E-Feldmühle - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Sie wissen vielleicht schon, dass ich süchtig nach jeder Art von Sensormessanwendungen bin. Ich wollte schon immer den Schwankungen des Erdmagnetfeldes auf die Spur kommen und war auch fasziniert von der Messung des umgebenden elektrischen Feldes der Erde, das durch Ladungstrennungsprozesse zwischen den Wolken und der Erdoberfläche aufrechterhalten wird. Ereignisse wie klarer Himmel, Regen oder Gewitter haben dramatische Auswirkungen auf das uns umgebende elektrische Feld und neue wissenschaftliche Erkenntnisse zeigen uns, dass unsere Gesundheit stark von den umgebenden elektrischen Feldern abhängt.

Aus diesem Grund wollte ich mir ein geeignetes Messgerät für statische elektrische Felder machen. Es gibt bereits ein ziemlich gutes Design, auch Elektrofeldmühle genannt, das weit verbreitet ist. Dieses Gerät verwendet einen Effekt namens Elektrostatische Induktion. Dies geschieht immer, wenn Sie ein leitfähiges Material einem elektrischen Feld aussetzen. Das Feld zieht die freien Elektronen im Material an oder stößt sie ab. Wird es mit Masse (Erdpotential) verbunden, fließen Ladungsträger in das Material ein oder aus. Nach dem Trennen der Erdung verbleibt eine Ladung auf dem Material, auch wenn das elektrische Feld verschwindet. Diese Ladung kann mit einem Voltmeter gemessen werden. Dies ist sehr grob das Prinzip der Messung statischer elektrischer Felder.

Vor einigen Jahren habe ich nach Plänen und Schemata, die ich im Internet gefunden habe, eine Feldmühle gebaut. Im Prinzip besteht es aus einem Rotor mit einer Art Propeller darauf. Der Propeller besteht aus zwei geerdeten Metallsegmenten. Der Rotor dreht sich um einen Satz Induktionsplatten, die vom Rotor elektrisch bedeckt und freigelegt werden. Jedes Mal, wenn sie freigelegt werden, verursacht die elektrostatische Induktion des umgebenden elektrischen Feldes einen Fluss von Ladungsträgern. Dieser Fluss wird umgekehrt, wenn der Rotor die Induktionsplatten wieder bedeckt. Es entsteht ein mehr oder weniger sinusförmiger Wechselstrom, dessen Amplitude die Stärke des gemessenen Feldes wiedergibt. Dies ist der erste Fehler. Sie erhalten keine statische Spannung, die die Feldstärke anzeigt, sondern muss die Amplitude eines Wechselsignals nehmen, das zuerst gleichgerichtet werden muss. Das zweite Thema ist noch mühsamer. Die Feldmühle funktioniert in einer ungestörten Umgebung ziemlich gut - sagen wir auf der dunklen Seite des Mondes, wenn Sie weit weg von Stromleitungsbrummen und all diesem reichlichen elektrischen Nebel sind, der unsere Umgebung überall durchdringt. Vor allem das 50Hz oder 60Hz Netzbrummen stört direkt das gewünschte Signal. Um dieses Problem zu lösen, verwendet die Feldmühle einen zweiten Satz Induktionsplatten mit einem weiteren Verstärker, der das gleiche Signal mit einer Phasenverschiebung von 90° aufnimmt. In einem zusätzlichen Operationsverstärker werden beide Signale voneinander subtrahiert. Da sie phasenverschoben sind, verbleibt ein Rest des gewünschten Signals und die Interferenz, die in beiden Signalen gleich ist, wird theoretisch ausgelöscht. Wie gut das funktioniert, hängt von der Gleichheit der Störungen in beiden Messkreisen, dem CMRR des Verstärkers und von der Frage ab, ob der Verstärker übersteuert wird oder nicht. Was die Situation noch unangenehmer macht, ist, dass Sie die Hardwaremenge ungefähr verdoppelt haben, nur um die Störungen zu beseitigen.

