Электрондық өріс диірмені: 8 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:25

Менің сенсорды өлшеудің кез келген түріне тәуелді екенімді білетін шығарсыз. Мен әрқашан жердің магнит өрісінің ауытқуларын қадағалауды қалайтынмын, сонымен қатар бұлт пен жер бетінің арасында жүретін зарядты бөлу процестерімен қамтамасыз етілетін жердің электрлік өрісін өлшеу мені қызықтырды. Ашық аспан, жаңбыр немесе найзағай сияқты оқиғалар бізді қоршап тұрған электр өрісіне әсер етеді және жаңа ғылыми жаңалықтар біздің денсаулығымыз қоршаған электр өрістеріне байланысты екенін көрсетеді.

Міне, сондықтан мен өзімді статикалық электр өрістері үшін қолайлы өлшеу құралына айналдырғым келді. Электр өрісінің диірмені деп аталатын өте жақсы дизайн бар, ол кеңінен қолданылады. Бұл құрылғы электростатикалық индукция деп аталатын әсерді пайдаланады. Бұл әрқашан өткізгіш материалды электр өрісіне шығарғанда болады. Өріс материалдағы бос электрондарды тартады немесе тартады. Егер ол жерге қосылған болса (жер потенциалы) заряд тасымалдаушылар материалдың ішіне немесе сыртына ағып жатыр. Жерді ажыратқаннан кейін, электр өрісі жоғалса да, материалда заряд қалады. Бұл зарядты вольтметрмен өлшеуге болады. Бұл статикалық электр өрістерін өлшеу принципі.

Бірнеше жыл бұрын мен интернеттен табылған жоспарлар мен схемаларға сәйкес егістік диірменін салдым. Негізінен ол қандай да бір винті бар ротордан тұрады. Винт - бұл жерге тұйықталған металл сегменттерінің егіз жиынтығы. Ротор электрмен жабылған және ротормен ашылмаған индукциялық плиталар жиынтығын айналдырады. Олар ашылған сайын қоршаған ортаның электростатикалық индукциясы заряд тасымалдаушылардың ағынын тудырады. Ротор индукциялық плиталарды қайта жабатын кезде бұл ағын кері болады. Сіз алатын нәрсе - бұл амплитудасы өлшенетін өрістің кернеулігін білдіретін синусоидальды азды -көпті ауыспалы ток. Бұл бірінші кемшілік. Сіз өрістің кернеуін көрсететін статикалық кернеуді алмайсыз, бірақ алдымен түзетілуі керек ауыспалы сигналдың амплитудасын алуыңыз керек. Екінші мәселе одан да жалықтырады. Дала диірмені бұзылмайтын ортада өте жақсы жұмыс істейді -айдың қараңғы жағында сіз электр желісінен және біздің қоршаған ортаға еніп жатқан мол электр тұманынан алыс кезде айтамыз. Әсіресе 50 Гц немесе 60 Гц электр желісінің кернеуі қажетті сигналға тікелей кедергі жасайды. Бұл мәселені шешу үшін далалық диірмен 90 ° фазалық ығысуы бар сигналды қабылдайтын басқа күшейткіші бар индукциялық плиталардың екінші жиынтығын қолданады. Қосымша жұмыс күшейткішінде екі сигнал да бір -бірінен алынады. Олар фазадан тыс болғандықтан, қалаған сигналдың қалған бөлігі қалады және екі сигналда тең болатын кедергі теориялық түрде жойылады. Бұл қаншалықты жақсы жұмыс істейтіні екі өлшеу тізбегіндегі кедергілердің теңдігіне, күшейткіштің CMRR -не және күшейткіштің шамадан тыс жүктеліп кетпеуіне байланысты. Жағдайды одан да ыңғайсыз ететін нәрсе - сіз кедергілерден құтылу үшін аппараттық құралдардың көлемін шамамен екі есе арттырдыңыз.

