E-Sahə Dəyirmanı: 8 Adım (Şəkillərlə)

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:46

Hər hansı bir sensor ölçmə tətbiqindən asılı olduğumu artıq bilə bilərsiniz. Həmişə yerin maqnit sahəsindəki dalğalanmaları izləmək istəmişəm və buludlarla yerin səthi arasında gedən yüklərin ayrılması prosesləri ilə təmin olunan yerin ətrafındakı elektrik sahəsini ölçməklə də heyran oldum. Təmiz səma, yağış və ya göy gurultusu kimi hadisələrin hamısı bizi əhatə edən elektrik sahəsinə dramatik təsir göstərir və yeni elmi kəşflər sağlamlığımızın ətrafdakı elektrik sahələrindən çox asılı olduğunu göstərir.

Beləliklə, özümü statik elektrik sahələri üçün uyğun bir ölçü cihazı etmək istəməyimin səbəbi budur. Artıq geniş yayılmış elektrik sahə dəyirmanı adlanan olduqca yaxşı bir dizayn mövcuddur. Bu cihaz elektrostatik induksiya adlanan effektdən istifadə edir. Bu, elektrik sahəsinə keçirici bir material çıxardığınız zaman olur. Sahə materialdakı sərbəst elektronları cəlb edir və ya itələyir. Yerə (torpaq potensialına) bağlıdırsa, yük daşıyıcıları materialın içərisinə və ya xaricinə axır. Torpaq kəsildikdən sonra, elektrik sahəsi yox olsa belə, materialda bir yük qalır. Bu yük bir voltmetr ilə ölçülə bilər. Bu, təxminən, statik elektrik sahələrinin ölçülməsi prinsipidir.

Bir neçə il əvvəl internetdə tapdığım planlara və sxemlərə uyğun olaraq tarla dəyirmanı qurdum. Əsasən bir növ pervaneli bir rotordan ibarətdir. Pervane, topraklanmış olan ikiqat metal seqmentlər dəstidir. Rotor, elektriklə örtülmüş və rotor tərəfindən açılmayan bir sıra induksiya plitələrinin ətrafında fırlanır. Hər dəfə açıldıqda, ətrafdakı elektrik sahəsinin elektrostatik induksiyası yük daşıyıcılarının axmasına səbəb olur. Rotor induksiya lövhələrini yenidən örtdükdə bu axın tərsinə çevrilir. Aldığınız şey, amplitudası ölçülən sahənin gücünü əks etdirən alternativ az -çox sinusoidal cərəyandır. Bu, ilk çatışmazlıqdır. Sahənin gücünü göstərən statik bir gərginlik əldə etmirsiniz, ancaq əvvəlcə düzəldilməsi lazım olan alternativ bir siqnalın amplitüdünü götürməlisiniz. İkinci məsələ daha da darıxdırıcıdır. Sahə dəyirmanı narahat olmayan bir mühitdə olduqca yaxşı işləyir -deyirik ki, ayın qaranlıq tərəfində, elektrik xətti uğultusundan və ətrafımıza hər yerimizə nüfuz edən bu bol elektrikli dumandan uzaq olanda deyin. Xüsusilə 50Hz və ya 60Hz elektrik xətti zümzümə birbaşa istədiyiniz siqnala müdaxilə edir. Bu problemi həll etmək üçün sahə dəyirmanı, 90 ° faza dəyişməsi ilə eyni siqnalı alan başqa bir gücləndiriciyə malik ikinci indüktiv lövhələrdən istifadə edir. Əlavə bir əməliyyat gücləndiricisində hər iki siqnal bir -birindən çıxarılır. İstədikləri siqnalın qalan hissəsi fazada olmadıqları üçün hər iki siqnalda bərabər olan müdaxilə nəzəri olaraq ləğv edilir. Bunun nə qədər yaxşı işlədiyi hər iki ölçü sxemindəki müdaxilənin bərabərliyindən, gücləndiricinin CMRR -dən və gücləndiricinin həddən artıq ötürülüb -sürülməməsi sualından asılıdır. Vəziyyəti daha da narahat edən odur ki, müdaxiləni aradan qaldırmaq üçün hardware miqdarını təxminən iki dəfə artırmısınız.

