Molino de campo electrónico: 8 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Es posible que ya sepa que soy adicto a cualquier tipo de aplicaciones de medición de sensores. Siempre quise rastrear las fluctuaciones del campo magnético terrestre y también me fascinó medir el campo eléctrico ambiental de la tierra que se mantiene mediante los procesos de separación de carga que tienen lugar entre las nubes y la superficie de la tierra. Incidentes como cielo despejado, lluvia o tormenta eléctrica tienen un impacto dramático en el campo eléctrico que nos rodea y nuevos hallazgos científicos nos muestran que nuestra salud depende en gran medida de los campos eléctricos circundantes.

Entonces, esa es la razón por la que quería convertirme en un dispositivo de medición adecuado para campos eléctricos estáticos. Ya existe un diseño bastante bueno, también llamado molino de campo eléctrico que se usa ampliamente. Este dispositivo utiliza un efecto llamado inducción electrostática. Esto siempre sucede cuando expone un material conductor a un campo eléctrico. El campo atrae o repele los electrones libres del material. Si está conectado a tierra (potencial de tierra), los portadores de carga entran o salen del material. Después de la desconexión de la tierra, queda una carga en el material incluso si el campo eléctrico desaparece. Esta carga se puede medir con un voltímetro. Este es, a grandes rasgos, el principio de medición de campos eléctricos estáticos.

Hace unos años construí un molino de campo de acuerdo con los planos y esquemas que encontré en Internet. Consiste principalmente en un rotor con algún tipo de hélice. La hélice es un conjunto gemelo de segmentos metálicos que están conectados a tierra. El rotor gira alrededor de un conjunto de placas de inducción que están cubiertas y descubiertas eléctricamente por el rotor. Cada vez que se descubren, la inducción electrostática del campo eléctrico ambiental provoca un flujo de portadores de carga. Este flujo se invierte cuando el rotor vuelve a cubrir las placas de inducción. Lo que se obtiene es una corriente alterna más o menos sinusoidal cuya amplitud es una representación de la fuerza del campo medido. Este es el primer defecto. No obtiene un voltaje estático que muestre la fuerza del campo, pero debe tomar la amplitud de una señal alterna que debe rectificarse primero. El segundo problema es aún más tedioso. El molino de campo funciona bastante bien en un entorno tranquilo, digamos en el lado oscuro de la luna cuando estás lejos del zumbido de la línea eléctrica y toda esta abundante niebla eléctrica que está penetrando nuestro entorno en todos los lugares donde estemos. Especialmente el zumbido de la línea de alimentación de 50Hz o 60Hz interfiere directamente con la señal deseada. Para abordar este problema, el molino de campo utiliza un segundo conjunto de placas de inducción con otro amplificador que toma la misma señal con un cambio de fase de 90 °. En un amplificador operacional adicional, ambas señales se restan entre sí. Debido a que están desfasados, queda un resto de la señal deseada y la interferencia, que es igual en ambas señales, se cancela teóricamente. Qué tan bien funcione esto depende de la igualdad de la interferencia en ambos circuitos de medición, el CMRR del amplificador y de la cuestión de si el amplificador se sobrecarga o no. Lo que hace que la situación sea aún más incómoda es que aproximadamente duplicó la cantidad de hardware solo para eliminar la interferencia.

El año pasado tuve una idea para superar esos problemas con mi propio diseño. Es un poco más de trabajo mecánico pero sencillo en cuestión de electrónica. Como siempre, esta no es una replicación detallada paso a paso del dispositivo completo. Le mostraré los principios de funcionamiento de mi diseño y puede cambiarlo de diferentes maneras y adaptarlo a sus propias necesidades. Después de mostrarte cómo construirlo te explicaré cómo funciona y te mostraré el resultado de mis primeras mediciones.