Өткен жылы мен бұл мәселені жеке дизайнмен шешуді ойладым. Бұл механикамен жұмыс, бірақ электроникаға қатысты қарапайым жұмыс. Әдеттегідей, бұл толық құрылғыны кезең -кезеңмен қайталау емес. Мен сізге дизайнның жұмыс принциптерін көрсетемін, сіз оны әр түрлі етіп өзгерте аласыз және оны өз қажеттіліктеріңізге бейімдей аласыз. Сізге оны қалай салу керектігін көрсеткеннен кейін, мен оның қалай жұмыс істейтінін түсіндіремін және сізге алғашқы өлшеулерімнің нәтижесін көрсетемін.

Мен бұл құрылғы туралы идеяны алған кезде мен сүйектерді мақтан тұттым, бірақ мен білемін, тәкаппарлық құлдыраудың алдында. Иә, бұл менің жеке ойым еді. Мен оны өз бетімше дамыттым. Бірақ менің алдымда әдеттегідей біреу болды. Конденсатор әсерін қолдану арқылы индукция мен күшейту арқылы зарядтарды бөлу соңғы 150 жыл ішінде электростатикалық генераторлардың барлық конструкцияларында қолданылды. Мен әлсіз электростатикалық өрістерді өлшеу үшін осы тұжырымдамаларды қолдану туралы бірінші болып ойлағаныма қарамастан, менің дизайнымда ерекше ештеңе жоқ. Мен әлі де бір күні әйгілі боламын деп үміттенемін.

1 -қадам: материалдар мен құралдардың тізімі

Төмендегі тізім сізге қандай материалдарды қажет ететінін көрсетеді. Сіз оларды қалағаныңызша өзгерте аласыз.

• 4 мм фанера парақтары
• 10x10 мм ағаш арқалықтар
• 8 мм алюминий құбыр
• 6 мм алюминий штанга
• 8 мм плексиглас штангасы
• 120x160 мм бір жақты мыс жалатылған ПХД
• жез немесе мыс сым 0,2 мм
• 0,2 мм мыс қаңылтырдың бір бөлігі
• дәнекерлеу
• желім
• 3 мм бұрандалар мен гайкалар
• 4 мм сынақ розеткасы
• өткізгіш резеңке түтік (ішкі диаметрі 2 мм) мен амазонкадан алдым
• Схемаға сәйкес электронды бөлшектер (жүктеу бөлімі)
• Зарядтар үшін коллектор ретінде 68nF стирофлекс конденсаторы. Сіз бұл мәнді кең түрде өзгерте аласыз.
• 6 вольтты тұрақты токқа арналған капстандық қозғалтқыш. Бұл әсіресе диск ойнатқыштар мен магнитофондарға арналған қозғалтқыштар. Олардың айналу жиілігі реттеледі! Сіз оларды Ebay -де таба аласыз.
• 6В/1А қуат көзі.

Бұл сізге қажет құралдар

• Пісіру темірі
• Компьютерде/ноутбукта Arduino әзірлеу ортасы
• USB-A-B кабелі
• файл немесе одан да жақсы токарь
• электр бұрғы
• кішкене шаңды аралар немесе қолмен аралау
• пинцет
• сым кескіш

2 -қадам: механика жасау

Бірінші суретте сіз барлық дизайн 210 мм х 140 мм фанера парағына негізделгенін көре аласыз. Олар бір -бірінің үстіне орнатылған, оларды 4 мм ағаш арқалықтар қосады, бұл оларды 50 мм қашықтықта ұстайды. Екі парақтың арасында қозғалтқыш пен сымдар бар. Қозғалтқыш фанераның үстіңгі тақтасы арқылы бұрғыланған 3 мм екі тесікке бекітілген екі М3 бұрандамен бекітілген. ПХД материалының парағы қоршаған электр өрісіне қарсы қалқан ретінде жұмыс істейді. Ол фанераның жоғарғы парағынан 85 мм биіктікте орнатылған және оның ішкі жиегі қозғалтқыш білігіне жақын орналасқан.