Keçən il bu problemi öz dizaynımla aradan qaldırmaq fikrim vardı. Mexanika üzərində bir az daha çox iş var, amma elektronika məsələsində sadədir. Həmişə olduğu kimi, bu, tam bir cihazın addım -addım təkrarlanması deyil. Mən sizə dizaynımın iş prinsiplərini göstərəcəyəm və onu müxtəlif yollarla dəyişə və öz ehtiyaclarınıza uyğunlaşdıra bilərsiniz. Necə quracağınızı göstərdikdən sonra bunun necə işlədiyini izah edəcəyəm və sizə ilk ölçmələrimin nəticəsini göstərəcəyəm.

Bu cihazın ideyasını alanda sümüklərlə fəxr edirdim, amma bildiyiniz kimi təkəbbür hər hansı bir çöküşdən əvvəldir. Bəli, öz fikrim idi. Mən bunu təkbaşına inkişaf etdirmişəm. Amma həmişə olduğu kimi məndən əvvəl də biri var idi. Kondansatör effektindən istifadə edərək yüklərin induksiya və amplifikasiya ilə ayrılması son 150 ildə demək olar ki, hər bir elektrostatik generator dizaynında istifadə edilmişdir. Zəif elektrostatik sahələri ölçmək üçün bu anlayışları tətbiq etməyi düşünən ilk insan olmağım baxmayaraq dizaynımda xüsusi bir şey yoxdur. Hələ də ümid edirəm ki, bir gün məşhur olacağam.

Addım 1: Materialların və Alətlərin siyahısı

Aşağıdakı siyahı təxminən hansı materiallara ehtiyacınız olduğunu göstərir. İstədiyiniz qədər dəyişə və uyğunlaşdıra bilərsiniz.

• 4 mm kontrplakdan hazırlanmış təbəqələr
• taxta kirişlər 10x10 mm
• 8 mm alüminium boru
• 6 mm alüminium çubuq
• 8 mm pleksiglas çubuq
• 120x160 mm tək tərəfli mis örtüklü PCB
• mis və ya mis tel 0,2 mm
• 0,2 mm mis təbəqədən bir parça
• lehim
• yapışqan
• 3 mm vintlər və qoz -fındıq
• 4 mm -lik test prizi
• keçirici rezin boru (Daxili diametri 2 mm) Amazondan mənimkini aldım
• Şemaya görə elektron hissələr (yükləmə bölməsi)
• Şarjlar üçün kollektor olaraq 68nF styroflex kondansatör. Bu dəyəri geniş şəkildə dəyişə bilərsiniz.
• 6V DC üçün kaptan mühərriki. Bunlar xüsusilə disk pleyerləri və maqnitofonlar üçün hazırlanmış mühərriklərdir. Onların rpm tənzimlənir! Onları hələ də Ebay -da tapa bilərsiniz.
• 6V/1A enerji təchizatı.

Bunlar sizə lazım olan vasitələrdir

• Lehimleme dəmir
• PC/Notebook -da Arduino inkişaf mühiti
• USB-A-B kabel
• fayl və ya daha yaxşı bir torna
• elektrikli qazma
• kiçik vızıltı və ya əl testeresi
• cımbız
• tel kəsici

Addım 2: Mexanika hazırlayın

Birinci şəkildəki bütün dizaynın 210 mm x 140 mm ölçüdə iki kontrplak təbəqəyə əsaslandığını görə bilərsiniz. 50 mm məsafədə saxlayan 4 ədəd taxta şüa ilə bir -birinin üstünə quraşdırılmışdır. Hər iki təbəqə arasında motor və naqillər var. Mühərrik, üst kontrplak təbəqəsindən qazılmış 3 mm diametrli iki delikdə quraşdırılmış iki M3 vida ilə quraşdırılmışdır. Bir təbəqə PCB, ətrafdakı elektrik sahəsinə qarşı bir qalxan olaraq işləyir. Üst kontrplak təbəqənin 85 mm üstündə quraşdırılmışdır və daxili kənarı yalnız motor milinin ətrafında bitir.

