Field Mill. Laatste
wijziging
2016-05-30
In het kort:
Het is algemen bekend dat wij (de mensheid) op een magneet wonen. Veel minder bekend is dat we ook in de elektrische tegenhanger, het diëlectricum van een geladen condensator wonen. De Ionosfeer op ca. 50+ km hoogte is elektrisch geleidend en staat op een spanning van ca. +300 kiloVolt. Op grondnivo uit zich dat in een veldsterkte van ca. 200 Volt/meter bij mooi weer. Als er een onweersbui aan- of overkomt wordt die veldsterkte dramatisch anders.
Met een betrekkelijk eenvoudig zelf te maken instrumentje kun je die veldsterkte meten. Hier een beschrijving van zo'n ding en wat tips om op te letten als je het wilt gaan maken.
Een korte video van wat er op de oscilloscope te zien was. Video Tijdens Onweer Je ziet de polariteit van het veld omklappen.
Het onderste spoor is een synchronisatie signaal.
De kraakgeluiden komen uit een kleine middengolf transistor radio die niet op een station afgestemd was. Je hoort alleen de bliksem overslagen.
Inhoud:
Principe
Schema
Download
Indoor Unit
Calibratie
Enkele tips
Het principe van zo'n Field Mill is dat een elektrode beurtelings blootgesteld dan wel afgeschermd wordt aan/van het uitwendige E-veld. Dit levert een wisselspanninkje op dat vrij eenvoudig te meten is.
Eerst wat foto's. (klik op een foto voor een grotere versie)
In de weermast. Het gaat om dat doosje links, tamelijk onderaan. Het zit op pakweg 2 meter boven het platte dak van mijn schuur/werplaats/labo.
Bovenaan de mast zit wat van dat Alecta spul, het doosje lager aan de mast is een DCF77 antenne.
Hier van dichtbij. Deze kant wijst naar beneden. Het werkt ook als je deze kant naar boven laat kijken, maar dan regent 'ie vol.
Je ziet de wieken, gemaakt uit een plaatje zink op een aluminium poelie.
Daarachter de vergulde elektrodes op het printje. Die 8 sectoren zijn om-en-om verbonden met de differerentiële versterker.
Dat zwarte blokje bovenaan is een lichtsluisje om de fase van de wieken te kunnen detecteren.
Het lichtsluisje zit met de emittor-kant naar het printje, en met de sensor-kant buitenaan. Dat heeft twee voordelen, er valt minder gemakkelijk daglicht in de sensor, en het blok-signaal van de sensor koppelt minder gemakkelijk in op de toch wel gevoelige elektrodes.
Het printje met de elektronica. Onderaan bij de wiek het lichtsluisje.
En vanaf de binnenkant gezien. Het printje is dubbelzijdig, met een groundplane aan deze zijde, vooral bedoeld als afscherming van de elektrodes
Detail van de motor, met een contactveertje op de as. Dat is absoluuut nodig, want als het motortje draait ontstaat er in de lagers een oliefilmpje (dat is nu eenmaal de essentie van het smeren van lagers!) en dan raakt de as elektrisch geïsoleerd waardoor de wiek de buiten-potentiaal kan aannemen en het hele ding niet meer werkt. Het contactveertje is uit een afgedankt relais gesloopt.
Let er op dat je een motortje kiest dat deze mogelijkheid heeft.
De condensatortjes en varkens-snuitjes zijn meestal nodig om de storing van de commutator binnen de perken te houden.
Deksel met ring. De ring is gemaakt uit een schijf aluminium die ik toevallig had liggen (en is een beetje scheef uitgevallen).
Het schema van de outdoor unit.
De versterker is geheel differentiëel uitgevoerd, ook aan de uitgang. Dat voorkomt een hoop stoor-problemen.
Je kunt eigenlijk iedere quad opamp gebruiken, zeker als je de 500 Meg weerstanden wat lager neemt, dan speelt de input-bias-current minder een rol.
Neem wel een opamp met een hoge ingangs impedantie c.q. geringe input bias stroom, bijv. een J-fet ding.
De spanningsversterking is maar twee keer zoals je ziet, maar dat geeft genoeg signaal voor de meeste waarnemingen.
