Moinho E-Field: 8 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Você já deve saber que sou viciado em qualquer tipo de aplicação de medição de sensores. Sempre quis rastrear as flutuações do campo magnético da Terra e também fiquei fascinado por medir o campo elétrico ambiente da Terra que é mantido por processos de separação de carga que ocorrem entre as nuvens e a superfície da Terra. Incidentes como céu claro, chuva ou tempestade têm um impacto dramático no campo elétrico que nos rodeia e novas descobertas científicas estão nos mostrando que nossa saúde depende muito dos campos elétricos ao nosso redor.

Então, essa é a razão pela qual eu queria me tornar um dispositivo de medição adequado para campos elétricos estáticos. Já existe um projeto muito bom, também chamado de moinho elétrico de campo, que é amplamente utilizado. Este dispositivo usa um efeito chamado indução eletrostática. Isso sempre acontece quando você está expondo um material condutor a um campo elétrico. O campo atrai ou repele os elétrons livres do material. Se estiver conectado ao aterramento (potencial de terra), os portadores de carga estão fluindo para dentro ou para fora do material. Após a desconexão do aterramento, uma carga permanece no material, mesmo que o campo elétrico desapareça. Essa carga pode ser medida com um voltímetro. Este é basicamente o princípio de medição de campos elétricos estáticos.

Há alguns anos construí um moinho de campo de acordo com planos e esquemas que encontrei na internet. Consiste principalmente em um rotor com algum tipo de hélice. A hélice é um conjunto duplo de segmentos de metal aterrados. O rotor gira em torno de um conjunto de placas de indução que são eletricamente cobertas e descobertas pelo rotor. Cada vez que eles são descobertos, a indução eletrostática do campo elétrico ambiente causa um fluxo de portadores de carga. Este fluxo é revertido quando o rotor cobre novamente as placas de indução. O que você obtém é uma corrente alternada mais ou menos sinusoidal, cuja amplitude é uma representação da força do campo medido. Esta é a primeira falha. Você não obtém uma tensão estática mostrando a intensidade do campo, mas tem que tomar a amplitude de um sinal alternado que deve ser retificado primeiro. A segunda questão é ainda mais tediosa. O moinho de campo funciona muito bem em um ambiente sem perturbações - digamos, no lado escuro da lua, quando você está longe do zumbido da linha de força e de toda essa névoa elétrica abundante que está penetrando em nosso ambiente onde quer que estejamos. Especialmente o zumbido da linha de alimentação de 50 Hz ou 60 Hz interfere diretamente no sinal desejado. Para resolver este problema, o moinho de campo usa um segundo conjunto de placas de indução com outro amplificador que recebe o mesmo sinal com um deslocamento de fase de 90 °. Em um amplificador operacional adicional, ambos os sinais são subtraídos um do outro. Por estarem fora de fase, um resto do sinal desejado permanece e a interferência, que é igual em ambos os sinais, é cancelada teoricamente. O quão bom isso funciona depende da igualdade da interferência em ambos os circuitos de medição, o CMRR do amplificador e da questão se o amplificador obtém overdrive ou não. O que torna a situação ainda mais desconfortável é que você praticamente dobrou a quantidade de hardware apenas para se livrar da interferência.

No ano passado, tive uma ideia para superar esses problemas com meu próprio design. É um pouco mais de trabalho na mecânica, mas simples na questão da eletrônica. Como sempre, esta não é uma replicação detalhada passo a passo de um dispositivo completo. Vou mostrar-lhe os princípios de funcionamento do meu design e pode alterá-lo de diferentes formas e adaptá-lo às suas próprias necessidades. Depois de mostrar como construí-lo, explicarei como funciona e mostrarei o resultado das minhas primeiras medições.

