Kilang E-Field: 8 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Anda mungkin sudah tahu bahawa saya ketagih dengan sebarang jenis aplikasi pengukuran sensor. Saya selalu ingin mengesan turun naik medan magnet bumi dan saya juga terpesona dengan mengukur medan elektrik bumi yang dikendalikan oleh proses pemisahan caj yang berlaku di antara awan dan permukaan bumi. Kejadian seperti langit cerah, hujan atau ribut petir semuanya memberi kesan dramatik pada medan elektrik yang mengelilingi kita dan penemuan saintifik baru menunjukkan kepada kita bahawa kesihatan kita sangat bergantung pada medan elektrik di sekitarnya.

Jadi, itulah sebab mengapa saya mahu menjadikan diri saya alat pengukur yang sesuai untuk medan elektrik statik. Sudah ada satu reka bentuk yang cukup bagus, juga disebut kilang medan elektrik yang banyak digunakan. Peranti ini menggunakan kesan yang disebut Induksi Elektrostatik. Ini selalu berlaku semasa anda memaparkan bahan konduktif ke medan elektrik. Medan menarik atau menghalau elektron bebas dalam bahan. Sekiranya dihubungkan ke tanah (potensi bumi) pembawa muatan mengalir masuk atau keluar dari bahan. Setelah terputus tanah, cas tetap pada bahan walaupun medan elektrik hilang. Cas ini boleh diukur dengan voltmeter. Ini adalah prinsip kira-kira mengukur medan elektrik statik.

Beberapa tahun yang lalu saya membina kilang ladang mengikut rancangan dan skema yang saya dapati di internet. Pada dasarnya ia terdiri daripada pemutar dengan beberapa jenis baling-baling di atasnya. Baling-baling adalah set segmen logam berkembar yang dibumikan. Rotor berpusing mengelilingi satu set plat induksi yang ditutup secara elektrik dan ditutup oleh pemutar. Setiap kali mereka terdedah aruhan elektrostatik medan elektrik ambien menyebabkan aliran pembawa cas. Aliran ini terbalik apabila pemutar menutup kembali pelat induksi. Apa yang anda dapat ialah arus sinusoidal bergantian yang amplitudnya merupakan gambaran kekuatan medan yang diukur. Ini adalah kelemahan pertama. Anda tidak mendapat voltan statik yang menunjukkan kekuatan medan tetapi perlu mengambil amplitud isyarat gantian yang harus diperbaiki terlebih dahulu. Isu kedua lebih membosankan. Kilang ladang berfungsi dengan baik di persekitaran yang tidak terganggu - katakanlah di sisi gelap bulan ketika anda jauh dari saluran elektrik dan semua kabut elektrik yang melimpah ini menembusi persekitaran kita di mana sahaja kita berada. Terutamanya hum talian kuasa 50Hz atau 60Hz mengganggu secara langsung dengan isyarat yang diinginkan. Untuk mengatasi masalah ini kilang ladang menggunakan set induksi plat kedua dengan penguat lain yang mengambil isyarat yang sama dengan peralihan fasa 90 °. Dalam penguat operasi tambahan kedua-dua isyarat dikurangkan antara satu sama lain. Kerana mereka berada di luar fasa, baki isyarat yang diinginkan tetap ada dan gangguan, yang sama di kedua-dua isyarat, dibatalkan secara teorinya. Seberapa baik ini berfungsi bergantung pada persamaan gangguan pada kedua-dua litar pengukuran, CMRR penguat dan pada persoalan sama ada penguatnya terlalu berlebihan atau tidak. Apa yang menjadikan keadaan lebih tidak selesa adalah bahawa anda secara kasar menggandakan jumlah perkakasan hanya untuk menghilangkan gangguan.

Tahun lalu saya mempunyai idea untuk mengatasi masalah tersebut dengan rekaan saya sendiri. Ini lebih banyak kerja mekanik tetapi ringkas mengenai elektronik. Seperti biasa, ini bukan replikasi terperinci langkah demi langkah peranti lengkap. saya akan menunjukkan kepada anda prinsip kerja reka bentuk saya dan anda mungkin mengubahnya dengan cara yang berbeza dan menyesuaikannya dengan keperluan anda sendiri. Setelah menunjukkan cara membinanya, saya akan menerangkan bagaimana ia berfungsi dan menunjukkan hasil pengukuran pertama saya.