De 500 Meg weerstanden kunnen ook wel wat kleiner zijn, ik had toevallig zulke grote waardes in SMD uitvoering.
De connector is een RJ45 ding gemonteerd aan de achterzijde.
Het lichtsluisje wordt aangesloten aan R16 (de Led) en R17/R19 (de sensor). Het sync signaal dient een redelijk mooie blokgolf te zijn van 12 of 15 Volt.
Mogelijk moet je de weerstandswaarden iets wijzigen.
Het printje heeft afmetingen van 76 x 100 mm en kan dus met de Eagle-free versie gemaakt of bewerkt worden.
Het hier gebruikte motortje heeft bevestigingsgaten op 14.5 mm hartafstand.
Download de Eagle files, Schema, Board (mogelijk geeft je browser direct de inhoud weer, kies dan "opslaan als" en zet het ergens neer waar je het kunt terugvinden) Het zijn Eagle 6+ files, Eagle 5 of eerder kan ze niet lezen.
Voorlopig moet het ding gevoed worden met + en - 12 tot 15 Volt, en 2-of 3 Volt voor het motortje. Laat het motortje niet sneller draaien dan ca. 50 omw/seconde of ca. 200 Hz op de sync-output.
Een indoor-unit zal ik later beschrijven.
Calibratie
Je kunt de unit calibreren door 'm buiten op te stellen. Bij mooi weer - onbewolkt en geen onweerdreiging- heb je ongeveer +200 V/meter.
Wat nauwkeuriger kan het als je de unit naar een metaalplaat/rooster/aluminiumfolie laat "kijken" waar je een flinke DC-spanning op zet.
Hoe kom je aan een flinke DC-spanning? Neem een diode geschikt voor 800V of meer en sluit die aan op de fase van het lichtnet. Dat levert 400 Volt DC op. Met de metaalplaat op bijv. 50 cm afstand geeft dat 800V/m veldsterkte. Wees voorzichtig met zo'n opstelling, het gaat om levensgevaarlijke spanningen.
Mijn calibratie leverde op: 1300 V/m gaf 90 mVpp. Mooi weer conditie gaf ca. 20 mVpp
Het is niet gemakkelijk hyper-nauwkeurig te krijgen, maar besef dat je onder een onweersbui gemakkelijk 10 - 20 kV/m zult vinden, met plotselinge polariteitswisselingen als er een overslag plaatsvindt. (zet een middengolfradio'tje aan op een plek waar geen station zit en luister naar het kraken)
Een paar tips:
Laat de unit niet continue draaien. Het kost energie en het ding slijt, terwijl er de meeste tijd niets interessants te zien is.
Schakel 'm nu en dan even is, of als er onweer verwacht wordt. Luister naar de kraakgeluiden met een middengolf radio'tje.
Laat de unit om de paar dagen even draaien om te zien of alles nog OK is.
Laat de unit vanaf een paar meter hoogte naar beneden kijken naar een oppervlak dat niet gemakkelijk een elektrische lading aanneemt. Kale grond is het best. De unit en de mast waaraan 'ie hangt moeten geaard zijn.
Omhoogkijken of naar beneden kijken geeft geen omdraaien van de signaal polariteit! Denk daarover na, en dan begrijp je waarom.
De materialen die ik gekozen heb zijn mogelijk niet de beste i.v.m. corrosie en duurzaamheid. Suggesties voor verbetering zijn welkom.
Vermijd openingen in de behuizing. Spinnen en insecten vinden de kleinste gaatjes en gaan binnenin wonen.
Uit bepaalde bronnen heb ik begrepen dat er bij veldsterktes onder 20 kV/m geen gevaar voor een inslag is. Boven 50 kV/m wordt het gevaarlijk, ga dan naar binnen. De praktijk leert wel dat de veldsterkte snel kan veranderen.
(Dit is één van de nog niet goed opgeloste raadsels rond bliksem. Er kan een overslag plaatsvinden bij een veldsterkte die ver onder de verwachte doorslagspanning in lucht ligt: ca. 1kV/mm = 1 MV/m. Ik ben geen specialist op dit gebied, ik heb het ergens gelezen.)