E-Field Mill : 8 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Vous savez peut-être déjà que je suis accro à tout type d'applications de mesure de capteurs. J'ai toujours voulu traquer les fluctuations du champ magnétique terrestre et j'étais également fasciné par la mesure du champ électrique ambiant de la terre qui est maintenu par les processus de séparation de charges entre les nuages et la surface de la terre. Des incidents comme le ciel clair, la pluie ou l'orage ont tous un impact dramatique sur le champ électrique qui nous entoure et de nouvelles découvertes scientifiques nous montrent que notre santé dépend fortement des champs électriques environnants.

C'est la raison pour laquelle j'ai voulu me fabriquer un appareil de mesure adapté aux champs électriques statiques. Il existe déjà une très bonne conception, également appelée moulin à champ électrique, qui est largement utilisée. Cet appareil utilise un effet appelé induction électrostatique. Cela se produit toujours lorsque vous exposez un matériau conducteur à un champ électrique. Le champ attire ou repousse les électrons libres dans le matériau. S'il est connecté à la terre (potentiel de la terre), des porteurs de charge entrent ou sortent du matériau. Après déconnexion de la terre, une charge reste sur le matériau même si le champ électrique disparaît. Cette charge peut être mesurée avec un voltmètre. C'est très grossièrement le principe de la mesure des champs électriques statiques.

Il y a quelques années, j'ai construit un moulin de campagne selon des plans et des schémas trouvés sur Internet. Il se compose principalement d'un rotor avec une sorte d'hélice dessus. L'hélice est un ensemble jumeau de segments métalliques mis à la terre. Le rotor tourne autour d'un ensemble de plaques d'induction qui sont électriquement recouvertes et découvertes par le rotor. Chaque fois qu'ils sont découverts, l'induction électrostatique du champ électrique ambiant provoque un flux de porteurs de charge. Ce flux s'inverse lorsque le rotor recouvre à nouveau les plaques d'induction. Ce que vous obtenez est un courant alternatif plus ou moins sinusoïdal dont l'amplitude est une représentation de la force du champ mesuré. C'est le premier défaut. Vous n'obtenez pas de tension statique indiquant l'intensité du champ, mais vous devez prendre l'amplitude d'un signal alternatif qui doit d'abord être redressé. Le deuxième problème est encore plus fastidieux. Le moulin de champ fonctionne assez bien dans un environnement non perturbé - disons sur le côté obscur de la lune lorsque vous êtes loin du bourdonnement des lignes électriques et de toute cette brume électrique abondante qui pénètre dans notre environnement partout où nous sommes. En particulier, le bourdonnement de la ligne électrique à 50 Hz ou 60 Hz interfère directement avec le signal souhaité. Pour résoudre ce problème, le broyeur de champ utilise un deuxième ensemble de plaques d'induction avec un autre amplificateur qui prend le même signal avec un déphasage de 90°. Dans un amplificateur opérationnel supplémentaire, les deux signaux sont soustraits l'un de l'autre. Parce qu'ils sont déphasés, un reste du signal souhaité reste et l'interférence, qui est égale dans les deux signaux, est théoriquement annulée. Son efficacité dépend de l'égalité des interférences dans les deux circuits de mesure, du CMRR de l'amplificateur et de la question de savoir si l'amplificateur est saturé ou non. Ce qui rend la situation encore plus inconfortable, c'est que vous avez à peu près doublé la quantité de matériel juste pour vous débarrasser des interférences.

L'année dernière, j'ai eu une idée pour surmonter ces problèmes avec ma propre conception. C'est un peu plus de travail sur la mécanique mais simple en matière d'électronique. Comme toujours, il ne s'agit pas d'une réplication détaillée étape par étape de l'appareil complet. Je vais vous montrer les principes de fonctionnement de ma conception et vous pouvez la modifier de différentes manières et l'adapter à vos propres besoins. Après vous avoir montré comment le construire je vous expliquerai son fonctionnement et vous montrerai le résultat de mes premières mesures.