Bu cihazın əsas komponenti bir diskdir. 110 mm diametrə malikdir və tək tərəfli mis örtüklü PCB materialından hazırlanmışdır. PCB -nin yuvarlaq bir diskini kəsmək üçün bir dəyirman istifadə etdim. Mis örtüyü elektrik izolyasiya edilmiş dörd seqmentə kəsmək üçün bir dəyirman da istifadə etdim. Mühərrik milinin keçəcəyi diskin ortasında bir halqa kəsmək də çox vacibdir. Əks təqdirdə, seqmentləri elektrik cərəyanına bağlayardı! Tornağımda 6 mm alüminium çubuqdan kiçik bir parça kəsdim ki, M3 yivləri kəsilmiş iki düzbucaqlı 2, 5 mm delikli 3 mm -lik bir deşik alsın diskin orta çuxuruna yerləşdirin. Sonra adapter diskin altına super yapışdırıldı. Bundan sonra disk dəsti motor milinə vidalana bilər.

Sonra başqa bir vacib komponent görürsünüz. 0, 2 mm mis təbəqədən hazırlanan disk ölçüsündə bir seqment Bu seqment iki kontrplak təbəqəyə quraşdırılmışdır. Disk quraşdırıldıqda, bu seqment fırlanan diskin çox dar bir hissəsidir. məsafə təxminən 1 mm -dir. Bu məsafəni mümkün qədər kiçik saxlamaq vacibdir!

Növbəti vacib şeylər yer bığları və yüklərin alınmasıdır. Hər ikisi də alüminium borudan və hamısını bir araya gətirmək üçün ipləri kəsilmiş çubuqlardan hazırlanmışdır. Burada bəyəndiyiniz hər hansı bir dəyişikliyi edə bilərsiniz. Yalnız diskin səthindən keçirici bir şeyə ehtiyacınız var. Bığlar üçün çoxlu materiallar sınadım. Əksəriyyəti bir müddət sonra disk seqmentlərinə ziyan vururdu. Nəhayət, bir kitabda elektrostatik qurğular haqqında bir ipucu tapdım. Keçirici rezin borulardan istifadə edin! Mis örtüyə zərər vermir və geyinir və geyinir…

Zəmin bığları, yerə qoyulur ki, yer lövhəsini açmağa başlayanda altdakı disk seqmenti ilə əlaqə kəsilsin. Yük alma, yer səthindən maksimum məsafədə olduqda seqmenti ortada tutacaq şəkildə yerləşdirilir. Yükləmə cihazının bir parça pleksiglas çubuğa quraşdırıldığına baxın. Bu çox vacibdir, çünki burada yaxşı bir izolyasiyaya ehtiyacımız var. Əks təqdirdə ittiham itkisi olardı!

Sonra görürsən ki, 4 mm -lik test yuvası montajın "zirzəmisinə" yerləşdirilib. Əsl "yer" bağlantısına ehtiyacım olub -olmayacağından əmin olmadığım üçün bu əlaqəni təmin etdim. Normal şəraitdə o qədər aşağı cərəyanlarla mübarizə aparırıq ki, onsuz da özünəməxsus bir yerə sahibik. Ancaq bəlkə də gələcəkdə ehtiyacımız ola biləcəyi bir sınaq qurğusu olacaq, kim bilir?

Addım 3: Kablolama

İndi düzgün işləməsi üçün hər şeyi elektriklə bağlamalısınız. Pirinç tel və lehimi aşağıdakı hissələrlə birlikdə istifadə edin.

• 4 mm sınaq fişi
• Yer bığları
• Qalxan
• yükləmə kondansatörünün bir teli

Kondansatörün 2-ci telini yükləmə yerinə lehimləyin.

Addım 4: Elektronikanın hazırlanması

Elektron komponentləri mükəmməl bir taxta parçasına yerləşdirmək üçün sxemə əməl edin. Arduino Uno ilə birləşdirmək üçün pin başlıqlarını lövhənin kənarlarına lehimlədim. Dövrə çox sadədir. Toplanan yük kondansatördən götürülür və siqnalı 100 artıran yüksək empedanslı gücləndiriciyə verilir. Siqnal aşağı keçiddən süzülür və sonra arduinonun analoq-rəqəmsal çevirici girişlərinin bir girişinə yönləndirilir. Bir MOSFET, Arduino üçün disk motorunu açmaq/söndürmək üçün istifadə olunur.

