E-Tarla Değirmeni: 8 Adım (Resimli)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:19

Her türlü sensör ölçüm uygulamasına bağımlı olduğumu zaten biliyor olabilirsiniz. Her zaman dünyanın manyetik alanındaki dalgalanmaların izini sürmek istemişimdir ve ayrıca bulutlar ve dünyanın yüzeyi arasında meydana gelen yük ayırma süreçleri tarafından korunan dünyanın çevredeki elektrik alanını ölçmek beni büyüledi. Açık gökyüzü, yağmur veya fırtına gibi olayların tümü, bizi çevreleyen elektrik alanı üzerinde dramatik bir etkiye sahiptir ve yeni bilimsel bulgular, sağlığımızın büyük ölçüde çevredeki elektrik alanlarına bağlı olduğunu bize göstermektedir.

İşte bu yüzden kendime statik elektrik alanları için uygun bir ölçüm cihazı yapmak istedim. Halihazırda, yaygın olarak kullanılan elektrik alan değirmeni olarak da adlandırılan oldukça iyi bir tasarım mevcut. Bu cihaz Elektrostatik İndüksiyon adı verilen bir efekt kullanır. Bu, iletken bir malzemeyi bir elektrik alanına maruz bıraktığınızda her zaman olur. Alan, malzemedeki serbest elektronları çeker veya iter. Toprağa bağlıysa (toprak potansiyeli) yük taşıyıcılar malzemenin içine veya dışına akar. Toprak bağlantısının kesilmesinden sonra, elektrik alanı kaybolsa bile malzeme üzerinde bir yük kalır. Bu yük bir voltmetre ile ölçülebilir. Bu çok kabaca statik elektrik alanlarını ölçme ilkesidir.

Birkaç yıl önce internette bulduğum plan ve şemalara göre bir tarla değirmeni kurdum. Prensip olarak üzerinde bir çeşit pervane bulunan bir rotordan oluşur. Pervane, topraklanmış metal parçalardan oluşan ikiz bir settir. Rotor, elektriksel olarak örtülen ve rotor tarafından ortaya çıkarılan bir dizi indüksiyon plakası etrafında döner. Ortamdaki elektrik alanının elektrostatik indüksiyonu her açığa çıktıklarında bir yük taşıyıcı akışına neden olur. Rotor endüksiyon plakalarını tekrar kapladığında bu akış tersine çevrilir. Elde ettiğiniz şey, genliği ölçülen alanın gücünün bir temsili olan alternatif bir az ya da çok sinüzoidal akımdır. Bu ilk kusur. Alan gücünü gösteren statik bir voltaj alamazsınız, ancak önce düzeltilmesi gereken alternatif bir sinyalin genliğini almanız gerekir. İkinci konu daha da sıkıcı. Tarla değirmeni, rahatsız edilmeyen bir ortamda oldukça iyi çalışır - diyelim ki, elektrik hattı uğultusundan ve bulunduğumuz her yerde çevremize nüfuz eden tüm bu bol elektrik sisinden uzakta olduğunuzda ayın karanlık tarafında. Özellikle 50Hz veya 60Hz güç hattı uğultusu, istenen sinyale doğrudan müdahale eder. Bu sorunu çözmek için saha değirmeni, aynı sinyali 90° faz kaymasıyla alan başka bir amplifikatöre sahip ikinci bir endüksiyon plakası seti kullanır. Ek bir işlemsel yükselticide her iki sinyal de birbirinden çıkarılır. Faz dışı oldukları için istenen sinyalin geri kalanı kalır ve her iki sinyalde eşit olan girişim teorik olarak iptal edilir. Bunun ne kadar iyi çalıştığı, her iki ölçüm devresindeki girişimin eşitliğine, amplifikatörün CMRR'sine ve amplifikatörün aşırı yüklenip yüklenmeyeceği sorusuna bağlıdır. Durumu daha da rahatsız eden şey, parazitten kurtulmak için donanım miktarını kabaca ikiye katlamış olmanızdır.