Letztes Jahr hatte ich die Idee, diese Probleme mit meinem eigenen Design zu lösen. Es ist ein wenig mehr Arbeit an der Mechanik, aber in der Frage der Elektronik einfach. Wie immer ist dies keine detaillierte Schritt-für-Schritt-Nachbildung des kompletten Geräts. Ich zeige Ihnen die Arbeitsprinzipien meines Designs und Sie können es auf verschiedene Weise ändern und an Ihre eigenen Bedürfnisse anpassen. Nachdem ich Ihnen gezeigt habe, wie es gebaut wird, erkläre ich Ihnen die Funktionsweise und zeige Ihnen das Ergebnis meiner ersten Messungen.

Als ich die Idee zu diesem Gerät hatte, war ich bis in die Knochen stolz, aber wie Sie wissen, geht Arroganz jedem Untergang voraus. Ja, es war meine eigene Idee. Ich habe es selbst entwickelt. Aber wie immer war jemand vor mir. Die Ladungstrennung durch Induktion und Verstärkung unter Ausnutzung des Kondensatoreffekts wurde in den letzten 150 Jahren in fast allen elektrostatischen Generatoren verwendet. Es ist also nichts Besonderes an meinem Design, obwohl ich der Erste war, der darüber nachdachte, diese Konzepte zur Messung schwacher elektrostatischer Felder anzuwenden. Ich hoffe immer noch, dass ich eines Tages berühmt werde.

Schritt 1: Liste der Materialien und Werkzeuge

Die folgende Liste zeigt ungefähr, welche Materialien Sie benötigen. Sie können diese nach Belieben ändern und anpassen.

• Platten aus 4mm Sperrholz
• Holzbalken 10x10mm
• 8mm Aluminiumrohr
• 6mm Aluminiumstange
• 8mm Plexiglasstab
• 120x160mm einseitig verkupferte Leiterplatte
• Messing- oder Kupferdraht 0.2mm
• ein Stück 0,2 mm Kupferblech
• Lot
• Kleber
• 3mm Schrauben und Muttern
• Eine 4mm Testbuchse
• leitfähiges Gummirohr (Innendurchmesser 2mm) Ich habe meins von Amazon bekommen
• Elektronikteile nach Schaltplan (Downloadbereich)
• Ein 68nF Styroflex-Kondensator als Kollektor für die Ladungen. Sie können diesen Wert auf vielfältige Weise ändern.
• Ein Capstan-Motor für 6V DC. Dies sind Motoren, die speziell für Disc-Player und Tonbandgeräte entwickelt wurden. Ihre Drehzahl ist geregelt! Bei Ebay findet man sie immer noch.
• Ein 6V/1A Netzteil.

Das sind die Werkzeuge, die Sie brauchen

• Lötkolben
• Arduino-Entwicklungsumgebung auf Ihrem PC/Notebook
• USB-A-zu-B-Kabel
• Feile oder besser eine Drehmaschine
• elektrische Bohrmaschine
• kleine Kreissäge oder Handsäge
• Pinzette
• Kabelschneider

Schritt 2: Herstellung der Mechanik

Auf dem ersten Bild sehen Sie, dass das gesamte Design auf zwei Sperrholzplatten mit den Abmessungen 210 mm x 140 mm basiert. Sie sind übereinander montiert, verbunden durch 4 Holzbalken, die einen Abstand von 50 mm halten. Zwischen beiden Blechen ist der Motor und die Verkabelung enthalten. Der Motor wird mit zwei M3-Schrauben montiert, die in zwei 3mm Löcher passen, die durch die obere Sperrholzplatte gebohrt werden. Eine Leiterplatte aus PCB-Material dient als Abschirmung gegen das elektrische Umgebungsfeld. Es ist 85mm über der oberen Sperrholzplatte montiert und seine Innenkante endet gerade über der Motorwelle.