Quand j'ai eu l'idée de cet appareil, j'étais fier jusqu'aux os, mais comme vous le savez, l'arrogance précède toute chute. Oui, c'était ma propre idée. Je l'ai développé moi-même. Mais comme toujours, il y avait quelqu'un avant moi. La séparation des charges par induction et amplification en utilisant l'effet condensateur a été utilisée dans presque toutes les conceptions de générateurs électrostatiques au cours des 150 dernières années. Il n'y a donc rien de spécial dans ma conception malgré le fait que j'ai été le premier à penser à appliquer ces concepts pour mesurer les champs électrostatiques faibles. J'espère toujours qu'un jour je serai célèbre.

Étape 1: Liste des matériaux et outils

La liste suivante montre à peu près les matériaux dont vous aurez besoin. Vous pouvez les modifier et les adapter autant que vous le souhaitez.

• Feuilles de contreplaqué de 4 mm
• poutres en bois 10x10mm
• tube en aluminium de 8 mm
• tige en aluminium de 6 mm
• Tige en plexiglas de 8 mm
• PCB plaqué cuivre simple face 120x160mm
• fil de laiton ou de cuivre 0.2mm
• un morceau de feuille de cuivre de 0,2 mm
• souder
• la colle
• vis et écrous de 3 mm
• Une douille de test de 4 mm
• tube en caoutchouc conducteur (diamètre intérieur 2 mm) j'ai eu le mien d'amazon
• Pièces électroniques selon le schéma (section de téléchargement)
• Un condensateur styroflex 68nF comme collecteur pour les charges. Vous pouvez modifier cette valeur de plusieurs manières.
• Un moteur cabestan pour 6V DC. Ce sont des moteurs spécialement conçus pour les lecteurs de disques et les magnétophones. Leur régime est régulé ! Vous pouvez toujours les trouver sur Ebay.
• Une alimentation 6V/1A.

Ce sont les outils dont vous avez besoin

• Fer à souder
• Environnement de développement Arduino sur votre PC/ordinateur portable
• Câble USB-A vers B
• lime ou mieux un tour
• perceuse électrique
• petite scie circulaire ou scie à main
• pince à épiler
• Coupe-fil

Étape 2: fabrication de la mécanique

Dans la première image, vous pouvez voir que l'ensemble du design est basé sur deux feuilles de contreplaqué de 210 mm x 140 mm. Ils sont montés les uns au-dessus des autres, reliés par 4 poutres en bois qui les maintiennent à 50 mm de distance. Entre les deux feuilles, le moteur et le câblage sont contenus. Le moteur est monté avec deux vis M3 s'insérant dans deux trous de 3 mm percés à travers la feuille de contreplaqué supérieure. Une feuille de matériau PCB fonctionne comme un bouclier contre le champ électrique ambiant. Il est monté à 85 mm au-dessus de la feuille de contreplaqué supérieure et son bord intérieur se termine juste autour de l'arbre du moteur.

Le composant central de cet appareil est un disque. Il a un diamètre de 110 mm et est fabriqué à partir d'un matériau PCB revêtu de cuivre sur une seule face. J'ai utilisé un moulin pour découper un disque rond de PCB. J'ai également utilisé un broyeur pour couper le revêtement de cuivre en quatre segments isolés électriquement. Il est également très important de couper un anneau autour du milieu du disque où passera l'arbre du moteur. Sinon, cela mettrait à la terre électriquement les segments ! Sur mon tour, j'ai coupé un petit morceau de tige d'aluminium de 6 mm de manière à ce qu'il prenne un trou de 3 mm en bas avec deux trous rectangulaires de 2,5 mm avec des filetages M3. L'autre extrémité, j'ai coupé en un petit arbre de 3 mm pour s'adapter dans le trou du milieu du disque. L'adaptateur a ensuite été super-collé au bas du disque. L'ensemble disque pourrait alors être vissé sur l'arbre du moteur.

Ensuite, vous voyez un autre élément important. Un segment de la taille de ceux du disque, en tôle de cuivre de 0,2 mm. Ce segment est monté sur deux feuilles de contreplaqué. Lorsque le disque est monté, ce segment se trouve très étroitement sous le disque rotatif. la distance est d'environ 1 mm. Il est important de garder cette distance aussi petite que possible !

