Mulliri E-Field: 8 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:20

Ju tashmë mund ta dini që unë jam i varur nga çdo lloj aplikimi për matjen e sensorit. Unë gjithmonë kam dashur të gjurmoj luhatjet e fushës magnetike të tokës dhe gjithashtu isha i magjepsur duke matur fushën elektrike të tokës që mbahet nga proceset e ndarjes së ngarkesës që ndodhin midis reve dhe sipërfaqes së tokës. Incidentet si qielli i pastër, shiu ose stuhia të gjitha kanë një ndikim dramatik në fushën elektrike që na rrethon dhe gjetjet e reja shkencore po na tregojnë se shëndeti ynë varet shumë nga fushat elektrike përreth.

Pra, kjo është arsyeja pse kam dashur ta bëj veten një pajisje matëse të përshtatshme për fushat elektrike statike. Tashmë ekziston një dizajn mjaft i mirë, i quajtur edhe mulli i fushës elektrike që përdoret gjerësisht. Kjo pajisje përdor një efekt të quajtur Induksioni Elektrostatik. Kjo ndodh gjithmonë kur ekspozoni një material përcjellës në një fushë elektrike. Fusha tërheq ose zmbraps elektronet e lira në material. Nëse është i lidhur me tokën (potenciali tokësor), bartësit e ngarkesës rrjedhin brenda ose jashtë materialit. Pas shkyçjes së tokës, një ngarkesë mbetet në material edhe nëse fusha elektrike zhduket. Kjo ngarkesë mund të matet me një voltmetër. Ky është shumë përafërsisht parimi i matjes së fushave elektrike statike.

Disa vjet më parë ndërtova një mulli fushor sipas planeve dhe skemave që gjeta në internet. Kryesisht përbëhet nga një rotor me një lloj helike në të. Helika është një grup binjak i segmenteve metalikë që janë të tokëzuar. Rotori kthehet rreth një grupi pllakash induksioni që janë të mbuluara dhe zbulohen elektrikisht nga rotori. Sa herë që zbulohen, induksioni elektrostatik i fushës elektrike të ambientit shkakton një rrjedhë të bartësve të ngarkesës. Ky rrjedhë përmbyset kur rotori mbulon përsëri pllakat e induksionit. Ajo që merrni është një rrymë alternative pak a shumë sinusoidale, amplituda e së cilës është një përfaqësim i fuqisë së fushës së matur. Kjo është e meta e parë. Ju nuk merrni një tension statik që tregon fuqinë e fushës, por duhet të merrni amplituda e një sinjali alternativ që duhet të korrigjohet së pari. Çështja e dytë është edhe më e lodhshme. Mulliri i fushës funksionon mjaft mirë në një mjedis të pashqetësuar -themi në anën e errët të Hënës kur jeni larg zhurmës së linjës së energjisë dhe gjithë kësaj mjegulle të bollshme elektrike që po depërton në mjedisin tonë kudo që jemi. Veçanërisht zhurma e linjës së energjisë 50Hz ose 60Hz ndërhyn drejtpërdrejt me sinjalin e dëshiruar. Për të trajtuar këtë problem, mulliri i fushës përdor një grup të dytë të pllakave të induksionit me një përforcues tjetër që merr të njëjtin sinjal me një zhvendosje fazore 90 °. Në një përforcues shtesë operacional, të dy sinjalet zbriten nga njëri -tjetri. Për shkak se ata janë jashtë fazës, një pjesë e sinjalit të dëshiruar mbetet dhe ndërhyrja, e cila është e barabartë në të dy sinjalet, anulohet teorikisht. Sa mirë funksionon kjo varet nga barazia e ndërhyrjes në të dy qarqet matëse, CMRR e amplifikatorit dhe nga pyetja nëse amplifikatori mbingarkohet apo jo. Ajo që e bën situatën edhe më të pakëndshme është se ju afërsisht dyfishuat sasinë e harduerit vetëm për të hequr qafe ndërhyrjen.

