente alternata più o meno sinusoidale la cui ampiezza è una rappresentazione dell'intensità del campo misurato. Questo è il primo difetto. Non ottieni una tensione statica che mostra l'intensità del campo, ma devi prendere l'ampiezza di un segnale alternato che deve essere prima rettificato. Il secondo problema è ancora più noioso. Il mulino da campo funziona abbastanza bene in un ambiente indisturbato, diciamo sul lato oscuro della luna quando sei lontano dal ronzio della linea elettrica e da tutta questa abbondante nebbia elettrica che sta penetrando nel nostro ambiente ovunque ci troviamo. Soprattutto il ronzio della linea di alimentazione a 50Hz o 60Hz interferisce direttamente con il segnale desiderato. Per affrontare questo problema il mulino da campo utilizza un secondo set di piastre a induzione con un altro amplificatore che prende lo stesso segnale con uno sfasamento di 90°. In un amplificatore operazionale aggiuntivo entrambi i segnali vengono sottratti l'uno dall'altro. Poiché sono fuori fase, rimane un resto del segnale desiderato e l'interferenza, che è uguale in entrambi i segnali, viene annullata in teoria. Quanto bene funzioni dipende dall'uguaglianza dell'interferenza in entrambi i circuiti di misurazione, dal CMRR dell'amplificatore e dalla domanda se l'amplificatore viene sovraccaricato o meno. Ciò che rende la situazione ancora più scomoda è che hai approssimativamente raddoppiato la quantità di hardware solo per eliminare l'interferenza.

L'anno scorso ho avuto un'idea per superare questi problemi con il mio design. È un po' più di lavoro sulla meccanica ma semplice in materia di elettronica. Come sempre, questa non è una replica dettagliata passo passo del dispositivo completo. ti mostrerò i principi di funzionamento del mio design e potrai modificarlo in modi diversi e adattarlo alle tue esigenze. Dopo averti mostrato come costruirlo ti spiego come funziona e ti mostro il risultato delle mie prime misurazioni.

Quando ho avuto l'idea per questo dispositivo ero orgoglioso fino alle ossa, ma come sai l'arroganza precede ogni rovina. Sì, è stata una mia idea. L'ho sviluppato da solo. Ma come sempre c'era qualcuno prima di me. La separazione delle cariche per induzione e amplificazione mediante l'effetto condensatore è stata utilizzata in quasi tutti i progetti di generatori elettrostatici negli ultimi 150 anni. Quindi non c'è niente di speciale nel mio progetto, nonostante io sia stato il primo a pensare di applicare quei concetti per misurare deboli campi elettrostatici. Spero ancora che un giorno sarò famoso.

Passaggio 1: elenco di materiali e strumenti

Il seguente elenco mostra approssimativamente di quali materiali avrai bisogno. Puoi cambiarli e adattarli quanto vuoi.

• Fogli di compensato da 4 mm
• travi in legno 10x10mm
• Tubo in alluminio da 8 mm
• Asta in alluminio da 6 mm
• Asta in plexiglas da 8 mm
• PCB placcato rame su un lato 120x160mm
• filo di ottone o rame 0.2mm
• un pezzo di foglio di rame da 0,2 mm
• saldare
• colla
• Viti e dadi da 3 mm
• Una presa di prova da 4 mm
• tubo di gomma conduttivo (diametro interno 2 mm) ho preso il mio da amazon
• Parti elettroniche secondo lo schema (sezione download)
• Un condensatore styroflex da 68nF come collettore per le cariche. Puoi modificare questo valore in modo ampio.
• Un motore argano per 6V DC. Questi sono motori progettati appositamente per lettori di dischi e registratori a nastro. Il loro numero di giri è regolato! Li trovi ancora su Ebay.
• Un alimentatore 6V/1A.

Questi sono gli strumenti di cui hai bisogno

• Saldatore
• Ambiente di sviluppo Arduino sul tuo PC/Notebook
• Cavo da USB-A a B
• lima o meglio un tornio
• trapano elettrico
• piccola sega circolare o sega a mano
• pinzette
• tronchese

Passaggio 2: creare le meccaniche

Nella prima immagine puoi vedere che l'intero design è basato su due fogli di compensato di dimensioni 210 mm x 140 mm. Sono montati uno sopra l'altro, collegati da 4 pezzi di travi di legno che li mantengono a 50 mm di distanza. Tra i due fogli è contenuto il motore e il cablaggio. Il motore è montato con due viti M3 che si incastrano in due fori da 3 mm praticati attraverso il foglio di compensato superiore. Un foglio di materiale PCB funge da scudo contro il campo elettrico ambientale. È montato 85 mm sopra il foglio di compensato superiore e il suo bordo interno termina appena intorno all'albero del motore.