Quando tive a ideia deste dispositivo, fiquei orgulhoso até os ossos, mas como você sabe, a arrogância precede qualquer queda. Sim, foi ideia minha. Eu o desenvolvi sozinho. Mas como sempre, houve alguém antes de mim. A separação de cargas por indução e amplificação usando o efeito capacitor foi usada em quase todos os projetos de geradores eletrostáticos durante os últimos 150 anos. Portanto, não há nada de especial no meu projeto, apesar do fato de que fui o primeiro a pensar em aplicar esses conceitos para medir campos eletrostáticos fracos. Ainda espero um dia ser famoso.

Etapa 1: Lista de materiais e ferramentas

A lista a seguir mostra aproximadamente quais materiais você precisará. Você pode alterá-los e adaptá-los o quanto quiser.

• Folhas de contraplacado de 4 mm
• vigas de madeira 10x10mm
• Tubo de alumínio de 8mm
• Haste de alumínio de 6 mm
• Haste de plexiglass 8mm
• 120x160mm de lado único banhado a cobre PCB
• fio de latão ou cobre 0,2 mm
• um pedaço de folha de cobre de 0,2 mm
• solda
• Cola
• Parafusos e porcas de 3mm
• Um soquete de teste de 4 mm
• tubo de borracha condutora (diâmetro interno de 2 mm) eu obtive o meu da amazon
• Peças eletrônicas de acordo com o esquema (seção de download)
• Um capacitor styroflex 68nF como um coletor para as cargas. Você pode alterar esse valor de várias maneiras.
• Um motor cabrestante para 6V DC. São motores especialmente concebidos para leitores de discos e gravadores de cassetes. Seu rpm é regulado! Você ainda pode encontrá-los no Ebay.
• Uma fonte de alimentação 6V / 1A.

Estas são as ferramentas de que você precisa

• Ferro de solda
• Ambiente de desenvolvimento Arduino em seu PC / Notebook
• Cabo USB-A para B
• lima ou melhor um torno
• furadeira elétrica
• pequena serra circular ou serra manual
• pinças
• cortador de arame

Etapa 2: Fazendo a mecânica

Na primeira foto você pode ver que todo o design é baseado em duas folhas de compensado de 210 mm x 140 mm de dimensão. Eles são montados uns sobre os outros, conectados por 4 peças de vigas de madeira que os mantêm a 50 mm de distância. Entre ambas as folhas, o motor e a fiação estão contidos. O motor é montado com dois parafusos M3 encaixados em dois orifícios de 3 mm perfurados na folha de madeira compensada superior. Uma folha de material PCB funciona como uma proteção contra o campo elétrico ambiente. Ele é montado 85 mm acima da chapa de compensado superior e sua borda interna termina em torno do eixo do motor.

O principal componente deste dispositivo é um disco. Tem um diâmetro de 110 mm e é feito de material PCB revestido com cobre de um lado. Usei um moinho para cortar um disco redondo do PCB. Também usei um moinho para cortar o revestimento de cobre em quatro segmentos com isolamento elétrico. Também é muito importante cortar um anel ao redor do meio do disco por onde passará o eixo do motor. Caso contrário, ele aterraria eletricamente os segmentos! No meu torno, cortei um pequeno pedaço de haste de alumínio de 6 mm de forma que ela fizesse um orifício de 3 mm na parte inferior com dois orifícios retangulares de 2,5 mm com roscas M3 cortadas. A outra extremidade cortei em um pequeno eixo de 3 mm para caber no orifício do meio do disco. O adaptador então foi super colado na parte inferior do disco. O conjunto do disco pode então ser aparafusado ao eixo do motor.

Então você vê outro componente importante. Um segmento do tamanho dos que estão no disco, feito de folha de cobre de 0,2 mm. Este segmento é montado em duas folhas de compensado. Quando o disco é montado, este segmento fica muito estreito sob o disco rotativo. a distância é cerca de 1 mm. É importante manter essa distância o menor possível!

