Onlangs maakte ik een field mill, een meetinstrument voor elektrostatische velden. Hiermee kan men potentiaalverschil meten zonder dat er stroom loopt. De elektrische veldsterkte wordt gemeten in volt per meter.
De molen werkt door twee sets elektroden beurtelings af te dekken met een ronddraaiende, via een sleepcontact geaarde sluiter. Het verschijnen en verdwijnen van het elektrische veld voor de elektroden resulteert een wisselstroom in de ingangen van de voorversterkers. Beide signalen worden omgezet in een spanning, aangeboden aan twee adc kanalen van een Arduino en door synchrone detectie in de firmware omgezet in een meetwaarde.
Het synchroon samplen van twee kanalen in tegenfase zorgt voor een goede onderdrukking van ongewenste common-mode signalen zoals die van het lichtnet.
Oudere ontwerpen gebruiken na de voorversterker gewoonlijk een analoge synchrone detector, opgebouwd rond bijvoorbeeld een CD4066. De hier gekozen ‘moderne’ opzet lijkt goed te werken en kost wat minder hardware. Het geheel wordt gevoed uit de USB. De TL072 opamp wordt gevoed met + en – 10V door een kleine DC/DC converter.
De schakeling is opgebouwd als spin, onder op het PCB materiaal waar de molen zelf van gemaakt is. De motor is een vierdraads CPU fan. De tacho uitgang bleek direct juiste timing te hebben voor de synchrone demodulatie, mits de sluiter juist geplaatst wordt. De montage van de sluiter op de motor en voor de motor zijn 3D geprint.
De PWM ingang van de fan wordt continu laag gehouden, wat bij de 5 V voeding bij deze fan resulteerde in de minimale snelheid en een meetsignaal van ongeveer 15 Hz. De meetwaarden worden over 11 periodes gemiddeld.
De Arduino firmware is gedeeld op mijn Github.
De kalibratie vond plaats met een metalen plaat op een vaste afstand welke op een instelbare potentiaal gebracht werd door een 300 V labvoeding. Dit resulteerde na instellen in de firmware in onderstaand trapje. Hiebij was de molen steeds geaard via de aarde op de labvoeding. Omdat de Macbook geen aarde heeft en dus op 115 VAC zweeft is er in deze opstelling zonder aparte aarding alsnog vrij veel interferentie van het lichtnet.
De firmware beschikt als compile optie over een ‘scope’ modus voor gebruik met de Arduino plotter. Hierin wordt niet gemeten, maar worden enkel beide ingangssignalen en de tacho ingang (hier ‘rotor’ genoemd) tegelijk getoond.
Dit geeft gelijk een duidelijk beeld van de werking van de synchrone detectie:
