Molí de camp electrònic: 8 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Potser ja sabeu que sóc addicte a qualsevol tipus d’aplicació de mesura de sensors. Sempre he volgut rastrejar les fluctuacions del camp magnètic terrestre i també em va fascinar mesurar el camp elèctric ambiental de la terra que es manté mitjançant processos de separació de càrrega que tenen lloc entre els núvols i la superfície de la terra. Incidents com el cel clar, la pluja o la tempesta tenen un impacte dramàtic en el camp elèctric que ens envolta i les noves troballes científiques ens demostren que la nostra salut depèn en gran mesura dels camps elèctrics que l’envolten.

Per tant, aquest és el motiu pel qual volia convertir-me en un dispositiu de mesura adequat per a camps elèctrics estàtics. Ja existeix un bon disseny, també anomenat molí de camp elèctric, que s’utilitza àmpliament. Aquest dispositiu utilitza un efecte anomenat inducció electrostàtica. Això sempre passa quan exposes un material conductor a un camp elèctric. El camp atrau o repel·leix els electrons lliures del material. Si està connectat a terra (potencial de terra), els portadors de càrrega flueixen dins o fora del material. Després de la desconnexió del terra, queda una càrrega sobre el material fins i tot si el camp elèctric desapareix. Aquesta càrrega es pot mesurar amb un voltímetre. Aquest és, aproximadament, el principi de mesurar camps elèctrics estàtics.

Fa uns anys vaig construir un molí de camp segons els plans i esquemes que vaig trobar a Internet. Consisteix principalment en un rotor amb algun tipus d'hèlix. L’hèlix és un conjunt bessó de segments metàl·lics que estan connectats a terra. El rotor gira al voltant d’un conjunt de plaques d’inducció cobertes i descobertes elèctricament pel rotor. Cada vegada que es descobreixen, la inducció electrostàtica del camp elèctric ambiental provoca un flux de portadors de càrrega. Aquest flux s’inverteix quan el rotor torna a tapar les plaques d’inducció. El que s’obté és un corrent altern més o menys sinusoïdal que l’amplitud és una representació de la força del camp mesurat. Aquest és el primer defecte. No s’obté una tensió estàtica que mostri la intensitat del camp, sinó que ha de prendre l’amplitud d’un senyal altern que s’ha de rectificar primer. El segon número és encara més tediós. El molí de camp funciona bastant bé en un entorn sense molèsties; diuen que a la cara fosca de la lluna et trobes lluny del zumbit de la línia elèctrica i de tota aquesta abundant boira elèctrica que penetra al nostre entorn arreu on siguem. Especialment el zumbit de la línia elèctrica de 50Hz o 60Hz interfereix directament amb el senyal desitjat. Per solucionar aquest problema, el molí de camp utilitza un segon conjunt de plaques d’inducció amb un altre amplificador que pren el mateix senyal amb un desplaçament de fase de 90 °. En un amplificador operacional addicional, tots dos senyals es resten entre si. Com que estan desfasats, queda una resta del senyal desitjat i la interferència, que és igual en tots dos senyals, es cancel·la teòricament. El bon funcionament d’això depèn de la igualtat de la interferència en ambdós circuits de mesura, el CMRR de l’amplificador i la qüestió de si l’amplificador es sobreexcita o no. El que fa que la situació sigui encara més incòmoda és que heu duplicat aproximadament la quantitat de maquinari només per eliminar les interferències.

L’any passat vaig tenir una idea de superar aquests problemes amb el meu propi disseny. És una mica més de treball sobre la mecànica, però senzill en qüestió d’electrònica. Com sempre, no es tracta d’una replicació detallada pas a pas del dispositiu complet. Us mostraré els principis de treball del meu disseny i el podreu canviar de diferents maneres i adaptar-lo a les vostres pròpies necessitats. Després de mostrar-vos com construir-lo, us explicaré com funciona i us mostraré el resultat de les meves primeres mesures.