Geçen yıl bu sorunu kendi tasarımımla aşmak için bir fikrim vardı. Mekanik üzerinde biraz daha fazla çalışma var ama elektronik söz konusu olduğunda basit. Her zaman olduğu gibi, bu, eksiksiz bir cihazın adım adım çoğaltılması ayrıntılı bir adım değildir. Size tasarımımdaki çalışma prensiplerini göstereceğim ve siz onu farklı şekillerde değiştirebilir ve kendi ihtiyaçlarınıza göre uyarlayabilirsiniz. Size nasıl yapıldığını gösterdikten sonra nasıl çalıştığını açıklayacağım ve ilk ölçümlerimin sonucunu size göstereceğim.

Bu cihaz için fikrimi aldığımda kemiklerime kadar gurur duydum ama bildiğiniz gibi kibir her türlü çöküşün önüne geçiyor. Evet, kendi fikrimdi. Kendi başıma geliştirdim. Ama her zamanki gibi önümde biri vardı. Yüklerin indüksiyon ve amplifikasyon yoluyla kapasitör etkisi kullanılarak ayrılması, son 150 yılda neredeyse her elektrostatik jeneratör tasarımında kullanılmıştır. Bu konseptleri zayıf elektrostatik alanları ölçmek için uygulamayı ilk düşünen ben olmama rağmen tasarımımda özel bir şey yok. Hala bir gün ünlü olacağımı umuyorum.

Adım 1: Malzeme ve Araç Listesi

Aşağıdaki liste kabaca hangi malzemelere ihtiyacınız olacağını gösterir. Bunları istediğiniz kadar değiştirebilir ve uyarlayabilirsiniz.

• 4 mm kontrplak levhalar
• ahşap kirişler 10x10mm
• 8 mm alüminyum boru
• 6 mm alüminyum çubuk
• 8 mm pleksiglas çubuk
• 120x160mm tek tarafı bakır kaplı PCB
• pirinç veya bakır tel 0.2mm
• bir parça 0.2 mm bakır levha
• lehim
• zamk
• 3 mm vidalar ve somunlar
• 4 mm'lik bir test soketi
• iletken kauçuk boru (İç çap 2mm) Amazon'dan benimkini aldım
• Şemaya göre elektronik parçalar(indirme bölümü)
• Yükler için bir toplayıcı olarak bir 68nF styroflex kapasitör. Bu değeri geniş bir şekilde değiştirebilirsiniz.
• 6V DC için bir ırgat motoru. Bunlar, özellikle disk oynatıcılar ve teyp kaydediciler için tasarlanmış motorlardır. Devirleri düzenlenir! Onları hala Ebay'de bulabilirsiniz.
• 6V/1A güç kaynağı.

Bunlar ihtiyacınız olan araçlar

• Havya
• PC/Dizüstü bilgisayarınızda Arduino geliştirme ortamı
• USB-A'dan B'ye kablo
• dosya veya daha iyisi bir torna tezgahı
• elektrikli matkap
• küçük buzz testere veya el testeresi
• cımbız
• Tel makası

Adım 2: Mekaniği Yapmak

İlk resimde, tasarımın tamamının 210mm x 140mm boyutlarında iki tabaka kontrplak üzerine kurulduğunu görebilirsiniz. Birbirlerinin üzerine monte edilirler ve aralarında 50 mm mesafe tutan 4 adet ahşap kiriş ile bağlanırlar. Her iki levha arasında motor ve kablolama bulunur. Motor, üst kontrplak levhadan delinmiş iki adet 3mm deliğe oturan iki adet M3 vida ile monte edilmiştir. Bir PCB malzemesi tabakası, ortamdaki elektrik alanına karşı bir kalkan görevi görmektedir. Üst kontrplak levhanın 85 mm üzerine monte edilir ve iç kenarı motor milinin hemen yanında biter.