Apabila saya mendapat idea untuk peranti ini, saya berasa bangga tetapi seperti yang anda tahu kesombongan adalah sebelum kejatuhan. Ya, itu adalah idea saya sendiri. Saya mengembangkannya sendiri. Tetapi seperti biasa ada seseorang sebelum saya. Pemisahan caj dengan aruhan dan penguat dengan menggunakan kesan kapasitor digunakan di hampir setiap reka bentuk penjana elektrostatik selama 150 tahun terakhir. Oleh itu, tidak ada yang istimewa dari reka bentuk saya walaupun pada hakikatnya saya adalah orang pertama yang memikirkan untuk menerapkan konsep tersebut untuk mengukur medan elektrostatik yang lemah. Saya masih berharap suatu hari nanti saya akan terkenal.

Langkah 1: Senarai Bahan dan Alatan

Senarai berikut menunjukkan secara kasar bahan yang anda perlukan. Anda boleh mengubah dan menyesuaikannya seberapa banyak yang anda mahukan.

• Lembaran papan lapis 4mm
• balok kayu 10x10mm
• Tiub aluminium 8mm
• Batang aluminium 6mm
• Batang plexiglass 8mm
• PCB bersalut tembaga sisi tunggal 120x160mm
• dawai tembaga atau kuprum 0.2mm
• sehelai kepingan tembaga 0.2mm
• pateri
• gam
• Skru dan mur 3mm
• Soket ujian 4mm
• tiub getah konduktif (Diameter dalaman 2mm) Saya mendapat tambang dari amazon
• Bahagian elektronik mengikut skema (bahagian muat turun)
• Kapasitor styroflex 68nF sebagai pemungut untuk caj. Anda boleh mengubah nilai ini dengan cara yang luas.
• Motor kapstan untuk 6V DC. Ini adalah motor yang direka khas untuk pemain cakera dan pita rakaman. Rpm mereka dikawal! Anda masih boleh menjumpainya di Ebay.
• Bekalan kuasa 6V / 1A.

Ini adalah alat yang anda perlukan

• Besi pematerian
• Persekitaran pengembangan Arduino pada PC / Notebook anda
• Kabel USB-A hingga B
• fail atau lebih baik mesin bubut
• gerudi elektrik
• gergaji kecil atau gergaji tangan
• pinset
• pemotong wayar

Langkah 2: Membuat Mekanik

Pada gambar pertama anda dapat melihat keseluruhan reka bentuk berdasarkan dua kepingan papan lapis berukuran 210mm x 140mm. Mereka dipasang di atas satu sama lain, dihubungkan oleh 4 kepingan balok kayu yang menjadikannya 50mm jaraknya. Di antara kedua-dua helai motor dan pendawaian terkandung. Motor dipasang dengan dua skru M3 yang dipasang di dua lubang 3mm yang dibor melalui lembaran papan lapis atas. Selembar bahan PCB berfungsi sebagai pelindung terhadap medan elektrik ambien. Ia dipasang 85mm di atas kepingan papan lapis atas dan tepi dalamannya hanya berakhir pada batang motor.

Komponen teras peranti ini adalah cakera. Ia mempunyai diameter 110mm dan terbuat dari bahan PCB bersalut tembaga tunggal. Saya menggunakan kilang untuk memotong cakera bulat PCB. Saya juga menggunakan kilang untuk memotong lapisan tembaga menjadi empat bahagian yang bertebat elektrik. Ia juga sangat mustahak untuk memotong cincin di tengah-tengah cakera di mana batang motor akan dilalui. Jika tidak, ia akan menggerakkan segmen secara elektrik! Pada mesin bubut saya memotong sekeping kecil batang aluminium 6mm dengan cara mengambil lubang 3mm di bahagian bawah dengan dua lubang segiempat tepat 2, 5mm yang mempunyai benang M3 yang dipotong. Hujung lain saya memotong ke batang 3mm kecil untuk pas di lubang tengah cakera. Penyesuai kemudian dilekatkan pada bahagian bawah cakera. Rangkaian cakera kemudian boleh disekat ke batang motor.

Kemudian anda melihat komponen penting yang lain. Segmen ukuran pada cakera, terbuat dari kepingan tembaga 0, 2mm. Segmen ini dipasang pada dua kepingan papan lapis. Apabila cakera dipasang segmen ini berada di bawah cakera berputar. jaraknya lebih kurang 1mm. Penting untuk menjaga jarak ini sekecil mungkin!