Vitin e kaluar kisha një ide për të kapërcyer ato probleme me modelin tim. It'sshtë pak më shumë punë në mekanik, por e thjeshtë në çështjen e elektronikës. Si gjithmonë kjo nuk është një përsëritje e detajuar hap pas hapi e pajisjes së plotë. Unë do t'ju tregoj parimet e punës në modelin tim dhe ju mund ta ndryshoni atë në mënyra të ndryshme dhe t'i përshtateni nevojave tuaja. Pasi t'ju tregoj se si ta ndërtoni atë, unë do t'ju shpjegoj se si funksionon dhe do t'ju tregoj rezultatin e matjeve të mia të para.

Kur mora idenë për këtë pajisje isha krenar deri në kocka, por siç e dini arroganca po i paraprin çdo rënieje. Po, ishte ideja ime. Unë e kam zhvilluar vetë. Por si gjithmonë ishte dikush para meje. Ndarja e ngarkesave me induksion dhe përforcim duke përdorur efektin e kondensatorit u përdor në pothuajse çdo dizajn të gjeneratorit elektrostatik gjatë 150 viteve të fundit. Pra, nuk ka asgjë të veçantë në modelin tim pavarësisht faktit se unë isha i pari që mendova të zbatoja ato koncepte për matjen e fushave të dobëta elektrostatike. Unë ende shpresoj se një ditë do të bëhem i famshëm.

Hapi 1: Lista e materialeve dhe mjeteve

Lista e mëposhtme tregon përafërsisht se cilat materiale do t'ju nevojiten. Ju mund t'i ndryshoni dhe t'i përshtatni ato sa të doni.

• Fletë kompensatë 4 mm
• trarëve prej druri 10x10mm
• Tub alumini 8 mm
• Shufër alumini 6 mm
• Shufër pleksiglas 8 mm
• PCB e bakrit e kromuar me një anë 120x160mm
• teli prej bronzi ose bakri 0.2mm
• një copë fletë bakri 0.2mm
• lidhës
• zam
• Vida dhe arra 3 mm
• Një prizë prove 4 mm
• tub gome përçues (Diametri i brendshëm 2mm) Unë e mora nga amazon
• Pjesë elektronike sipas skemës (pjesa e shkarkimit)
• Një kondensator styroflex 68nF si një koleksionist për ngarkesat. Ju mund ta ndryshoni këtë vlerë në mënyra të gjera.
• Një motor capstan për 6V DC. Këto janë motorë që u krijuan veçanërisht për disqet dhe regjistruesit e kasetave. Rpm e tyre është e rregulluar! Ende mund t'i gjeni në Ebay.
• Furnizimi me energji 6V/1A.

Këto janë mjetet që ju nevojiten

• Makine per ngjitjen e metalit
• Mjedisi i zhvillimit Arduino në kompjuterin/fletoren tuaj
• Kabllo USB-A në B
• skedar ose më mirë një torno
• shpuese elektrike
• sharrë e vogël lëvizëse ose sharrë dore
• piskatore
• prerës teli

Hapi 2: Krijimi i Mekanikës

Në foton e parë mund të shihni që i gjithë dizajni bazohet në dy fletë kompensatë 210mm x 140mm në dimension. Ato janë montuar njëra mbi tjetrën, të lidhura me 4 pjesë të trarëve prej druri që i mbajnë ato 50mm në distancë. Midis të dy fletëve motori dhe instalimet elektrike janë të përfshira. Motori është montuar me dy vida M3 që përshtaten në dy vrima 3 mm të shpuara përmes fletës së sipërme të kompensatës. Një fletë e materialit PCB po punon si një mburojë kundër fushës elektrike të ambientit. Shtë montuar 85 mm mbi fletën e sipërme të kompensatës dhe buza e saj e brendshme sapo përfundon në boshtin e motorit.

