MERILNIK ELEKTROSTATIČNEGA POLJA Z ELEKTRIČNIM …
Transcript of MERILNIK ELEKTROSTATIČNEGA POLJA Z ELEKTRIČNIM …
Smetanova ulica 17
2000 Maribor, Slovenija
Gregor Pahor
MERILNIK ELEKTROSTATIČNEGA POLJA
Z ELEKTRIČNIM POLJSKIM MLINOM
Magistrsko delo
Maribor, Februar 2015
MERILNIK ELEKTROSTATIČNEGA POLJA Z ELEKTRIČNIM POLJSKIM
MLINOM
Magistrsko delo
Študent: Gregor Pahor
Študijski program: Študijski program 2. stopnje, Elektrotehnika
Smer: Elektronika
Mentor: doc. dr. Iztok Kramberger
Somentor: asist. dr. Marko Kos
Lektorica: Ksenija Pečnik, prof.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
ii
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
iii
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Iztoku
Krambergerju za prijaznost, koristne nasvete,
potrpežljivost in vodenje pri opravljanju
magistrskega dela. Prav tako se zahvaljujem
somentorju asist. dr. Marku Kosu.
Posebna zahvala velja staršem in dekletu, ki so mi
omogočili študij in me podpirali ter spodbujali na
vsakem koraku študija.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
iv
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
Ključne besede: električno polje, poljska jakost, merilni sistem, električni mlin,
zaslonka, mikroprocesor.
UDK: 632.118.2(043.2)
Povzetek
Na začetku magistrskega dela smo opisali zgodovino razvoja elektromagnetizma,
električno zgradbo Zemeljske atmosfere, električno polje v ozračju in globalni atmosferski
tokokrog. Ker naše delo temelji na merjenju jakosti električnega polja, smo opisali, kako se
električno polje spreminja z vremenom in višino ter kakšni so vplivi kozmičnih žarkov na
nastanek električnega polja. Sledi opis obstoječih meritev jakosti električnega polja in
osnovne zgradbe mlina električne poljske jakosti. Nato smo opisali mehansko zgradbo in
uporabljeno strojno opremo našega mlina. Vsak del vezja smo posebej razložili. Opisali
smo tudi uporabljeno programsko opremo. Prikazali smo še rezultate laboratorijskih in
okoljskih meritev.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
v
Electrostatics field gauge with electric field mill
Key words: electric field, field strength, measuring system, electric mill, shutter,
microprocessor.
UDK: 632.118.2(043.2)
Abstract
In the beginning of this master's thesis we described the history of how electromagnetism
was developed, electrical structure of Earth’s atmosphere, atmospheric electrical field and
global electrical circuit. Because our work is based on electric field strength measurement,
we described the variation of electric field with altitude and weather, and how the cosmic
rays affect the creation of electric field. We described known measurements of electric field
and the basic structure of electric field mill. Next we described the mechanical structure
and the hardware we used for our field mill. We explained the software we used on this
project and each part of the electrical circuit individually. Lastly, we showed the results of
laboratory and environment measurements.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
vi
VSEBINA
1. UVOD ............................................................................................................................ 1
2. Električno polje v ozračju .............................................................................................. 3
2.1 Zgodovina elektromagnetizma ............................................................................... 3
2.2 Električna zgradba atmosfere .................................................................................. 5
2.2.1 Ioni ................................................................................................................... 5
2.3 Električno polje ob zmernem vremenu ............................................................... 8
2.3.1 Tokovi zrak-zemlja ....................................................................................... 12
2.3.1 Spreminjanje tokov oz. električnega polja .................................................... 15
3 Globalni atmosferski električni tokokrog ..................................................................... 17
3.1 Fizično ozadje globalnega atmosferskega tokokroga ........................................... 18
4 Obstoječi instrumenti in meritve .................................................................................. 28
4.1 Merjenje električnega polja .................................................................................. 28
4.2 Mlin električnega polja ......................................................................................... 29
5 Izdelava mlina električne poljske jakosti ..................................................................... 31
5.1 Strojni del sistema ................................................................................................. 33
5.1.1 Napajanje ....................................................................................................... 33
5.1.2 Motor in krmiljenje ........................................................................................ 36
5.1.3 Obdelava vhodnega signala iz senzorske plošče ........................................... 37
5.1.4 Shranjevanje in prenos podatkov ................................................................... 46
5.1.5 Prikaz rezultatov na prenosnem modulu ....................................................... 47
5.1.6 Mikroprocesor ............................................................................................... 49
5.1.7 Uporabljena orodja za načrtovanje strojnega dela sistema ............................ 50
5.2 Programski del sistema ......................................................................................... 51
5.2.1 Glavni program .............................................................................................. 53
5.2.2 Program na prenosnem modulu ..................................................................... 60
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
vii
6 Meritve in rezultati ....................................................................................................... 62
6.1 Poraba ................................................................................................................... 62
6.2 Merjenje senzorske plošče .................................................................................... 62
6.3 Merjenje pasovno prepustnega sita ....................................................................... 64
6.4 Meritev usmerjanja signala ................................................................................... 67
6.5 Meritev električnega polja v laboratoriju in kalibracija mlina.............................. 68
6.6 Meritev električnega polja v okolici ..................................................................... 73
6.6.1 Merjenje gospodinjskih aparatov .................................................................. 73
6.6.2 Merjenje električnega polja pod 110 kV daljnovodom ................................. 74
6.6.3 Primer shranjevanja rezultatov meritev električnega polja na mikro SD
kartico 76
7 Sklep ............................................................................................................................. 77
8 Viri, literatura in priloge............................................................................................... 80
Priloga A .............................................................................................................................. 83
Priloga B .............................................................................................................................. 84
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
viii
Kazalo slik:
Slika 1: Proizvodnja ionov kot funkcija višine ...................................................................... 7
Slika 2: Prevodnost zraka kot funkcija višine (podatki iz rakete) ......................................... 8
Slika 3: Gerdienova prevodnostna naprava ........................................................................... 8
Slika 4: Električno polje ob zmernem vremenu v atmosferi ................................................. 9
Slika 5: Relativna porazdelitev atomov radona in pozitivnih ionov kot funkcija višine ..... 10
Slika 6: Električna energija, naboj in potencial v odvisnosti od višine ............................... 11
Slika 7: Učinek zrcalne slike ............................................................................................... 14
Slika 8: Diagram prikazuje Zemljo na sredini, ki je obkrožena z atmosfero, ionosfero, van
Allenovima pasovoma in magnetosfero, deformirano zaradi toka sončnega vetra ............. 18
Slika 9: Diagram, ki prikazuje tokove, ki potujejo navzgor v ionosfero in so jih generirale
nevihte; ionosfera je približno ekvipotencialna ploskev na +250 kV glede na Zemeljsko
površje (Markson, 1983) ..................................................................................................... 19
Slika 10: Diagram globalnega električnega tokokroga (odebeljeno) .................................. 20
Slika 11: Poenostavljen ekvivalentni tokokrog ................................................................... 23
Slika 12: Diagram tokov in ekvivalentno vezje................................................................... 25
Slika 13: Preprost model mlina električne poljske jakosti .................................................. 30
Slika 14: 4-kraka zaslonka ................................................................................................... 32
Slika 15: Senzorska plošča – elektrode ............................................................................... 32
Slika 16: Shema napajalnega vezja ..................................................................................... 33
Slika 17: Tiskanina napajalnega vezja................................................................................. 33
Slika 18: Napajanje na glavni tiskanini ............................................................................... 34
Slika 19: PWM krmilni signal ............................................................................................. 36
Slika 20: Krmilnik za brezkrtačne motorje ......................................................................... 37
Slika 21: Brezkrtačni motor ................................................................................................. 37
Slika 22: Funkcijska tabela multiplekserja .......................................................................... 38
Slika 23: Primer nizkopasovnega sita drugega reda ............................................................ 39
Slika 24: Shema vezja za obdelavo signala ......................................................................... 41
Slika 25: Pasovno prepustno sito 4. reda v simulatorju TINA ............................................ 44
Slika 26: Frekvenčni odziv pasovno prepustnega sita – simulacija .................................... 44
Slika 27: Usmerjevalni del vezja v simulatorju ................................................................... 45
Slika 28: Slika signala pred (zeleni signal) in za usmerjanjem (vijolični signal)................ 45
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
ix
Slika 29: Shema Bluetooth tiskanine z modulom HC-05 .................................................... 47
Slika 30: 3D-slika Bluetooth tiskanine ................................................................................ 47
Slika 31: Shema prenosnega modula ................................................................................... 48
Slika 32: 3D-zgled tiskanine modula................................................................................... 48
Slika 33: 3D-slika tiskanine z LCD-zaslonom .................................................................... 49
Slika 34: Shema z mikroprocesorjem na glavni tiskanini ................................................... 50
Slika 35: Ukazi in odgovori konfiguracije Bluetooth modula ............................................. 52
Slika 36: Diagram poteka glavnega progama ...................................................................... 53
Slika 37: Diagram poteka za zajem podatkov na analognem vhodu ................................... 56
Slika 38: Krmilni PWM-signal za ESC ............................................................................... 58
Slika 39: Diagram poteka na prenosnem modulu ................................................................ 60
Slika 40: Primer oblike zajetega signala pri napetosti na vitro plošči 875 V ...................... 62
Slika 41: Vhodni signal pred in po ojačenju........................................................................ 64
Slika 42: Polnovalno usmerjanje ......................................................................................... 67
Slika 43: Motnje na osi motorja pred (levo) in po ozemljitvi osi ........................................ 73
Slika 44: Primer podatkov (rezultatov), shranjenih na SD-kartici ...................................... 76
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
x
Kazalo tabel:
Tabela 1: Zajem polja na zaslonki ....................................................................................... 63
Tabela 2: Meritve ojačenja pasovno prepustnega sita ......................................................... 65
Tabela 3: Rezultati prvih meritev mlina električnega polja ................................................ 69
Tabela 4: Rezultati drugih meritev električnega polja......................................................... 70
Tabela 5: Meritve napetosti na vhodu mikroprocesorja ...................................................... 72
Tabela 6: Značilne vrednosti električne poljske jakosti električnih naprav na oddaljenosti
30 cm ................................................................................................................................... 73
Tabela 7: Meritve gospodinjskih aparatov .......................................................................... 74
Tabela 8: Meritev električnega polja pod 110 kV daljnovodom ......................................... 75
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
xi
UPORABLJENI SIMBOLI
µ – merska predpona mikro,
– matematična konstanta pi, pribl. 3,14159
k – matematična predpona kilo,
m – matematična predpona mili,
M – matematična predpona mega,
G – matematična predpona giga,
A – ojačenje
E – električna poljska jakost (V/m)
V – električni potencial (V)
I – tok (A ali mA)
Q – električni naboj (C)
Q – kakovost sita
– permeabilnost praznega prostora ( )
W – energija (J)
J – gostota toka
σ – atmosferska prevodnost
C – kapacitivnost
– polmer Zemlje, 6371 km
– časovna konstanta
– mejna frekvenca sita
– frekvenca vrtenja motorja
Vpp – napetost od vrha do vrha pri izmeničnem signalu (angl. peak to peak)
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
xii
UPORABLJENE KRATICE
A/D – oznaka za analogno digitalno pretvorbo
Coul. – Couloni, merska enota za naboj
GND – oznaka za maso (angl. ground)
LCD – zaslon s tekočimi kristali (angl. liquid crystal display)
LED – svetlobna dioda (angl. light emitting diod)
LiPo – litij – polimer baterija
LSB – najmanj utežen bit (angl. least significant bit)
MSB – najbolj utežen bit (angl. most significant bit)
NiCd – nikelj – kadmijeva baterija
PWM – pulzno-širinska modulacija (angl. pulse-width modulation)
RTC – ura realnega časa (angl. real time clock)
SPI – standard za sinhrono serijsko podatkovno povezavo elektronskih naprav (angl.
Serial Peripheral Interface Bus)
USART – univerzalni sinhroni/asinhroni sprejemnik/oddajnik (angl. Universal
Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter)
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
1
1. UVOD
Mlin električnega polja je elektromehanska naprava, ki meri jakost statičnega električnega
polja. Mlini električnega polja so namenjeni določitvi relativne moči električnega polja v
primerjavi z ravnijo električnega polja na poznanem in stabilnem referenčnem objektu brez
naboja. Objekt, ki se ga uporablja v mlinih električnega polja, je poznan tudi kot senzorska
ploskev ali merilna elektroda. Ko je senzorska ploskev brez naboja izpostavljena
električnemu polju, se naelektri z električnim nabojem. Mlini so načrtovani tako, da
določijo hitrost in raven te aktivnosti oz. procesa.
Električna polja so pogosto opisana in grafično predstavljena kot silnice ali
tokovnice. Te linije predstavljajo območje v prostoru, v katerem je prisotno polje, kot
posledica električne napetosti. Katerikoli predmet znotraj prostora električnega polja bo
zbiral električni naboj s hitrostjo, ki jo je moč izmeriti. Hitrost kopičenja električnega
naboja na teh objektih je neposredna meritev jakosti električnega polja. Meritve te hitrosti
so odvisne od jakosti električnega polja. Mlin električnega polja meri to hitrost nabiranja
naboja na senzorski plošči.
Ker se razmere konstantno spreminjajo, je treba nenehno meriti jakost električnega
polja, kar pomeni, da je treba izmenično prebrati naelektreno stanje senzorske plošče, jo
razelektriti in ponovno prebrati. To se mora ponavljati ves čas poteka meritve. To lahko
dosežemo tako, da ponovljivo izpostavljamo senzorsko ploskev zunanjemu električnemu
polju, da se napolni, jo potem prekrijemo z zaslonko in dovolimo senzorski plošči, da se
izprazni. Električni naboj, ki se nabere na senzorskih ploščah, je treba še ojačiti in ga
spremeniti v analogno napetost. Spremembe v opazovanih ravneh napetosti so sorazmerne
spremembam električnega polja v ozračju. Ko se napetostna raven poveča, se s tem poveča
tudi verjetnost nastanka strele v tem območju.