Perkara penting seterusnya adalah pemukul tanah dan pengambilan caj. Kedua-duanya diperbuat daripada tiub dan batang aluminium dengan benang yang dipotong untuk memasangkannya bersama-sama. Anda boleh melakukan jenis variasi yang anda suka di sini. Anda hanya memerlukan sesuatu yang konduktif berjalan di permukaan cakera. Untuk misai saya mencuba banyak bahan. Sebilangan besar dari mereka merosakkan segmen cakera setelah beberapa ketika. Akhirnya saya dapati petunjuk dalam buku mengenai peranti elektrostatik. Gunakan tiub getah konduktif! Ia tidak merosakkan lapisan tembaga dan memakai dan memakai …

Whisker tanah diletakkan di lokasi dengan cara yang kehilangan kontak dengan segmen cakera yang mendasari ketika ia mula membuka pelat tanah. Pengambilan cas diletakkan sedemikian rupa sehingga mengambil segmen di tengah ketika berada pada jarak maksimum dari pelat tanah. Lihat bahawa pengambilan cas dipasang pada sekeping batang plexiglass. Ini penting kerana kita memerlukan penebat yang baik di sini. Jika tidak, kita akan kehilangan caj!

Kemudian anda melihat bahawa soket ujian 4mm diletakkan di "ruang bawah tanah" pemasangan. Saya menyediakan sambungan ini kerana saya tidak pasti sama ada saya memerlukan sambungan "tanah" yang sebenar atau tidak. Dalam keadaan normal, kita menghadapi arus rendah sehingga kita mempunyai landasan intrinsik. Tetapi mungkin akan ada persediaan ujian di masa depan di mana kita mungkin memerlukannya, siapa tahu?

Langkah 3: Pendawaian

Sekarang anda harus saling menghubungkan elektrik sehingga berfungsi dengan baik. Gunakan wayar tembaga dan pateri bersama bahagian berikut.

• Palam ujian 4mm
• Bisikan tanah
• Perisai
• satu wayar kapasitor pengumpul cas

Pateri wayar kapasitor ke-2 untuk pengambilan cas.

Langkah 4: Membuat Elektronik

Ikuti skema untuk meletakkan komponen elektronik pada sekeping papan pahat. Saya menyisipkan header pin ke tepi papan untuk menghubungkannya dengan Arduino Uno. Litar terkutuk sederhana. Caj yang dikumpulkan diambil pada kapasitor dan dimasukkan ke dalam penguat impedans tinggi yang meningkatkan isyarat sebanyak 100. Sinyal disaring lulus rendah dan kemudian disalurkan ke satu input input penukar analog-ke-digital arduino. MOSFET digunakan untuk Arduino menghidupkan / mematikan motor cakera.

Sangat penting untuk menghubungkan tanah pemasangan mekanik ke tanah maya litar elektronik di mana R1 / R2 / C1 / C2 bertemu! Ini juga merupakan asas kapasitor pengumpulan caj. Anda dapat melihatnya pada gambar terakhir dalam bab ini,

Langkah 5: Perisian

Tidak banyak yang boleh diperkatakan mengenai Perisian. Ia ditulis dengan sangat mudah. Aplikasi mengetahui beberapa arahan untuk dikonfigurasi dengan betul. Anda boleh mengakses arduino jika anda memasang Arduino IDE pada sistem anda kerana anda memerlukan pemacu comport maya. Kemudian pasangkan kabel USB ke arduino dan PC / Notebook anda dan gunakan program terminal seperti HTerm untuk menyambungkan arduino melalui komited yang dicontohi dengan 9600 baud, tanpa paritas dan 1 stopbit dan CR-LF di masukkan.

• "setdate dd-mm-yy" menetapkan tarikh modul RTC disambungkan ke arduino
• "settime hh: mm: ss" menetapkan masa modul RTC disambungkan ke arduino
• "getdate" mencetak tarikh dan masa
• "setintervall 10… 3600" Menetapkan selang pensampelan dalam beberapa saat dari 10 hingga 1 jam
• "start" memulakan sesi pengukuran setelah diselaraskan ke minit penuh yang akan datang
• "penyegerakan" melakukan perkara yang sama tetapi menunggu satu jam penuh yang akan datang
• "berhenti" menghentikan sesi pengukuran

Setelah menerima "mula" atau "penyegerakan" dan melakukan perkara penyegerakan, aplikasi terlebih dahulu mengambil sampel untuk melihat di mana titik sifar atau bias. Kemudian ia menghidupkan motor dan menunggu 8s untuk rpm stabil. Kemudian sampel diambil. Secara amnya terdapat algoritma rata-rata perisian yang secara berterusan menilai sampel selama 10 sampel terakhir untuk mengelakkan gangguan. Nilai sifar yang diambil sebelum ini dikurangkan dari pengukuran dan hasilnya dihantar melalui syarikat berserta tarikh dan masa pengukuran. Contoh sesi pengukuran seperti ini:

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

Oleh itu, pengukuran ditunjukkan sebagai pesongan dari sifar yang diukur dalam digit yang boleh menjadi positif bijih negatif bergantung pada arah spasial aliran elektrik. Sudah tentu ada sebab mengapa saya memutuskan untuk memformat data dalam lajur tarikh, masa dan nilai pengukuran. Ini adalah format yang tepat untuk memvisualisasikan data dengan program "gnuplot" yang terkenal!

