Een paar weken terug, op zondag 5 juni, was er onstuimig weer met mogelijk onweer voorspeld. Op het laatste moment besloot ik deze gelegenheid aan te grijpen om met de field mill een meting te doen.
Meting van half tien ’s ochtends tot elf uur ’s avonds. Na drie uur ’s middags kwam de dikkere bewolking en wisselde het veld sterk.
Er was hier uiteindelijk geen onweer, wel periodes met regen. Het blijkt dat ook niet-onweerswolken al sterk negatief geladen zijn, en de gaten daartussen een positief veld geven. Mijn achtertuin is vrij afgeschermd en het instrument keek hier vanaf 1m60 omlaag, tegen de regen. Dit maakt dat de kalibratie niet zal kloppen, de aangegeven waarde van een paar kilovolt per meter zal echter eerder te laag dan te hoog zijn.
De meetopstelling. De field mill kijkt omlaag en was ingepakt in dun aluminium, afgeplakt met alu tape. De blauwe/zwarte draad gaat naar de aardpen, de Macbook gebruikt voor het loggen was niet geaard.
De buienradar van die dag rond 15:00 uur. De buien schoven van uit het zuiden binnen. Er werd gemeten in Haarlem.
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 field mill.
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.
Schema van de field mill. Het meeste gebeurd in een Arduino.
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 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.
Kalibratie trap in de Arduino plotter. De treden zijn 1430 V/m.
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:
De scope uitgang bij een iets toenemend veld. Er werd hier een geladen PVC buis boven de mill gehouden.