Mexanik qurğunun zəmini R1/R2/C1/C2 -nin qovuşduğu elektron dövrə virtual zəminə bağlamaq çox vacibdir! Bu da yük yığan kondansatörün əsasını təşkil edir. Bunu bu fəslin son şəkilində görə bilərsiniz,

Addım 5: Proqram təminatı

Proqram təminatı haqqında çox şey yoxdur. Çox sadə yazılıb. Tətbiq düzgün qurulmaq üçün bəzi əmrləri bilir. Virtual komport sürücülərinə ehtiyacınız olduğu üçün sisteminizdə Arduino IDE quraşdırılıbsa, arduinoya daxil ola bilərsiniz. Arduino və PC/Notebook-a bir USB kabeli bağlayın və HTerm kimi bir terminal proqramından istifadə edərək arduino-nu 9600 baud, heç bir paritet olmayan və girişdə 1 stopbit və CR-LF ilə təqlid edilmiş komport vasitəsilə bağlayın.

• "setdate dd-mm-yy", arduino ilə əlaqəli RTC modulunun tarixini təyin edir
• "settime hh: mm: ss" arduino ilə əlaqəli RTC modulunun vaxtını təyin edir
• "getdate" tarix və saatı çap edir
• "setintervall 10… 3600" 10 saniyədən 1 saata qədər saniyə ərzində nümunə götürmə aralığını təyin edir
• "start", qarşıdakı tam dəqiqəyə sinxronizasiya edildikdən sonra ölçmə sessiyasına başlayır
• "senkronizasiya" eyni şeyi edir, ancaq qarşıdakı tam saatı gözləyir
• "dayandır" ölçmə seansını dayandırır

"Başlat" və ya "sinxronizasiya" aldıqdan və sinxronizasiya işlərini etdikdən sonra tətbiq əvvəlcə sıfır nöqtəsinin və ya qərəzin harada olduğunu görmək üçün nümunə götürür. Sonra mühərriki işə salır və rpm -in sabitləşməsini 8 saniyə gözləyir. Sonra nümunə götürülür. Ümumiyyətlə, səhvlərin qarşısını almaq üçün nümunələri son 10 nümunədə davamlı olaraq ortalayan bir proqram ortalaması alqoritmi var. Əvvəllər alınan sıfır dəyəri indi ölçmədən çıxarılaraq nəticənin ölçmə tarixi və saatı ilə birlikdə komportun üzərinə göndərilir. Ölçmə sessiyasına bir nümunə belə görünür:

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

Beləliklə, ölçülər elektrik axınının məkan istiqamətindən asılı olaraq müsbət filiz mənfi ola bilən rəqəmlərlə ölçülən sıfırdan sapmalar kimi göstərilir. Əlbəttə ki, məlumatları tarix, vaxt və ölçü dəyərləri sütunlarında formatlamağa qərar verməyimin bir səbəbi var. Məşhur "gnuplot" proqramı ilə məlumatları görselleştirmek üçün mükəmməl bir formatdır!

Addım 6: Necə Çalışır

Bayaq dedim ki, bu cihazın iş prinsipi elektrostatik induksiyadır. Bəs necə ətraflı işləyir? Gəlin diskdəki seqmentlərdən biri olacağımızı düşünək. Davamlı olaraq ətrafdakı elektrik sahəsinə məruz qalırıq və sonra yenidən qalxanın qorunması altında axından gizlənirik. Təsəvvür edin ki, əslində kölgədən çıxıb tarlaya girəcəyik. Topraklama bığları ilə əlaqə saxlayardıq. Elektrik sahəsi sərbəst elektronlarımız üzərində hərəkət edər və bu sahənin onları itələyəcəyini söyləyək. Yerli olduğumuz üçün bizdən qaçan və yer üzündə yox olan bir miqdar elektron olacaq.