Langkah 6: Bagaimana Ia Berfungsi

Saya baru saja memberitahu bahawa prinsip kerja peranti ini adalah aruhan elektrostatik. Jadi bagaimana ia berfungsi secara terperinci? Mari kita anggap sejenak kita akan menjadi salah satu segmen pada cakera. Kami berputar dengan kelajuan berterusan yang terus terdedah ke medan elektrik sekitar dan kemudian bersembunyi dari fluks di bawah pelindung perisai. Bayangkan kita sebenarnya akan keluar dari bayangan ke lapangan. Kami akan berhubung dengan kumis pembumian. Medan elektrik akan bertindak pada elektron bebas kita dan mengatakan bahawa medan akan menghalau mereka. Kerana kita dibumikan akan ada sejumlah elektron yang melarikan diri dari kita dan lenyap di bumi.

Kehilangan tanah

Sekarang, sementara pemutaran cakera berterusan pada satu ketika, kita akan terputus hubungan dengan pembumian tanah. Sekarang tidak ada lagi tuduhan yang dapat melarikan diri dari kami tetapi jalan balik untuk tuduhan yang telah hilang juga ditutup. Oleh itu, kita ketinggalan dengan kekurangan elektron. Sekiranya kita suka atau tidak, kita akan dikenakan bayaran sekarang! Dan caj kami berkadar dengan kekuatan fluks elektrik.

Berapa banyak caj yang kita ada?

Semasa kami terkena medan elektrik, kami kehilangan beberapa elektron. Berapa banyak yang telah kita hilang? Baiklah, dengan setiap elektron yang hilang, cas kita meningkat. Cas ini menghasilkan medan elektrik yang meningkat antara kita dan tanah. Medan ini berlawanan dengan persekitaran yang menghasilkan aruhan. Oleh itu, kehilangan elektron berterusan sehingga kedua medan sama dan saling membatalkan! Setelah terputus hubungan dengan tanah, kita masih mempunyai medan elektrik kita sendiri terhadap plat pembumian yang mempunyai potensi bumi. Anda tahu bagaimana kita memanggil dua plat konduktif dengan medan elektrik di antara? Ini adalah kapasitor! Kami adalah sebahagian daripada kapasitor yang dicas.

Kami adalah kapasitor sekarang!

Anda tahu hubungan antara cas dan voltan pada kapasitor? Izinkan saya memberitahu anda, itu adalah U = Q / C di mana U adalah voltan, Q adalah muatan dan C kapasiti. Kapasiti kapasitor berkadar sebaliknya dengan jarak platnya! Ini bermaksud jarak yang lebih luas semakin rendah kapasitinya. Sekarang apa yang berlaku semasa kita terus menghidupkan roda tanpa bersentuhan dengan tanah? Kami meningkatkan jarak ke pelat tanah. Semasa kami melakukan ini, keupayaan kami jatuh secara mendadak. Sekarang lihat lagi U = Q / C. Sekiranya Q tetap dan C menurun, apa yang berlaku? Ya, voltan semakin meningkat! Ini adalah kaedah yang sangat bijak untuk menguatkan voltan dengan hanya menggunakan kaedah mekanikal. Anda tidak memerlukan penguat operasi, penapisan bunyi dan pengkomputeran statistik di sini. Fizik pintar dan sederhana yang meningkatkan isyarat kita ke tahap di mana pemprosesan isyarat dengan elektronik menjadi tugas yang membosankan. Semua kepandaian peranti ini bergantung pada aruhan elektrostatik dan kesan kapasitor!

Apakah maksudnya?

Tetapi apa sebenarnya yang kita tingkatkan dengan cara ini? Adakah kita mempunyai lebih banyak elektron sekarang? Tidak! Adakah kita mempunyai lebih banyak caj? Tidak! Yang kami dorong ialah TENAGA elektron dan inilah yang membolehkan kami menggunakan litar elektronik yang lebih sederhana dan kurang menapis. Sekarang kita mencapai tahap lintasan kita dan akhirnya pengambilan cas mengambil elektron kita yang bertenaga dan mengumpulkannya ke kapasitor pemungut cas.