Il componente principale di questo dispositivo è un disco. Ha un diametro di 110 mm ed è realizzato in materiale PCB rivestito in rame su un lato. Ho usato un mulino per ritagliare un disco rotondo del PCB. Ho anche usato un mulino per tagliare il rivestimento in rame in quattro segmenti isolati elettricamente. È anche molto importante tagliare un anello intorno al centro del disco dove passerà l'albero motore. Altrimenti metterebbe a terra elettricamente i segmenti! Sul mio tornio ho tagliato un piccolo pezzo di asta di alluminio da 6 mm in modo che prenda un foro da 3 mm nella parte inferiore con due fori rettangolari da 2,5 mm con filettatura M3. L'altra estremità l'ho tagliata a un piccolo albero da 3 mm per inserire nel foro centrale del disco. L'adattatore poi è stato super incollato al fondo del disco. Il gruppo disco potrebbe quindi essere avvitato all'albero motore.

Poi vedi un altro componente importante. Un segmento delle dimensioni di quelli sul disco, realizzato con un foglio di rame da 0,2 mm Questo segmento è montato su due fogli di compensato. Quando il disco è montato, questo segmento è molto stretto sotto il disco rotante. la distanza è di circa 1 mm. È importante mantenere questa distanza il più piccola possibile!

Le prossime cose importanti sono il baffo macinato e la presa di carica. Entrambi sono realizzati con tubo e aste in alluminio con filettature tagliate per montarli tutti insieme. Puoi fare qualsiasi tipo di variazione che ti piace qui. Hai solo bisogno di qualcosa di conduttivo che scorra sulla superficie del disco. Per i baffi ho provato molti materiali. La maggior parte di loro ha danneggiato i segmenti del disco dopo un po'. Finalmente ho trovato un suggerimento in un libro sui dispositivi elettrostatici. Utilizzare tubi in gomma conduttiva! Non danneggia il rivestimento in rame e si usura e consuma…

Il baffo macinato è posizionato in una posizione in modo tale da perdere il contatto con il segmento del disco sottostante quando inizia a scoprire la piastra di terra. Il rilevatore di carica è posizionato in modo tale da prendere il segmento al centro quando è alla massima distanza dalla piastra di terra. Verifica che il rilevatore di carica sia montato su un pezzo di asta di plexiglass. Questo è importante perché qui abbiamo bisogno di un buon isolamento. Altrimenti avremmo una perdita di addebiti!

Quindi vedi che la presa di prova da 4 mm è posizionata nel "seminterrato" dell'assieme. Ho fornito questa connessione perché non ero sicuro di aver bisogno di una vera connessione "massa" o meno. In condizioni normali abbiamo a che fare con correnti così basse che abbiamo comunque una messa a terra intrinseca. Ma forse ci sarà una configurazione di prova in futuro in cui potremmo averne bisogno, chi lo sa?

Passaggio 3: il cablaggio

Ora devi interconnettere elettricamente tutto in modo che funzioni correttamente. Utilizzare il filo di ottone e saldare insieme le seguenti parti.

• La spina di prova da 4 mm
• Il baffo macinato
• Lo scudo
• un filo del condensatore di raccolta della carica

Saldare il secondo filo del condensatore al pick-up di carica.

Passaggio 4: realizzare l'elettronica

Segui lo schema per posizionare i componenti elettronici su un pezzo di perfboard. Ho saldato le intestazioni dei pin ai bordi della scheda per collegarla con Arduino Uno. Il circuito è dannatamente semplice. La carica raccolta viene prelevata dal condensatore e alimentata in un amplificatore ad alta impedenza che aumenta il segnale di 100. Il segnale viene filtrato passa-basso e quindi instradato in un ingresso degli ingressi del convertitore analogico-digitale di arduino. Un MOSFET viene utilizzato per l'Arduino per accendere/spegnere il motore del disco.

E' molto importante collegare la massa del gruppo meccanico alla massa virtuale del circuito elettronico che è dove si incontrano R1/R2/C1/C2! Questa è anche la massa del condensatore di raccolta della carica. Potete vederlo nell'ultima immagine di questo capitolo,

Passaggio 5: il software

Non c'è molto da dire sul software. È scritto in modo molto diretto. L'applicazione conosce alcuni comandi per essere configurata correttamente. Puoi accedere ad arduino se hai l'IDE Arduino installato sul tuo sistema perché hai bisogno dei driver della porta virtuale. Quindi collega un cavo USB all'arduino e al tuo PC/Notebook e usa un programma terminale come HTerm per connettere l'arduino tramite il comport emulato con 9600 baud, nessuna parità e 1 stopbit e CR-LF su invio.