Die Kernkomponente dieses Geräts ist eine Festplatte. Es hat einen Durchmesser von 110 mm und besteht aus einseitig kupferbeschichtetem PCB-Material. Ich benutzte eine Mühle, um eine runde Scheibe der Platine auszuschneiden. Ich habe auch eine Mühle verwendet, um die Kupferbeschichtung in vier elektrisch isolierte Segmente zu schneiden. Es ist auch sehr wichtig, einen Ring um die Mitte der Scheibe zu schneiden, wo die Motorwelle durchgeht. Andernfalls würden die Segmente elektrisch geerdet! Auf meiner Drehmaschine schneide ich ein kleines Stück 6mm Aluminiumstange so, dass unten ein 3mm Loch mit zwei rechteckigen 2,5mm Löchern mit M3-Gewinden eingeschnitten wird. Das andere Ende schneide ich auf einen kleinen 3mm Schaft zu Passen Sie in das mittlere Loch der Scheibe. Der Adapter wurde dann mit Sekundenkleber auf die Unterseite der Scheibe geklebt. Die Scheibenbaugruppe könnte dann auf die Motorwelle geschraubt werden.

Dann sehen Sie eine weitere wichtige Komponente. Ein Segment in der Größe der auf der Scheibe, aus 0,2 mm Kupferblech Dieses Segment ist auf zwei Sperrholzplatten montiert. Bei montierter Scheibe liegt dieses Segment sehr eng unter der rotierenden Scheibe. der Abstand beträgt nur etwa 1 mm. Es ist wichtig, diesen Abstand so gering wie möglich zu halten!

Die nächsten wichtigen Dinge sind der Bodenwhisker und die Ladungsaufnahme. Beide bestehen aus Aluminiumrohr und -stangen mit eingeschnittenen Gewinden, um sie alle zusammen zu montieren. Sie können hier jede Art von Variation machen, die Sie mögen. Sie brauchen nur etwas Leitfähiges, das über die Oberfläche der Scheibe läuft. Für die Schnurrhaare habe ich viele Materialien ausprobiert. Die meisten von ihnen beschädigten nach einer Weile die Plattensegmente. Endlich habe ich einen Hinweis in einem Buch über elektrostatische Geräte gefunden. Verwenden Sie leitfähige Gummischläuche! Es beschädigt die Kupferbeschichtung nicht und verschleißt und verschleißt…

Der Bodenwhisker wird so an einer Stelle platziert, dass er den Kontakt zum darunterliegenden Scheibensegment verliert, wenn er beginnt, die Bodenplatte freizulegen. Der Ladungsaufnehmer wird so platziert, dass er das Segment in der Mitte einnimmt, wenn es sich in maximalem Abstand von der Grundplatte befindet. Achten Sie darauf, dass der Ladungsaufnehmer auf einem Stück Plexiglasstange montiert ist. Das ist wichtig, weil wir hier eine gute Isolierung brauchen. Sonst hätten wir einen Gebührenausfall!

Dann sieht man, dass die 4mm Testbuchse im "Keller" der Baugruppe platziert ist. Ich habe diese Verbindung bereitgestellt, weil ich mir nicht sicher war, ob ich eine echte "Masse" -Verbindung brauche oder nicht. Unter normalen Bedingungen haben wir es mit so geringen Strömen zu tun, dass wir ohnehin eine Eigenerdung haben. Aber vielleicht gibt es ja in Zukunft einen Testaufbau, wo wir ihn vielleicht brauchen, wer weiß?

Schritt 3: Die Verkabelung

Jetzt müssen Sie alles elektrisch miteinander verbinden, damit es richtig funktioniert. Verwenden Sie den Messingdraht und löten Sie die folgenden Teile zusammen.

• Der 4mm Prüfstecker
• Der gemahlene Whisker
• Das Schild
• ein Draht des Ladungssammelkondensators

Löten Sie den 2. Draht des Kondensators an den Ladungsaufnehmer.

Schritt 4: Herstellung der Elektronik

Folgen Sie dem Schema, um die elektronischen Komponenten auf einem Stück Perfboard zu platzieren. Ich lötete Stiftleisten an die Kanten der Platine, um sie mit dem Arduino Uno zu verbinden. Die Schaltung ist verdammt einfach. Die gesammelte Ladung wird am Kondensator aufgenommen und in einen hochohmigen Verstärker eingespeist, der das Signal um 100 verstärkt. Das Signal wird tiefpassgefiltert und dann in einen Eingang der Analog-Digital-Wandlereingänge des Arduino geleitet. Ein MOSFET wird für den Arduino verwendet, um den Scheibenmotor ein- und auszuschalten.