As próximas coisas importantes são o bigode do solo e a coleta de carga. Ambos são feitos de tubo de alumínio e hastes com roscas cortadas para montá-los todos juntos. Você pode fazer qualquer tipo de variação que quiser aqui. Você só precisa de algo condutor passando pela superfície do disco. Para os bigodes experimentei muitos materiais. A maioria deles estava danificando os segmentos do disco depois de um tempo. Finalmente encontrei uma dica em um livro sobre dispositivos eletrostáticos. Use tubulação de borracha condutora! Não está danificando o revestimento de cobre e desgasta e desgasta …

O bigode é colocado em um local de forma que perca contato com o segmento de disco subjacente quando começa a descobrir a placa de aterramento. O pick-up de carga é colocado de forma que leve o segmento do meio quando estiver a uma distância máxima da placa de aterramento. Veja se o coletor de carga está montado em um pedaço de haste de acrílico. Isso é importante porque precisamos de um bom isolamento aqui. Caso contrário, teríamos perda de cargas!

Então você vê que o soquete de teste de 4 mm é colocado no "porão" do conjunto. Forneci essa conexão porque não tinha certeza se precisaria de uma conexão "aterrada" real ou não. Em condições normais, estamos lidando com correntes tão baixas que, de qualquer maneira, temos um aterramento intrínseco. Mas talvez haja uma configuração de teste no futuro onde possamos precisar, quem sabe?

Etapa 3: a fiação

Agora você tem que interconectar eletricamente tudo para que funcione corretamente. Use o fio de latão e solde as seguintes peças.

• O plugue de teste de 4 mm
• O bigode de chão
• O escudo
• um fio do capacitor de coleta de carga

Solde o 2º fio do capacitor para o pick-up de carga.

Etapa 4: Fazendo a eletrônica

Siga o esquema para colocar os componentes eletrônicos em um pedaço de perfboard. Soldei os cabeçotes dos pinos nas bordas da placa para conectá-la ao Arduino Uno. O circuito é extremamente simples. A carga coletada é captada no capacitor e alimentada em um amplificador de alta impedância que aumenta o sinal em 100. O sinal é filtrado em passa-baixa e então roteado para uma entrada das entradas do conversor analógico-digital do arduino. Um MOSFET é usado para o Arduino para ligar / desligar o motor do disco.

É muito importante conectar o aterramento do conjunto mecânico ao aterramento virtual do circuito eletrônico que é onde R1 / R2 / C1 / C2 se encontram! Este também é o aterramento do capacitor coletor de carga. Você pode ver isso na última foto deste capítulo,

Etapa 5: o software

Não há muito a dizer sobre o Software. É escrito de forma muito direta. O aplicativo conhece alguns comandos para ser configurado corretamente. Você pode acessar o arduino se tiver o IDE do Arduino instalado em seu sistema, porque você precisa dos drivers comport virtuais. Em seguida, conecte um cabo USB ao arduino e ao seu PC / Notebook e use um programa de terminal como HTerm para conectar o arduino através do comport emulado com 9600 bauds, sem paridade e 1 stopbit e CR-LF ao entrar.

• "setdate dd-mm-yy" define a data do módulo RTC conectado ao arduino
• "settime hh: mm: ss" define a hora do módulo RTC conectado ao arduino
• "getdate" imprime data e hora
• "setintervall 10… 3600" Define o intervalo de amostragem em segundos de 10s a 1h
• "start" inicia a sessão de medição após sincronizar com o próximo minuto completo
• "sync" faz o mesmo, mas espera pela próxima hora inteira
• "parar" para a sessão de medição

Depois de receber "iniciar" ou "sincronizar" e fazer a sincronização, o aplicativo primeiro obtém uma amostra para ver onde está o ponto zero ou polarização. Em seguida, ele dá partida no motor e espera 8s até que as rpm se estabilizem. Em seguida, a amostra é coletada. Geralmente, há um algoritmo de média de software que calcula continuamente a média das amostras nas últimas 10 amostras para evitar falhas. O valor zero anteriormente obtido é agora subtraído da medição e o resultado enviado através do comport junto com a data e hora da medição. Um exemplo de sessão de medição se parece com isto:

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

Assim, as medições são mostradas como desvios de zero medidos em dígitos que podem ser positivos ou negativos dependendo da direção espacial do fluxo elétrico. Claro que há um motivo pelo qual decidi formatar os dados em colunas de data, hora e valores de medição. Este é o formato perfeito para visualizar os dados com o famoso programa "gnuplot"!