Torpaq itirmək

İndi, diskin çevrilməsi bir nöqtədə davam edərkən, yer bığları ilə əlaqəni kəsərdik. Artıq bizdən heç bir ödəniş qaça bilməz, amma artıq gedən ittihamların geri qaytarılması da bağlıdır. Beləliklə, elektron çatışmazlığı ilə geridə qaldıq. İstəsək də, istəməsək də, indi haqq alırıq! Və yükümüz elektrik axınının gücü ilə mütənasibdir.

Nə qədər haqqımız var?

Elektrik sahəsinə məruz qaldığımız müddətdə bir neçə elektron itirdik. Nə qədər itirdik? İtirdiyimiz hər bir elektronla yükümüz yüksəldi. Bu yük, aramızda və torpaq arasında yüksələn bir elektrik sahəsi yaradır. Bu sahə induksiyanı yaradan mühitin əksinədir. Beləliklə, elektron itkisi hər iki sahənin bərabər olduğu nöqtəyə qədər davam edir və bir -birini ləğv edir! Torpaqla əlaqəni kəsdikdən sonra hələ də torpaq potensialına malik olan topraklanmış lövhəyə qarşı öz elektrik sahəmiz var. Aralarında elektrik sahəsi olan iki keçirici lövhəyə necə ad verdiyimizi bilirsinizmi? Bu bir kondansatördür! Yüklü kondansatörün bir hissəsiyik.

İndi bir kondansatörük!

Bir kondansatördəki yük və gərginlik arasındakı əlaqəni bilirsinizmi? Sizə deyim ki, U = Q/C -dir, burada U gərginlikdir, Q yükdür və C tutumdur. Bir kondansatörün tutumu, lövhələrinin məsafəsi ilə tərs mütənasibdir! Yəni məsafə nə qədər geniş olarsa, tutum da o qədər aşağı olar. İndi yerə toxunmadan təkəri açmağa davam edərkən nə olur? Torpaq plitəsinə olan məsafəni artırırıq. Bunu edərkən qabiliyyətimiz kəskin şəkildə aşağı düşür. İndi yenidən U = Q/C -yə baxın. Q sabitdirsə və C azalırsa nə olur? Bəli, gərginlik artır! Bu, yalnız mexaniki vasitələrlə gərginliyi gücləndirmək üçün çox ağıllı bir yoldur. Burada əməliyyat gücləndiricisinə, səs -küy süzgəcinə və statistik hesablamaya ehtiyac yoxdur. Siqnalımızı elektronika ilə işləmə işinin cansıxıcı bir iş halına gətirdiyi səviyyəyə qaldıran ağıllı və sadə fizikadır. Bu cihazın bütün ağıllılığı elektrostatik induksiyaya və kondansatör effektinə əsaslanır!

Bunun mənası nədi?

Bəs bu şəkildə nəyi gücləndirdik? İndi daha çox elektronumuz varmı? Yox! Onsuz da daha çox haqqımız varmı? Yox! Artırdığımız şey elektronların ENERJİSidir və bu, daha sadə elektron sxemlərdən və daha az süzgəcdən istifadə etməyimizə imkan verir. İndi traektoriyamızın üstünə çatdıq və nəhayət yük alma enerjili elektronlarımızı alır və yük kollektor kondansatörünə yığır.

Müdaxilə əleyhinə toxunulmazlıq

Videoya baxanda görürsən ki, evimə adi müdaxiləyə baxmayaraq cihazın çıxış siqnalı sabitdir və praktiki olaraq səs -küydən azaddır. Bu necə mümkündür? Düşünürəm ki, çünki siqnal və müdaxilə klassik sahə dəyirmanında olduğu kimi gücləndiriciyə qədər ayrı getmir. Dizaynımda, müdaxilə, yerə olan əlaqə kəsildiyi andan toplanan yükə təsir edir. Bu o deməkdir ki, hər bir nümunə hansısa şəkildə müdaxilədən təsirlənir. Ancaq bu müdaxilənin simmetrik olduğu müddətdə heç bir DC komponenti olmadığından, yükləmə kollektor kondansatöründə müdaxilə nəticəsi həmişə ortalanır. Kifayət qədər disk döndükdən və yük kollektoruna verilən nümunələrdən sonra müdaxilənin ortası sıfırdır. Məncə bu hiylədir!