Бұл құрылғының негізгі компоненті - бұл диск. Ол диаметрі 110 мм және бір жақты мыс қапталған ПХД материалынан жасалған. Мен ПХД дөңгелек дискісін кесу үшін диірмен қолдандым. Мен мыс жабындысын электр оқшауланған төрт сегментке кесу үшін диірмен де қолдандым. Дискінің ортасында қозғалтқыш білігі өтетін сақинаны кесу өте маңызды. Әйтпесе, ол сегменттерді электрлік жерге қосады! Мен токарлық станокта 6 мм алюминий штанганың кішкене бөлігін түбінде 3 мм саңылау алатындай етіп кесіп алдым, оның ішінде екі тіктөртбұрышты 2, 5 мм саңылаулары бар, М3 жіптері кесілген. Екінші ұшын 3 мм кіші білікке дейін қысқарттым. дискінің ортаңғы саңылауына орнатыңыз. Содан кейін адаптер дискінің төменгі жағына супер желімделген. Содан кейін диск жинағын қозғалтқыш білігіне бұрап алуға болады.

Содан кейін сіз басқа маңызды компонентті көресіз. Дискідегі өлшемі сегменті 0,2 мм мыс қаңылтырдан жасалған Бұл сегмент фанердің екі парағына бекітілген. Диск орнатылған кезде бұл сегмент айналмалы дискінің астында өте тар болады. арақашықтық шамамен 1 мм. Бұл қашықтықты мүмкіндігінше аз ұстау маңызды!

Келесі маңызды нәрселер-жердің мұрты мен зарядты алу. Екеуі де алюминий түтіктен және барлығын біріктіру үшін жіптері кесілген өзектерден жасалған. Мұнда сіз өзіңізге ұнайтын кез келген түрді жасай аласыз. Сізге тек дискінің үстінен өтетін нәрсе қажет. Мұрт үшін мен көптеген материалдарды сынап көрдім. Олардың көпшілігі біраз уақыттан кейін диск сегменттеріне зақым келтірді. Ақырында мен электростатикалық құрылғылар туралы кітаптан анықтама таптым. Өткізгіш резеңке түтікті қолданыңыз! Бұл мыс қаптамасына зақым келтірмейді, тозады және тозады …

Ұнтақ мұртшасы жерге тақтаны аша бастаған кезде дискінің негізгі сегментімен байланысын жоғалтатындай етіп орналастырылады. Зарядты алу жер тақтайшасынан максималды қашықтықта болғанда сегментті ортасына алатындай етіп орналастырылады. Зарядтың алынуы плексигласс шыбыққа орнатылғанын қараңыз. Бұл өте маңызды, өйткені мұнда жақсы оқшаулау қажет. Әйтпесе, айыппұл жоғалтады!

Содан кейін 4мм сынақ розеткасы құрастырудың «жертөлесіне» қойылғанын көресіз. Мен бұл қосылымды бердім, себебі маған нақты «жердегі» байланыс қажет пе, жоқ па екеніне сенімді емес едім. Қалыпты жағдайда біз төмен токтармен күресіп жатырмыз, сонда да бізде негізі бар. Бірақ болашақта бізге қажет болуы мүмкін сынақ қондырмасы болатын шығар, кім біледі?

3 -қадам: сым

Енді сіз бәрін дұрыс жұмыс істеуі үшін электрлік түрде қосуыңыз керек. Жезден жасалған сым мен дәнекерлеуді келесі бөліктермен бірге қолданыңыз.

• 4 мм сынақ штепсель
• Жер мұрты
• Қорғаныс
• заряд жинайтын конденсатордың бір сымы

Конденсатордың 2-ші сымын зарядтау үшін дәнекерлеңіз.

4 -қадам: электроника жасау

Электрондық компоненттерді тақтаның бір бөлігіне орналастыру үшін схеманы орындаңыз. Мен Arduino Uno -мен байланыстыру үшін тақтаның шетіне түйреуіштерді дәнекерледім. Схема өте қарапайым. Жиналған заряд конденсатордан қабылданады және сигналды 100-ге арттыратын жоғары импеданс күшейткішке беріледі. Сигнал төмен өткізгіштен сүзіледі, содан кейін arduino-ның аналогты-цифрлық түрлендіргіш кірістерінің бір кірісіне жіберіледі. MOSFET Arduino дискілік қозғалтқышты қосу/өшіру үшін қолданылады.