Etapa 6: como funciona

Acabei de dizer que o princípio de funcionamento deste dispositivo é a indução eletrostática. Então, como funciona em detalhes? Vamos supor que seríamos um desses segmentos do disco. Estamos girando a uma velocidade constante continuamente sendo expostos ao campo elétrico ambiente e, em seguida, nos escondendo novamente do fluxo sob a proteção do escudo. Imagine que realmente sairíamos da sombra para o campo. Entraríamos em contato com o bigode de aterramento. O campo elétrico atuaria em nossos elétrons livres e, digamos, o campo os repeliria. Por estarmos aterrados, haveria uma quantidade de elétrons fugindo de nós e desaparecendo na terra.

Perdendo terreno

Agora, enquanto o giro do disco continua em algum ponto, perderíamos contato com o bigode do solo. Agora nenhuma carga pode fugir de nós, mas o caminho de volta para as cargas já perdidas também está fechado. Portanto, ficamos para trás com a falta de elétrons. Quer gostemos ou não, somos cobrados agora! E nossa carga é proporcional à força do fluxo elétrico.

Quanta carga nós temos?

Durante o tempo em que ficamos expostos ao campo elétrico, perdemos alguns elétrons. Quanto perdemos? Bem, com cada elétron que perdíamos, nossa carga aumentava. Essa carga gera um campo elétrico próprio crescente entre nós e o solo. Este campo é oposto ao ambiente que gerou a indução. Portanto, a perda de elétrons continua até o ponto em que os dois campos são iguais e se cancelam! Depois que perdemos o contato com o solo, ainda temos nosso próprio campo elétrico contra a placa aterrada que tem potencial de terra. Você sabe como chamamos duas placas condutoras com um campo elétrico entre elas? Este é um capacitor! Fazemos parte do capacitor carregado.

Agora somos um capacitor!

Você conhece a relação entre carga e tensão em um capacitor? Deixe-me dizer a você, é U = Q / C, onde U é a voltagem, Q é a carga e C a capacidade. A capacidade de um capacitor é inversamente proporcional à distância de suas placas! Isso significa que quanto maior a distância, menor a capacidade. Agora o que acontece enquanto continuamos girando a roda sem contato com o solo? Estamos aumentando a distância até a placa de aterramento. Enquanto fazemos isso, nossa capacidade diminui drasticamente. Agora olhe novamente para U = Q / C. Se Q for constante e C estiver diminuindo, o que acontece? Sim, a tensão está aumentando! Esta é uma maneira muito inteligente de amplificar a voltagem apenas aplicando meios mecânicos. Você não precisa de um amplificador operacional, filtragem de ruído e computação estatística aqui. É apenas física inteligente e simples que aumenta nosso sinal a um nível onde o processamento de sinal com a eletrônica se torna uma tarefa enfadonha. Toda a inteligência deste dispositivo depende da indução eletrostática e do efeito do capacitor!

O que isso significa?

Mas o que exatamente impulsionamos dessa maneira? Temos mais elétrons agora? Não! Temos mais carga de qualquer maneira? Não! O que aumentamos é a ENERGIA dos elétrons e é isso que nos permite usar circuitos eletrônicos mais simples e menos filtragem. Agora chegamos ao ápelo de nossa trajetória e, finalmente, o captador de carga pega nossos elétrons energizados e os coleta no capacitor coletor de carga.