Cuando se me ocurrió la idea de este dispositivo, estaba orgulloso hasta los huesos, pero como saben, la arrogancia precede a cualquier caída. Sí, fue idea mía. Lo desarrollé por mi cuenta. Pero como siempre, hubo alguien antes que yo. La separación de cargas por inducción y amplificación mediante el efecto de condensador se utilizó en casi todos los diseños de generadores electrostáticos durante los últimos 150 años. Así que no hay nada especial en mi diseño a pesar de que fui el primero en pensar en aplicar esos conceptos para medir campos electrostáticos débiles. Todavía espero ser famoso algún día.

Paso 1: Lista de materiales y herramientas

La siguiente lista muestra aproximadamente qué materiales necesitará. Puede cambiarlos y adaptarlos tanto como desee.

• Láminas de madera contrachapada de 4 mm
• vigas de madera 10x10mm
• Tubo de aluminio de 8 mm
• Varilla de aluminio de 6 mm
• Varilla de plexiglás de 8 mm
• PCB chapado en cobre de un solo lado de 120x160 mm
• alambre de latón o cobre de 0,2 mm
• un trozo de lámina de cobre de 0,2 mm
• soldar
• pegamento
• Tornillos y tuercas de 3 mm
• Un enchufe de prueba de 4 mm
• tubo de goma conductora (diámetro interior 2 mm) obtuve el mío de amazon
• Partes electrónicas según el esquema (sección de descargas)
• Un condensador de styroflex de 68 nF como colector de cargas. Puede cambiar este valor de forma amplia.
• Un motor de cabrestante para 6V DC. Estos son motores que fueron diseñados especialmente para reproductores de discos y grabadoras de cinta. ¡Sus rpm están reguladas! Todavía puedes encontrarlos en Ebay.
• Una fuente de alimentación de 6V / 1A.

Estas son las herramientas que necesitas

• Soldador
• Entorno de desarrollo Arduino en su PC / portátil
• Cable USB-A a B
• lima o mejor un torno
• taladro eléctrico
• pequeña sierra circular o sierra de mano
• pinzas
• cortador de cables

Paso 2: hacer la mecánica

En la primera imagen se puede ver que todo el diseño se basa en dos láminas de madera contrachapada de 210 mm x 140 mm de dimensión. Están montados uno encima del otro, conectados por 4 piezas de vigas de madera que los mantiene a 50 mm de distancia. Entre ambas láminas se encuentra el motor y el cableado. El motor está montado con dos tornillos M3 que encajan en dos orificios de 3 mm perforados a través de la hoja de madera contrachapada superior. Una hoja de material de PCB funciona como un escudo contra el campo eléctrico ambiental. Está montado a 85 mm por encima de la hoja de madera contrachapada superior y su borde interior acaba en el eje del motor.

El componente principal de este dispositivo es un disco. Tiene un diámetro de 110 mm y está hecho de material de PCB recubierto de cobre de un solo lado. Usé un molino para cortar un disco redondo del PCB. También utilicé un molino para cortar el revestimiento de cobre en cuatro segmentos que están aislados eléctricamente. También es muy importante cortar un anillo alrededor del medio del disco por donde pasará el eje del motor. ¡De lo contrario, conectaría a tierra eléctricamente los segmentos! En mi torno, corté un pequeño trozo de varilla de aluminio de 6 mm de manera que tome un orificio de 3 mm en la parte inferior con dos orificios rectangulares de 2, 5 mm que tienen roscas M3 cortadas. El otro extremo lo corto en un pequeño eje de 3 mm para encajar en el orificio central del disco. Luego, el adaptador se superpegó a la parte inferior del disco. Luego, el conjunto de disco podría atornillarse al eje del motor.

Entonces ves otro componente importante. Un segmento del tamaño de los del disco, hecho de lámina de cobre de 0, 2 mm. Este segmento está montado sobre dos láminas de madera contrachapada. Cuando se monta el disco, este segmento queda muy estrecho debajo del disco giratorio. la distancia es de aproximadamente 1 mm. ¡Es importante mantener esta distancia lo más pequeña posible!