Proces izmeničnega izpostavljanja senzorske plošče pred električnim poljem se
doseže z vrtljivo zaslonko. Sestavlja jo motorno gnan komplementarni par rotorja in
statorja. Ko se motor vrti, se zaslonka odpre in spusti zunanje električno polje do senzorske
plošče. Nato se zaslonka prestavi v položaj, v katerem onemogoči zunanjemu električnemu
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
2
polju dostop do senzorske plošče in tako dovoli senzorski plošči, da se razelektri, ter jo
tako pripravi na naslednjo meritev. Hitrosti vrtenja zaslonke so različne, vendar pri višjih
hitrostih dobimo kot rezultat večjo napetost kot posledico hitrejšega zajema naboja na
senzorski plošči.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
3
2. Električno polje v ozračju
Atmosferična električnost je vzorec električnih nabojev v atmosferi Zemlje (ali manj
pogosto – v atmosferi drugega planeta). Normalno pomikanje električnega naboja po
površju Zemlje, različni sloji atmosfere in še posebej ionosfera so združeno imenovani
globalni električni tokokrog. Veliko razlogov, ki so potrebni za razlago teh tokov, leži v
elektrostatičnem polju in tudi v razumevanju ostalih disciplin zemeljskih znanosti.
2.1 Zgodovina elektromagnetizma
Vžigalne iskre, ki jih proizvedejo električni stroji, so pripomogle k zgodnjim
eksperimentom in zaključkom Hauksbeeja, Newtona, Walla, Nolleta in Graya, da so strele
in grmenje posledica električne razelektritve. Leta 1708 je bil dr. William Wall eden izmed
prvih, ki je opazoval, da se iskra razelektri podobno kot miniaturna strela, po opazovanju
isker iz naelektrenega kosa jantarja [18].
V sredini 18. stoletja je eksperiment Benjamin Franklina pokazal, da električni fenomen
atmosfere v osnovi ni bistveno drugačen kot tisti, ustvarjen v laboratoriju. Do leta 1749 je
opazoval, da ima strela skoraj vse lastnosti, ki jih lahko opazujemo tudi v električnih
strojih [18].
Julija leta 1750 je Franklin postavil hipotezo, da lahko električnost potegnemo iz oblakov s
pomočjo kovinskih anten z zašiljeno konico. Preden je Franklin lahko izvedel svoj
eksperiment, je Thomas Francois Dalibard leta 1752 postavil 12 m visoko železno palico v
Marly-la-Ville, blizu Pariza, ki je k sebi pritegnila iskre iz mimoidočih oblakov. K ne
ozemljeni anteni bi izvajalec eksperimenta lahko prinesel ozemljeno žico z držalom iz
voska in bi lahko opazoval, kako se iskre praznijo iz antene na žico. Maja leta 1752 je
Dalibard potrdil, da je bila Franklinova teorija pravilna [18].
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
4
Franklin je navedel naslednje podobnosti med elektriko in strelo:
proizvedeta svetlobo podobne barve,
hitro gibanje,
prevajanje prek kovin, vode in leda,
topljenje kovin in vžiganje vnetljivih snovi,
vonj po žveplu (ki je poznan, da nastane zaradi ozona),
namagnetenje konic,
podobnost med požarom St. Elmo in svetlobo razelektritve.
Okoli leta 1752 je Franklin izvedel svoj znani eksperiment z zmajem. Ta eksperiment je
ponovil tudi Romas, ki je iz kovinske vrvi vlekel iskre, ki so bile dolge 2,7 m, in tudi
Cavallo, ki je naredil veliko pomembnih opazovanj atmosferične električnosti. L. G.
Lemonnier (1752) je prav tako ponovil Franklinov eksperiment z anteno, le da je zamenjal
ozemljeno žico s prašnimi delci (preverjal je privlačnost). G. Beccaria (1775) je potrdil
Lemonnierjeve podatke o dnevnih nihanjih in določil, da je polariteta naboja atmosfere ob
lepem vremenu pozitivna. H. B. Saussure (1779) je posnel podatke, ki se nanašajo na
prevodnikov induciran naboj v atmosferi. Saussurejev instrument (ki je vseboval dve mali
vzporedno viseči sferi na tankih žičkah) je bil predhodnik elektrometra. Saussure je odkril,
da ima zmerno (lepo) vreme tudi letna nihanja. Prav tako je ugotovil, da se pojavljajo
variacije z nadmorsko višino. Leta 1785 je Coulomb odkril električno prevodnost zraka.
Njegovo odkritje je bilo v nasprotju z mišljenjem v tistem času, da so plini v atmosferi
izolatorji (kar sicer so, ampak le v določeni meri oz. so slabi prevodniki, kadar niso
ionizirani). Njegova raziskava je bila v celoti ignorirana. P. Erman (1804) je podal teorijo,
da je Zemlja negativno nabita. J. C. A. Peltier (1842) je testiral in tudi potrdil Ermanove
trditve. Lord Kelvin (okoli 1860) je predlagal, da pozitivni naboj atmosfere razloži pogoje
lepega vremena, in kasneje prepoznal obstoj električnih polj v atmosferi [1].
V naslednjem stoletju so z uporabo idej Alessandra Volta in Francis Ronalda veliko
prispevali k naraščajočem telesu znanja o električnih fenomenih atmosfere. Z iznajdbo
prenosnega elektrometra in vodo-kapljičnega kondenzatorja Lorda Kelvina v 19. stoletju je
bila uporabljena večja natančnost za pridobivanje rezultatov. Proti koncu 19. stoletja je
prišlo odkritje W. Linssa (1887), da še najboljše izolirani prevodniki izgubijo svoj naboj,
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
5
kot je to pred njim odkril Coulomb, in da je izguba odvisna od pogojev v atmosferi. H. H.
Hofferert (1888) je identificiral posamezne udare strele z uporabo zgodnjih fotoaparatov in
to dokumentiral v »Intermittent Lightning Flashes«. J. Elster in H. F. Geitel, ki sta prav
tako delala na termoelektronskih emisijah, sta predstavila teorijo za razlago električne
strukture neviht z grmenjem in s strelami ter sta kasneje odkrila še atmosferično
radioaktivnost (1899). Do takrat je bilo že jasno, da so prosto gibajoči pozitivni in
negativni ioni vedno prisotni v atmosferi in da lahko izmerimo sevanje. F. Pockels (1897)
je ocenil intenzivnost toka strele na podlagi analiz strele in bazalta (1900) ter raziskoval
ostanke magnetnega polja [1].
Z uporabo Peltierjevega elektrometra je Luigi Palmieri raziskoval električnost atmosfere.
Nikola Tesla in Hermann Plauson sta raziskovala produkcijo energije in moči prek
električnosti atmosfere. Tesla je prav tako predlagal, da bi za brezžičen prenos električne
energije na velike razdalje uporabili električnost atmosfere. Poljska polarna postaja
Hornsund je raziskovala magnitudo zemeljskega električnega polja in odkrila njegovo
vertikalno komponento. Odkritja glede električnosti v atmosferi prek občutljivih
električnih instrumentov in ideje, kako se Zemljin negativni potencial ohranja, so se
razvijale še skozi 20. stoletje. Čeprav je bilo veliko opazovanja v vejah električnosti
atmosfere, se ta znanost ni razvila v velikem merilu. Do tega dne električnost atmosfere še
ni bila uporabljena za industrijsko napajanje [1].
2.2 Električna zgradba atmosfere
2.2.1 Ioni
Obstoj ionov v atmosferi je temeljni razlog za električnost atmosfere. Odsotnost ionov bi
pomenila ničelno električno polje v atmosferi in zelo verjetno tudi nič neviht s strelami in
grmenjem. Koncept pozitivno in negativno nabitih ionov kot nosilcev elektrine v atmosferi
sta prvič predstavila J. Elster in H. Geitel (1899) z namenom razlage električne prevodnosti
zraka. Veliko dela je bilo opravljenega od takrat na ionih in njihovem pomenu pri
fenomenu električnosti atmosfere. Danes poznamo tri vrste ionov; male ione, srednje ione
in velike ione. Najpomembnejši so mali ioni, saj imajo zaradi večje mobilnost tudi večjo
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
6
vlogo pri prenosu naboja v atmosferi. Mobilnost ionov se lahko meri v metrih na sekundo
na volt na meter, kar označuje hitrost, ki jo bo ion dosegel, če ga bo privlačilo polje
velikosti enega volta na meter. Za male ione je mobilnost reda 0,0001 z majhno razliko
med pozitivnimi in negativnimi ioni. Potrjeno dejstvo je, da je mobilno razmerje med
negativnimi in pozitivnimi ioni okoli 1,25 (Wahlin 1985), kar je paradoks, saj smatramo,
da so negativni ioni masivnejši od pozitivnih. Ena razlaga (Papoular, 1965) predstavlja, da
je negativni ion del življenjskega časa v resnici elektron, ki skače iz molekule na molekulo.
Molekule, kot so NO in NO2, so predstavljene kot dominantne s populacijo majhnih
negativnih ionov, medtem ko naj bi kisik in voda predstavljala pozitivne ione v atmosferi.
Njihova resnična molekularna struktura in masa nista dobro poznani, ker je zelo težko
narediti spektroskopsko analizo mase malih ionov v nižji atmosferi. Problem je v njihovi
življenjski dobi, ki znaša le okoli 100 sekund, kar je precej manj, kot je potrebno za
tranzitni čas, da molekule ali ioni dosežejo izvor analizatorja mase [11].
Ionizacijo v nižji atmosferi v veliki večini povzročita kozmično sevanje in naravna
radioaktivnost. Ioni se prav tako proizvajajo v in blizu nevihtnih oblakov s strelami in
procesom corone. Kozmični valovi izvirajo iz sončnih neviht in drugih galaktičnih
objektov, kot so supernova in eksplodirane zvezde. Ali zvezdni pojavi vplivajo na življenje
na Zemlji? Vemo, da so kozmični valovi daleč največji proizvajalci ionov v nižji atmosferi
in če nevihtni oblaki potrebujejo ione za hranjenje, da se naelektrijo, je zagotovo, da ne bi
imeli neviht s strelami in grmenjem, če kozmični valovi ne bi obstajali. Pradavni ljudje ne
bi imeli dostopa do ognja in izognili bi se več tisoč smrti, ki jih vsako leto povzročijo
ognjeni zublji [11].
Kozmično sevanje izvira globoko iz vesolja in je po navadi sestavljeno iz atomov z zelo
visoko hitrostjo, ki so bili odtrgani iz orbite njihovih elektronov. V vesolju so prisotni tudi
elektroni, ki se gibljejo s skoraj svetlobno hitrostjo, ampak ti delci se po navadi absorbirajo
že visoko v Zemljini atmosferi. Kakorkoli, težko kozmično sevanje prodre atmosfere in
zelo pogosto doseže površje Zemlje. Med takim procesom se proizvede veliko sekundarnih
elektronov (elektronske prhe) skupaj z njihovo potjo, ki nastane zaradi ionizacije molekul
v atmosferi. Sekundarni elektroni lahko sami ionizirajo velik del molekul, predno se
upočasnijo, in se pritrdijo na molekule v atmosferi ter tako tvorijo negativne ione. Rezultat
tega je, da je lahko en kozmični delec odgovoren za kreiranje tudi do bilijon ionskih parov.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
7
Slika 1 prikazuje stopnjo proizvajanja ionov zaradi kozmičnega sevanja kot funkcije višine
(Wahlin 1994) [11].
Slika 1: Proizvodnja ionov kot funkcija višine
Povprečna produkcija ionov na nadmorski višini morja je približno deset milijonov ionskih
parov na kubični meter na sekundo. Kakorkoli, povprečna populacija ionov v kateremkoli
času je skoraj stokrat večja in mobilnost ionov z višino, ko je zrak redkejši, ima drastičen
učinek na električno strukturo atmosfere. Tipični podatki o prevodnosti kot funkciji višine
so prikazani na sliki 2. Prevodnost zraka je obratno sorazmerna določeni upornosti in je
običajno merjena z Gerdienovim cilindrom (Gerdien 1905). Gerdienova naprava je
sestavljena iz cilindra z elektrodo, ki je pritrjena koaksialno (slika 3). Zrak je doveden
skozi cilinder s hitrostjo nekaj metrov na sekundo s pomočjo ventilatorja. Centralna
elektroda je priključena na nekaj voltov prek zelo občutljivega elektrometra. Količina toka,
prikazana na elektrometru, je enaka količini ionov na enoto volumna zraka. Paziti je treba,
da na notranjo elektrodo ne pripeljemo preveč napetosti z razlogom, da se izognemo toku
zasičenja. Pravilno kalibriran cilinder lahko razbere tako pozitivno kot negativno
prevodnost zraka, odvisno od polaritete napetosti, dovedene na elektrodo [11].
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
8
Slika 2: Prevodnost zraka kot funkcija višine (podatki iz rakete)
Slika 3: Gerdienova prevodnostna naprava
2.3 Električno polje ob zmernem vremenu
Električno polje ob zmernem vremenu, ki sta ga odkrila Lemonnier in Beccaria, je skoraj v
celoti posledica višje koncentracije pozitivnih ionov kot negativnih ionov v atmosferi.
Polje ob zmernem vremenu je najbolj razumljivo, če predvidevamo, da je Zemljino površje
vpilo določeno količino negativnih ionov iz populacije ionskih parov v atmosferi. To
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
9
ustvari rahel presežek negativnih ionov na površju Zemlje z enakim presežkom pozitivnih
ionov, ki so ostali v atmosferi [11].
Slika 4: Električno polje ob zmernem vremenu v atmosferi
Če si predstavljamo, da bi vsaki zajeti naboj na površini Zemlje ustvaril linijo električnega
polja, ki more nasprotovati višku pozitivnih ionov, ki so ostali v atmosferi, dobimo dokaj
natančno sliko električnega polja v atmosferi (prikazano na sliki 4). Presežek pozitivnih
ionov je bolj ali manj uniformno porazdeljen v spodnjih 3 km atmosfere, ki jo meteorologi
imenujejo »Austauch« ali mešalna regija. Mešanje je spodbujeno s konvekcijo in vrtinčno
difuzijo in ionska porazdelitev sledi mešalnim vzorcem drugih sestavnih delcev v
atmosferi, kot je na primer radon. Radon je radioaktivni plin, ki ga izloča Zemljino površje
in ga konstantno spušča v atmosfero [11].
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
10
Slika 5: Relativna porazdelitev atomov radona in pozitivnih ionov kot funkcija višine
Slika 5 prikazuje vertikalni profil porazdelitve presežnih pozitivnih ionov v primerjavi s
tistimi iz radonovega plina. Distribucija pozitivnih ionov je določena z meritvami
električnega polja pri različnih višinah in z uporabo Poissonove enačbe. Profil radona je bil
izmerjen s pomočjo prosto letečih radioaktivnih števcev, ki zaznajo snovi, nastale pri
razkroju radona [11].