Bu aygıtın temel bileşeni bir disktir. 110 mm çapında olup, tek yüzü bakır kaplı PCB malzemeden üretilmiştir. PCB'nin yuvarlak bir diskini kesmek için bir değirmen kullandım. Ayrıca bakır kaplamayı elektriksel olarak yalıtılmış dört parçaya kesmek için bir değirmen kullandım. Ayrıca diskin ortasından motor milinin geçeceği bir halka kesmek de çok önemlidir. Aksi takdirde segmentleri elektriksel olarak topraklayacaktır! Torna tezgahımda 6 mm'lik küçük bir alüminyum çubuk parçası, altta 3 mm'lik bir delik alacak şekilde, M3 dişlere sahip iki adet dikdörtgen 2, 5 mm'lik delik alacak şekilde kestim. diskin orta deliğine yerleştirin. Adaptör daha sonra diskin altına süper yapıştırıldı. Disk düzeneği daha sonra motor miline vidalanabilir.

Sonra başka bir önemli bileşen görürsünüz. 0,2mm bakır sacdan disk üzerindekilerin boyutunda bir segment Bu segment iki adet plywood üzerine monte edilir. Disk monte edildiğinde bu segment dönen diskin çok dar altındadır. mesafe sadece yaklaşık 1 mm'dir. Bu mesafeyi mümkün olduğunca küçük tutmak önemlidir!

Bir sonraki önemli şeyler, yer bıyığı ve şarj almadır. Her ikisi de alüminyum borudan ve hepsini birbirine monte etmek için dişleri kesilmiş çubuklardan yapılmıştır. Burada istediğiniz çeşitlemeyi yapabilirsiniz. Sadece diskin yüzeyinde çalışan iletken bir şeye ihtiyacınız var. Bıyık için çok malzeme denedim. Çoğu bir süre sonra disk segmentlerine zarar veriyordu. Sonunda bir kitapta elektrostatik cihazlarla ilgili bir ipucu buldum. İletken kauçuk boru kullanın! Bakır kaplamaya zarar vermez ve yıpranır…

Zemin bıyığı, zemin plakasını ortaya çıkarmaya başladığında alttaki disk segmentiyle temasını kaybedecek şekilde bir konuma yerleştirilir. Şarj alıcısı, zemin plakasından maksimum uzaklıktayken ortadaki segmenti alacak şekilde yerleştirilmiştir. Yük alıcının bir parça pleksiglas çubuğa monte edildiğini görün. Bu önemli çünkü burada iyi bir yalıtıma ihtiyacımız var. Aksi takdirde ücret kaybımız olur!

Ardından, 4 mm'lik test soketinin montajın "bodrumuna" yerleştirildiğini görüyorsunuz. Bu bağlantıyı sağladım çünkü gerçek bir "toprak" bağlantısına ihtiyacım olup olmayacağından emin değildim. Normal şartlar altında o kadar düşük akımlarla uğraşıyoruz ki, zaten içsel bir topraklamamız var. Ama belki ileride ihtiyaç duyabileceğimiz bir test kurulumu olur, kim bilir?

Adım 3: Kablolama

Şimdi düzgün çalışması için her şeyi elektriksel olarak birbirine bağlamanız gerekiyor. Pirinç teli kullanın ve aşağıdaki parçaları birlikte lehimleyin.

• 4 mm test fişi
• yer bıyığı
• Kalkan
• şarj toplama kondansatörünün bir teli

Kondansatörün 2. kablosunu şarj alıcısına lehimleyin.

Adım 4: Elektroniği Yapmak

Elektronik bileşenleri bir perfboard parçasına yerleştirmek için şemayı izleyin. Arduino Uno ile bağlamak için pin başlıklarını kartın kenarlarına lehimledim. Devre çok basit. Toplanan yük kapasitörden alınır ve sinyali 100 artıran yüksek empedanslı bir amplifikatöre beslenir. Sinyal düşük geçişli filtrelenir ve ardından arduino'nun analogdan dijitale dönüştürücü girişlerinin bir girişine yönlendirilir. Arduino'nun disk motorunu açıp kapaması için bir MOSFET kullanılır.