• "setdate gg-mm-aa" imposta la data del modulo RTC collegato all'arduino
• "settime hh:mm:ss" imposta l'ora del modulo RTC collegato all'arduino
• "getdate" stampa data e ora
• "setintervall 10…3600" Imposta l'intervallo di campionamento in secondi da 10s a 1h
• "start" avvia la sessione di misurazione dopo la sincronizzazione al minuto intero successivo
• "sync" fa lo stesso ma attende l'intera ora successiva
• "stop" interrompe la sessione di misurazione

Dopo aver ricevuto "start" o "sync" e aver eseguito la sincronizzazione, l'applicazione prima prende un campione per vedere dove si trova il punto zero o il bias. Quindi avvia il motore e attende 8 secondi che i giri si stabilizzino. Quindi viene prelevato il campione. Generalmente esiste un algoritmo di calcolo della media del software che calcola continuamente la media dei campioni negli ultimi 10 campioni per evitare anomalie. Il valore zero precedentemente preso viene ora sottratto dalla misurazione e il risultato viene inviato sul comport insieme alla data e all'ora della misurazione. Un esempio di una sessione di misurazione è simile al seguente:

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

Quindi, le misurazioni sono mostrate come deviazioni da zero misurate in cifre che possono essere positive o negative a seconda della direzione spaziale del flusso elettrico. Ovviamente c'è un motivo per cui ho deciso di formattare i dati in colonne di data, ora e valori di misurazione. Questo è il formato perfetto per visualizzare i dati con il famoso programma "gnuplot"!

Passaggio 6: come funziona

Ti ho appena detto che il principio di funzionamento di questo dispositivo è l'induzione elettrostatica. Quindi come funziona in dettaglio? Supponiamo per il momento di essere uno di quei segmenti del disco. Stiamo ruotando a una velocità costante, siamo continuamente esposti al campo elettrico ambientale e poi ci nascondiamo di nuovo dal flusso sotto la protezione dello scudo. Immagina di uscire davvero dall'ombra nel campo. Ci metteremmo in contatto con il baffo a terra. Il campo elettrico agirebbe sui nostri elettroni liberi e diciamo che il campo li respingerebbe. Poiché siamo radicati, ci sarebbe una quantità di elettroni in fuga da noi e che svanirebbero nella terra.

Perdendo terreno

Ora, mentre continua la rotazione del disco, a un certo punto perderemmo il contatto con il baffo a terra. Ora da noi nessuna carica può più fuggire ma è chiusa anche la via del ritorno per le cariche già sparite. Quindi siamo lasciati indietro con una mancanza di elettroni. Che ci piaccia o no, paghiamo subito! E la nostra carica è proporzionale alla forza del flusso elettrico.

Quanta carica abbiamo?

Durante il tempo in cui siamo stati esposti al campo elettrico abbiamo perso alcuni elettroni. Quanto abbiamo perso? Bene, con ogni elettrone che abbiamo perso, la nostra carica è aumentata. Questa carica genera un proprio campo elettrico crescente tra noi e il suolo. Questo campo è opposto a quello ambientale che ha generato l'induzione. Quindi la perdita di elettroni continua fino al punto in cui entrambi i campi sono uguali e si annullano a vicenda! Dopo aver perso il contatto con la terra, abbiamo ancora il nostro campo elettrico contro la piastra messa a terra che ha potenziale di terra. Sai come chiamiamo due piastre conduttrici con un campo elettrico in mezzo? Questo è un condensatore! Facciamo parte di un condensatore carico.

Siamo un condensatore ora!

Conosci la relazione tra carica e tensione su un condensatore? Lascia che te lo dica, è U=Q/C dove U è la tensione, Q è la carica e C la capacità. La capacità di un condensatore è inversamente proporzionale alla distanza delle sue armature! Ciò significa che maggiore è la distanza, minore è la capacità. Ora cosa succede mentre continuiamo a girare sulla ruota senza contatto con il suolo? Stiamo aumentando la distanza dalla piastra di terra. Mentre lo facciamo, la nostra capacità diminuisce drasticamente. Ora guarda di nuovo U=Q/C. Se Q è costante e C è in diminuzione, cosa succede? Sì, la tensione sta aumentando! Questo è un modo molto intelligente per amplificare la tensione semplicemente applicando mezzi meccanici. Non hai bisogno di un amplificatore operazionale, filtraggio del rumore e calcolo statistico qui. È solo una fisica intelligente e semplice che aumenta il nostro segnale fino a un livello in cui l'elaborazione del segnale con l'elettronica diventa un compito noioso. Tutta l'intelligenza di questo dispositivo si basa sull'induzione elettrostatica e sull'effetto condensatore!

Cosa significa?