Število črt polja na enoto površine površja, proizvedeno s pozitivnim nabojem ali nabojem
vesolja nad zemeljskim površjem, je prav tako meritev moči električnega polja. Očitno
doseže električno polje maksimalno jakost na zemeljskem površju, ker vsebuje največje
število linij polja na enoto površine. Povprečna jakost električnega polja na zemeljski
površini znaša okoli 100 voltov na meter in se zmanjša na 10 voltov na meter na višini
3 km. Če enka integrira električno polje kot funkcijo višine, enka vsebuje celotno razliko
potenciala V na različnih višinah. Tipična vrednost V na 3 km je 200 kV glede na
zemeljsko površje. Celotni naboj Q na zemeljskem površju je:
(2.1)
kjer je:
Q … naboj na zemeljskem površju,
A … površina površja na Zemlji,
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
11
E … jakost električnega polja na površini,
… permeabilnost praznega prostora ( ).
Celotna energija polja ob zmernem vremenu je:
, (2.2)
kjer je:
W … energija,
V … električni potencial,
Q … električni naboj.
Slika 6 prikazuje potek celotne energije, naboja in potenciala v atmosferi kot funkcija
višine. Več kot 90 % energije je zgoščene pod 3 km, kar skupaj s porazdelitvijo naboja iz
slike 5 nakazuje na to, da konvekcija in vrtinčna porazdelitev igrata prevladujočo vlogo pri
porazdelitvi električnega polja v zmernem vremenu in da je obseg energije električnega
polja porazdeljen čez celotno mešalno regijo, ki se imenuje »Austauch Generator«
(izmenjevalni generator) (Kasemir, 1950) [11].
Slika 6: Električna energija, naboj in potencial v odvisnosti od višine
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
12
Eno pomembno vprašanje pa ostaja neodgovorjeno. Kaj povzroči pozitivni naboj v
atmosferi in kako se nasprotni negativni naboj ohranja na zemeljski površini? Na ta
odgovor imamo dva pogleda različnih znanstvenikov. Prva trditev je, da nevihte z
grmenjem in s strelami po vsem svetu nabijejo sistem zemljine atmosfere (Wilson 1929).
Druga teorija, ki jo je predlagal Lars Wåhlin (1973), pa je sestavljena iz elektrokemičnega
učinka kot polnilnega mehanizma, kjer so negativni atmosferični ioni prednostno zajeti z
zemeljskim površjem, pri tem pa pustijo prostorski naboj pozitivnih ionov v atmosferi.
Obe teoriji lahko potrjujejo dokazi malega sistematičnega dnevnega nihanja v polju
zmernega vremena, ki naj bi bil povezan z aktivnostjo konvekcije v atmosferi po vsem
svetu [11].
2.3.1 Tokovi zrak-zemlja
Kot je že bilo omenjeno, je atmosfera prevodna in Zemljin električni potencial ali polje
mora povzročiti tok, ki teče v atmosferi. Ker se presežek pozitivnih ionov nahaja v
atmosferi in se nasprotujoči negativni ioni zadržujejo na Zemljini površini, mora naboj teči
v smeri proti Zemlji v obliki pozitivnega ionskega toka [11].
Neposredne meritve električnega toka v atmosferi so zelo težke ali celo nemogoče, zato so
vrednosti ionskega toka pri različnih višinah skoraj vedno izračunane posredno iz
prevodnosti in podatkov o električnem polju prek Ohmovega zakona. Neposredne meritve
toka je mogoče izvesti, ampak le na delu površju Zemlje, z izolacijo dela površja in
merjenjem zbranega naboja skozi čas. Uporabljenih je lahko več metod (Wilson 1906,
1916, Simpson 1910, Mühleisen 1953 in Kesmir 1951), ampak skoraj v vseh primerih da
posredna meritev toka skoraj dvakrat večjo vrednost kot neposredna meritev (Lutz 1939,
Israel 1954). Whiplle (1932) je pokazal, da je možno neskladnost med tokovi razložiti z
dejstvom, da vedno obstajata konvekcija in vrtinčenje v atmosferi, kar mehansko pomakne
naboj navzgor v atmosferi in s tem generira mehanski ali konvekcijski tok v obratni smeri
prepustnega toka (Austauch generator). Kot bo kasneje razloženo, bo vprašanje, ali sta
konvekcijski tok in prepustni tok v povprečju enaka, ključno za elektrokemijsko nabojno
teorijo in je problem, ki še ni bil razrešen [11].
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
13
Iz neposrednih meritev toka ni mogoče oceniti celotnega toka ob zmernem vremenu čez
vso Zemljo, da bi ta znašal skoraj 2000 amperov, kar se potem nanaša na tokovno gostoto
približno amperov na kvadratni meter. Drugi mehanizmi prenosa naboja v
atmosferi, ki so še pomembni, so točke razelektritve, tok med padavinami in razelektritve s
strelo [11].
Tokovi točkovne razelektritve
Težko je določiti celotni naboj, ki je doveden na zemeljsko površje prek toka točkovnih
razelektritev pod elektrificiranimi oblaki. Wormwll (1930) je naredil ocene tega, kolikšna
količina naboja je prevedena dol prek ene same točke v periodi 4 let. Ocenil je, da celotni
tok točkovne razelektritve okoli sveta dovede na zemeljsko površje negativni naboj s
stopnjo 1500 amperov, kar znaša približno 75 % celotnega toka ob zmernem vremenu.
Drugi raziskovalci so podali drugačne trditve, a noben ni navedel manj kot 25 % celotnega
toka. Izvor toka na točkovnih razelektritvah so naelektreni oblaki, ki dovedejo naboj na
zemljo s pomočjo strele. Tok točkovne razelektritve je v določeni meri uničen z veliko
količino pozitivnih udarov strel na zemljo in tako prek pozitivnega naboja dosežejo
zemeljsko površje s padavinami [11].
Tokovi pri padavinah
Električnost prek padavin je igrala veliko vlogo pri raziskav atmosfere, ker so verjeli, da je
nabijanje (naelektritev) delcev padavin v neki meri povezano s tem, ali je mehanizem
naelektritve aktiven v oblakih. Paradoks je, da to ni zmeraj res, saj je končni naboj dežne
kaplje določen s prostorom med oblakom in zemljo in ima običajno drugačen naboj kot
oblak, iz katerega je prišla. Ta nenavaden fenomen je poimenovan učinek zrcalne slike in
je prikazan na sliki 7 z dvema krivuljama, ki prikazujeta spremembo v jakosti električnega
polja in količino naboja, ki prek padavin doseže površje kot funkcija časa [11].
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
14
Slika 7: Učinek zrcalne slike
Iz slike 7 lahko vidimo, da ko električno polje postane negativno (negativni naboj v
bazi oblaka), postane tok padavin pozitiven in obratno. Kot je izpostavil Chalmers,
potrebuje kapljica nekaj minut, da pade z oblaka na zemljo. Ker se naboj padavin spremeni
z gradientom potenciala pod oblakom, mora pomeniti, da kapljica prav tako obdrži svoj
končni naboj pod oblakom ali zelo blizu tal. Elektrokemični naelektritveni proces lahko
razloži učinek zrcalne slike, če predvidevamo, da na razmerje med pozitivnimi in
negativnimi ioni blizu površja vpliva električno polje pod oblakom. Druga razlaga učinka
zrcalne slike je Wilsonov naelektritveni mehanizem. Naelektritveni mehanizem temelji na
tem, da dežne kapljice postanejo električno polarizirane, ko vstopijo v električno polje, kot
je na primer pod elektrificiranim oblakom. Negativni naboj od oblaka bo induciral
pozitivni naboj na zgornjem delu kapljice, na spodnjem delu pa se bo naredil negativen
naboj iz induciranega pozitivnega naboja na zemlji. Skupni seštevek naboja na kapljici pa
bo ostal nič. Ko kapljica pada skozi ionizirano območje pod oblakom, naj bi skupaj
nabirala pozitivne ione z negativno nabitim spodnjim delom. Izračuni pa so pokazali, da je
Wilsonov mehanizem neprepričljiv za količino naboja, ki ga običajno zberejo kapljice. V
nasprotju z dežjem, so tokovi, ki jih do zemlje privedejo snežne padavine, običajno
negativnega potenciala med (Chalmers 1956). Skupni tok zaradi padavin okoli
Zemlje naj bi znašal +340 amperov [11].
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
15
Tokovi strele
Naboj, ki ga na površino Zemlje privedejo strele, je ocenjen na povprečje –340 amperov,
kar bi lahko izničilo tok zaradi padavin. Moramo se spomniti, da srednji tok –340 amperov
predstavlja presežek negativnega naboja nad pozitivnim, ki doseže tla prek strele in
razmerje med negativnimi in pozitivnimi strelami znaša okoli 10:1. Povprečni tok pri
negativnem udaru strele znaša okoli 25.000 amperov, povprečni naboj pa le okoli 25 Coul.
Pozitivno nabite strele, ki udarijo v tla, nosijo po navadi 10-krat več naboja kot negativne
strele, čeprav jih negativne številčno prekašajo – 10:1. Razmerje med pozitivnimi in
negativnimi strelami se spreminja glede na položaj v svetu [11].
V vsakem trenutku naj bi bilo aktivnih vsaj 2000 neviht s strelami in grmenjem, kar v
celem dnevu znese na 50.000 neviht [11].
2.3.1 Spreminjanje tokov oz. električnega polja
Bilo je veliko različnih spekulativnih domnev, ki se nanašajo na poldnevne meteorološke
periode, vendar so bile po navadi drugotnega pomena. Kot glavni razlog lahko jasno
navedemo številne kompleksne procese, ki so posledica termodinamičnega kroženja.
Mislimo, da lahko z dovolj izkušnjami in formulami za to področje pridelamo dovolj
drugih podatkov, ki se nanašajo na aktivnosti na ravni atoma in pod njim, ki so pomembni
za razlike temeljnih poimenovanj in njihove različne derivate [1].
Dnevne spremembe, ki jih zaznamo z dnevnimi kazalniki (med lepim vremenom), so
pokazale dva maksimuma, ki sta približno 12 ur narazen, in dva minimuma, ki sta bila
poleti okoli 9 ur narazen. Maksimumi se delno ujemajo s spreminjanjem temperature,
minimumi pa s konstantno temperaturo [18].
Električnost atmosfere, gledana na splošno, doseže svoj maksimum januarja in potem
progresivno pada do junija, ki predstavlja minimum, nato spet narašča do konca leta.
Razliko med maksimumi in minimumi se dosti bolj občuti med mirnim vremenom kot med
oblačnim. Med različnimi meseci je električnost zraka veliko močnejša v mirnem vremenu
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
16
kot takrat, ko je oblačno, razen v mesecu juniju in juliju, ko električnost doseže svoj
maksimum in njena velikost ostane enaka ne glede na to, kakšno je vreme [8].
Električna intenziteta, opazovana med meglo, ima skoraj enako vrednost, kot če jo
opazujemo med sneženjem. Ta vrednost je zelo visoka in sovpada s srednjo vrednostjo
maksimuma, opazovano v začetnih in končnih mesecih leta. Zelo zanimivo dejstvo, ki so
ga odkrili pri nedavnih opazovanjih, je, da vlaga deluje drugače v toplih in mrzlih mesecih;
dvigne električnost v zimskih mesecih in jo zmanjša v poletnih mesecih. Temeljno dejstvo
je, da vlaga deluje v dveh različnih načinih, učinku, ki je nagnjen k temu, da nasprotuje
drugemu. Na eni strani lajša pobeg električnosti, nabrani v zgornjih plasteh atmosfere, v
sloj, kjer so bila narejena opazovanja; na drugi strani pa lajša pobeg električnosti, ki jo
plast poseduje, v zemljo. Na eni strani torej poveča intenziteto električnega manifesta
instrumenta, na drugi strani pa ga zmanjša [8].
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
17
3 Globalni atmosferski električni tokokrog
Ena izmed prvih in verjetno tudi najbolj znanih demonstracij ponovljivih variacij z
Universal Time je povprečna urna krivulja gradienta električnega potenciala v nižji
atmosferi, ki je bila pridobljena na svetovnih oceanih na Carnegie križarjenjih. Te krivulje
so dolgo služile kot de facto standardi, s katerimi so primerjali poskuse meritev variacij
električnih značilnosti atmosfere blizu zemeljskega površja po vsem svetu [13].
Hipoteza nevihtnega generatorja, predlagana od Wilsona (1920), je temeljila na njegovih
opazovanjih, da se pod nevihtnimi oblaki negativni naboj prenese na Zemljo in pozitivni
naboj nad nevihtnimi oblaki v zgornjo atmosfero. Naknadna ugotovitev je bližnja
korelacija med dnevnimi variacijami toka generatorja nevihte (ki je predstavljen kot
frekvenca pojavov neviht) in bremenskim tokom (ki je predstavljen s površinskim
električnim poljem ob zmernem vremenu ali z gostoto toka zrak-zemlja), integriranim po
površini Zemlje [13].
Z upravljanjem meritev v regijah, v katerih so dnevne variacije atmosferične prevodnosti
majhne, z izločevanjem podatkov, zbranih med periodami lokalnih meteoroloških vplivov
in s povprečenjem, da se znebimo razlik med variacijami globalnih nevihtnih aktivnosti,
dobimo dnevno krivuljo z vrhom nekje pri 18 UT in minimum blizu 03 UT ter z razponom
približno 30 % srednje vrednosti. To je poznano kot globalno dnevno nihanje »ob
zmernem vremenu« ali tudi kot »Carnegiejeva krivulja«. Bering (1995) daje celovito
razlago za napredna odkritja v zadnjem času na tem področju [13].
Ljudje postajajo vedno bolj zaskrbljeni zaradi sprememb – tako naravnih kot tudi
antropogene – v zemeljskem okolju. Velika mera pozornosti je namenjena atmosferi, ne le
troposferi, ki je območje zemeljskega podnebja in vremena, ampak tudi stratosferi, ki se
nahaja nad troposfero, kjer se nahaja ozonska plast. Spomladansko antarktično izčrpavanje
ozona, tako imenovana ozonska luknja, je najbolj pogost primer. Spremembe višje v
atmosferi, v mezosferi, termosferi in ionosferi so lahko tudi pomembne [13].