Komponenti kryesor i kësaj pajisje është një disk. Ai ka një diametër prej 110 mm dhe është bërë nga materiali i vetëm PCB i veshur me bakër. Kam përdorur një mulli për të prerë një disk të rrumbullakët të PCB. Kam përdorur gjithashtu një mulli për të prerë veshjen e bakrit në katër segmente që janë të izoluar elektrikisht. Alsoshtë gjithashtu shumë e rëndësishme të pritet një unazë rreth mesit të diskut ku do të kalojë boshti i motorit. Përndryshe do të tokëzonte elektrikisht segmentet! Në tornën time kam prerë një pjesë të vogël të shufrës prej alumini 6mm në atë mënyrë që të marrë një vrimë 3mm në pjesën e poshtme me dy vrima drejtkëndëshe 2, 5mm që kanë fije M3 të prera. Fundi tjetër e kam prerë në një bosht të vogël 3mm në përshtaten në vrimën e mesme të diskut. Përshtatësi pastaj ishte super-ngjitur në pjesën e poshtme të diskut. Asambleja e diskut pastaj mund të vidhet në boshtin e motorit.

Pastaj shihni një përbërës tjetër të rëndësishëm. Një segment i madhësisë së atyre në disk, i bërë nga fletë bakri 0, 2mm Ky segment është montuar në dy fletë kompensatë. Kur disku është montuar, ky segment është shumë ngushtë nën diskun rrotullues. distanca është vetëm rreth 1 mm. Importantshtë e rëndësishme ta mbani këtë distancë sa më të vogël të jetë e mundur!

Gjërat e tjera të rëndësishme janë mustaqet dhe ngritja e ngarkesës. Të dy janë bërë nga tub alumini dhe shufra me prerje në fije për t'i montuar të gjitha së bashku. Këtu mund të bëni çdo lloj ndryshimi që ju pëlqen. Ju duhet vetëm diçka përçuese që kalon mbi sipërfaqen e diskut. Për mustaqet provova shumë materiale. Shumica e tyre po dëmtonin segmentet e diskut pas një kohe. Më në fund gjeta një aluzion në një libër në lidhje me pajisjet elektrostatike. Përdorni tuba gome përçues! Nuk dëmton veshjen e bakrit dhe vesh dhe vesh…

Mustaqe e tokës vendoset në një vendndodhje në atë mënyrë që të humbasë kontaktin me segmentin themelor të diskut kur fillon të zbulojë pllakën e tokëzimit. Marrja e ngarkesës vendoset e tillë që të marrë segmentin në mes kur është në distancën maksimale nga pllaka e tokës. Shikoni që marrja e ngarkesës është montuar në një copë shufër pleksiglasi. Kjo është e rëndësishme sepse ne kemi nevojë për një izolim të mirë këtu. Përndryshe do të kishim një humbje të tarifave!

Pastaj shihni se priza e provës 4 mm është vendosur në "bodrumin" e montimit. Unë e sigurova këtë lidhje sepse nuk isha i sigurt nëse do të kisha nevojë për një lidhje të vërtetë "tokësore" apo jo. Në kushte normale kemi të bëjmë me rryma aq të ulëta sa që gjithsesi kemi një bazë të brendshme. Por mbase do të ketë një organizim testimi në të ardhmen ku mund të na nevojitet, kush e di?

Hapi 3: Instalimet

Tani ju duhet të lidhni gjithçka elektrikisht në mënyrë që të funksionojë siç duhet. Përdorni tela prej bronzi dhe bashkojini pjesët e mëposhtme.

• Spina e provës 4 mm
• Mustaqe toke
• Mburojë
• një tel të kondensatorit të grumbullimit të ngarkesës

Lidhni tela e dytë e kondensatorit në marrjen e ngarkesës.

Hapi 4: Bërja e pajisjeve elektronike

Ndiqni skemën për të vendosur përbërësit elektronikë në një copë dërrasë. I bashkova titujt e kunjave në skajet e tabelës për ta lidhur atë me Arduino Uno. Qarku është shumë i thjeshtë. Ngarkesa e mbledhur merret nga kondensatori dhe futet në një përforcues me rezistencë të lartë i cili e rrit sinjalin me 100. Sinjali filtrohet me kalim të ulët dhe më pas futet në një hyrje të hyrjeve të konvertuesit analog-dixhital të arduino-s. Një MOSFET përdoret për Arduino për të ndezur/fikur motorin e diskut.