Es ist sehr wichtig, die Masse der mechanischen Baugruppe mit der virtuellen Masse der elektronischen Schaltung zu verbinden, wo sich R1/R2/C1/C2 treffen! Dies ist auch die Masse des Ladungssammelkondensators. Sie können dies auf dem letzten Bild in diesem Kapitel sehen,

Schritt 5: Die Software

Zur Software gibt es nicht viel zu sagen. Es ist sehr direkt geschrieben. Die Anwendung kennt einige Befehle, um richtig konfiguriert zu werden. Sie können auf das Arduino zugreifen, wenn Sie die Arduino IDE auf Ihrem System installiert haben, da Sie die virtuellen Comport-Treiber benötigen. Schließen Sie dann ein USB-Kabel an das Arduino und Ihren PC/Notebook an und verwenden Sie ein Terminalprogramm wie HTerm, um das Arduino über den emulierten Comport mit 9600 Baud, keine Parität und 1 Stopbit und CR-LF bei Eingabe zu verbinden.

• "setdate dd-mm-yy" setzt das Datum des RTC-Moduls, das mit dem Arduino verbunden ist
• "settime hh:mm:ss" stellt die Uhrzeit des RTC-Moduls ein, das mit dem Arduino verbunden ist
• "getdate" gibt Datum und Uhrzeit aus
• „setintervall 10…3600“Setzt das Abtastintervall in Sekunden von 10s bis 1h
• "start" startet die Messsitzung nach der Synchronisierung mit der nächsten vollen Minute
• "sync" macht dasselbe, wartet aber auf die kommende volle Stunde
• "stop" stoppt die Messsitzung

Nach dem Empfangen von "start" oder "sync" und dem Ausführen der Synchronisation nimmt die Anwendung zuerst eine Probe, um zu sehen, wo der Nullpunkt oder die Abweichung liegt. Dann startet er den Motor und wartet 8s, bis sich die Drehzahl stabilisiert hat. Dann wird die Probe genommen. Im Allgemeinen gibt es einen Software-Mittelungsalgorithmus, der die Abtastwerte kontinuierlich über die letzten 10 Abtastwerte mittelt, um Störungen zu vermeiden. Der zuvor genommene Nullwert wird nun von der Messung abgezogen und das Ergebnis zusammen mit Datum und Uhrzeit der Messung über den Comport gesendet. Ein Beispiel für eine Messsitzung sieht so aus:

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

Die Messwerte werden also als Auslenkungen von Null gemessen in Ziffern dargestellt, die je nach Raumrichtung des elektrischen Flusses positiv oder negativ sein können. Natürlich gibt es einen Grund, warum ich mich entschieden habe, die Daten in Spalten mit Datum, Uhrzeit und Messwerten zu formatieren. Dies ist das perfekte Format, um die Daten mit dem berühmten Programm "gnuplot" zu visualisieren!

Schritt 6: Wie es funktioniert

Ich habe Ihnen gerade gesagt, dass das Funktionsprinzip dieses Geräts die elektrostatische Induktion ist. Wie funktioniert es also im Detail? Nehmen wir für den Moment an, wir wären eines dieser Segmente auf der Disc. Wir drehen uns mit konstanter Geschwindigkeit, sind ständig dem elektrischen Umgebungsfeld ausgesetzt und verstecken uns dann wieder unter dem Schutz des Schildes vor dem Fluss. Stellen Sie sich vor, wir würden tatsächlich aus dem Schatten aufs Feld kommen. Wir würden mit dem Erdungswhisker in Kontakt treten. Das elektrische Feld würde auf unsere freien Elektronen einwirken und sagen wir, das Feld würde sie abstoßen. Da wir geerdet sind, würde eine Menge Elektronen von uns fliehen und in der Erde verschwinden.