Kako atmosferična električnost vpliva na človeka in njegove tehnološke sisteme? Se naše
električno okolje močneje spreminja kot rezultat onesnaževanja zraka, izpuščanja
radioaktivnih delcev, gradnje visokonapetostnih daljnovodov in drugih aktivnosti ali
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
18
vplivov energetsko nabitih delcev v atmosferi? Jasno je, da lahko na napredek moderne
tehnologije vplivajo različni električni procesi v atmosferi ali v vesolju in tudi to, da človek
začenja vplivati na električno okolje, v katerem biva [13].
3.1 Fizično ozadje globalnega atmosferskega tokokroga
Atmosferska električnost igra različne vloge v sistemu, ki ga predstavljata zemeljska
atmosfera in okolje bližnjega vesolja. Prevodnost atmosfere ob zmernem vremenu blizu
površja Zemlje je reda velikosti in se povečuje skoraj eksponentno z višino do
60 km, s skalo reda velikosti 7 km. Nosilci naboja blizu 60 km so mali pozitivni in
negativni ioni, ki jih primarno ustvari kozmično sevanje. Nad 60 km postanejo kot nosilci
elektrine bolj pomembni prosti elektroni in njihova visoka mobilnost naraste s
prevodnostjo skozi mezosfero. Nad 80 km višine prevodnost postane neizotropična zaradi
geomagnetnega polja in tam so tudi dnevna nihanja zaradi vpliva procesa solarne
fotoionizacije. Prikaz celotnega sistema je viden na spodnji sliki, ki prikazuje jedro Zemlje,
obkroženo z atmosfero, ionosfero, van Allenovima pasovoma in zaradi sončnega vetra
deformirano magnetosfero [13].
Slika 8: Diagram prikazuje Zemljo na sredini, ki je obkrožena z atmosfero, ionosfero, van Allenovima pasovoma
in magnetosfero, deformirano zaradi toka sončnega vetra
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
19
Območje za atmosfersko električnost je električno izolativna koncentrična lupina med zelo
prevodno Zemljo in zelo prevodno ionosfero. To je obkroženo z magnetosfero. Slika 10
(Marskon 1978) prikazuje, da predvidevamo, da je globalni električni tokokrog napajan s
tokovi, ki potujejo navzgor, povzročeni od nevihtnih oblakov, 1000 takih tokov je okoli
oble ob vsakem času. Pojavijo se predvsem na malih višinah, preko tropske kopenske
mase, v lokalnem popoldnevu in večeru. Bolj energetsko močne nevihte segajo višje v
atmosfero [13].
Že več kot dve stoletji je znano, da so trdi in tekoči del Zemlje kot tudi njena atmosfera
skoraj trajno elektrificirani. Površje je negativno nabito, nad površjem pa je po celotni
atmosferi razporejen enak in nasproten pozitiven naboj. Električno polje ob zmernem
vremenu po navadi znaša od 100 do 300 V/m blizu površine; obstajajo dnevna, sezonska in
ostala časovna nihanja jakosti polja, ki so odvisna od različnih dejavnikov. Atmosfera ima
končno prevodnost, ki pa se veča z višino; ta prevodnost se v glavnem ohranja z ionizacijo,
ki jo povzročajo kozmični žarki. Polje blizu površja Zemlje je dovolj močno, da lahko
razbije katerokoli polje v 5–40 min. (odvisno od onesnaženja); zato se mora lokalno
električno polje obnavljati s skoraj neprekinjenim tokovnim izvorom [13].
Slika 9: Diagram, ki prikazuje tokove, ki potujejo navzgor v ionosfero in so jih generirale nevihte; ionosfera je
približno ekvipotencialna ploskev na +250 kV glede na Zemeljsko površje (Markson, 1983)
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
20
Glede na klasične slike atmosferske električnosti skupno delovanje vseh neviht, v
kateremkoli času nabije ionosfero do več sto tisoč voltov glede na zemeljsko površje. Ta
potencial pelje različne električne prevodne tokove vertikalno iz ionosfere proti površju v
kateremkoli območju z zmernim vremenom po svetu. Prevodni tok ob zmernem vremenu
se spreminja glede na potencialno razliko ionosfere in nosilne upornosti med ionosfero in
zemljo. Horizontalni tokovi tečejo prosto po visoko prevodnem zemeljskem površju in v
ionosfero. Tok teče z vrha nevihtnega oblaka proti ionosferi in prav tako s površja v
nevihtni generator in s tem zaključi tokokrog. Globalna upornost ob zmernem vremenu se
giblje v območju 100 Ω, kot je prikazano na spodnji sliki [13].
Slika 10: Diagram globalnega električnega tokokroga (odebeljeno)
Tok, ki teče v krogu, je v glavnem definiran s tokom iz generatorjev, ki predstavljajo vsoto
neviht okoli sveta, v polnilnem uporu zgoraj in v uporu, ki predstavlja omejitev v nižjem
sloju. Prav tako je pomembno povišanje v ionizacijski radiaciji, od časa do časa, ki
zmanjšuje prevodnost v srednji atmosferi (Markson, 1978) [13].
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
21
Narejenih je bilo nekaj meritev, ki so podale magnitudo toka, ki teče navzgor nad celotnim
področjem nevihtnega oblaka (Kasemir, 1979). Tokovi so bili v območju med 0,1 A in tudi
do 6 A, s povprečjem med 0,5 in 1 A na nevihtno celico (Blakeslee, 1989) [13].
Tema ni tako enostavna, kot se na začetku zdi, saj je veliko število variacij. Tu se pojavi
globalni problem, s specifičnimi variacijami na regionalnih območjih (tj. na določeni
geomagnetični zemljepisni širini ali geomagnetični zemljepisni dolžini), na lokalnih
območjih in tudi z višino. Na višji geomagnetični zemljepisni širini je prevodnost zraka, σ,
večja zaradi večjega fluksa kot posledica tamkajšnje ionizacijske radiacije zaradi
kozmičnih žarkov (~ > 1 Ge V ionov) ali zaradi padavin relativistično nabitih delcev iz
magnetosfere (> 1 Ge V ionov ali > 1 Me V elektronov). Slika 10 ilustrira eno nevihto, ki
predstavlja vseh 1000 aktivnih neviht, ki se pojavljajo na manj kot 1 % površine Zemlje in
vsaka generira približno 1 A. Tako je skozi polnilni upor velikosti reda
pognan tok, ki teče navzgor v vrednosti pribl. 1000 A. Ta tok teče skozi skoraj
popolnoma prevodno atmosfero. Povratni tok velikosti 1000 A teče skozi atmosfero z
zmernim vremenom na več kot 99 % zemeljske površine, daleč od neviht; »praznilni«
oziroma bremenski upor je velikosti približno 200 [13].
Splošno je priročno obravnavati ionosfero kot zelo prevodno (vendar ne idealno) lokalno
ekvipotencialno ploskev na potencialu približno +250 kV glede na Zemljo. Kakorkoli
gledano, pa ionosfera ni globalna ekvipotencialna ploskev zaradi:
potencialne razlike med večerom in zoro (tudi do 100 kV) čez polarno kapo,
izhajajoč iz interakcije med sončnim vetrom in magnetosfero (slika 9), ki povzroči
dvocelični konvekcijski vzorec polarne F-regije,
potencialne razlike (do 100 kV) v povezavi s procesom polarnega sija,
unipolarne indukcije zaradi rotacije Zemeljskega magnetnega polja, tako da je
ekvator na potencialu –91 kV glede na pola,
dinamo akcije v ionosferi, podobno procesu Sq (do pribl. 20 kV).
Teoretični temelji atmosferske električnosti so trdi, saj temeljijo na fizikalnih zakonih –
Nevier-Stokes in naslednje formule, in zakonih termodinamike – ki jih je treba poznati, da
lahko predvidevamo gibanje atmosfere. Gostota atmosfere se eksponentno zmanjšuje z
višjo nadmorsko višino, s skalo približno 7 km. Atmosferska prevodnost σ se povečuje z
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
22
višino zaradi spektra kozmičnih žarkov in nabitih delcev, ki izhajajo iz magnetosfere. Po
Ohmovem zakonu, ki velja le za linearne procese,
, (3.1)
kjer je:
J … vertikalna gostota toka,
E … vertikalno električno polje,
σ … atmosferska prevodnost.
To vodi do predvidevanja, da če upoštevamo, da se tok ohranja, je E največji tik ob
zemeljskem površju, kjer ima vrednost, pridobljeno iz meritev, okoli 130 V/m. Z višino se
eksponentno zmanjšuje. Po Gaussovem zakonu obstaja profil prostorskega naboja v
povezavi s tem električnim poljem [13].
Cho in Rycroft (1998) sta predstavila preprost model profila atmosferske prevodnosti, v
katerem se vrednosti gibljejo od blizu površja do na nadmorski
višini 80 km v nižji ionosferi. Hale (1994) je predstavil bolj kompleksne profile, ki
prikazujejo variacije tako v času kot v prostoru [13].
Le nekaj matematičnih modelov globalne atmosferične električnosti je nastalo skozi leta
(Kasemir, 1963, 1977; Hill, 1971; Hays and Roble, 1979; Volland, 1982; Ogawa, 1985).
Ker je težko izvesti globalne meritve, iz katerih lahko takoj sklepamo o lastnostih
globalnega kroga, ti modeli zagotavljajo priročna sredstva za proučevanje skozi numerične
eksperimente, različne interaktivne procese, ki delujejo v globalnem krogu. Končni uspeh
modelov se lahko ocenjuje glede na to, kako dobro predstavijo opazovane lastnosti
atmosferske električnosti v kateremkoli kraju in času znotraj kroga [13].
Nevihte so zelo kompleksne in nekatera poenostavljena predvidevanja morajo biti sprejeta,
da lahko predstavimo njihove globalne lastnosti. Običajna poenostavitev je, da jemljemo
nevihte kot bipolarne tokovne vire, s pozitivnim virom na vrhu oblaka in negativnim virom
na dnu oblaka [13].
Ogawa (1985) je upošteval preprost ekvivalentni tokokrog atmosfere, kot je predstavljen
na sliki 11. je predstavljen kot polnilni upor, ki smo ga omenili prej, kot upornost
nevihtnega generatorja, kjer obstaja potencialna razlika velikosti približno 100 MV med
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
23
pozitivno nabitim vrhom in negativno nabitim dnom, in upornost mejne plasti (prvih
nekaj km) atmosfere, vsi so dosti večji od r, ki predstavlja upornost atmosfere ob zmernem
vremenu. Iz tega sledi:
(3.2)
kjer je
I …tok v atmosferi ob zmernem vremenu,
… tok v nevihtnem generatorju,
… upornosti.
Slika 11: Poenostavljen ekvivalentni tokokrog
Slika 11 predstavlja poenostavljen model globalnega električnega tokokroga, ki prikazuje
tok nevihtnega generatorja in tok ob zmernem vremenu I (Ogawa, 1985).
Jasno je, da sta in še posebej pomembna v tem razmerju; se lahko močno
zmanjša s:
točkovnimi razelektritvenimi tokovi, ki so posledica zelo velikega električnega
polja pod nevihtnimi oblaki,
povečanjem višine zemeljske površine nad srednjo vrednost morja.
Merjenje I v observatorijih na velikih nadmorskih višinah (na gorah) daleč od aktivih
neviht lahko poda nekatere informacije glede , če predpostavimo da sta in
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
24
konstantna. Oba pa sta lahko tudi občasno zmanjšana zaradi povečanja pretoka
energetsko nabitih delcev v povezavi s povečano geomagnetsko aktivnostjo. Prispevek k
nad aktivnim nevihtnim oblakom se lahko zelo zmanjša kot posledica ionizacije,
proizvedene v razredčenem polju mezosfere zaradi velikih prehodnih električnih polj, ki so
posledica velikih, pozitivnih razelektritev strel med oblakom in zemljo [13].
Na sliki 12 je prikazan nov diagram. V zgornjem delu se poskuša prikazati električne
tokove, ki tečejo čez različne pasove atmosfere in vključujejo magnetosfero nad njo.
Spodnji del diagrama na sliki prikazuje ekvivalentni tokokrog s tremi različnimi regijami
zmernega vremena. Eden izmed teh je za del Zemlje z visoko nadmorsko višino, kjer se
bosta profila J in E skozi atmosfero ob zmernem vremenu razlikovala od tistih kjerkoli
drugje [13].
Iz standardne elektrostatične teorije je kapacitivnost C koncentrične krožnice atmosfere
med Zemljo in ionosfero, boljše čez eno skalo višine atmosfere kot čez celotno ionosfero,
podana kot:
, (3.3)
kjer je
C… kapacitivnost,
… permeabilnost praznega prostora,
… polmer Zemlje.
Časovna konstanta za globalni atmosferski električni tokokrog τ(tau) je podana z
(3.4)
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
25
Slika 12: Diagram tokov in ekvivalentno vezje
Na zgornjem delu slike 12 je prikazan diagram, približno s točno skalo, ki prikazuje
električne tokove (odebeljene puščice), ki tečejo navzgor iz mreže nevihtnih generatorjev
čez pribl. 1 % zemeljskega površja, skozi ionosfero, atmosfero z zmernim vremenom in
Zemljo in se zaključijo na točki razelektritve pod nevihtnimi oblaki. V sredini slike je
prikazana porazdelitev pozitivnega naboja v prostoru. Na spodnjem delu slike je prikazan
ekvivalentni električni tokokrog za diagram na zgornjem delu slike, ki prikazuje
komponente upornosti atmosfere ob zmernem vremenu pri različnih višinah, ki se gibljejo
okoli 2–3 km nad površjem; upor mejnega sloja »manjka« nad goro ali Antarktiko. Tipične
numerične vrednosti so prav tako prikazane [13].
Z nabojem prek 200 C, povezanim z vsako nevihto, je skupni naboj Q na ploščah
sferičnega kondenzatorja . Zato je tudi energija povezana z globalnim električnim
tokokrogom ogromna;
, (3.5)
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
26
če vstavimo V = 250 kV.
Kjer je:
V … velikost električnega polja,
W … energija,
C … naboj v sferičnem kondenzatorju.
Gostota električnega toka skozi atmosfero zmernega vremena, J, ima vrednost pribl.