Las siguientes cosas importantes son el bigote del suelo y la captación de carga. Ambos están fabricados en tubo de aluminio y varillas con rosca cortada para montarlos todos juntos. Puede hacer cualquier tipo de variación que desee aquí. Solo necesitas algo conductivo que corra sobre la superficie del disco. Para los bigotes probé muchos materiales. La mayoría de ellos estaban dañando los segmentos del disco después de un tiempo. Finalmente encontré una pista en un libro sobre dispositivos electrostáticos. ¡Utilice tubos de goma conductora! No daña la capa de cobre y se desgasta y se desgasta …

El bigote del suelo se coloca en una ubicación de manera que pierda contacto con el segmento del disco subyacente cuando comienza a descubrir la placa del suelo. La toma de carga se coloca de manera que tome el segmento en el medio cuando esté a la distancia máxima de la placa de tierra. Asegúrese de que el recogedor de carga esté montado en una pieza de varilla de plexiglás. Esto es importante porque aquí necesitamos un buen aislamiento. De lo contrario, tendríamos una pérdida de cargos.

Luego verá que el casquillo de prueba de 4 mm se coloca en el "sótano" del conjunto. Proporcioné esta conexión porque no estaba seguro de si necesitaría una conexión "a tierra" real o no. En condiciones normales, estamos tratando con corrientes tan bajas que tenemos una conexión a tierra intrínseca de todos modos. Pero tal vez haya una configuración de prueba en el futuro donde podríamos necesitarla, ¿quién sabe?

Paso 3: el cableado

Ahora tienes que interconectar eléctricamente todo para que funcione correctamente. Utilice el alambre de latón y suelde las siguientes partes.

• El enchufe de prueba de 4 mm
• El bigote del suelo
• El escudo
• un cable del condensador de recogida de carga

Suelde el segundo cable del condensador a la toma de carga.

Paso 4: Fabricación de la electrónica

Siga el esquema para colocar los componentes electrónicos en una pieza de perfboard. Soldé los encabezados de los pines a los bordes de la placa para conectarlo con el Arduino Uno. El circuito es malditamente simple. La carga recolectada se recoge en el capacitor y se alimenta a un amplificador de alta impedancia que aumenta la señal en 100. La señal se filtra en paso bajo y luego se enruta a una entrada de las entradas del convertidor analógico a digital del arduino. Se utiliza un MOSFET para que Arduino encienda / apague el motor del disco.

¡Es muy importante conectar la tierra del ensamblaje mecánico a la tierra virtual del circuito electrónico que es donde se encuentran R1 / R2 / C1 / C2! Esta es también la tierra del condensador colector de carga. Puede ver esto en la última imagen de este capítulo,

Paso 5: el software

No hay mucho que decir sobre el software. Está escrito de forma muy sencilla. La aplicación conoce algunos comandos para configurarse correctamente. Puede acceder al arduino si tiene el IDE de Arduino instalado en su sistema porque necesita los controladores de comportamiento virtual. Luego, conecte un cable USB al arduino y su PC / Notebook y use un programa de terminal como HTerm para conectar el arduino a través del comport emulado con 9600 baudios, sin paridad y 1 bit de parada y CR-LF al ingresar.

• "setdate dd-mm-aa" establece la fecha del módulo RTC conectado al arduino
• "settime hh: mm: ss" establece la hora del módulo RTC conectado al arduino
• "getdate" imprime la fecha y la hora
• "setintervall 10… 3600" Establece el intervalo de muestreo en segundos de 10 sa 1h
• "iniciar" inicia la sesión de medición después de sincronizar con el próximo minuto completo
• "sync" hace lo mismo pero espera la próxima hora completa
• "detener" detiene la sesión de medición

Después de recibir "inicio" o "sincronización" y realizar la sincronización, la aplicación primero toma una muestra para ver dónde está el punto cero o el sesgo. Luego arranca el motor y espera 8 segundos a que se estabilicen las rpm. Luego se toma la muestra. Por lo general, existe un algoritmo de promediado de software que promedia continuamente las muestras durante las últimas 10 muestras para evitar fallas. El valor cero tomado previamente ahora se resta de la medición y el resultado se envía a través del puerto de comunicación junto con la fecha y hora de la medición. Un ejemplo de una sesión de medición se ve así:

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

Por lo tanto, las mediciones se muestran como desviaciones desde cero medidas en dígitos que pueden ser positivos o negativos dependiendo de la dirección espacial del flujo eléctrico. Por supuesto, hay una razón por la que decidí formatear los datos en columnas de valores de fecha, hora y medición. ¡Este es el formato perfecto para visualizar los datos con el famoso programa "gnuplot"!