Mekanik aksamın topraklamasının, R1/R2/C1/C2'nin buluştuğu elektronik devrenin sanal toprağına bağlanması çok önemlidir! Bu aynı zamanda yük toplama kondansatörünün zeminidir. Bunu bu bölümdeki son resimde görebilirsiniz,

Adım 5: Yazılım

Yazılım hakkında söylenecek fazla bir şey yok. Çok net yazılmış. Uygulama, düzgün bir şekilde yapılandırılması için bazı komutları bilir. Sisteminizde Arduino IDE kurulu ise arduinoya erişebilirsiniz çünkü sanal comport sürücülerine ihtiyacınız vardır. Ardından, arduino'ya ve PC/Dizüstü bilgisayarınıza bir USB kablosu takın ve arduino'yu 9600 baud, eşliksiz ve 1 stopbit ve girişte CR-LF ile öykünülmüş comport aracılığıyla bağlamak için HTerm gibi bir terminal programı kullanın.

• "setdate gg-aa-yy" arduinoya bağlı RTC modülünün tarihini ayarlar
• "settime ss:dd:ss" arduinoya bağlı RTC modülünün zamanını ayarlar
• "getdate" tarih ve saati yazdırır
• "setintervall 10…3600" Örnekleme aralığını 10 saniyeden 1 saate kadar saniye cinsinden ayarlar
• "start", yaklaşan tam dakikaya eşitlendikten sonra ölçüm oturumunu başlatır
• "senkronizasyon" aynı şeyi yapar ancak yaklaşan tam saati bekler
• "durdur", ölçüm oturumunu durdurur

"Başlat" veya "senkronizasyon" aldıktan ve senkronizasyon işlemlerini yaptıktan sonra, uygulama önce sıfır noktasının veya önyargının nerede olduğunu görmek için bir örnek alır. Ardından motoru çalıştırır ve rpm'nin stabilize olması için 8s bekler. Daha sonra numune alınır. Genellikle, aksaklıkları önlemek için son 10 örnek üzerinden örneklerin ortalamasını sürekli olarak alan bir yazılım ortalama algoritması vardır. Daha önce alınan sıfır değeri şimdi ölçümden çıkarılır ve sonuç, ölçümün tarih ve saati ile birlikte comport üzerinden gönderilir. Bir ölçüm oturumu örneği şuna benzer:

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

Böylece, ölçümler, elektrik akısının uzamsal yönüne bağlı olarak pozitif veya negatif olabilen rakamlarla ölçülen sıfırdan sapmalar olarak gösterilir. Verileri tarih, saat ve ölçüm değerleri sütunlarında biçimlendirmeye karar vermemin elbette bir nedeni var. Bu, ünlü "gnuplot" programı ile verileri görselleştirmek için mükemmel bir formattır!

Adım 6: Nasıl Çalışır?

Az önce bu cihazın çalışma prensibinin elektrostatik indüksiyon olduğunu söyledim. Peki detaylı olarak nasıl çalışır? Bir an için diskteki o segmentlerden biri olacağımızı varsayalım. Sürekli olarak ortam elektrik alanına maruz kalarak sabit bir hızda dönüyoruz ve ardından kalkanın koruması altında tekrar akıdan saklanıyoruz. Gerçekten de gölgeden sahaya çıkacağımızı hayal edin. Topraklama bıyığıyla temasa geçerdik. Elektrik alanı serbest elektronlarımıza etki eder ve diyelim ki alan onları iter. Topraklanmış olduğumuz için, bizden kaçan ve yeryüzünde kaybolan bir miktar elektron olacaktır.