. Če vzamemo, da je prevodnost zraka na površju, ki je proizvedena zaradi
močnih kozmičnih žarkov in radona iz zemlje in posledično zaradi aerosoli, velikosti reda
, pridemo zelo blizu opazovani vrednosti električnega polja 130 V/m. Na
nadmorski višini 20 km je vertikalno električno polje zmernega vremena pribl. 1 V/m in ga
lahko dobro izmerimo le z balonom. Na nadmorski višini 50 km pade vrednost
električnega polja na le [13].
Če upoštevamo Forbushovo upadanje, bi lahko atmosfersko prevodnost vsepovsod
zmanjšali za pribl. 10 %. Če je J nespremenjen, sta potencial ionosfere in tudi električno
polje zmernega vremena zmanjšana za pribl. 10 %. Obstajajo tudi dokazi iz opazovanja, ki
potrjujejo ta koncept (glej Ogava, 1985) [13].
Poglavitna lastnost globalnega atmosferskega električnega tokokroga je čas električne
sprostitve na različnih višinah, ki je definiran kot čas, ki ga električni tok potrebuje, da se
prilagodi na 1/e njegove končne vrednosti za tem, ko je bilo električno polje hipoma
dodano, s predvidevanjem, da prevodnost ostane konstantna. Na velikih nadmorskih
višinah, blizu 70 km, sprostitveni čas znaša okoli in se povečuje z zmanjševanjem
nadmorske višine do okoli 4 s na 18 km nadmorske višine in na pribl. 5–40 min. na površju
Zemlje. Na površju Zemlje je čas sprostitve približno Maksimalna vrednost okoli
40 min. v atmosferi blizu površja je karakteristični čas, ki bi ga globalni tokokrog
potreboval za razelektritev, če bi se aktivnost vseh neviht v trenutku povečala. Meritve
niso nikoli pokazale popolnega pomanjkanja električnega polja zmernega vremena za
katerokoli časovno dolžino, zato se predvideva, da so nevihte in ostali generatorji
neprestano aktivni za vzdrževanje toka, ki teče v globalnem tokokrogu. Za časovne
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
27
variacije, ki so daljše od 40 min., se lahko izvede kvazistatična aproksimacja pri
modeliranju električnih lastnosti globalnega tokokroga [13].
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
28
4 Obstoječi instrumenti in meritve
4.1 Merjenje električnega polja
Atmosferska električnost je področje, na katero lahko hitro zaidemo, saj ne zahteva velikih
finančnih vložkov za merilno opremo. Je pa zelo težko področje, ko pride do razumevanja
in interpretacije različnih meritev. Na primer, kljub vsem podatkov, ki so bili zbrani v
zadnjih dveh stoletjih, še vedno ni skupnega strinjanja o tem, kako se nevihte napolnijo z
nabojem ali kako se ohranja polje atmosfere ob zmernem vremenu [11].
Današnja napredna tehnologija ponuja zgovorne in natančne instrumenta s hitrim odzivnim
časov. Sedaj je mogoče zgraditi preproste elektrometre in detektorje elektromagnetnega
polja z uporabo cenovno ugodnih vezij. Videonaprave prav tako postajajo stvari, ki jih ima
vedno več ljudi doma in imajo velik potencial za raziskovanje strel, saj v današnjem času
že omogočajo ogled nevihtnih strel v mikrosekundnem intervalu [11].
Meritve električnega polja so največkrat izvedene blizu ali na zemeljskem površju.
Električni potencial blizu zemeljskega površja lahko močno niha, ampak največkrat se
vrednosti gibljejo okoli 100–130 V/m med lepim vremenom in odsotnostjo oblakov. Razen
normalnih dnevnih nihanj električnega polja zmernega vremena so opazili tudi hitre
spremembe v električnem polju, ki so lahko posledica električno nabitega praha ali
močnega onesnaženja. Spremembe v polju so bile opažene pred nastankom megle med
temperaturno inverzijo v nižji atmosferi. Veliko zgoraj omenjenih učinkov električnega
polja še danes ne razumemo popolnoma. Električno polje pod nevihtnimi oblaki je
običajno zelo močno in ga je lahko zaznati. Hitre spremembe v polju se pojavijo pri
razelektritvah s strelo in obrnjeno polje je takrat pogosto. Meritve polja pod nevihtnimi
oblaki razkrijejo takšne lastnosti, kot so stopnje naelektritve, električne polaritete in
stopnje razelektritve. Obstaja več načinov merjenja električnega polja v atmosferi. Preprost
način je, da priključimo elektrometer na neke vrsto anteno, kot je prikazano na sliki 13.
Antena je lahko prevodni disk, nameščen na vnaprej določeno višino nad Zemljo (slika 13
a). Disk se bo napolnil in dosegel potencial, ki je enak ali pa je zelo blizu potencialu
atmosfere na tisti višini. Diagram na sliki 13 b prikazuje elektrometer, povezan na kratko
paličasto anteno, ki poda napetosti, ki jih je težko kalibrirati, ker bo antena štrlela skozi več
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
29
plasti električnega polja. Izvor radioaktivnih alfa delcev, ki proizvaja ione na vrhu paličaste
antene na sliki 13 c, bo povečal električno prevodnost zraka blizu konice in bo s tem
zagotovil večjo natančnost merjenja potenciala na tisti višini. Dolga žica, pritrjena nad
zemljo na vnaprej določeni ravni, bo dala natančne podatke o potencialu v atmosferi kot
funkcija višine [1][11].
4.2 Mlin električnega polja
Mlin električnega polja je elektromehanska naprava, ki meri jakost elektrostatičnega polja.
Mlini električnega polja so namenjeni določitvi relativne moči električnega polja v
primerjavi z ravnijo električnega polja na poznanem in stabilnem referenčnem objektu brez
naboja. Objekt, ki se ga uporablja v mlinih električnega polja, je poznan tudi kot senzorska
ploskev ali merilna elektroda. Ko je senzorska ploskev brez naboja izpostavljena
električnemu polju, se naelektri z električnim nabojem. Mlini so načrtovani tako, da
določijo hitrost in raven te aktivnosti oz. procesa. Električni tok, ki teče na in iz elektrod, je
premo sorazmeren jakosti merjenega električnega polja [11].
Večina modernih mlinov električnega polja uporablja vrteči disk – zaslonko, razdeljen na
dva ali več krakov, ki merilno elektrodo postopoma izpostavljajo in nato skrijejo pred
merjenim električnem poljem. S tem pridobimo izmenično izpostavitev elektrod
električnemu polju. Elektrode morajo biti enake oblike kot zaslonka nad njimi. S tem
zagotovimo maksimalni zajem energije, ko so elektrode izpostavljene polju, in učinkovito
zakritost elektrod, ko je zaslonka točno nad njimi. Zaslonka je torej vrteči se del sistema,
elektrode pa so stacionarne. Lahko pa zasledimo tudi primere, ki uporabljajo vrtečo
zaslonko z izrezanimi oblikami elektrod, ki so stacionarne in se skrivajo pod zaslonko. V
primeru, ko imamo dve elektrodi (ki pa sta v bistvu povezani skupaj) in vsaka predstavlja
eno četrtino kroga, sta sosednja dela povezana na maso. Nasprotne elektrode morajo med
seboj biti električno ločene. Tako dobimo izmenični signal, ki je razlika med elektrodo in
maso, in ga speljemo do ojačevalca. Dobro ojačen signal lahko izmerimo [1][11].
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
30
Slika 13: Preprost model mlina električne poljske jakosti
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
31
5 Izdelava mlina električne poljske jakosti
Pri izdelavi našega mlina električne poljske jakosti smo uporabili podoben model, kot je
opisan v poglavju 4.2. Naredili smo štirikrako aluminijasto zaslonko in senzorsko ploščo iz
enostranskega vitroplasta. Vzorec na senzorski plošči se popolnoma ujema z vzorcem
aluminijaste zaslonke. Preostali deli na senzorski plošči, ki niso senzorske površine, so
povezani na maso, da se zajet naboj tudi kasneje razelektri in lahko ponovno zajamemo
naboj. Senzorska plošča je stacionarna, zaslonka pa je pritrjena na os motorja. Do
sprememb v frekvenci vrtenja prihaja zaradi spreminjanja napetosti baterije, ki napaja
celotni sistem. Celoten sistem je postavljen v aluminijasto cev premera in višine 100 mm,
ki je povezana na maso, da se zmanjšajo vplivi iz okolja na senzorsko ploščo in tako res
zajemamo polje samo tam, kjer to želimo. Senzorska plošča je nameščena na vmesno
aluminijasto ploščo, ki je v neposrednem stiku z ohišjem in maso, da preprečimo vpliv
močnih krmilnih signalov od motorja na senzorsko površino. Zaslonka je nameščena na os
motorja tako, da je poravnana z zgornjim robom aluminijaste cevi. Senzorsko ploskev smo
namestili zelo blizu zaslonki (razdalja med njima je približno 5 mm), da zajamemo čim več
elektrostatičnega polja. Zajet signal nato potuje na tiskanino, na kateri so
mikroprocesorsko krmiljen ojačevalnik in pasovno prepustna sita s centralno frekvenco
400 Hz. Rezultati merjenja se na zunanje naprave prenašajo brezžično s pomočjo
Bluetootha, nameščenega na zunanjo stran cevi. Podatke bomo sprejemali na prenosnem
modulu, ki bo prav tako opremljen z Bluetooth komunikacijo. Podroben opis vseh
komponent in programskega sistema sledi v naslednjih poglavjih.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
32
Slika 14: 4 kraka zaslonka
Slika 15: Senzorska plošča – elektrode
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
33
5.1 Strojni del sistema
5.1.1 Napajanje
Slika 16: Shema napajalnega vezja
Slika 17: Tiskanina napajalnega vezja
Senzorski del sistema – električni poljski mlin je napajan prek litij-polimerske (LiPo)
baterije napetosti 7,4 V in kapacitete 1300 mAh (mili amperskih ur). Takšno napajanje
smo izbrali, ker uporabljamo modelarski brezkrtačni motorček in krmilnik zanj, ki
potrebujeta takšno napetost za delovanje. Takoj za baterijo smo namestili majhno vezje za
zaščito pred preveliko izpraznitvijo baterije, katerega glavni element je BD4860, ki
opazuje napetost baterije. BD4860 je integrirano nadzorno vezje, ki ima aktivno visoki
izhod, kar pomeni, da ko je vhodna napetost višja od 6 V, ima na izhodu napajalno
napetost. Mi smo za dodatno varnost na vhod BD4860 namestili tudi Schottkey diodo in
tako dvignili prag, pri katerem se bo vezje izklopilo za 0,3 V (napetost na diodi) na 6,3 V.
Ker je izhod iz integriranega vezja odprt ponor, smo morali nanj namestiti upor za dvig
ravni. Izhod BD4860 smo povezali z vrati n kanalnega MOSFET tranzistorja (na shemi
vezja tranzistor T2), ki ima na izvoru baterijsko napajanje, ponor pa je povezan s pozitivno
vejo napajanja za celotni sistem. S tem smo naredili stikalo, ki je odprto, ko je napetost na
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
34
bateriji večja od 6,3 V, in zaprto, ko je napetost manjša. Tako smo preprečili, da bi se LiPo
baterija preveč izpraznila in poškodovala. Na tej tiskanini je nameščen še en n-kanalni
MOSFET tranzistor (T1), ki smo ga uporabili za vklop in izklop krmiljenja motorja.
Vklopni signal na vrata tranzistorja pride iz mikroprocesorja. Ta tranzistor smo v vezje
dodali, ker krmilnik za motor tudi ob nedelovanju motorja potrebuje okoli 40 mA toka in
smo z njegovim izklopom ob nedelovanju motorja pridobili na celotni življenjski dobi
baterije in našega sistema. Na naslednji sliki je prikazan del vezja, ki na glavni tiskanini
skrbi za regulacijo napetosti.
Slika 18: Napajanje na glavni tiskanini
Takoj za vhodom opazimo 1 Ω velik upor v pozitivni veji napajanja. Ta upor smo
namestili, da lahko posredno prek njega merimo tokovno porabo vezja. Nato sledi že prej
uporabljeno integrirano vezje BD4860, ki je smo ga v ta del vezja namestili pred izdelavo
prej omenjenega napajalnega dela vezja in je sedaj tukaj kot sekundarna zaščita, če tisto na
napajalni tiskanini odpove. Kot je vidno na sliki 16, je del vezja prečrtan. Ta del vezja smo
naredili za primer, če bi imeli integrirano vezje za opazovanje napetosti baterije z aktivno
nizkim izhodom. Ker pa smo dobili integrirano vezje z aktivno visokim izhodom, tega dela
vezja nismo namestili na tiskanino. Glavni napajalnik na tej tiskanini je stikalni pretvornik
LM2675M – 5.0. Ta stikalni pretvornik deluje v velikem vhodnem napetostnem območju
od 6,5 V vse do 40 V. Preizkušeno deluje tudi pri vhodnih napetostih, nižjih od 6,5 V, in
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
35
obdrži izhod. Pod 6,5 V lahko gremo, ker mikroprocesor, operacijski ojačevalniki,
multiplekser in ostale komponente na glavni tiskanini skupaj ne porabijo več kot 40 mA.
Izbrani stikalni napajalnik za delovanje potrebuje le pet zunanjih komponent – tuljavo, tri
kondenzatorje in Schottkey diodo. Njegova izhodna napetost znaša 5 V. LM2675M se
uporablja v aplikacijah kot učinkovit predregulator za linearne regulatorje in s tem
namenom ga uporabljamo tudi mi. 5 V pa potrebujemo tudi za delovanje operacijskih
ojačevalnikov in napetostnega pretvornika (inverterja) iz 5 V na –5 V. Ti dve napetosti se
uporabljata na operacijskih ojačevalnih za obdelavo izmeničnega vhodnega signala. Kot
napetostni pretvornik smo uporabili TPS60403, ki deluje na principu črpalke naboja in za
delovanje potrebuje le tri kondenzatorje. Tako kot stikalni pretvornik LM2675M tudi ta
deluje s konstantno preklopno frekvenco 250 kHz. Ker je obratovalna frekvenca tako
visoka, njenega vpliva na merjenemu signalu ne bomo videli. Njegovo območje delovanja
je od 1,65 V do 5,5 V. V celotnem območju na izhodu dobimo invertirano vhodno
napetost. Maksimalen izhodni tok znaša 60 mA, kar je več kot dovolj za eno vejo
napajanja operacijskih ojačevalnikov. Kot zadnja komponenta, ki je del napajalnega
sistema, sledi linearni pretvornik z nizkim padcem napetosti LM1117. Ta pretvornik
uporabljamo za pretvorbo napetosti s 5 V na 3,3 V, ki jih potrebujemo za delovanje
mikroprocesorja, mikro SD kartice in zunanjega Bluetooth modula. V aplikacijah se
uporablja kot linearni pretvornik za stikalnimi pretvorniki in s tem namenom ga
uporabljamo tudi mi. Vhodna napetost mora biti višja od 4,5 V in sega do maksimalne
vrednosti 20 V. Za nas je pomembno, da že pri 5 V vhodne napetosti dobimo želeno
izhodno napetost 3,3 V. Izhodni tok pretvornika je zelo visok (800 mA) in višji, kot
zadošča za naše male potrebe po toku.