Den Boden unter den Füssen verlieren

Nun, während sich die Scheibe irgendwann weiter dreht, würden wir den Kontakt zum Massewhisker verlieren. Nun kann keine Ladung mehr vor uns fliehen, aber auch der Rückweg für die bereits weggegangenen Ladungen ist gesperrt. So bleiben wir mit einem Elektronenmangel zurück. Ob es uns gefällt oder nicht, wir zahlen jetzt! Und unsere Ladung ist proportional zur Stärke des elektrischen Flusses.

Wie viel Ladung haben wir?

Während der Zeit, in der wir dem elektrischen Feld ausgesetzt waren, haben wir einige Elektronen verloren. Wie viel haben wir verloren? Nun, mit jedem verlorenen Elektron stieg unsere Ladung. Diese Ladung erzeugt ein selbst ansteigendes elektrisches Feld zwischen uns und der Erde. Dieses Feld ist dem Umgebungsfeld entgegengesetzt, das die Induktion erzeugt hat. Der Elektronenverlust setzt sich also bis zu dem Punkt fort, an dem beide Felder gleich sind und sich gegenseitig aufheben! Nachdem wir den Kontakt zur Erde verloren haben, haben wir immer noch unser eigenes elektrisches Feld gegen die geerdete Platte, die Erdpotential hat. Wissen Sie, wie wir zwei leitfähige Platten mit einem elektrischen Feld dazwischen nennen? Das ist ein Kondensator! Wir sind Teil eines geladenen Kondensators.

Wir sind jetzt ein Kondensator!

Kennen Sie den Zusammenhang zwischen Ladung und Spannung an einem Kondensator? Lassen Sie mich Ihnen sagen, es ist U = Q / C, wobei U die Spannung, Q die Ladung und C die Kapazität ist. Die Kapazität eines Kondensators ist umgekehrt proportional zum Abstand seiner Platten! Das heißt, je größer der Abstand, desto geringer die Kapazität. Was passiert nun, während wir das Rad ohne Bodenkontakt weiterdrehen? Wir vergrößern den Abstand zur Grundplatte. Während wir dies tun, sinkt unsere Kapazität dramatisch. Betrachten Sie nun noch einmal U=Q/C. Was passiert, wenn Q konstant ist und C abnimmt? Ja, die Spannung steigt! Dies ist eine sehr clevere Möglichkeit, die Spannung durch einfaches Anwenden mechanischer Mittel zu verstärken. Sie brauchen hier keinen Operationsverstärker, keine Rauschfilterung und keine statistische Berechnung. Es ist nur eine clevere und schlichte Physik, die unser Signal auf ein Niveau steigert, bei dem die Signalverarbeitung mit Elektronik zu einer langweiligen Aufgabe wird. Die ganze Cleverness dieses Geräts beruht auf elektrostatischer Induktion und dem Kondensatoreffekt!

Was bedeutet es?

Aber was genau haben wir auf diese Weise gefördert? Haben wir jetzt mehr Elektronen? Nein! Haben wir sowieso mehr Gebühren? Nein! Was wir verstärkt haben, ist die ENERGIE der Elektronen und das ermöglicht uns einfachere elektronische Schaltungen und weniger Filterung zu verwenden. Jetzt haben wir die Aphel unserer Flugbahn erreicht und schließlich nimmt der Ladungsaufnehmer unsere energetisierten Elektronen auf und sammelt sie im Ladungssammlerkondensator.

Störfestigkeit

Wenn Sie sich das Video ansehen, werden Sie feststellen, dass das Ausgangssignal des Geräts trotz der bei mir zu Hause üblichen Störungen stabil und praktisch rauschfrei ist. Wie ist das möglich? Nun, ich denke, es liegt daran, dass Signal und Interferenz nicht wie bei der klassischen Feldmühle getrennt zum Verstärker gelangen. In meinem Design wirkt sich die Störung auf die gesammelte Ladung aus, sobald die Verbindung zur Erde verloren geht. Das bedeutet, dass jede Probe in irgendeiner Weise von Interferenzen beeinflusst wird. Da diese Störung aber, solange sie symmetrisch ist, keinen Gleichanteil hat, wird das Störergebnis immer im Ladungssammlerkondensator ausgemittelt. Nach genügend Scheibenumdrehungen und in den Ladungssammler eingespeisten Proben ist der Durchschnitt der Interferenz null. Ich denke, das ist der Trick!