Механикалық қондырғының жерін R1/R2/C1/C2 сәйкес келетін электронды тізбектің виртуалды жерге қосу өте маңызды! Бұл сонымен қатар заряд жинайтын конденсатордың негізі. Сіз оны осы тараудың соңғы суретінен көре аласыз,

5 -қадам: Бағдарламалық қамтамасыз ету

Бағдарламалық жасақтама туралы көп нәрсе айтуға болмайды. Бұл өте қарапайым жазылған. Қолданба дұрыс конфигурациялау үшін кейбір командаларды біледі. Егер сізде жүйеде Arduino IDE орнатылған болса, сіз arduino -ға кіре аласыз, себебі сізге виртуалды компорт драйверлері қажет. Содан кейін arduino мен компьютерге/ноутбукке USB кабелін жалғап, HTerm сияқты терминалды бағдарламаны қолданыңыз, 9600 радиусы бар эмуляцияланған компорт арқылы ардуиноны қосу үшін, паритеті жоқ және 1 stopbit және CR-LF.

• «setdate dd-mm-yy» arduino қосылған RTC-модулінің күнін орнатады
• «settime hh: mm: ss» ардуиноға қосылған RTC-модулінің уақытын орнатады
• «getdate» күні мен уақытын басып шығарады
• «setintervall 10… 3600» 10 секундтан 1 сағ дейін секунд ішінде іріктеу аралығын орнатады
• «бастау» алдағы толық минутқа синхрондаудан кейін өлшеу сеансын бастайды
• «синхрондау» дәл осылай жасайды, бірақ алдағы толық сағатты күтеді
• «тоқтату» өлшеу сеансын тоқтатады

«Бастау» немесе «синхрондауды» алғаннан кейін және синхрондауды орындағаннан кейін, бағдарлама алдымен нөлдік нүктенің немесе қисықтықтың қай жерде екенін көру үшін үлгі алады. Содан кейін ол қозғалтқышты іске қосады және айналымның тұрақтылығын 8 секунд күтеді. Содан кейін үлгі алынады. Әдетте, қателерді болдырмау үшін соңғы 10 үлгідегі үлгілерді үздіксіз орташа алатын бағдарламалық қамтамасыз етудің алгоритмі бар. Бұрын қабылданған нөлдік мән енді өлшеу нәтижесінен алынады және нәтиже өлшеу күні мен уақытымен бірге компортқа жіберіледі. Өлшеу сеансының мысалы келесідей:

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

Осылайша, өлшеулер электр ағынының кеңістіктік бағытына байланысты оң руда теріс болуы мүмкін цифрмен өлшенетін нөлден ауытқу түрінде көрсетіледі. Әрине, деректерді күн, уақыт және өлшеу бағандары бойынша пішімдеуге шешім қабылдағанымның себебі бар. Бұл әйгілі «gnuplot» бағдарламасымен деректерді визуализациялаудың тамаша форматы!

6 -қадам: Бұл қалай жұмыс істейді

Мен сізге бұл құрылғының жұмыс принципі электростатикалық индукция екенін айттым. Сонымен, ол қалай егжей -тегжейлі жұмыс істейді? Бір сәтте біз дискідегі сегменттердің бірі боламыз деп ойлайық. Біз тұрақты жылдамдықпен айналамыз, қоршаған ортаның электр өрісіне үнемі әсер етіп, содан кейін қалқанның қорғанышындағы ағыннан қайтадан жасырамыз. Біз көлеңкеден далаға шығамыз деп елестетіңіз. Біз жерге тұсқағазбен байланысатын едік. Электр өрісі біздің бос электрондарымызға әсер етеді және өріс оларды кері қайтарады деп айтуға мүмкіндік береді. Біз негізді болғандықтан, бізден қашып кететін және жер бетінде жоғалып бара жатқан электрондардың саны көп болар еді.