Les prochaines choses importantes sont la moustache moulue et la prise de charge. Les deux sont constitués de tubes et de tiges en aluminium avec des filetages coupés pour les monter tous ensemble. Vous pouvez faire n'importe quel type de variation que vous aimez ici. Vous avez juste besoin de quelque chose de conducteur passant sur la surface du disque. Pour les moustaches, j'ai essayé beaucoup de matériaux. La plupart d'entre eux endommageaient les segments de disque après un certain temps. Enfin, j'ai trouvé un indice dans un livre sur les appareils électrostatiques. Utilisez des tubes en caoutchouc conducteur ! Il n'endommage pas le revêtement de cuivre et s'use et s'use…

La moustache moulue est placée à un endroit de manière à ce qu'elle perde le contact avec le segment de disque sous-jacent lorsqu'elle commence à découvrir la plaque de sol. Le capteur de charge est placé de telle sorte qu'il prenne le segment du milieu lorsqu'il est à distance maximale de la plaque de masse. Vérifiez que le capteur de charge est monté sur un morceau de tige en plexiglas. Ceci est important car nous avons besoin d'une bonne isolation ici. Sinon nous aurions une perte de charges !

Ensuite, vous voyez que la prise de test de 4 mm est placée dans le "sous-sol" du montage. J'ai fourni cette connexion parce que je n'étais pas sûr d'avoir besoin d'une vraie connexion "à la terre" ou non. Dans des conditions normales, nous avons affaire à des courants si faibles que nous avons de toute façon une mise à la terre intrinsèque. Mais peut-être qu'il y aura une configuration de test à l'avenir où nous pourrions en avoir besoin, qui sait ?

Étape 3: Le câblage

Maintenant, vous devez interconnecter électriquement le tout pour que cela fonctionne correctement. Utilisez le fil de laiton et soudez ensemble les pièces suivantes.

• La prise de test 4mm
• La moustache moulue
• Le bouclier
• un fil du condensateur de collecte de charge

Souder le 2ème fil du condensateur au capteur de charge.

Étape 4: fabrication de l'électronique

Suivez le schéma pour placer les composants électroniques sur un morceau de panneau perforé. J'ai soudé des en-têtes de broches sur les bords de la carte pour la connecter à l'Arduino Uno. Le circuit est sacrément simple. La charge collectée est captée par le condensateur et introduite dans un amplificateur à haute impédance qui amplifie le signal de 100. Le signal est filtré passe-bas puis acheminé vers une entrée des entrées du convertisseur analogique-numérique de l'arduino. Un MOSFET est utilisé pour que l'Arduino allume/éteigne le moteur du disque.

Il est très important de connecter la masse de l'ensemble mécanique à la masse virtuelle du circuit électronique où se rencontrent R1/R2/C1/C2 ! C'est aussi la masse du condensateur collecteur de charge. Vous pouvez le voir sur la dernière image de ce chapitre,

Étape 5: Le logiciel

Il n'y a pas grand chose à dire sur le logiciel. C'est écrit très simple. L'application connaît certaines commandes pour se configurer correctement. Vous pouvez accéder à l'arduino si l'IDE Arduino est installé sur votre système, car vous avez besoin des pilotes de port virtuels. Branchez ensuite un câble USB à l'arduino et à votre PC/ordinateur portable et utilisez un programme de terminal comme HTerm pour connecter l'arduino via le port émulé avec 9600 bauds, pas de parité et 1 bit d'arrêt et CR-LF à l'entrée.

• "setdate dd-mm-yy" définit la date du module RTC connecté à l'arduino
• "settime hh:mm:ss" définit l'heure du module RTC connecté à l'arduino
• "getdate" imprime la date et l'heure
• "setintervall 10…3600" Définit l'intervalle d'échantillonnage en secondes de 10s à 1h
• "start" démarre la session de mesure après la synchronisation avec la minute complète à venir
• "sync" fait de même mais attend l'heure complète à venir
• "stop" arrête la session de mesure

Après avoir reçu "start" ou "sync" et effectué la synchronisation, l'application prélève d'abord un échantillon pour voir où se trouve le point zéro ou le biais. Ensuite, il démarre le moteur et attend 8s que le régime se stabilise. Ensuite, l'échantillon est prélevé. Généralement, il existe un algorithme de calcul de moyenne logiciel qui fait la moyenne en continu des échantillons sur les 10 derniers échantillons pour éviter les problèmes. La valeur zéro précédemment prise est maintenant soustraite de la mesure et le résultat envoyé sur le port avec la date et l'heure de la mesure. Un exemple de session de mesure ressemble à ceci:

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

Ainsi, les mesures sont présentées sous forme de déviations par rapport à zéro mesurées en chiffres qui peuvent être positifs ou négatifs en fonction de la direction spatiale du flux électrique. Bien sûr, il y a une raison pour laquelle j'ai décidé de formater les données en colonnes de date, d'heure et de valeurs de mesure. C'est le format parfait pour visualiser les données avec le fameux programme "gnuplot" !