Imunidade contra interferência

Quando você der uma olhada no vídeo, verá que, apesar das interferências usuais em minha casa, o sinal de saída do dispositivo é estável e praticamente sem ruído. Como isso é possível? Bem, eu acho que é porque o sinal e a interferência não estão indo em direção separada para o amplificador como no moinho de campo clássico. No meu projeto, a interferência afeta a carga coletada desde o momento em que a conexão com o solo é perdida. Isso significa que cada amostra é afetada de alguma forma pela interferência. Mas, como essa interferência não tem componente CC, desde que seja simétrica, o resultado da interferência é sempre calculado pela média no capacitor do coletor de carga. Depois de voltas de disco suficientes e amostras alimentadas no coletor de carga, a média da interferência é zero. Acho que é esse o truque!

Etapa 7: Teste

Depois de alguns testes, depuração e melhorias, instalei o moinho de campo junto com meu antigo notebook win-xp no meu sótão e fiz um teste executado em aproximadamente um dia. Os resultados foram visualizados com gnuplot. Veja o arquivo de dados anexado "e-field-data.dat" e o arquivo de configuração gnuplot "e-field.gp". Para ver os resultados, basta iniciar o gnuplot em seu sistema de destino e digitar no prompt> carregar "e-field.gp"

Veja a foto mostrando os resultados. É notável. Comecei a medição em 2018-10-03, quando o tempo estava bom e o céu estava azul. Veja que o campo elétrico estava bem forte e negativo, embora tenhamos que tomar cuidado porque o que é "negativo" e o que é "positivo" atualmente não é razoável especificado. Precisaríamos de uma calibração de nosso dispositivo para alinhá-lo com a física real. Mas de qualquer forma, você pode ver que ao longo dos ciclos de medição a intensidade do campo diminuiu junto com o tempo começando a se deteriorar e se tornando nublado e chuvoso. Fiquei de alguma forma surpreso com essas descobertas, mas ainda tenho que verificar se elas se correlacionam com a física.

Agora é sua vez. Vá em frente e faça seu próprio moinho de campo elétrico e explore os segredos de nosso planeta em sua própria missão! Divirta-se!

Etapa 8: coleta e interpretação de dados

Agora, como tudo está (com sorte) funcionando bem, você deve coletar alguns dados. Eu recomendaria usar um local fixo para o moinho de campo. Caso contrário, os dados seriam difíceis de comparar. Os parâmetros de campo locais podem variar muito de um lugar para outro. Eu configurei o moinho para que ele levasse um valor de medição a cada hora. Deixei a fábrica funcionar por cerca de 3 meses. Se você olhar os gráficos que apresentam os dados coletados do mês de novembro de 2018, dezembro de 2018 e janeiro de 2019, verá alguns resultados notáveis.

Primeiro você pode ver que a intensidade do campo em novembro era meramente positiva, passando para negativa no final do mês. Portanto, algo geral deve ter mudado, provavelmente de acordo com o clima. Talvez tenha havido uma queda razoável de temperatura. Então, o sinal médio permaneceu negativo até o final do ciclo de medição. A segunda coisa é que há vários picos no gráfico de sinal indicando mudanças rápidas de campo que duram apenas alguns minutos. Não acho que as mudanças na atmosfera sejam responsáveis por isso. Até mesmo o clima local compreende enormes massas de gás e íons incorporados. Além disso, as nuvens e raain ou neve geralmente não mudam em minutos. Portanto, acho que a influência humana pode ter causado essas mudanças repentinas. Mas isso também é difícil de explicar. Todas as fontes de alimentação fornecem apenas tensão CA. Isso não conta para as mudanças DC que observei. Suspeito que pode ter havido algum processo de carga elétrica por carros que passavam no asfalto da rua em frente ao meu apartamento. Pensáveis seriam também processos de carga causados por poeira transportada pelo vento e por entrar em contato com a fachada da minha casa.