Alan kaybetmek

Şimdi, diskin dönüşü devam ederken bir noktada yer bıyığıyla teması kaybedeceğiz. Artık bizden hiçbir suçlama kaçamaz ama zaten giden suçlamaların geri dönüş yolu da kapalı. Böylece elektron eksikliği ile geride kalıyoruz. Beğensek de beğenmesek de şimdi suçlanıyoruz! Ve bizim yükümüz elektrik akısının gücüyle orantılıdır.

Ne kadar şarjımız var?

Elektrik alanına maruz kaldığımız süre boyunca bazı elektronları kaybettik. Ne kadar kaybettik? Kaybettiğimiz her elektronla birlikte yükümüz arttı. Bu yük, bizimle yer arasında yükselen bir elektrik alanı oluşturur. Bu alan, indüksiyonu oluşturan ortamın tersidir. Böylece elektron kaybı, her iki alanın da eşit olduğu ve birbirini yok ettiği noktaya kadar devam eder! Toprakla temasımızı kaybettikten sonra, toprak potansiyeli olan topraklanmış plakaya karşı hala kendi elektrik alanımız var. Aralarında bir elektrik alanı olan iki iletken plakayı nasıl adlandırdığımızı biliyor musunuz? Bu bir kapasitör! Yüklü kapasitörün parçasıyız.

Artık bir kondansatörüz!

Bir kapasitördeki şarj ve voltaj arasındaki ilişkiyi biliyor musunuz? Size söyleyeyim, U=Q/C'dir, burada U voltaj, Q yük ve C kapasitedir. Bir kapasitörün kapasitesi, plakalarının mesafesiyle ters orantılıdır! Bu, mesafe ne kadar geniş olursa kapasite o kadar düşük demektir. Şimdi biz zemine temas etmeden tekerleği çevirmeye devam edersek ne olur? Yer plakasına olan mesafeyi artırıyoruz. Bunu yaparken kapasitemiz dramatik bir şekilde düşüyor. Şimdi tekrar U=Q/C'ye bakın. Q sabitse ve C azalıyorsa ne olur? Evet, voltaj yükseliyor! Bu, sadece mekanik araçlar uygulayarak voltajı yükseltmenin çok akıllıca bir yoludur. Burada işlemsel bir yükselticiye, gürültü filtrelemeye ve istatistiksel hesaplamaya ihtiyacınız yok. Sinyalimizi elektronik ile sinyal işlemenin sıkıcı bir görev haline geldiği bir düzeye yükselten yalnızca akıllı ve sade bir fiziktir. Bu cihazın tüm zekası, elektrostatik indüksiyona ve kapasitör etkisine dayanır!

Bunun anlamı ne?

Ama bu şekilde tam olarak neyi artırdık? Şimdi daha fazla elektronumuz var mı? Numara! Yine de daha fazla ücretimiz var mı? Numara! Artırdığımız şey elektronların ENERJİSİ ve daha basit elektronik devreler ve daha az filtreleme kullanmamızı sağlayan şey bu. Şimdi yörüngemizin zirvesine ulaştık ve nihayet yük toplama, enerjili elektronlarımızı alıyor ve onları şarj toplayıcı kapasitöründe topluyor.

Müdahaleye karşı bağışıklık

Videoya bir göz attığınızda, evimdeki olağan parazite rağmen cihazın çıkış sinyalinin sabit ve pratik olarak gürültüsüz olduğunu göreceksiniz. Bu nasıl mümkün olabilir? Sanırım bunun nedeni, sinyal ve parazitin, klasik tarla değirmeninde olduğu gibi amplifikatöre kadar ayrı bir şekilde gitmemesidir. Benim tasarımımda parazit, toprak bağlantısının kesildiği andan itibaren toplanan yükü etkiler. Bu, her numunenin girişimden bir şekilde etkilendiği anlamına gelir. Ancak bu parazit simetrik olduğu sürece DC bileşenine sahip olmadığından, parazit sonucu her zaman şarj toplayıcı kapasitöründe ortalaması alınır. Yeterli disk dönüşünden ve yük toplayıcıya numuneler beslendikten sonra, girişimin ortalaması sıfırdır. Bence hile bu!