Quan vaig tenir la idea d’aquest dispositiu, estava orgullós dels ossos, però, com ja sabeu, l’arrogància precedeix qualsevol caiguda. Sí, era una idea meva. El vaig desenvolupar tot sol. Però com sempre hi havia algú abans que jo. La separació de càrregues per inducció i amplificació mitjançant l'ús de l'efecte condensador es va utilitzar en gairebé tots els dissenys de generadors electrostàtics durant els darrers 150 anys. Per tant, no hi ha res d’especial en el meu disseny, tot i que vaig ser el primer a pensar en aplicar aquests conceptes per mesurar camps electrostàtics febles. Encara espero que algun dia sigui famós.

Pas 1: Llista de materials i eines

La llista següent mostra aproximadament quins materials necessiteu. Podeu canviar-los i adaptar-los tant com vulgueu.

• Fulls de fusta contraxapada de 4 mm
• bigues de fusta de 10x10mm
• Tub d'alumini de 8 mm
• Vareta d'alumini de 6 mm
• Vareta de plexiglàs de 8 mm
• PCB de coure d'una sola cara de 120x160mm
• filferro de llautó o coure de 0,2 mm
• un tros de xapa de coure de 0,2 mm
• soldar
• cola
• Cargols i femelles de 3 mm
• Un endoll de prova de 4 mm
• tub de cautxú conductor (diàmetre interior de 2 mm) que vaig obtenir d'Amazon
• Peces electròniques segons l'esquema (secció de descàrrega)
• Un condensador styroflex de 68 nF com a col·lector per a les càrregues. Podeu canviar aquest valor de maneres àmplies.
• Un motor cabrestant per a 6V CC. Es tracta de motors especialment dissenyats per a reproductors de discos i gravadors de cintes. Les seves rpm estan regulades. Encara els podeu trobar a Ebay.
• Una font d'alimentació de 6V / 1A.

Aquestes són les eines que necessiteu

• Soldador
• Entorn de desenvolupament Arduino al vostre ordinador / portàtil
• Cable USB-A a B.
• arxivar o millor un torn
• trepant elèctric
• petita serra buzz o serra manual
• pinces
• tallador de filferro

Pas 2: elaboració de la mecànica

A la primera imatge es pot veure que tot el disseny es basa en dues làmines de fusta contraxapada de 210 mm x 140 mm de dimensió. Estan muntats uns sobre els altres, connectats per 4 bigues de fusta que els mantenen a una distància de 50 mm. Entre les dues fulles es troba el motor i el cablejat. El motor es munta amb dos cargols M3 que s’adapten a dos forats de 3 mm perforats a través de la làmina de fusta contraxapada superior. Una làmina de material de PCB funciona com a escut contra el camp elèctric ambiental. Es munta 85 mm per sobre del full de fusta contraxapada superior i el seu cantó interior acaba al voltant de l’eix del motor.

El component principal d’aquest dispositiu és un disc. Té un diàmetre de 110 mm i està fabricat amb material de PCB recobert de coure d’una sola cara. Vaig utilitzar un molí per tallar un disc rodó del PCB. També vaig utilitzar un molí per tallar el recobriment de coure en quatre segments aïllats elèctricament. També és molt important tallar un anell al voltant del centre del disc per on passarà l'eix del motor. En cas contrari, es posaria a terra elèctricament els segments. Al meu torn he tallat un tros petit de vareta d'alumini de 6 mm de manera que agafi un forat de 3 mm a la part inferior amb dos forats rectangulars de 2 i 5 mm que tinguin fils M3. L'altre extrem l'he reduït a un petit eix de 3 mm cabre al forat central del disc. L'adaptador es va super-enganxar a la part inferior del disc. El conjunt del disc es podria cargolar a l'eix del motor.

Després veieu un altre component important. Un segment de la mida de les del disc, fet amb xapa de coure de 0, 2 mm. Aquest segment es munta sobre dues làmines de fusta contraxapada. Quan el disc està muntat, aquest segment queda molt estret sota el disc giratori. la distància és d'aproximadament 1 mm. És important mantenir aquesta distància el més petita possible.