Veryshtë shumë e rëndësishme të lidhni tokën e asamblesë mekanike me tokën virtuale të qarkut elektronik i cili është vendi ku takohen R1/R2/C1/C2! Kjo është gjithashtu baza e kondensatorit të mbledhjes së ngarkesës. Ju mund ta shihni këtë në foton e fundit në këtë kapitull,

Hapi 5: Softueri

Nuk ka shumë për të thënë për Softuerin. Writtenshtë shkruar shumë drejtpërdrejt. Aplikacioni njeh disa komanda për t'u konfiguruar siç duhet. Mund të hyni në arduino nëse keni Arduino IDE të instaluar në sistemin tuaj sepse keni nevojë për drejtuesit virtualë të komportit. Pastaj lidhni një kabllo USB në arduino dhe PC/Notebook tuaj dhe përdorni një program terminal si HTerm për të lidhur arduino përmes komportit të emuluar me 9600 baud, pa barazi dhe 1 stopbit dhe CR-LF kur hyni.

• "setdate dd-mm-yy" cakton datën e modulit RTC të lidhur me arduino
• "settime hh: mm: ss" cakton kohën e modulit RTC të lidhur me arduino
• "getdate" printon datën dhe kohën
• "setintervall 10… 3600" Vendos intervalin e marrjes së mostrave në sekonda nga 10 në 1 orë
• "start" fillon sesionin e matjes pasi sinkronizohet me minutën e plotë të ardhshme
• "sync" bën të njëjtën gjë, por pret orën e ardhshme të plotë
• "stop" ndalon seancën e matjes

Pas marrjes së "fillimit" ose "sinkronizimit" dhe kryerjes së gjërave të sinkronizimit, aplikacioni së pari merr një mostër për të parë se ku është pika zero ose paragjykimi. Pastaj fillon motorin dhe pret 8 sekonda që rpm të stabilizohet. Pastaj merret mostra. Në përgjithësi ekziston një algoritëm mesatar i softverit që mesatarizon vazhdimisht mostrat gjatë 10 mostrave të fundit për të shmangur gabimet. Vlera zero e marrë më parë tani zbritet nga matja dhe rezultati dërgohet në komport së bashku me datën dhe kohën e matjes. Një shembull i një sesioni matës duket kështu:

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

Pra, matjet tregohen si devijime nga zero të matura në shifra të cilat mund të jenë pozitive ose negative negative në varësi të drejtimit hapësinor të fluksit elektrik. Sigurisht që ka një arsye pse vendosa të formatoj të dhënat në kolonat e datës, kohës dhe vlerave të matjes. Ky është formati perfekt për të vizualizuar të dhënat me programin e famshëm "gnuplot"!

Hapi 6: Si funksionon

Sapo ju thashë se parimi i funksionimit të kësaj pajisjeje është induksioni elektrostatik. Pra, si funksionon në detaje? Le të supozojmë për momentin se do të ishim një nga ato segmentet në disk. Ne po rrotullohemi me një shpejtësi konstante duke u ekspozuar vazhdimisht në fushën elektrike të ambientit dhe pastaj duke u fshehur përsëri nga fluksi nën mbrojtjen e mburojës. Imagjinoni që në të vërtetë do të dilnim nga hija në fushë. Ne do të kontaktonim me mustaqet e tokëzimit. Fusha elektrike do të veprojë në elektronet tona të lira dhe le të themi se fusha do t'i zmbrapsë ato. Për shkak se ne jemi të bazuar, do të ketë një sasi elektronesh që largohen nga ne dhe zhduken në tokë.

Humbja e terrenit

Tani, ndërsa rrotullimi i diskut vazhdon në një moment ne do të humbnim kontaktin me mustaqet në tokë. Tani asnjë tarifë nuk mund të na ikë, por rruga e kthimit për akuzat e shkuara tashmë është gjithashtu e mbyllur. Pra, ne jemi lënë pas me mungesën e elektroneve. Nëse na pëlqen apo jo, ne jemi të tarifuar tani! Dhe ngarkesa jonë është proporcionale me fuqinë e fluksit elektrik.