Prenosni modul je napajan z dvema 1,2 V NiMh akumulatorjema velikosti AAA.
Napetost bomo na 3,3 V dvignili z majhnim pretvornikom napetosti. Na prenosnem
modulu uporabljamo za napajanje LCD zaslona, mikro SD kartice, Bluetooth modula in
mikroprocesorja le 3,3 V. Zato smo se odločili le za en pretvornik napetosti. Tudi tukaj
smo uporabili linearni pretvornik LM1117. Pri tej razliki napetosti bi sicer lahko uporabili
tudi stikalni napajalnik, ampak smo se zaradi manjše površine, potrebne za namestitev,
odločili za linearni pretvornik, ki je dovolj močan in zmogljiv za naše potrebe. Celotni
modul za napajanje potrebuje med 50 in 60 mA.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
36
5.1.2 Motor in krmiljenje
Pri pogonu za električni mlin smo se odločili za modelarski brezkrtačni motorček RAY
CD2826/18. Iz njegovega imena lahko razberemo nekatere značilnosti – 28 mm je premer
motorja, 26 oz. 27 mm je dolžina osi, 18 pa pomeni število navitij. Deluje na napetosti
dveh ali treh LiPo celic in je tako primeren za naš sistem. Število vrtljajev je 1000 na 1V.
Motor že ima os z narejenim navitjem, kar je zelo priročno za montažo zaslonke na os
motorja. Tako smo lahko zaslonko pritrdili z vzmetno podložko in matico. Zaradi vibracij,
ki jih motor s pripeto zaslonka povzroča, smo pod motor namestili tanko plast gume in tudi
tu smo pri pritrjevanju motorja na nosilno ploščo uporabili vzmetne podložke in matice ter
vijake M3. Za krmiljenje takšnega motorčka potrebujemo tri PWM-signale, ki so med
seboj fazno zamaknjeni. Te smo dobili s pomočjo programabilnega elektronskega
krmilnika za brezkrtačne motorčke RAY 20A BEC. Iz imena je razvidno, da krmilnik
podpira motorje, ki potrebujejo tudi do 20 A. Po povezavi krmilnika z motorjem in baterijo
je treba krmilnik umeriti. To smo storili tako, da smo ga priključili na sprejemnik postaje
za radijsko vodenje, na oddajniku pa smo nastavili maksimalno hitrost. Po nekaj piskih
motorja je bilo krmiljenje za hitrost treba spustiti na minimalno raven. Tako smo krmilniku
povedali, kaj predstavlja maksimum in kaj minimum. Takšen signal smo nato reproducirali
z mikroprocesorjem in NPN bipolarnim tranzistorjem, da smo raven dvignili na raven
napajalne napetosti baterije. Na mikroprocesorju smo nastavili 50 Hz PWM signal s 95 %
pulzno širino, ta pa se je prek NPN-tranzistorja spremenil v PWM-signal s 5 % pasovno
širino, kar predstavlja 1 ms, frekvenca pa se je ohranila. S tem se postavi oz. inicializira
motor. Če ga hočemo zavrteti, moramo čas visoke ravni dvigniti nad 1 ms. Maksimalni
vrtljaji so doseženi pri 2 ms. Mi smo izbrali dobro tretjino in tako dvignili čas na okoli
1,3 ms.
Slika 19: PWM krmilni signal
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
37
Slika 20: Krmilnik za brezkrtačne motorje
Slika 21: Brezkrtačni motor
5.1.3 Obdelava vhodnega signala iz senzorske plošče
Iz senzorske plošče dobimo izmenični signal, zato uporabljamo pozitivno in negativno
napajanje za operacijske ojačevalnike in multiplekser, ki ga uporabljamo kot dinamično
nastavljanje ojačenja. Ker želimo čim manjše izgube pri obdelavi signala in tudi čim večje
območje delovanja, da dobimo na koncu kar se le da velik enosmerni signal za obdelavo na
mikroprocesorju in s tem večjo ločljivost, smo uporabili operacijske ojačevalnike TLV274
in multiplekser CD4051 8:1.
Zajeti signal je precej šibak in ga je treba pred filtriranjem in usmerjanjem še ojačiti.
Vrednosti zajetega signala pa se lahko tudi močno razlikujejo, tudi za faktor . Zato smo
se odločili za dinamično ojačenje z osemkanalnim multiplekserjem CD4051, ki ga
kontroliramo prek treh linij, ki so povezane na mikroprocesor. Za ta multiplekser smo se
odločili, ker so izhodni signali velikosti napajalnih napetosti in s tem ne pridelamo izgub
ali popačenja. Prav tako deluje v našem napajalnem območju +–5 V. Njegova nizka poraba
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
38
(1 uA) pa je dobrodošla, saj je sistem baterijsko napajan. Pri krmiljenju imamo možnost
odpirati vsak kanal posebej in s tem lahko hitro in točno določimo želeno ojačenje vezja.
Slika 22: Funkcijska tabela multiplekserja
TLV274 so integrirana vezja, ki vsebujejo štiri operacijske ojačevalnike in jih je možno
napajati z negativno in pozitivno napetostjo od +–1,35 V do +–8 V. Mi smo za njihovo
napajanje uporabili +–5 V. Pri operacijskih ojačevalnikih pa je za nas najbolj uporabno
veliko izhodno območje delovanja. Izhod lahko približamo skoraj do napajalnih vrednosti
(»rail to rail« izhod). Napajalnim napetostim se izhod približa na 15 mV (mili voltov). To
pomeni, da pri napajanju s +–5 V (10 V) dobimo nepopačen izhodni signal velikosti do
9,7 V. Primerni so tudi za baterijska napajanja, saj imajo nizko porabo energije, le 550 uA
na aktivni kanal. Ti operacijski ojačevalniki so tudi nizko šumni in imajo veliko pasovno
širino ter so tako primerni za sita višjih redov. V našem primeru smo uporabili dva
zaporedna visoko pasovna sita drugega reda in dva zaporedna nizko pasovna sita drugega
reda po Sallen-Key topologiji. Mejno frekvenco visoko pasovnega sita smo postavili na
približno 50 Hz, mejno frekvenco nizko pasovnega sita pa smo nastavili na približno
3400 Hz. S tem smo dobili pasovno prepustni filter četrtega reda z vrhom pri okoli 400 Hz,
kar je zelo blizu frekvenci signala, ki ga zajemamo in nato obdelujemo. S tako
nastavljenimi filtri smo se znebili vpliva 50 Hz iz omrežja in 8 kHz signalov, s katerimi je
krmiljen gonilni motor. Vrednosti kondenzatorjev smo določili na začetku. Prav tako smo
si določili začetne vrednosti mejnih frekvenc in nato izračunali še potrebne vrednosti
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
39
uporov iz enačb za načrtovanje Sallen-Key sit. Celotna enačba za sita drugega reda po
Sallen-Key topologiji je:
, (5.1)
kjer je:
… konstanta 3,14159…,
… mejna frekvenca sita,
… velikost uporov,
… velikost kondenzatorjev.
Primer postavitve kondenzatorjev in uporov za nizko pasovno sito drugega reda:
Slika 23: Primer nizko pasovnega sita drugega reda
Kakovost sita lahko izračunamo z enačbo:
, (5.2)
kjer je:
Q … kakovost,
m … razmerje velikosti uporov med in ,
n … razmerje med velikostjo kondenzatorjev in
Iz slike 20 in enačbe 8 lahko vidimo, da se kondenzatorji in uporabi med prvo in drugo
stopnjo sita lahko razlikujejo. S pravilno izbranimi vrednostmi lahko tako povečamo
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
40
kakovost filtra, če je to potrebno. Celotno načrtovanje pa se lahko poenostavi, če izberemo
kakovost filtra 0,5, kot smo to storili mi. Pri tej vrednosti kakovosti se za prvo in drugo
stopnjo sita uporabi enake vrednosti kondenzatorjev in enake velikosti uporov. Tako
dobimo poenostavljeno enačbo, ki jo malo obrnemo in lahko izračunamo še potrebne
vrednosti uporov.
, (5.3)
kjer je:
R … iskana vrednost uporov,
… konstanta 3,14159…,
… mejna frekvenca sita,
C … izbrana vrednost kondenzatorjev.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
41
Slika 24: Shema vezja za obdelavo signala
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
42
Pred ojačenjem in obdelavo signala smo namestili velik upor velikosti 1 MΩ, ki je povezan
iz zajetega signala na maso. S tem smo naredili majhno zaščito, če bi na senzorske plošče v
kratkem času prišlo preveč naboja, kot se lahko zgodi npr. ob streli.
Na invertirajoči vhod operacijskega ojačevalnika (na shemi OP2A) smo pripeljali vhodni
signal. Tu pa vhodni signal povežemo tudi na upore, vezane na posamezne kanale na
multiplekserju, ki so namenjeni ojačenju signala. Izhod iz multiplekserja je vezan na izhod
iz operacijskega ojačevalca, neinvertirajoči vhod operacijskega ojačevalca pa je vezan na
maso. S tem smo dobili invertirajoči ojačevalec, katerega vhodno ojačenje je opisano v
naslednji enačbi.
, (5.4)
kjer je:
A … ojačenje,
R … vrednost upora za ojačenje,
… vhodna upornost.
Ojačenje se poveča (na multiplekserju se odpre drugi kanal), če je vrednost ojačenega,
filtriranega in usmerjenega signala, ki prede na vhod mikroprocesorja, manjša od 1/3
napajalne napetosti mikroprocesorja – v našem primeru to znaša 1.1 V. Ojačenje se
zmanjša, če signal na vhodu mikroprocesorja presega 2/3 napajalne napetosti, kar je v
našem primeru 2.2 V. Vrednosti uporov, ki smo jih izbrali za ojačenje, so 10, 20, 50, 100,
200, 500 kΩ in 1 ter 2 MΩ, saj so vrednosti zajetega signala lahko tudi reda velikosti
mikrovoltov. Po ojačenju sledi filtriranje signala.
Signal najprej popeljemo skozi dve zaporedni visokopasovni siti drugega reda, katerih
mejno frekvenco smo nastavili na 50 Hz. Sledita še dve zaporedni vezani nizkopasovni siti
drugega reda z mejno frekvenco 3400 Hz. Uporabili smo siti drugega reda po topologiji
Sallen-Key. Enačbe za izbiro elementov smo opisali predhodno v tem poglavju.
Ko smo izločili le uporaben signal, ga je treba pred zajemanjem in obdelavo na
mikroprocesorju še usmeriti, da dobimo enosmerno napetost, in povprečiti, da zajet signal
ne niha preveč. V ta namen smo uporabili polnovalno usmerjanje. V tej različici nimamo
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
43
izgub napetosti zaradi diod. Operacijski ojačevalec (na shemi OP2D) poizkuša svoj
invertirajoči vhod obdržati na enakem potencialu, kot je neinvertirajoči vhod (ki pa je na
masi). Ko je vhodni signal negativen, gre izhod iz operacijskega ojačevalnika na pozitivno,
da obdrži invertirajoči vhod na masi. 5 kΩ upor lahko v tem primeru pozabimo, saj skozenj
ne teče tok. Drugi operacijski ojačevalnik (na shemi OP2B) in dva 10 kΩ upora pa delujejo
kot invertirajoči ojačevalnik z ojačenjem 1 in tako preslikajo signal na pozitivno stran. Ko
pa je vhodni signal pozitiven, oba operacijska ojačevalnika poizkušata obdržati
invertirajoča vhoda na masi. Da lahko to storita, mora biti padec napetosti na vseh štirih
uporih (R15, R18, R21, R22) enak napetosti signala. Skozi 5 kΩ upor mora teči dvakrat
več toka kot skozi upor R15, da mora potem upor R20 nadomestiti razliko. To zahteva, da
je izhod iz drugega operacijskega ojačevalnika (OP2B) na enaki ravni kot vhodni signal in
enake polaritete. Tako dobimo na izhodu tega dela vezja samo pozitivni signal, ki pa še
vedno nekoliko niha. Zato ga povprečimo z nizkopasovnim sitom, nastavljenim na 1 Hz.
Situ sledi še napetostni sledilnik, katerega izhod je povezan na vhod mikroprocesorja z
možnostjo analogno-digitalne pretvorbe.
Predno pa smo vezje testirali v laboratoriju, smo ga preizkusili v simulatorju. Uporabili
smo simulator podjetja Texas Instruments imenovan TINA. Ta simulator smo lahko
uporabili, ker uporabljamo operacijske ojačevalnike istega podjetja in smo opravili
simulacijo s prav temi operacijskimi ojačevalniki. Vezje s siti in brez usmernika smo
prerisali v simulator in naredili frekvenčno karakteristiko. To nam je zelo pomagalo pri
nastavljanju vrednosti uporov saj smo lahko centralno frekvenco prepustnega sita postavili
točno tja, kamor smo želeli, in nato rezultate prenesli v realnost.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
44
Slika 25: Pasovno prepustno sito 4. reda v simulatorju TINA
Na vezju iz slike 25 smo nato naredili simulacijo in dobili frekvenčno karakteristiko vezja.
Na sliki 26 lahko vidimo ojačenje v dB v odvisnosti od frekvence. S kazalcem je prikazana
centralna frekvenca pasovno prepustnega sita. Pod grafom zraven XA piše frekvenca, na
kateri je kazalec. Frekvenčna skala je logaritemska, skala ojačenja pa je linearna.
Frekvenčno analizo smo naredili na območju od 10 Hz do 100 kHz.