Les següents coses importants són la bigotilla de terra i la recollida de la càrrega. Tots dos estan fets de tub d'alumini i varetes amb fils tallats per muntar-los tots junts. Aquí podeu fer qualsevol tipus de variació que vulgueu. Només cal que hi hagi alguna cosa conductiva sobre la superfície del disc. Per als bigotis he provat molts materials. La majoria d'ells estaven danyant els segments del disc al cap d'un temps. Finalment, vaig trobar una pista en un llibre sobre dispositius electrostàtics. Utilitzeu tubs conductius de goma. No fa malbé el revestiment de coure, es desgasta i es desgasta …

El bigoti de terra es col·loca en una ubicació de manera que perd el contacte amb el segment de disc subjacent quan comença a descobrir la placa de terra. La recollida de càrrega es col·loca de manera que agafa el segment al centre quan es troba a la màxima distància de la placa de terra. Comproveu que la recollida de càrrega estigui muntada en un tros de vareta de plexiglàs. Això és important perquè aquí necessitem un bon aïllament. En cas contrari, tindríem pèrdua de càrrecs.

Aleshores veureu que el sòcol de prova de 4 mm es col·loca al "soterrani" del conjunt. Vaig proporcionar aquesta connexió perquè no estava segur de si necessitaria una connexió "de terra" real o no. En condicions normals, estem davant de corrents tan baixes que, de totes maneres, tenim una connexió intrínseca. Però potser hi haurà una configuració de proves en el futur en què és possible que la necessitem, qui ho sap?

Pas 3: el cablejat

Ara heu d’interconectar-lo elèctricament perquè funcioni correctament. Utilitzeu el filferro de llautó i soldeu junts les parts següents.

• El tap de prova de 4 mm
• El bigotí de terra
• L'escut
• un cable del condensador de recollida de càrrega

Soldeu el segon cable del condensador a la captació de càrrega.

Pas 4: fabricació de l'electrònica

Seguiu l’esquema per col·locar els components electrònics en un tros de perfboard. Vaig soldar capçaleres de pin a les vores de la placa per connectar-la amb l’Arduino Uno. El circuit és maleït de simple. La càrrega recollida es recull al condensador i s’introdueix en un amplificador d’alta impedància que augmenta el senyal en 100. El senyal es filtra de pas baix i es dirigeix a una entrada de les entrades del convertidor analògic-digital de l’arduino. S’utilitza un MOSFET per a que Arduino engegui / apagui el motor del disc.

És molt important connectar la terra del conjunt mecànic a la terra virtual del circuit electrònic que és on es troben R1 / R2 / C1 / C2. Aquest és també el sòl del condensador de recollida de càrrega. Ho podeu veure a la darrera imatge d’aquest capítol,

Pas 5: el programari

No hi ha molt a dir sobre el programari. Està escrit molt senzill. L'aplicació coneix algunes ordres per configurar-se correctament. Podeu accedir a l’arduino si teniu l’IDE Arduino instal·lat al vostre sistema perquè necessiteu els controladors de comportament virtuals. A continuació, connecteu un cable USB a l’arduino i al vostre PC / ordinador portàtil i utilitzeu un programa de terminal com HTerm per connectar l’arduino mitjançant el comportament emulat amb 9600 bauds, sense paritat i 1 stopbit i CR-LF a l’entrada.

• "setdate dd-mm-yy" estableix la data del mòdul RTC connectat a l'arduino
• "settime hh: mm: ss" estableix l'hora del mòdul RTC connectat a l'arduino
• "getdate" imprimeix la data i l'hora
• "setintervall 10 … 3600" Estableix l'interval de mostreig en segons de 10 a 1h
• "start" inicia la sessió de mesura després de sincronitzar-se amb el proper minut complet
• "sync" fa el mateix, però espera la propera hora completa
• "stop" atura la sessió de mesura

Després de rebre "iniciar" o "sincronitzar" i fer les coses de sincronització, l'aplicació primer pren una mostra per veure on es troba el punt zero o el biaix. A continuació, arrenca el motor i espera 8s perquè la rpm s'estabilitzi. Després es pren la mostra. En general, hi ha un algoritme de mitjana de programari que fa una mitjana contínua de les mostres en les darreres 10 mostres per evitar problemes. El valor zero pres anteriorment es resta ara de la mesura i s’envia el resultat sobre el comportament juntament amb la data i l’hora de la mesura. Un exemple de sessió de mesura té aquest aspecte:

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

Per tant, les mesures es mostren com desviacions de zero mesurades en dígits que poden ser negatius o positius en funció de la direcció espacial del flux elèctric. Per descomptat, hi ha una raó per la qual he decidit formatar les dades en columnes de data, hora i valors de mesura. Aquest és el format perfecte per visualitzar les dades amb el famós programa "gnuplot".

Pas 6: Com funciona

Us acabo de dir que el principi de funcionament d’aquest dispositiu és la inducció electrostàtica. Llavors, com funciona en detall? Suposem per un moment que seríem un d’aquests segments del disc. Estem rotant a una velocitat constant estant exposats contínuament al camp elèctric ambiental i després tornem a amagar-nos del flux sota la protecció del blindatge. Imagineu que en realitat sortiríem de l’ombra al camp. Ens posaríem en contacte amb la bigoteta de terra. El camp elèctric actuaria sobre els nostres electrons lliures i diguem que el camp els repel·liria. Com que estem connectats a terra, hi hauria una quantitat d'electrons que fugirien de nosaltres i desapareixerien a la terra.

Perdre terreny

Ara, mentre el gir del disc continua en algun moment, perdríem el contacte amb la bigotilla de terra. Ara ja no ens pot fugir cap càrrec, però també queda tancat el camí de tornada pels càrrecs ja desapareguts. Així doncs, ens queda una manca d’electrons. Si ens agrada o no, ara se’ns cobrarà! I la nostra càrrega és proporcional a la força del flux elèctric.

Quina càrrega tenim?

Durant el temps que ens vam exposar al camp elèctric vam perdre alguns electrons. Quant hem perdut? Bé, amb cada electró que perdíem, la nostra càrrega augmentava. Aquesta càrrega genera un camp elèctric propi creixent entre nosaltres i el sòl. Aquest camp és oposat al de l’ambient que va generar la inducció. Per tant, la pèrdua d’electrons continua fins al punt en què els dos camps són iguals i es cancel·len mútuament. Després de perdre el contacte amb el sòl, encara tenim el nostre propi camp elèctric contra la placa de terra que té potencial a terra. Sabeu com anomenem dues plaques conductores amb un camp elèctric entremig? Això és un condensador! Formem part del condensador carregat.

Ara som un condensador!

Sabeu la relació entre la càrrega i el voltatge d’un condensador? Deixeu-me dir-vos que és U = Q / C on U és el voltatge, Q és la càrrega i C la capacitat. La capacitat d’un condensador és inversament proporcional a la distància de les seves plaques. Això vol dir que com més gran sigui la distància menor serà la capacitat. Ara, què passa mentre continuem girant la roda sense cap contacte amb el terra? Estem augmentant la distància a la placa de terra. Mentre ho fem, la nostra capacitat disminueix dràsticament. Ara torneu a mirar U = Q / C. Si Q és constant i C disminueix, què passa? Sí, el voltatge augmenta. Aquesta és una manera molt intel·ligent d’amplificar el voltatge només aplicant mitjans mecànics. Aquí no necessiteu un amplificador operatiu, filtratge de soroll i càlcul estadístic. És només una física intel·ligent i senzilla que augmenta el nostre senyal fins a un nivell en què el processament de senyals amb electrònica es converteix en tasques avorrides. Tota la intel·ligència d’aquest dispositiu es basa en la inducció electrostàtica i l’efecte condensador.

Què vol dir?

Però, què hem impulsat exactament d’aquesta manera? Tenim més electrons ara? No! De totes maneres, tenim més càrrecs? No! El que hem impulsat és l’ENERGIA dels electrons i això és el que ens permet utilitzar circuits electrònics més simples i menys filtrat. Ara vam arribar a l’afel de la nostra trajectòria i, finalment, la captació de càrrega agafa els nostres electrons energitzats i els recull al condensador del col·lector de càrrega.