Жерді жоғалту

Енді, дискінің айналуы бір сәтте жалғасатын болса, біз жер мұртшасымен байланысын үзетін едік. Енді бізден ешқандай ақы қашып құтыла алмайды, бірақ өтелген айыптардың қайтар жолы да жабық. Сондықтан біз электрондардың жетіспеушілігінен қалып отырмыз. Егер бізге ұнаса немесе ұнамаса, бізден қазір ақы алынады! Ал біздің заряд электр ағынының беріктігіне пропорционалды.

Бізде қанша төлем бар?

Біз электр өрісінің әсеріне ұшыраған уақыт ішінде бірнеше электронды жоғалттық. Біз қанша жоғалттық? Біз жоғалтқан электрондардың әрқайсысында заряд жоғарылайды. Бұл заряд біз бен жердің арасында өздігінен көтерілетін электр өрісін тудырады. Бұл өріс индукцияны тудыратын қоршаған ортаға қарама -қарсы. Сонымен, электрондардың жоғалуы екі өріс тең болғанға дейін жалғасады және бір -бірінен бас тартады! Жермен байланысын жоғалтқаннан кейін, бізде әлі де жер әлеуеті бар жерге қосылған пластинаның қарсы өз электр өрісі бар. Арасында электр өрісі бар екі өткізгіш пластинаны қалай атайтынымызды білесіз бе? Бұл конденсатор! Біз зарядталған конденсатордың бір бөлшегіміз.

Біз қазір конденсатормыз!

Сіз конденсатордағы заряд пен кернеудің арасындағы байланысты білесіз бе? Сізге айтайын, бұл U = Q/C, онда U - кернеу, Q - заряд және С сыйымдылығы. Конденсатордың сыйымдылығы оның пластиналарының арақашықтығына кері пропорционал! Яғни, қашықтық неғұрлым кең болса, сыйымдылық соғұрлым төмен болады. Енді жерге тимей дөңгелекті қосуды жалғастыра берсек не болады? Біз жер тақтасына дейінгі қашықтықты арттырамыз. Біз мұны істеп жатқанда, біздің мүмкіндіктеріміз күрт төмендейді. Енді қайтадан U = Q/C қараңыз. Егер Q тұрақты және С төмендеп бара жатса, не болады? Иә, кернеу жоғарылайды! Бұл механикалық құралдарды қолдану арқылы кернеуді күшейтудің өте ақылды әдісі. Мұнда сізге операциялық күшейткіш, шуды сүзу және статистикалық есептеу қажет емес. Бұл ақылды және қарапайым физика, бұл біздің сигналды электроникамен өңдеу жалықтыратын тапсырмаларға айналатын деңгейге дейін көтереді. Бұл құрылғының барлық ақылдылығы электростатикалық индукция мен конденсатор әсеріне сүйенеді!

Ол нені білдіреді?

Бірақ біз дәл осылай нені арттырдық? Бізде қазір электрондар көп пе? Жоқ! Бізде бәрібір қосымша ақы бар ма? Жоқ! Біз күшейткен нәрсе - бұл электрондардың ЭНЕРГИЯСЫ, бұл бізге қарапайым электронды схемаларды қолдануға және аз сүзуге мүмкіндік береді. Енді біз өз траекториямыздың афеліне жеттік, ақырында зарядты алу біздің электрондарды алып, оларды заряд жинағыш конденсаторына жинайды.

Кедергіге қарсы иммунитет

Бейнеге қараған кезде, менің үйдегі әдеттегі араласуға қарамастан, құрылғының шығыс сигналы тұрақты және іс жүзінде шуылсыз екенін көресіз. Бұл қалай мүмкін? Менің ойымша, бұл сигнал мен кедергі классикалық өріс диірменіндегідей күшейткішке дейін бөлек жүрмейді. Менің конструкциямда кедергілер жерге қосылу жоғалған сәттен бастап жиналған зарядқа әсер етеді. Бұл әр үлгіге қандай да бір кедергі әсер ететінін білдіреді. Бірақ бұл кедергі симметриялы болғанша тұрақты ток компоненті болмағандықтан, кедергі нәтижесі әрқашан заряд жинағыш конденсаторында орташа болады. Заряд жинағышта жеткілікті диск бұрылыстары мен үлгілерден кейін интерференцияның орташа мәні нөлге тең болады. Менің ойымша, бұл трюк!