Étape 6: Comment ça marche

Je viens de vous dire que le principe de fonctionnement de cet appareil est l'induction électrostatique. Alors comment ça marche en détail ? Supposons pour le moment que nous serions l'un de ces segments sur le disque. Nous tournons à vitesse constante en étant continuellement exposés au champ électrique ambiant puis en nous cachant à nouveau du flux sous la protection du bouclier. Imaginez que nous sortirions de l'ombre pour entrer sur le terrain. Nous entrerions en contact avec la moustache de mise à la terre. Le champ électrique agirait sur nos électrons libres et disons que le champ les repousserait. Parce que nous sommes ancrés à la terre, il y aurait une quantité d'électrons qui nous fuiraient et disparaîtraient dans la terre.

Perdre du terrain

Maintenant, alors que la rotation du disque continue à un moment donné, nous perdrions le contact avec la moustache au sol. Désormais, plus aucune charge ne peut nous fuir, mais le chemin du retour pour les charges déjà parties est également fermé. Nous sommes donc laissés pour compte avec un manque d'électrons. Que cela nous plaise ou non, nous sommes facturés maintenant ! Et notre charge est proportionnelle à la force du flux électrique.

Combien de frais avons-nous?

Pendant le temps où nous avons été exposés au champ électrique, nous avons perdu des électrons. Combien avons-nous perdu ? Eh bien, avec chaque électron que nous avons perdu, notre charge a grimpé. Cette charge génère un champ électrique croissant entre nous et le sol. Ce champ est opposé à celui ambiant qui a généré l'induction. Ainsi la perte d'électrons continue jusqu'au point où les deux champs sont égaux et s'annulent ! Après avoir perdu le contact avec la terre, nous avons toujours notre propre champ électrique contre la plaque mise à la terre qui a un potentiel de terre. Vous savez comment on appelle deux plaques conductrices avec un champ électrique entre elles ? C'est un condensateur ! Nous faisons partie du condensateur chargé.

Nous sommes un condensateur maintenant!

Connaissez-vous la relation entre la charge et la tension sur un condensateur? Laissez-moi vous dire, c'est U=Q/C où U est la tension, Q est la charge et C la capacité. La capacité d'un condensateur est inversement proportionnelle à la distance de ses plaques ! Cela signifie que plus la distance est large, plus la capacité est faible. Maintenant, que se passe-t-il pendant que nous continuons à tourner le volant sans contact avec le sol ? Nous augmentons la distance à la plaque de sol. Pendant que nous faisons cela, notre capacité diminue considérablement. Maintenant, regardez à nouveau U=Q/C. Si Q est constant et que C diminue, que se passe-t-il ? Oui, la tension monte ! C'est une façon très astucieuse d'amplifier la tension en appliquant simplement des moyens mécaniques. Vous n'avez pas besoin d'amplificateur opérationnel, de filtrage de bruit et de calcul statistique ici. C'est juste une physique intelligente et simple qui augmente notre signal jusqu'à un niveau où le traitement du signal avec l'électronique devient une tâche ennuyeuse. Toute l'ingéniosité de cet appareil repose sur l'induction électrostatique et l'effet condensateur !

Qu'est-ce que ça veut dire?

Mais qu'avons-nous stimulé exactement de cette façon? Avons-nous plus d'électrons maintenant? Non! Avons-nous plus de charge de toute façon? Non! Ce que nous avons boosté, c'est l'ÉNERGIE des électrons et c'est ce qui nous permet d'utiliser des circuits électroniques plus simples et moins filtrants. Maintenant, nous avons atteint le sommet de notre trajectoire et enfin la prise de charge prend nos électrons sous tension et les collecte dans le condensateur collecteur de charge.