Slika 26: Frekvenčni odziv pasovno prepustnega sita – simulacija
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
45
Za tem smo v simulator prerisali tudi del vezja, ki skrbi za usmerjanje, in izvedli
simulacijo. Tokrat ni šlo za frekvenčno karakteristiko, ampak smo na vhod vezja pripeljali
sinusni signal s konstantno frekvenco 400 Hz, izhod vezja pa smo opazovali na virtualnem
grafoskopu.
Slika 27: Usmerjevalni del vezja v simulatorju
Slika 28: Slika signala pred (zeleni signal) in za usmerjanjem (vijolični signal)
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
46
Iz rezultatov simulacije je razvidno, da se vse negativne periode preslikajo v pozitivne, kar
je bil tudi naš cilj.
5.1.4 Shranjevanje in prenos podatkov
Kot že omenjeno, bo sistem deloval na baterijsko napajanje. Zato smo potrebovali nekaj,
na čemer se bodo izmerjeni podatki shranjevali. Izbrali smo spominsko mikro SD kartico,
ki je pritrjena na glavni tiskanini. Ob vsaki izvedeni meritvi se bo rezultat shranil na
spominsko kartico, ki jo lahko odstranimo in podatke po koncu merjenja na osebnem
računalniku tudi pregledamo. Da pa lahko opazujemo tudi sprotne rezultate meritev, smo
sistemu dodali tudi brezžično povezavo. Uporabljamo Bluetooth modul, ki je nameščen na
zunanjo stran cevi (ohišja) zaradi dosega antene. Naša izbira Bluetooth modula je bila HC
05. To je modul, ki je preprost za uporabo in cenovno ugoden. Da smo pripeljali prave
signale na prave priključke modula, smo izdelali majhno tiskanino, namenjeno samo temu
modulu. Na tiskanino smo pripeljali napajanje 3.3 V in maso ter dve komunikacijski liniji.
Modul se z mikroprocesorjem sporazumeva prek komunikacije UART. Na tiskani pa
imamo nameščene še tri diode, ki pokažejo stanje delovanja modula. Če LED-dioda hitro
utripa, pomeni, da modul išče gosta za komunikacijo. Ko modul najde gostitelja, se prižge
druga LED-dioda, prejšnja pa začne utripati počasneje. Takrat vemo, da se je modul
povezal in je pripravljen na prenos podatkov. Tretja LED-dioda se ob normalnem načinu
delovanja ne prižge. Na tiskanini imamo tudi dva kontakta, ki ju sklenemo na napajalno
napetost le, kadar želimo modul spraviti v način programiranja nastavitev. V
komunikacijskem načinu delovanja sta ta dva kontakta razklenjena. Katere nastavitve
lahko urejamo, bo opisano v programskem delu. Štiri polni konektor je nameščen za
povezavo med glavno tiskanino in tiskanino z Bluetooth modulom.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
47
Slika 29: Shema Bluetooth tiskanine z modulom HC-05
Slika 30: 3D slika Bluetooth tiskanine
5.1.5 Prikaz rezultatov na prenosnem modulu
Naš sistem bo poleg senzorskega dela imel tudi majhen prenosni sistem z LCD-zaslonom,
na katerem bomo prikazovali rezultate. Uporabljali bomo barvni zaslon diagonale 4,5 cm,
z resolucijo 128 x 160 točk. Zaslon ima vzporedno nameščeni dve beli LED-diodi za
osvetlitev zaslona in uporablja 8 podatkovnih linij ter 5 ukaznih linij za komunikacijo z
mikroprocesorjem in delovanje. Napajamo ga s 3,3 V. Prenosni modul bo prav tako
napajan iz baterije. Na prenosnem modulu uporabljamo enak mikroprocesor kot na
senzorskem delu sistema STM32L152. Prav tako bomo uporabljali enak brezžični modul
za komunikacijo. Če bomo v prihodnje želeli sprejete podatke shranjevati tudi na
prenosnem modulu, smo v ta namen namestili nosilec za spominsko kartico tudi tukaj. Na
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
48
modulu smo si tudi pustili kontakte, če bomo kdaj spremenili tip zaslona in komunikacijo z
njim. Tiskanino, na kateri je LCD–zaslon, smo naredili posebej in jo samo pripnemo na
kontakte, ki so zanjo pripravljeni na modulu.
Slika 31: Shema prenosnega modula
Slika 32: 3D-zgled tiskanine modula
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
49
Slika 33: 3D-slika tiskanine z LCD-zaslonom
5.1.6 Mikroprocesor
V našem sistemu uporabljamo mikroprocesor podjetja ST Microelectronics STM32L152.
To je 32-bitni procesor z ARM Cortex M3 jedrom. Zaradi svoje nizke porabe energije je
primeren za sisteme z baterijskim napajanjem. Če želimo porabo res zmanjšati ob
neaktivnosti procesorja, ga lahko postavimo v stanje pripravljenosti ali v stop stanje.
Takrat procesor potrebuje le 1,15 uA oz. 1,4 uA. Ta mikroprocesor ima na voljo 256 kB
flash spomina, 32 kB SRAM spomina in še 8 kB EEPROM-a. Mikroprocesor je bogat s
periferijo. Ima namreč 12-bitne analogno-digitalne pretvornike in digitalno-analogne
pretvornike, 3 priključke za UART-komunikacijo, 3 priključke za SPI-komunikacijo in
I2C-komunikacijo, veliko različnih časovnikov in tudi možnost neposredne USB-
komunikacije. Za nas so predvsem pomembni nizka poraba energije, z uporabo zunanjega
32.768 Hz kristala uporabljamo RTC, ki ga lahko po potrebi tudi kalibriramo, možnost
notranje 16 MHz ure za poganjanje vseh ostalih procesov, analogno-digitalni vhodi, PWM-
izhodi, SPI-komunikacija za spominsko kartico, UART-komunikacija z osebnim
računalnikom in komunikacija z Bluetooth modulom. Pri prenosnem modulu imamo lahko
nekoliko večjo porabo energije, zato tam uporabljamo tudi višjo hitrost ure z uporabo
PLL-zanke, ki jo omogoča mikroprocesor. Programira in razhroščuje se prek SWD-linij
(angl. serial wire debug), ki potrebujeta še skupno maso s programatorjem in reset linijo,
da lahko mikroprocesor po končanem programiranju še resetiramo. Kot programator
uporabljamo ST-Link/V2 na raziskovalni ploščici istega podjetja, ki omogoča
programiranje drugih procesorjev STM32L152 Discovery board. Procesor deluje v
območju med 1,65 in 3,6 V. Ima pa tudi veliko število vhodno/izhodnih priključkov, ki
tolerirajo ravni do 5 V. Mi napajamo procesor s 3,3 V. Uporabljen mikroprocesor je jedro
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
50
glavnega sistema in tudi prenosnega modula. Shemo prenosnega modula lahko vidimo na
sliki 31. Na naslednji sliki pa je še shema dela vezja z mikroprocesorjem in glavne
tiskanine, kjer lahko vidimo vse uporabljen priključke, izhode in vhode, programatorske
priključke in priključke za SD kartico.
Slika 34: Shema z mikroprocesorjem na glavni tiskanini
5.1.7 Uporabljena orodja za načrtovanje strojnega dela sistema
Za načrtovanje tiskanih vezij smo uporabili programsko okolje Altium Designer. Altium
Designer je vsesplošno namensko orodje tako za načrtovanje PCB-vezij, analizo
posameznih mikrostrip linij glede na signalne zahteve uporabnika in načrtovanje vgrajenih
sistemov v programskem jeziku Verilog, VHDL, C.
Za oblikovanje mehanskih delov sistema, kar v našem sistemu predstavljata zaslonka in
senzorska plošča, smo uporabili programsko okolje Solidworks. Solidworks je programsko
okolje, v katerem je možno oblikovati 2D- in 3D-objekte, jih sestaviti in narediti analizo
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
51
obnašanja delov in še veliko več. Mi smo uporabljali možnost 3D-oblikovanja. Po
končanem oblikovanja posameznega dela smo na naši fakulteti FERI iz aluminija izrezkali
zaslonko in iz vitroplasta še senzorsko ploščo.
5.2 Programski del sistema
Celotni programski del je napisan v C programskem jeziku. Pri pisanju in oblikovanju
programa smo uporabljali programsko okolje IAR Embedded Workbench Kickstart
različico, ki omogoča programsko velikost 32 kB. IAR Embedded Workbench programsko
okolje vključuje visoko zmogljiv C/C++ prevajalnik in razhroščevalnik za aplikacije, ki
temeljijo na 8-, 16- in 32-bitnih mikroprocesorjih. Zelo podroben razhroščevalni sistem
omogoča sproten pogled v vse registre, ki jih uporablja določen procesor. Tako je možno
korak po korak opazovati dogajanje v registrih. Programsko okolje ima tudi uporabniku
prijazen vmesnik. Zaradi sodelovanja z veliko proizvajalci mikroprocesorjev to
programsko okolje podpira zelo veliko naprav in procesorskih arhitektur.
Ker pa je 32 kB premalo za uporabo različne velikosti črk na LCD-zaslonu, smo za
programiranje prenosnega modula uporabili brezplačno programsko okolje Eclipse.
Eclipse je namenjen široki uporabi za različne programske jezike. Mi uporabljamo paket
Eclipse za C/C++ za razvijalce. Ker Eclipse nima vgrajenih prevajalnikov, se je treba
odločiti za enega in ga pravilno namestiti na računalnik in ga uvoziti v program. Na
internetu najdemo veliko strani, na katerih so podrobna navodila za namestitev in združitev
programov. Kot prevajalnik uporabljamo Sourcery g++ Lite različico. Ta prevajalnik je
prav tako brezplačen in podpira veliko različnih jeder procesorjev.
Za nastavitve Bluetooth modula smo uporabili kar preprost terminal in USB to Serial
pretvornik. Bluetooth modul se konfigurira prek AT-ukazov. Spodaj je navedenih nekaj
ukazov, ki smo jih uporabili pri nastavitvah. Znaka na koncu vsakega ukaza \n\r sta
namenjena temu, da modul ve, kdaj je konec ukaza. Po koncu uspešnega ukaza mora
modul vrniti OK, drugače vrne ERROR. Po koncu ukazov lahko tudi preverimo, kaj smo
nastavili z ukazi, ki imajo na koncu vprašaj.
at+UART=38400,1,0\n\r … nastavitve za komunikacijo (38400 bitov/sekundo prenosa, 1
stop bit, 0 paritetnih bitov)
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
52
at+NAME=BT\n\r … sprememba imena modula v BT,
at+ROLE=0\n\r … modul je suženj,
at+PSWD=1234\n\r … geslo za povezavo je 1234,
at+CMODE=1\n\r … poveži modul s katerim koli naslovom,
at+NAME?\n\r … kakšno ime ima modul,
at+ROLE?\n\r … kakšno vlogo ima,
at+UART?\n\r … kakšne so nastavljene vrednosti za komunikacijo.
Primer ukaza in odgovora v programu Terminal:
Slika 35: Ukazi in odgovori konfiguracije Bluetooth modula
Na sliki zraven ukazov ne vidimo \n\r zato, ker smo terminal nastavili, da to program sam
avtomatsko doda na koncu vsakega ukaza.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
53
5.2.1 Glavni program
Slika 36: Diagram poteka glavnega progama
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
54
Na začetku vsakega programa pri delu s STM32L152 je bilo treba definirati frekvenco ure.
Mi smo se odločili, da uporabimo notranjo visoko frekvenčno uro s frekvenco 16 MHz.
Predno pišemo v registre, je treba vklopiti sistemsko uro in nato še izklopiti zaščito pred
pisanjem v registre. Nato omogočimo notranji oscilator in počakamo, da se postavi
zastavica, ki pokaže, da je notranji oscilator pripravljen. Sedaj nastavimo, da izberemo
notranji oscilator za sistemsko uro, in počakamo na zastavico, ki pokaže, kdaj je notranji
oscilator tudi nastavljen za sistemsko uro. Sledi vklop ure za vsa vrata mikroprocesorja, ki
jih bomo uporabili. Vklopiti pa je treba tudi uro za vse časovnike, UART-komunikacijo,
SPI-komunikacijo in tudi za analogno-digitalni pretvornik. To je bil naš naslednji korak.
Šele ko so vse ure vklopljene, lahko začnemo z inicializacijo vhodov oz. izhodov in
funkcij, ki jih bomo uporabljali.
Najprej smo inicializirali UART-komunikacijo. UART je univerzalni asinhroni
sprejemnik oz. oddajnik, ki ga prek serijskega vmesnika povežemo z osebnim
računalnikom. Uporabili smo dve UART-komunikaciji. Eno smo uporabili za
komunikacijo z osebnim računalnikom. S tem smo si pomagali pri pisanju programa in
odkrivanju morebitnih napak. Uporabili pa smo ga tudi za vnos podatkov o uri in datumu
pri nastavljanju RTC. Zato smo ga tudi inicializirali pred RTC. Pri tej smo uporabili hitrost
57.400 bit/s, 1 stop bit in 0 paritetnih bitov. Drugo UART-komunikacijo pa smo uporabili
za komuniciranje z uporabljenim Bluetooth modulom. HC-05 namreč za komunikacijo in
nastavitve uporablja prav takšno komunikacijo. Tokrat smo hitrost nastavili na
38.400 bit/s, uporabili pa smo 1 stop bit in 0 paritetnih bitov.
Sledila je inicializacija ure v realnem času oz. RTC. Za uporabo te funkcije smo uporabili
zunanji 32.768 Hz kristalni oscilator. Ta vrsta oscilatorja je bolj primerna za uro realnega
časa, ker je njegova frekvenca bolj konstantna, in 32.768 je točna polovica 16-bitnega
števca in lahko zelo natančno nastavimo velikost 1 ms. Pri uporabi RTC je treba najprej
omogočiti zunanji kristalni oscilator in ga nato nastaviti kot vir ure za RTC. Takoj zatem
sledi vklop RTC-ure. Zatem sledi procedura nastavljanja ure in datuma za uporabo realne
ure. Kot je bilo to omenjeno že malo prej, to storimo prek UART-komunikacije z osebnim
računalnikom. Če želimo vnesti vrednosti, je treba odpreti terminal in se povezati prek
serijskega vmesnika na mikroprocesor. Nato vklopimo mikroprocesor in na zaslonu se
mora prikazati napis »Prosim vnesite uro:«. Tukaj je treba vnesti uro z dvema mestoma in
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
55
poslati na mikroprocesor. Za shranjevanje ure in datuma smo uporabili strukture, prek
katerih nastavimo vrednosti za realno uro in datum ter jih kasneje, ko jih potrebujemo, tudi
preberemo. Ko mikroprocesor sprejme številke, ki smo jih vnesli za uro, se na zaslonu
pokaže »Prosim vnesite minute:«, če so bile vrednosti znotraj meja, ki so določene za uro.