7 -қадам: тестілеу

Бірнеше тестілеуден кейін, отладтау мен жетілдіруден кейін мен фабриканы ескі win-xp ноутбугыммен бірге шатырыма орнаттым және шамамен бір тәулік бойы тест жүргіздім. Нәтижелер gnuplot көмегімен визуализацияланды. Қосылған «e-field-data.dat» деректер файлын және «e-field.gp» gnuplot конфигурация файлын қараңыз. Нәтижелерді көру үшін gnuplot бағдарламасын мақсатты жүйеде іске қосыңыз және «e-field.gp» жүктеу жолына теріңіз.

Нәтижелерді көрсететін суретті қараңыз. Бұл өте керемет. Мен өлшеуді 2018-10-03 күндері ауа райы жақсы және көк аспан болғанда бастадым. Қараңызшы, электр өрісі өте күшті және теріс болды, бірақ біз «теріс» және «оң» нені көрсетуге болмайтынын ескеруіміз керек. Нағыз физикаға сәйкес келу үшін бізге құрылғыны калибрлеу қажет болады. Қалай болғанда да, сіз өлшеу циклінде өрістің күші ауа -райының нашарлауымен бірге бұлтты және жаңбырлы бола бастағанын көре аласыз. Мен бұл нәтижелерге таң қалдым, бірақ олардың физикаға қатысы бар -жоғын әлі де тексеруім керек.

Енді сіздің кезегіңіз. Жалғастырыңыз және өзіңіздің электр өріс диірменін жасаңыз және өз ізденісіңізбен біздің планетамыздың құпияларын зерттеңіз! Масайрау!

8 -қадам: Деректерді жинау және түсіндіру

Енді бәрі жақсы деп үміттенемін, сіз кейбір деректерді жинауыңыз керек. Мен егістік диірмені үшін бекітілген орынды пайдалануды ұсынамын. Әйтпесе, деректерді салыстыру қиын болар еді. Жергілікті өріс параметрлері әр жерден әр түрлі болуы мүмкін. Мен диірменді әр сағат сайын бір өлшеу мәнін алатын етіп конфигурацияладым. Мен диірменге 3 айға жуық жұмыс істеуге рұқсат бердім. Егер сіз 2018 жылдың қарашасы, 2018 жылдың желтоқсан айы мен 2019 жылдың қаңтары айы бойынша жинақталған деректерді ұсынатын графиктерге қарасаңыз, сіз керемет жаңалықтарды көресіз.

Алдымен сіз қарашадағы өрістің күші айдың соңына қарай тек оңға айналғанын көре аласыз. Ауа райына байланысты жалпы нәрсе өзгерген болуы керек. Мүмкін температураның төмендеуі мүмкін. Содан кейін орташа сигнал өлшеу циклінің соңына дейін теріс болып қалады. Екінші нәрсе, сигналдар графигінде бірнеше минутқа созылатын өрістің жылдам өзгеруін көрсететін бірнеше шыңдар бар. Бұған атмосфераның өзгеруі жауап бермейді деп ойлаймын. Тіпті жергілікті ауа -райында көптеген газдар мен иондар бар. Бұлт, жаңбыр немесе қар әдетте бірнеше минут ішінде өзгермейді. Менің ойымша, бұл кенеттен өзгерістерге техногендік әсер себеп болуы мүмкін. Бірақ мұны түсіндіру де қиын. Электр желісінің барлық көздері тек кернеуді қамтамасыз етеді. Бұл мен байқаған тұрақты өзгерістерді есептемейді. Менің пәтерімнің алдындағы көше асфальтында өтіп бара жатқан көліктердің электр зарядтау процестері болған шығар деп ойлаймын. Желдің шаңнан және үйімнің бетімен жанасуынан болатын зарядтау процестері де мүмкін.