Immunité contre les interférences

Lorsque vous regardez la vidéo, vous verrez que malgré les interférences habituelles dans ma maison, le signal de sortie de l'appareil est stable et pratiquement sans bruit. Comment est-ce possible? Eh bien, je pense que c'est parce que le signal et les interférences ne vont pas séparément jusqu'à l'amplificateur comme dans le moulin de campagne classique. Dans ma conception, l'interférence affecte la charge collectée dès le moment où la connexion à la terre est perdue. Cela signifie que chaque échantillon est affecté d'une manière ou d'une autre par des interférences. Mais comme cette interférence n'a pas de composante continue tant qu'elle est symétrique, le résultat de l'interférence est toujours moyenné dans le condensateur collecteur de charge. Après suffisamment de tours de disque et d'échantillons introduits dans le collecteur de charge, la moyenne de l'interférence est nulle. Je pense que c'est l'astuce !

Étape 7: Tester

Après quelques tests, débogages et améliorations, j'ai installé le moulin sur le terrain avec mon ancien ordinateur portable win-xp dans mon grenier et j'ai effectué un test approximatif un jour. Les résultats ont été visualisés avec gnuplot. Voir le fichier de données joint "e-field-data.dat" et le fichier de configuration gnuplot "e-field.gp". Pour afficher les résultats, lancez simplement gnuplot sur votre système cible et tapez à l'invite > chargez "e-field.gp"

Voir l'image montrant les résultats. C'est assez remarquable. J'ai commencé la mesure le 2018-10-03 alors qu'il faisait beau et ciel bleu. Voyez que le champ électrique était assez fort et négatif, alors que nous devons faire attention car ce qui est "négatif" et ce qui est "positif" actuellement n'est pas raisonnablement spécifié. Nous aurions besoin d'un étalonnage de notre appareil pour l'aligner sur la physique réelle. Mais de toute façon, vous pouvez voir qu'au cours des cycles de mesure, l'intensité du champ a diminué parallèlement au temps qui a commencé à se détériorer et à devenir nuageux et pluvieux. J'ai été en quelque sorte étonné de ces découvertes, mais je dois encore vérifier si elles sont en corrélation avec la physique.

Maintenant c'est ton tour. Continuez et fabriquez votre propre moulin à champ électrique et explorez les secrets de notre planète au cours de votre propre quête ! S'amuser!

Étape 8: Collecte et interprétation des données

Maintenant que tout fonctionne (espérons-le) correctement, vous devriez collecter des données. Je recommanderais d'utiliser un endroit fixe pour le moulin de campagne. Sinon, les données seraient difficiles à comparer. Les paramètres du champ local peuvent varier considérablement d'un endroit à l'autre. J'ai configuré le moulin pour qu'il prenne une valeur de mesure toutes les heures. J'ai laissé tourner le moulin pendant environ 3 mois. Si vous jetez un œil aux graphiques présentant les données recueillies des mois de novembre 2018, décembre 2018 et janvier 2019, vous constatez des résultats remarquables.

Tout d'abord, vous pouvez voir que l'intensité du champ en novembre était simplement positive et est devenue négative à la fin du mois. Donc quelque chose de général a dû changer, probablement en fonction de la météo. Peut-être y a-t-il eu une baisse de température raisonnable. Ensuite, le signal moyen est resté négatif jusqu'à la fin du cycle de mesure. La deuxième chose est qu'il y a plusieurs pics dans le graphique du signal indiquant des changements de champ rapides qui ne durent que quelques minutes. Je ne pense pas que les changements d'atmosphère soient responsables de cela. Même le climat local comprend d'énormes masses de gaz et d'ions incorporés. De plus, les nuages, la pluie ou la neige ne changent généralement pas en quelques minutes. Je pense donc que l'influence humaine peut avoir causé ces changements soudains. Mais c'est aussi difficile à expliquer. Toutes les sources d'alimentation ne fournissent qu'une tension alternative. Cela ne compte pas pour les changements de courant continu que j'ai observés. Je soupçonne qu'il pourrait y avoir eu des processus de charge électrique par les voitures passant sur l'asphalte de la rue devant mon appartement. Pensable serait également des processus de charge causés par la poussière transportée par le vent et entrant en contact avec la façade de ma maison.