7. Adım: Test Etme

Bazı testler, hata ayıklama ve iyileştirmelerden sonra, eski win-xp dizüstü bilgisayarımla birlikte tarla değirmenini tavan arasına kurdum ve yaklaşık bir gün boyunca bir test çalıştırması yaptım. Sonuçlar gnuplot ile görselleştirildi. Ekli "e-field-data.dat" veri dosyasına ve "e-field.gp" gnuplot yapılandırma dosyasına bakın. Sonuçları görüntülemek için hedef sisteminizde gnuplot'u başlatın ve komut istemine yazın > "e-field.gp" dosyasını yükleyin

Sonuçları gösteren resme bakın. Oldukça dikkat çekici. Ölçüme 2018-10-03'te havanın güzel ve mavi gökyüzünün olduğu bir zamanda başladım. Elektrik alanının oldukça güçlü ve negatif olduğunu görün, buna dikkat etmemiz gerekiyor çünkü neyin "negatif" neyin "pozitif" olduğu şu anda makul değil. Gerçek fizikle uyum sağlamak için cihazımızın kalibrasyonuna ihtiyacımız var. Ama yine de, ölçüm döngüleri boyunca havanın bozulmaya başlaması ve bulutlu ve yağmurlu hale gelmesiyle birlikte alan gücünün düştüğünü görebilirsiniz. Bu bulgulara bir şekilde şaşırdım ama yine de bunların fizikle ilişkili olup olmadığını kontrol etmem gerekiyor.

Şimdi senin sıran. Devam edin ve kendi elektrik alan değirmeninizi yapın ve kendi arayışınızda gezegenimizin sırlarını keşfedin! İyi eğlenceler!

Adım 8: Veri Toplama ve Yorumlama

Şimdi her şey (umarım) iyi çalıştığı için, biraz veri toplamanız gerekir. Tarla değirmeni için sabit bir yer kullanmanızı tavsiye ederim. Aksi takdirde, verileri karşılaştırmak zor olurdu. Yerel alan parametreleri bir yerden bir yere çok değişiklik gösterebilir. Değirmeni her saat bir ölçüm değeri alacak şekilde yapılandırdım. Değirmeni yaklaşık 3 ay çalıştırdım. Kasım 2018, Aralık 2018 ve Ocak 2019 aylarının toplanmış verilerini sunan grafiklere bakarsanız, dikkat çekici bulgular görürsünüz.

Öncelikle kasım ayındaki alan gücünün sadece pozitif olduğunu ve ay sonunda negatife döndüğünü görebilirsiniz. Yani genel bir şeyler değişmiş olmalı, muhtemelen hava durumuna göre. Belki makul bir sıcaklık düşüşü olmuştur. Ardından ortalama sinyal, ölçüm döngüsünün sonuna kadar negatif kaldı. İkinci şey, sinyal grafiğinde yalnızca birkaç dakika süren hızlı alan değişikliklerini gösteren birkaç ani yükselme olmasıdır. Atmosferdeki değişikliklerin bundan sorumlu olduğunu düşünmüyorum. Yerel hava bile büyük gaz kütleleri ve birleşik iyonlar içerir. Ayrıca bulutlar ve yağmur veya kar genellikle dakikalar içinde değişmez. Bu yüzden bu ani değişikliklere insan yapımı etkinin neden olabileceğini düşünüyorum. Ama bunu açıklamak da zor. Tüm güç hattı kaynakları yalnızca AC voltajı sağlar. Bu, gözlemlediğim dc değişiklikleri için sayılmaz. Dairemin önündeki caddenin asfaltından geçen arabaların bazı elektrik şarj işlemleri olmuş olabileceğinden şüpheleniyorum. Rüzgarla taşınan tozun ve evimin yüzüyle temas etmesinin neden olduğu şarj işlemleri de düşünülebilir.