Immunitat contra interferències

Quan mireu el vídeo, veureu que, malgrat les interferències habituals a casa meva, el senyal de sortida del dispositiu és constant i pràcticament lliure de soroll. Com és possible? Bé, crec que és perquè el senyal i la interferència no van de manera separada fins a l'amplificador com al clàssic molí de camp. Al meu disseny, la interferència afecta la càrrega recollida des del moment en què es perd la connexió a terra. Això significa que cada mostra es veu afectada d'alguna manera per interferències. Però com que aquesta interferència no té cap component de corrent continu sempre que sigui simètricament, el resultat de la interferència sempre es fa de mitjana al condensador del col·lector de càrrega. Després de prou voltes de disc i mostres alimentades al col·lector de càrrega, la mitjana de la interferència és nul·la. Crec que aquest és el truc!

Pas 7: proves

Després d'algunes proves, depuració i millora, vaig instal·lar el molí de camp juntament amb la meva antiga llibreta win-xp a les golfes i vaig fer una prova aproximada d'un dia aproximat. Els resultats es van visualitzar amb gnuplot. Vegeu el fitxer de dades adjunt "e-field-data.dat" i el fitxer de configuració de gnuplot "e-field.gp". Per veure els resultats, només cal que inicieu gnuplot al vostre sistema de destinació i que escriviu a l'indicatiu> carregueu "e-field.gp"

Vegeu la imatge que mostra els resultats. És força notable. Vaig començar la mesura el 03-10-2018 quan vam fer bon temps i cel blau. Vegeu que el camp elèctric era força fort i negatiu, mentre que hem de tenir cura perquè el que és "negatiu" i el que és "positiu" actualment no és raonable. Necessitaríem un calibratge del nostre dispositiu per alinear-nos amb la física real. Però, de totes maneres, podeu veure que durant els cicles de mesura la intensitat del camp va baixar junt amb el clima que va començar a deteriorar-se i a convertir-se en nuvolós i plujós. D'alguna manera em va sorprendre aquelles troballes, però encara he de comprovar si aquestes es correlacionen amb la física.

Ara és el teu torn. Seguiu i fabriqueu el vostre propi molí de camp elèctric i exploreu els secrets del nostre planeta en la vostra pròpia recerca. Diverteix-te!

Pas 8: Recopilació i interpretació de dades

Ara, com que (amb sort) tot funciona, hauríeu de recollir algunes dades. Recomanaria utilitzar un lloc fix per al molí de camp. En cas contrari, les dades serien difícils de comparar. Els paràmetres de camp locals poden variar molt d'un lloc a un altre. Vaig configurar el molí perquè prengués un valor de mesura cada hora. Vaig deixar funcionar el molí durant uns 3 mesos. Si mireu els gràfics que presenten les dades recollides del mes de novembre de 2018, desembre de 2018 i gener de 2019, veureu algunes troballes remarcables.

Primer podeu veure que la intensitat del camp al novembre va ser merament positiva i es va convertir en negativa a finals de mes. Per tant, deu haver canviat alguna cosa general, probablement segons el clima. Potser hi va haver una caiguda de temperatura raonable. Llavors, el senyal mitjà es va mantenir negatiu fins al final del cicle de mesura. La segona cosa és que hi ha diversos pics al gràfic del senyal que indiquen canvis ràpids de camp que duren només uns minuts. No crec que els canvis atmosfèrics en siguin els responsables. Fins i tot el clima local comprèn enormes masses de gas i ions incorporats. També els núvols i les pluges o la neu no solen canviar en qüestió de minuts. Per tant, crec que la influència provocada per l’home pot haver causat aquests canvis sobtats. Però això també és difícil d’explicar. Totes les fonts de la línia elèctrica només proporcionen tensió alterna. Això no compta per als canvis de dc que he observat. Sospito que hi podrien haver hagut processos de càrrega elèctrica per part dels cotxes que passaven per l’asfalt del carrer davant del meu pis. Pensable seria també els processos de càrrega causats per la pols transportada pel vent i el contacte amb la cara de casa meva.