Ma cosa abbiamo potenziato esattamente in questo modo? Abbiamo più elettroni ora? No! Abbiamo comunque più carica? No! Quello che abbiamo potenziato è l'ENERGIA degli elettroni ed è questo che ci permette di utilizzare circuiti elettronici più semplici e meno filtri. Ora abbiamo raggiunto l'aphel della nostra traiettoria e finalmente il captatore di carica prende i nostri elettroni energizzati e li raccoglie nel condensatore del collettore di carica.

Immunità contro le interferenze

Quando dai un'occhiata al video vedrai che nonostante le solite interferenze in casa mia il segnale in uscita dal dispositivo è stabile e praticamente privo di rumore. Com'è possibile? Beh, penso che sia perché il segnale e l'interferenza non si separano fino all'amplificatore come nel classico mulino da campo. Nel mio progetto l'interferenza colpisce la carica raccolta fin dal momento in cui viene persa la connessione a terra. Ciò significa che ogni campione è in qualche modo influenzato dall'interferenza. Ma poiché questa interferenza non ha componenti CC finché è simmetrica, il risultato dell'interferenza viene sempre mediato nel condensatore del collettore di carica. Dopo un numero sufficiente di giri del disco e campioni inseriti nel collettore di carica, la media dell'interferenza è zero. Penso che sia questo il trucco!

Passaggio 7: test

Dopo alcuni test, debug e miglioramenti ho installato il mulino da campo insieme al mio vecchio notebook win-xp nella mia soffitta e ho fatto un giro di prova circa un giorno. I risultati sono stati visualizzati con gnuplot. Vedere il file di dati allegato "e-field-data.dat" e il file di configurazione di gnuplot "e-field.gp". Per visualizzare i risultati basta avviare gnuplot sul sistema di destinazione e digitare al prompt >load "e-field.gp"

Guarda l'immagine che mostra i risultati. È davvero notevole. Ho iniziato la misurazione il 03-10-2018 quando c'era bel tempo e cielo azzurro. Vedi che il campo elettrico era piuttosto forte e negativo, mentre dobbiamo stare attenti perché cosa è "negativo" e cosa è "positivo" attualmente non è ragionevole specificato. Avremmo bisogno di una calibrazione del nostro dispositivo per allinearci con la fisica reale. Ma comunque, puoi vedere che durante i cicli di misurazione l'intensità del campo è diminuita insieme al tempo che ha iniziato a peggiorare e a diventare nuvoloso e piovoso. Sono rimasto in qualche modo stupito da quei risultati, ma devo ancora verificare se sono correlati alla fisica.

Ora è il tuo turno. Vai avanti e costruisci il tuo mulino per campi elettrici ed esplora i segreti del nostro pianeta nella tua ricerca! Divertiti!

Passaggio 8: raccolta e interpretazione dei dati

Ora, poiché tutto (si spera) funziona correttamente, dovresti raccogliere alcuni dati. Consiglierei di utilizzare un posto fisso per il mulino da campo. Altrimenti i dati sarebbero difficili da confrontare. I parametri del campo locale possono variare molto da un luogo all'altro. Ho configurato il mulino che ha preso un valore di misurazione ogni ora. Ho lasciato funzionare il mulino per circa 3 mesi. Se dai un'occhiata ai grafici che presentano i dati raccolti del mese di novembre 2018, dicembre 2018 e gennaio 2019, vedi alcuni risultati notevoli.

Innanzitutto puoi vedere che l'intensità del campo a novembre era semplicemente positiva, trasformandosi in negativa entro la fine del mese. Quindi qualcosa di generale deve essere cambiato, probabilmente in base al tempo. Forse c'è stato un ragionevole calo di temperatura. Quindi il segnale medio è rimasto negativo fino alla fine del ciclo di misura. La seconda cosa è che ci sono diversi picchi nel grafico del segnale che indicano rapidi cambiamenti di campo che durano solo alcuni minuti. Non credo che i cambiamenti nell'atmosfera ne siano responsabili. Anche il clima locale comprende enormi masse di gas e ioni incorporati. Anche le nuvole e la pioggia o la neve di solito non cambiano in pochi minuti. Quindi penso che l'influenza dell'uomo possa aver causato quei cambiamenti improvvisi. Ma anche questo è difficile da spiegare. Tutte le sorgenti della linea di alimentazione forniscono solo tensione alternata. Questo non conta per i cambiamenti di dc che ho osservato. Sospetto che ci siano stati dei processi di carica elettrica da parte delle auto che passano sull'asfalto della strada davanti al mio appartamento. Pensabili sarebbero anche i processi di carica causati dalla polvere trasportata dal vento e dal contatto con la faccia della mia casa.