Sa ngarkesë kemi?

Gjatë kohës që u ekspozuam në fushën elektrike ne humbëm disa elektrone. Sa kemi humbur? Epo, me çdo elektron që humbëm, ngarkesa jonë u rrit. Kjo ngarkesë gjeneron një fushë elektrike të vetën midis nesh dhe tokës. Kjo fushë është e kundërt me atë të ambientit e cila krijoi induksionin. Kështu që humbja e elektroneve vazhdon deri në pikën ku të dyja fushat janë të barabarta dhe anulojnë njëra -tjetrën! Pasi kemi humbur kontaktin me tokën ne kemi ende fushën tonë elektrike kundër pllakës së tokëzuar e cila ka potencial tokësor. A e dini se si i quajmë dy pllaka përçuese me një fushë elektrike në mes? Ky është një kondensator! Ne jemi pjesë e kondensatorit të ngarkuar.

Ne jemi një kondensator tani!

A e dini lidhjen midis ngarkesës dhe tensionit në një kondensator? Më lejoni t'ju them, është U = Q/C ku U është tensioni, Q është ngarkesa dhe C kapaciteti. Kapaciteti i një kondensatori është në përpjesëtim të kundërt me distancën e pllakave të tij! Kjo do të thotë që sa më e madhe të jetë distanca aq më i ulët është kapaciteti. Tani çfarë ndodh ndërsa ne vazhdojmë të ndezim timonin pa asnjë kontakt me tokën? Ne po rrisim distancën në pllakën e tokës. Ndërsa po e bëjmë këtë, kapaciteti ynë bie në mënyrë dramatike. Tani shikoni përsëri U = Q/C. Nëse Q është konstante dhe C është në rënie, çfarë ndodh? Po, tensioni po rritet! Kjo është një mënyrë shumë e zgjuar për të amplifikuar tensionin duke aplikuar vetëm mjete mekanike. Këtu nuk keni nevojë për një përforcues operacional, filtrim të zhurmës dhe llogaritjen statistikore. Justshtë thjesht fizikë e zgjuar dhe e thjeshtë që rrit sinjalin tonë deri në një nivel ku përpunimi i sinjalit me pajisje elektronike thjesht bëhet një detyrë e mërzitshme. E gjithë zgjuarsia e kësaj pajisje mbështetet në induksionin elektrostatik dhe efektin e kondensatorit!

Çfarë do të thotë?

Por çfarë saktësisht kemi rritur në këtë mënyrë? A kemi më shumë elektrone tani? Jo! A kemi gjithsesi më shumë tarifa? Jo! Ajo që kemi rritur është ENERGJIA e elektroneve dhe kjo është ajo që na mundëson të përdorim qarqe elektronike më të thjeshta dhe më pak filtrim. Tani arritëm në afelin e trajektores sonë dhe më në fund marrja e ngarkesës merr elektronet tona me energji dhe i mbledh ato në kondensatorin e kolektorit të ngarkesës.

Imuniteti kundër ndërhyrjes

Kur i hidhni një sy videos, do të shihni se pavarësisht ndërhyrjes së zakonshme në shtëpinë time, sinjali i daljes së pajisjes është i qëndrueshëm dhe praktikisht pa zhurmë. Si është e mundur kjo? Epo unë mendoj se është sepse sinjali dhe ndërhyrja nuk shkojnë në mënyrë të veçantë deri te amplifikatori si në fabrikën klasike të fushës. Në modelin tim ndërhyrja ndikon në ngarkesën e mbledhur që nga momenti kur lidhja me tokën humbet. Kjo do të thotë që çdo mostër ndikohet në një farë mënyre nga ndërhyrja. Por për shkak se kjo ndërhyrje nuk ka asnjë komponent DC për aq kohë sa është në mënyrë simetrike, rezultati i ndërhyrjes gjithmonë mesatarizohet në kondensatorin e kolektorit të ngarkesës. Pas rrotullimeve të mjaftueshme të diskut dhe mostrave të ushqyer në kolektorin e ngarkesës, mesatarja e ndërhyrjes është zero. Unë mendoj se ky është truku!