Paso 6: cómo funciona

Les acabo de decir que el principio de funcionamiento de este dispositivo es la inducción electrostática. Entonces, ¿cómo funciona en detalle? Supongamos por un momento que seríamos uno de esos segmentos del disco. Estamos girando a una velocidad constante exponiéndonos continuamente al campo eléctrico ambiental y luego escondiéndonos nuevamente del flujo bajo la protección del escudo. Imagínese que realmente saldríamos de la sombra al campo. Nos pondríamos en contacto con el bigote de tierra. El campo eléctrico actuaría sobre nuestros electrones libres y digamos que el campo los rechazaría. Debido a que estamos conectados a tierra, habría una cantidad de electrones huyendo de nosotros y desapareciendo en la tierra.

Perdiendo terreno

Ahora bien, mientras continúa el giro del disco en algún momento perderíamos contacto con el bigote del suelo. Ahora no se nos puede escapar más carga, pero el camino de regreso para las cargas ya desaparecidas también está cerrado. Así que nos quedamos atrás con una falta de electrones. Si nos gusta o no, ¡nos cobran ahora! Y nuestra carga es proporcional a la fuerza del flujo eléctrico.

Cuanta carga tenemos?

Durante el tiempo que estuvimos expuestos al campo eléctrico perdimos algunos electrones. Cuanto hemos perdido Bueno, con cada electrón que perdimos, nuestra carga subió. Esta carga genera un campo eléctrico en aumento propio entre nosotros y el suelo. Este campo es opuesto al ambiente que generó la inducción. ¡Entonces la pérdida de electrones continúa hasta el punto en que ambos campos son iguales y se cancelan entre sí! Después de que perdimos el contacto con la tierra, todavía tenemos nuestro propio campo eléctrico contra la placa conectada a tierra que tiene potencial de tierra. ¿Sabes cómo llamamos a dos placas conductoras con un campo eléctrico en el medio? ¡Este es un condensador! Somos parte del condensador cargado.

¡Somos un condensador ahora!

¿Conoce la relación entre carga y voltaje en un condensador? Déjame decirte, es U = Q / C donde U es el voltaje, Q es la carga y C la capacidad. ¡La capacidad de un condensador es inversamente proporcional a la distancia de sus placas! Eso significa que cuanto mayor sea la distancia, menor será la capacidad. Ahora bien, ¿qué pasa mientras seguimos girando el volante sin contacto con el suelo? Estamos aumentando la distancia a la placa de tierra. Mientras hacemos esto, nuestra capacidad cae drásticamente. Ahora mire de nuevo U = Q / C. Si Q es constante y C está disminuyendo, ¿qué sucede? ¡Sí, el voltaje está aumentando! Esta es una forma muy inteligente de amplificar el voltaje simplemente aplicando medios mecánicos. No necesita un amplificador operacional, filtrado de ruido ni computación estadística aquí. Es simplemente una física inteligente y simple que aumenta nuestra señal hasta un nivel en el que el procesamiento de la señal con la electrónica se convierte en una tarea aburrida. ¡Toda la inteligencia de este dispositivo se basa en la inducción electrostática y el efecto condensador!

¿Qué significa?

Pero, ¿qué impulsamos exactamente de esta manera? ¿Tenemos más electrones ahora? ¡No! ¿Tenemos más carga de todos modos? ¡No! Lo que potenciamos es la ENERGÍA de los electrones y esto es lo que nos permite utilizar circuitos electrónicos más sencillos y menos filtrado. Ahora llegamos al afel de nuestra trayectoria y finalmente la captación de carga toma nuestros electrones energizados y los recoge en el condensador colector de carga.