Schritt 7: Testen

Nach einigem Testen, Debuggen und Verbessern installierte ich die Feldmühle zusammen mit meinem alten Win-Xp-Notebook auf meinem Dachboden und machte einen Testlauf über ungefähr einen Tag. Die Ergebnisse wurden mit gnuplot visualisiert. Siehe die angehängte Datendatei "e-field-data.dat" und die gnuplot-Konfigurationsdatei "e-field.gp". Um die Ergebnisse anzuzeigen, starten Sie einfach gnuplot auf Ihrem Zielsystem und geben Sie an der Eingabeaufforderung >load "e-field.gp" ein

Siehe das Bild mit den Ergebnissen. Es ist ziemlich bemerkenswert. Ich habe die Messung am 03.10.2018 gestartet, als wir schönes Wetter und blauen Himmel hatten. Sehen Sie, dass das elektrische Feld ziemlich stark und negativ war, während wir aufpassen müssen, denn was "negativ" und was "positiv" ist, ist derzeit nicht vernünftig spezifiziert. Wir bräuchten eine Kalibrierung unseres Geräts, um es mit der realen Physik in Einklang zu bringen. Aber trotzdem sieht man, dass über die Messzyklen die Feldstärke abnahm, während sich das Wetter verschlechterte und bewölkt und regnerisch wurde. Ich war irgendwie erstaunt über diese Ergebnisse, muss aber noch überprüfen, ob diese mit der Physik korrelieren.

Jetzt bist du dran. Mach weiter und baue deine eigene elektrische Feldmühle und erforsche die Geheimnisse unseres Planeten auf eigene Faust! Spaß haben!

Schritt 8: Sammeln und Interpretieren von Daten

Da jetzt (hoffentlich) alles gut funktioniert, sollten Sie einige Daten sammeln. Ich würde empfehlen, einen festen Platz für die Feldmühle zu verwenden. Sonst wären die Daten schwer zu vergleichen. Die lokalen Feldparameter können von Ort zu Ort stark variieren. Ich habe die Mühle so konfiguriert, dass sie jede Stunde einen Messwert nimmt. Ich habe die Mühle etwa 3 Monate laufen lassen. Wenn Sie sich die Grafiken mit den gesammelten Daten der Monate November 2018, Dezember 2018 und Januar 2019 ansehen, sehen Sie einige bemerkenswerte Ergebnisse.

Zunächst sieht man, dass die Feldstärke im November nur positiv war und zum Monatsende negativ wurde. Es muss sich also etwas Allgemeines geändert haben, wahrscheinlich je nach Wetter. Vielleicht gab es einen vernünftigen Temperaturabfall. Dann blieb das Durchschnittssignal bis zum Ende des Messzyklus negativ. Die zweite Sache ist, dass es mehrere Spitzen im Signaldiagramm gibt, die auf schnelle Feldänderungen hinweisen, die nur einige Minuten dauern. Ich glaube nicht, dass Veränderungen in der Atmosphäre dafür verantwortlich sind. Sogar das lokale Wetter besteht aus riesigen Gasmassen und eingebauten Ionen. Auch Wolken und Regen oder Schnee ändern sich meist nicht innerhalb von Minuten. Ich denke also, dass der vom Menschen verursachte Einfluss diese plötzlichen Veränderungen verursacht haben könnte. Aber auch das ist schwer zu erklären. Alle Stromleitungsquellen liefern nur Wechselspannung. Das gilt nicht für die DC-Änderungen, die ich beobachtet habe. Ich vermute, dass es auf dem Asphalt der Straße vor meiner Wohnung elektrische Ladevorgänge durch vorbeifahrende Autos gegeben haben könnte. Denkbar wären auch Aufladungsvorgänge, die durch Staub verursacht werden, der vom Wind getragen wird und mit der Fassade meines Hauses in Kontakt kommt.