Kekebalan terhadap gangguan

Apabila anda melihat video, anda akan melihat bahawa walaupun terdapat gangguan biasa di rumah saya, isyarat output peranti tetap stabil dan praktikalnya tidak berbunyi. Bagaimana ini boleh berlaku? Saya rasa ini kerana isyarat dan gangguan tidak akan terpisah dengan penguat seperti di kilang lapangan klasik. Dalam reka bentuk saya, gangguan mempengaruhi caj yang terkumpul sejak saat sambungan ke tanah terputus. Ini bermaksud setiap sampel dipengaruhi oleh gangguan. Tetapi kerana gangguan ini tidak mempunyai komponen DC selama simetri, hasil gangguan selalu rata-rata keluar di kapasitor pemungut cas. Setelah putaran cakera yang mencukupi dan sampel dimasukkan ke dalam pemungut cas, rata-rata gangguan adalah sifar. Saya rasa itu muslihat!

Langkah 7: Menguji

Selepas beberapa ujian, penyahpepijatan dan peningkatan saya memasang kilang kilang bersama-sama dengan notebook win-xp lama saya di loteng saya dan melakukan ujian lebih kurang satu hari. Hasilnya dilihat dengan gnuplot. Lihat fail data yang dilampirkan "e-field-data.dat" dan fail konfigurasi gnuplot "e-field.gp". Untuk melihat hasilnya, mulailah gnuplot pada sistem sasaran anda dan ketik pada prompt> muat "e-field.gp"

Lihat gambar yang menunjukkan hasilnya. Ia cukup luar biasa. Saya memulakan pengukuran pada 2018-10-03 ketika cuaca cerah dan langit biru. Lihat bahawa medan elektrik cukup kuat dan negatif, sementara kita harus berhati-hati kerana apa yang "negatif" dan apa yang "positif" pada masa ini tidak wajar dinyatakan. Kami memerlukan penentukuran peranti kami agar sesuai dengan fizik sebenar. Tetapi bagaimanapun, anda dapat melihat bahawa sepanjang kitaran pengukuran kekuatan medan turun seiring dengan cuaca mulai merosot dan menjadi mendung dan hujan. Saya agak kagum dengan penemuan itu tetapi masih perlu memeriksa sama ada ini berkaitan dengan fizik.

Sekarang giliran awak. Teruskan dan buat kilang medan elektrik anda sendiri dan terokai rahsia planet kita dalam usaha anda sendiri! Berseronok!

Langkah 8: Mengumpulkan dan Mentafsirkan Data

Sekarang kerana semuanya berjalan lancar (anda boleh mengumpulkan data). Saya akan mengesyorkan untuk menggunakan tempat tetap untuk kilang ladang. Jika tidak, data akan sukar dibandingkan. Parameter medan tempatan mungkin banyak berbeza dari satu tempat ke tempat yang lain. Saya mengkonfigurasi kilang yang memerlukan satu nilai pengukuran setiap jam. Saya membiarkan kilang berjalan selama kira-kira 3 bulan. Sekiranya anda melihat grafik yang menyajikan data yang terkumpul pada bulan november 2018, disember 2018 dan januari 2019, anda akan melihat beberapa penemuan yang luar biasa.

Pertama, anda dapat melihat bahawa kekuatan medan pada bulan November hanya berubah menjadi negatif pada akhir bulan. Jadi sesuatu yang umum mesti berubah, mungkin mengikut cuaca. Mungkin terdapat penurunan suhu yang wajar. Kemudian isyarat purata kekal negatif hingga akhir kitaran pengukuran. Perkara kedua ialah terdapat beberapa lonjakan pada grafik isyarat yang menunjukkan perubahan medan pantas berlangsung hanya beberapa minit. Saya tidak fikir bahawa perubahan atmosfera bertanggungjawab untuk itu. Malah cuaca tempatan terdiri daripada sejumlah besar gas dan ion gabungan. Juga awan dan hujan atau salji biasanya tidak berubah dalam beberapa minit. Jadi saya fikir pengaruh buatan manusia mungkin menyebabkan perubahan mendadak itu. Tetapi ini juga sukar untuk dijelaskan. Semua sumber talian kuasa hanya memberikan voltan ac. Itu tidak mengira perubahan dc yang saya perhatikan. Saya mengesyaki mungkin ada beberapa proses pengecasan elektrik oleh kereta yang melintas di aspal jalan di hadapan flat saya. Boleh difikirkan juga proses pengecasan yang disebabkan oleh debu yang dibawa angin dan bersentuhan dengan wajah rumah saya.