Inmunidad contra interferencias

Cuando eche un vistazo al video, verá que a pesar de la interferencia habitual en mi hogar, la señal de salida del dispositivo es constante y prácticamente libre de ruido. ¿Cómo es esto posible? Bueno, creo que es porque la señal y la interferencia no van por separado hasta el amplificador como en el molino de campo clásico. En mi diseño, la interferencia afecta la carga recolectada desde el momento en que se pierde la conexión a tierra. Eso significa que cada muestra se ve afectada de alguna manera por la interferencia. Pero debido a que esta interferencia no tiene componente de CC siempre que sea simétrica, el resultado de la interferencia siempre se promedia en el condensador del colector de carga. Después de suficientes vueltas de disco y muestras alimentadas en el colector de carga, el promedio de la interferencia es cero. ¡Creo que ese es el truco!

Paso 7: prueba

Después de algunas pruebas, depuración y mejora, instalé el molino de campo junto con mi vieja computadora portátil win-xp en mi ático e hice una prueba de funcionamiento aproximadamente en un día. Los resultados se visualizaron con gnuplot. Consulte el archivo de datos adjunto "e-field-data.dat" y el archivo de configuración de gnuplot "e-field.gp". Para ver los resultados, simplemente inicie gnuplot en su sistema de destino y escriba en el indicador> cargar "e-field.gp"

Vea la imagen que muestra los resultados. Es bastante notable. Comencé la medición el 2018-10-03 cuando teníamos buen tiempo y cielo azul. Vea que el campo eléctrico era bastante fuerte y negativo, mientras que tenemos que tener cuidado porque lo que es "negativo" y lo que es "positivo" actualmente no se especifica razonablemente. Necesitaríamos una calibración de nuestro dispositivo para alinearlo con la física real. Pero de todos modos, puede ver que durante los ciclos de medición, la intensidad del campo disminuyó junto con el clima comenzando a deteriorarse y volviéndose nublado y lluvioso. De alguna manera me sorprendieron esos hallazgos, pero aún tengo que verificar si se correlacionan con la física.

Ahora es tu turno. ¡Continúa y crea tu propio molino de campo eléctrico y explora los secretos de nuestro planeta en tu propia búsqueda! ¡Divertirse!

Paso 8: recopilación e interpretación de datos

Ahora que todo (con suerte) funciona bien, debería recopilar algunos datos. Recomendaría usar un lugar fijo para el molino de campo. De lo contrario, los datos serían difíciles de comparar. Los parámetros del campo local pueden variar mucho de un lugar a otro. Configuré el molino para que tomara un valor de medición cada hora. Dejé que el molino funcionara durante unos 3 meses. Si observa los gráficos que presentan los datos recopilados del mes de noviembre de 2018, diciembre de 2018 y enero de 2019, verá algunos hallazgos notables.

Primero, puede ver que la intensidad de campo en noviembre fue simplemente positiva y se convirtió en negativa a fin de mes. Entonces, algo general debe haber cambiado, probablemente según el clima. Quizás hubo una caída de temperatura razonable. Luego, la señal promedio se mantuvo negativa hasta el final del ciclo de medición. La segunda cosa es que hay varios picos en el gráfico de señal que indican cambios de campo rápidos que duran solo algunos minutos. No creo que los cambios en la atmósfera sean los responsables de eso. Incluso el clima local comprende enormes masas de gas e iones incorporados. Además, las nubes, la lluvia o la nieve no suelen cambiar en cuestión de minutos. Así que creo que la influencia del hombre puede haber causado esos cambios repentinos. Pero esto también es difícil de explicar. Todas las fuentes de alimentación eléctrica solo proporcionan voltaje de CA. Eso no cuenta para los cambios de cd que observé. Sospecho que podría haber habido algunos procesos de carga eléctrica por los autos que pasaban por el asfalto de la calle frente a mi piso. También serían imaginables los procesos de carga provocados por el polvo transportado por el viento y el contacto con la fachada de mi casa.