Hapi 7: Testimi

Pas disa testimeve, korrigjimeve dhe përmirësimeve, unë instalova fabrikën e fushës së bashku me fletoren time të vjetër win-xp në papafingo dhe bëra një provë të përafruar një ditë. Rezultatet u vizualizuan me gnuplot. Shihni skedarin e të dhënave të bashkangjitur "e-field-data.dat" dhe skedarin e konfigurimit të gnuplot "e-field.gp". Për të parë rezultatet, thjesht filloni gnuplot në sistemin tuaj të synuar dhe shkruani në kërkesën> ngarkoni "e-field.gp"

Shikoni foton që tregon rezultatet. Quiteshtë mjaft e shquar. Fillova matjen në 2018-10-03 kur kishim mot të mirë dhe qiell blu. Shihni që fusha elektrike ishte mjaft e fortë dhe negative, ndërsa ne duhet të kujdesemi sepse ajo që është "negative" dhe ajo "pozitive" aktualisht nuk është e specifikuar në mënyrë të arsyeshme. Neve do të na duhej një kalibrim i pajisjes sonë për tu përshtatur me fizikën e vërtetë. Por gjithsesi, ju mund të shihni se gjatë cikleve të matjes forca e fushës zbriti së bashku me motin që filloi të përkeqësohet dhe të bëhet i vrenjtur dhe me shi. Unë isha disi i mahnitur për ato gjetje, por ende duhet të kontrolloj nëse këto lidhen me fizikën.

Tani është radha juaj. Vazhdoni dhe bëni fabrikën tuaj të fushës elektrike dhe eksploroni sekretet e planetit tonë në kërkimin tuaj! Argëtohu!

Hapi 8: Mbledhja dhe interpretimi i të dhënave

Tani pasi gjithçka (shpresojmë) po funksionon mirë, duhet të mblidhni disa të dhëna. Unë do të rekomandoja të përdorni një vend fiks për mullirin në terren. Përndryshe, të dhënat do të ishin të vështira për t'u krahasuar. Parametrat e fushës lokale mund të ndryshojnë shumë nga vendi në vend. Konfigurova fabrikën që merrte një vlerë matëse çdo orë. E lashë mullirin të punojë për rreth 3 muaj. Nëse i hidhni një sy grafikëve që paraqesin të dhënat e grumbulluara të muajit nëntor 2018, dhjetor 2018 dhe janar 2019, shihni disa gjetje të jashtëzakonshme.

Së pari ju mund të shihni se forca e fushës në nëntor ishte thjesht pozitive duke u kthyer në negative deri në fund të muajit. Pra, diçka e përgjithshme duhet të ketë ndryshuar, ka të ngjarë sipas motit. Ndoshta ka pasur një rënie të arsyeshme të temperaturës. Pastaj sinjali mesatar qëndroi negativ deri në fund të ciklit të matjes. Gjëja e dytë është se ka disa thumba në grafikun e sinjalit që tregojnë ndryshime të shpejta të fushës që zgjasin vetëm disa minuta. Unë nuk mendoj se ndryshimet në atmosferë janë përgjegjëse për këtë. Edhe moti lokal përfshin masa të mëdha gazi dhe jone të përfshira. Gjithashtu retë dhe shiu ose bora zakonisht nuk ndryshojnë brenda pak minutash. Kështu që unë mendoj se ndikimi i krijuar nga njeriu mund të ketë shkaktuar ato ndryshime të papritura. Por kjo është gjithashtu e vështirë të shpjegohet. Të gjitha burimet e linjës së energjisë sigurojnë vetëm tension AC. Kjo nuk llogaritet për ndryshimet në dc që kam vërejtur. Unë dyshoj se mund të ketë pasur disa procese të ngarkimit elektrik nga makinat që kalonin në asfaltin e rrugës para banesës sime. E mendueshme do të ishte edhe procesi i ngarkimit i shkaktuar nga pluhuri që mbart era dhe kontakti me fytyrën e shtëpisë sime.