Addım 7: Test

Bir az sınaqdan, ayıklamadan və təkmilləşdirdikdən sonra tarla dəyirmanını köhnə win-xp notbukumla birlikdə çardağımda quraşdırdım və təxminən bir gün ərzində sınaqdan keçirdim. Nəticələr gnuplot ilə görüntüləndi. Əlavə edilmiş "e-field-data.dat" və "e-field.gp" gnuplot konfiqurasiya faylına baxın. Nəticələri görmək üçün hədəf sisteminizdə gnuplot-a başlayın və "e-field.gp" yükləyin.

Nəticələri göstərən şəkilə baxın. Olduqca diqqətəlayiqdir. Ölçməyə 2018-10-03 tarixlərində gözəl hava və mavi səma düşəndə başladım. Elektrik sahəsinin olduqca güclü və mənfi olduğunu görün, halbuki "neqativ" və "müsbət" olanın nə olduğunu ağlabatan olaraq göstərmədiyimiz üçün diqqətli olmalıyıq. Əsl fizikaya uyğunlaşmaq üçün cihazımızın kalibrlənməsinə ehtiyacımız olacaq. Ancaq hər halda, ölçmə dövrləri ərzində sahənin gücünün aşağı düşdüyünü və hava pisləşməyə başlayaraq buludlu və yağışlı olduğunu görə bilərsiniz. Bu tapıntılar məni birtəhər təəccübləndirdi, amma yenə də bunların fizika ilə əlaqəli olub olmadığını yoxlamaq məcburiyyətindəyəm.

İndi növbə sənindir. Davam edin və öz elektrik sahə dəyirmanınızı düzəldin və öz araşdırmanızda planetimizin sirlərini araşdırın! Əylənin!

Addım 8: Məlumat toplamaq və şərh etmək

İndi hər şey (inşallah) yaxşı işlədiyi üçün bəzi məlumatlar toplamalısınız. Sahə dəyirmanı üçün sabit bir yer istifadə etməyi məsləhət görürəm. Əks halda məlumatları müqayisə etmək çətin olardı. Yerli sahə parametrləri yerdən yerə çox dəyişə bilər. Mən dəyirmanı hər saatda bir ölçmə dəyəri alacağını konfiqurasiya etdim. Təxminən 3 ay fabrikin işləməsinə icazə verdim. 2018 -ci ilin Noyabr, 2018 -ci ilin Dekabr və 2019 -cu ilin Yanvar ayına aid məlumatları təqdim edən qrafiklərə nəzər salsanız, diqqətəlayiq tapıntılar görürsünüz.

Əvvəlcə noyabr ayındakı sahə gücünün ayın sonuna qədər yalnız müsbətə çevrildiyini görə bilərsiniz. Deməli, hava şəraitinə görə ümumi bir şey dəyişmiş olmalıdır. Bəlkə də ağlabatan bir temperatur düşməsi oldu. Ölçmə dövrünün sonuna qədər orta siqnal mənfi olaraq qaldı. İkinci şey, siqnal qrafikində yalnız bir neçə dəqiqə davam edən sürətli sahə dəyişikliklərini göstərən bir neçə sıçrayışın olmasıdır. Atmosferdəki dəyişikliklərin buna səbəb olduğunu düşünmürəm. Yerli hava belə böyük miqdarda qaz və tərkibinə daxil olan ionlardan ibarətdir. Həm də buludlar, yağış və ya qar bir neçə dəqiqə ərzində dəyişmir. Düşünürəm ki, bu qəfil dəyişikliklərə insan təsiri səbəb ola bilər. Ancaq bunu izah etmək də çətindir. Bütün elektrik xətləri yalnız ac-gərginlik verir. Bu, müşahidə etdiyim dc dəyişiklikləri nəzərə almır. Mənzilimin qarşısındakı küçənin asfaltından keçən avtomobillərin elektrik yükləmə prosesləri ola biləcəyindən şübhələnirəm. Küləklə daşınan toz və evimin üzü ilə təmasda olmağın səbəb olduğu şarj prosesləri də düşünülə bilər.