Drugače vnesene številke zavrne in napiše na zaslon, da je treba vnesti številke, ki so
znotraj meja. Sledi še nastavitev sekund. Vsakič ko vnesemo nove vrednosti, se te sproti
shranijo v strukture. Po uri je treba nastaviti še datum. Datum je treba vnesti v formatu dve
številki za dan, dve za mesec in dve za leto. Tukaj je treba vnesti le zadnji dve števili za
leto, npr. 14 (sedaj ko smo leta 2014). Celotno uro in datum potrebujemo zato, ker pri
shranjevanju podatkov na SD kartico rezultatom pripišemo tudi uro in datum, da lahko
kasneje naredimo lažjo analizo na računalniku. Predno pa vrednosti iz struktur shranimo
tudi v RTC-registre, je treba še onemogočiti zaščito za pisanje v te registre. Ko pa so
podatki že enkrat shranjeni v registre, pa to zaščito ponovno omogočimo. Sledi še
nastavitev SysTick prekinitve, ki smo jo nastavili tako, da se aktivira vsako mili sekundo.
V njenem prekinitvenem vektorju pa nato zmanjšujemo spremenljivke, ki jih kasneje
uporabljamo za zakasnitve ali časovne intervale. S tem dobimo približek delovanja sistema
v realnem času. Mikroprocesor, ki ga uporabljamo, ima tudi možnost drobne kalibracije te
ure, ki pa je nismo uporabili, saj smo zadovoljni s takšno natančnostjo ure, kot smo jo
nastavili.
Zajet analogni signal smo za obdelavo z mikroprocesorjem morali pretvoriti v digitalno
obliko. V ta namen smo izbrali enega izmed mnogih vhodov na mikroprocesorju, ki
omogoča analogno digitalno pretvorbo (A/D pretvorba ali ADC). Pri nastavitvah analogno-
digitalnega pretvornika je najprej treba nastaviti želeni vhod na analogno funkcijo. Ta vhod
naj ima tudi omogočeno potisni-povleči funkcijo za pravilno delovanje pretvornika. Sledi
nastavljanje ločljivosti pretvornika oz. z drugimi besedami – nastaviti je treba število bitov
pri pretvorbi. Mikroprocesor omogoča pretvorbe tudi z 12 biti. Mi smo se odločili za
10-bitno A/D pretvorbo, saj smo ocenili, da bo ločljivost 3 mV zadoščala za potrebne
izračune in prikaz rezultatov. Uro, ki je namenjena delu za A/D pretvorbo, smo nastavili na
¼ glavne ure, torej na 4 MHz. Pri tej frekvenci traja ena pretvorba 4 us. Med vsako
pretvorbo pa smo nastavili časovno zakasnitev 15 urinih ciklov. Na koncu je treba le še
vklopiti napajanje (programsko) za A/D pretvorbo. Funkcija za zajemanje vhodnih
podatkov je napisana posebej, uporabljamo pa prekinjeno zajemanje podatkov (delamo eno
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
56
po eno pretvorbo). Spodaj lahko vidimo diagram poteka, ki je tesno povezan z A/D
pretvorbo.
Slika 37: Diagram poteka za zajem podatkov na analognem vhodu
Diagram poteka prikazuje povprečenje rezultata A/D pretvorbe, potem se glede na velikost
vhodnega rezultata odločimo, ali je ojačenje na multiplekserju treba povečati ali zmanjšati,
da pridemo v tisti želeni 2/3 merilnega območja, če je to možno. Ko je ojačenje
nastavljeno, zajeto vrednost pretvorimo v mili volte, da lahko uporabimo formulo za
izračun električnega polja. Uporabljena formula za izračun električnega polja se glasi:
, (5.5)
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
57
kjer je:
… rezultat A/D pretvorbe v milivoltih,
R … upor, izbran za ojačenje,
A … površina elektrod,
… 3.1415923.
… frekvenca, s katero se vrti motor.
V imenovalniku ulomka dodamo 4 zato, ker imamo 4-krako zaslonko in elektrodo, na
kateri merimo zajet naboj in je v bistvu izmerjena frekvenca zajetega signala 4-kratnik
frekvence motorja. To je zato, ker se vsaki del elektrode prekrije 4-krat v času enega obrata
motorja.
Med drugim smo uporabili tudi dva vgrajena 16-bitna časovnika, ki sta na voljo v tem
mikroprocesorju. Časovnik 2 uporabljamo za zajem in štetje impulzov iz primerjalnika, ki
ga uporabljamo za ugotavljanje frekvence zajetega signala. Za lažje preračunavanje v
milisekunde in nato še v frekvenco smo uro, s katero deluje ta časovnik, postavili na
1 MHz – 1/16 sistemske ure. Pri tem časovniku je pomembno to, da je najprej vhod na
mikroprocesorju nastavljen, da zazna prehod iz nizke na visoko raven. Ko to zazna, se v
časovniku sproži štetje. Nato se občutljivost zamenja in je sedaj vhod občutljiv na prehod z
visokega na nizko raven. Ko je takšen prehod zaznan, se ura v časovniku ustavi in jo je
možno prebrati iz 16-bitnega registra. Občutljivost se ponovno nastavi na prehod z nizke
ravni na visoko in postopek se ponovi. Pri tem mikroprocesorju za takšen namen ni treba
uporabljati kakršnihkoli prekinitvenih vektorjev, saj mu lahko takšen način delovanja
nastavimo s pravilno izbiro bitov v registrih. Tako lahko nadzorujemo potek frekvence in
jo prilagajamo, da se čim bolj ujema s centralno frekvenco pasovno prepustnega sita.
Časovnik 4 pa uporabljamo za generiranje PWM (pulzno širinsko moduliranega) signala za
krmiljenje motorja. Frekvenco, s katero deluje ta časovnik, smo postavili na 10 kHz,
periodo štetja pa na 50 Hz (časovna perioda 20 ms), ker tako zahteva gonilnik motorja.
Motor potrebuje za začetek delovanja signal, katerega visoka raven je dolga med 1 in 2 ms.
Ker pa imamo na izhodu iz mikroprocesorja še NPN-tranzistor, s katerim se visoka in
nizka raven signala zamenjata, smo morali nastavitve temu prilagoditi. Tako smo najprej
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
58
nastavili visoko raven na 19 ms, da se motorček postavi. Malenkost kasneje smo ta čas
zmanjšali na 18,7 ms, da se je motor začel vrteti z 1/3 hitrosti. Motor lahko ugasnemo tako,
da čas trajanja visoke ravni signala, ki pride na krmilnik motorja, spustimo na 1 ms ali
manj.
Slika 38: Krmilni PWM-signal za ESC
Omenili smo, da uporabljamo dinamično ojačenje vhodnega signala s pomočjo
spreminjanja povezav med vhodom multiplekserja, na katerega so vezani različne velikosti
upori, in izhodom multiplekserja, ki je vezan na izhod iz operacijskega ojačevalnika.
Multiplekser preprosto krmilimo s tremi signali iz mikroprocesorja glede na velikost
signala na analognem vhodu mikroprocesorja. Če je vrednost na vhodu prevelika, ojačenje
zmanjšamo, če pa je vrednost premajhna, pa ojačenje povečamo. Poizkušamo se držati
sredine merilne območja, kar predstavlja 2/3 napajalnega območja mikroprocesorja.
Kanale na multiplekserju nastavljamo po funkcijski tabeli, ki smo jo prikazali pri opisu
multiplekserja.
Za komunikacijo s spominsko kartico uporabljamo SPI-komunikacijo. To je standard za
sinhrono serijsko podatkovno povezavo elektronskih naprav, ki delujejo v dvosmernem
(dupleks) načinu. Protokol za komuniciranje uporablja princip nadrejen/podrejen, po
katerem nadrejena naprava vzpostavi stik in vodi komunikacijo s podrejeno napravo.
Vodilo SPI omogoča dvosmerno komunikacijo z eno ali več podrejenimi napravami.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
59
Pri tem uporablja štiri signalne linije [19]:
MISO – nadrejena naprava sprejema, podrejena oddaja (angl. master in slave out),
MOSI – nadrejena naprava oddaja, podrejena posluša (angl. master out slave in),
SCK – ura gospodarja,
NSS – s tem signalom gospodar določi, s katero napravo komunicira.
Mi zraven zgoraj omenjenih linij uporabljamo še peto linijo, ki prihaja iz ohišja za mikro
SD kartico. Na tej liniji samo opazujemo raven, saj se raven spremeni, ko je kartica
vstavljena. Tako lahko najprej preverimo, ali je kartica vstavljena, in šele nato pišemo
nanjo.
SPI je najnižja raven. Za inicializacijo spominske kartice, pisanje, branje, preverjanje
stanja kartice, ustvarjanja datotek na kartici itd. skrbi FatFs sistem. Ta je eno raven višje od
SPI. FatFs je generični sistem za majhne vgrajene sisteme. Mi smo uporabili FatFs kodo,
ki jo je spisal Chan in je prosto dostopna na internetu. Napisana je v ANSI C jeziku in je
tako neodvisno, na kateri platformi jo uporabljamo. Za delovanje potrebuje pravilno
nastavljene vhode/izhode in nastavitve za SPI (nižja raven). Različica FatFs sistema, ki jo
uporabljamo podpira, sisteme FAT32, kar pomeni, da lahko uporabljamo spominske
kartice s kapaciteto 4 GB in več. Mi smo uporabili 2 GB mikro SD kartico, saj ustvarimo
majhno datoteko in ne potrebujemo veliko prostora. Na aplikacijski ravni (najvišja raven)
nato samo kličemo funkcije, ki delujejo s FatFs sistemom [5].
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
60
5.2.2 Program na prenosnem modulu
Slika 39: Diagram poteka na prenosnem modulu
Inicializacija ure poteka enako kot v glavnem programu, saj uporabljamo enak
mikroprocesor in je zato ne bomo omenjali še enkrat. V tem delu bomo samo omenili
razlike med prvim in drugim programom. Prenosni modul je v celoti načrtovan okoli LCD-
zaslona, kar je tudi glavni del prenosnega modula. Za komunikacijo z LCD-zaslonom
uporabljamo 8-bitno podatkovno povezavo. Za hitrejši potek prenosa podatkov smo na
mikroprocesorju izbrali osem zaporednih izhodov. Prav tako si linije na mikroprocesorju
sledijo od najmanj oteženega bita (LSB –DATA0) do najbolj oteženega bita (MSB -
DATA7). Tako lahko pošljemo podatke na zaslon v enem koraku z enostavno
premaknitvijo vseh osmih bitov naenkrat. Uporabljen LCD ima tudi pet kontrolnih linij:
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
61
RESET, CS, RD (beri), WR (piši) in RS (izberi register). Vsako od teh linij je v določenem
času treba nastaviti na ustrezno raven, odvisno od tega, kaj želimo narediti. Zadeva pa se
lahko malo poenostavi, če pogledamo nekoliko globlje. Linija CS je lahko ves čas vezana
na maso, saj je to negiran vhod in ga s tem trajno aktiviramo. To si lahko privoščimo, ker
uporabljamo le en LCD-zaslon. Možna je še poenostavitev z RD-linijo. Tudi ta vhod na
LCD je negiran, želimo pa ga na nizki ravni. Zato lahko povežemo ta vhod na napajalno
napetost, saj v našem primeru uporabljamo le pisanje na zaslon in ne branja. Ko smo
razjasnili pomen linij, je potrebna še inicializacija zaslona po določenem zaporedju, ki ga
najdemo v podatkovnih listih krmilnikov na LCD-zaslonu. Za pisanje po zaslonu
uporabljamo vnaprej pripravljene črke, ki jih potem nizamo na kot sličice. Možna je
uporaba treh različnih velikosti črk, ki jih imamo shranjene v tabelah. Vsebina tabele se
pokliče za izpis na zaslon ob določeni črki. Na zaslonu bomo imeli izpisanih nekaj
konstantnih vrednosti, kot je »Vrednost E«, rezultat tega pa bomo spreminjali glede na
prejete podatke prek Bluetooth modula. Prenosni modul prav tako uporablja Bluetooth
modul HC-05, ki smo ga opisali že na začetku programskega dela. To je glavna
komunikacija med senzorskim in prenosnim delom sistema. Na tem modulu prav tako
uporabljamo UART-komunikacijo, ki smo jo opisali že v glavnem programu.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
62
6 Meritve in rezultati
6.1 Poraba
Na začetku vsakega testiranja izmerimo porabo vezja. Tukaj smo porabo merili posredno
prek 1Ω velikega upora, vezanega v pozitivno napajalno linijo. Vezje smo sestavljali
postopa in smo sproti merili porabo posameznih delov. Napajalni del, torej stikalni
pretvornik napetosti, 3,3 V linearni pretvornik in inverter napetosti so imeli skupaj porabo
8 mA. Operacijski ojačevalniki s filtrirnim sistemom in z inverterjem napetosti imajo
porabo 9 mA, ki pa raste s povišanjem frekvence vhodnega signala na operacijskih
ojačevalnikih. Pri frekvenci, višji od 10 kHz, je poraba znašala že 17 mA. Poraba celotnega
vezja se giblje okoli 28 mA, pri vhodnem signalu 400 Hz na analognem delu. Porabo smo
izmerili pri vhodni napetosti 7.4 V, kar je nominalna vrednost uporabljene LiPo baterije.
Poraba ESC-krmilnika za motor znaša okoli 30 mA, poraba motorja pa pri naših vrtljajih
okoli 500 mA.
6.2 Merjenje senzorske plošče
Da vidimo ali zajemanje polja sploh deluje, smo najprej testirali samo zajemanje. Med
dvema vitro ploščama smo ustvarili električno polje s pomočjo 1000 V generatorja
enosmerne napetosti. Nato smo osciloskopsko sondo pripeljali skoraj čisto do senzorske
plošče, nad katero se vrti zaslonka, in jo z žičko povezali na senzorsko ploščo. Povečevali
smo napetost na ploščah in s tem električno polje med njima. Po vsakem povečanju
napetosti smo izmerili zajeti signal. Meritve smo opravili v celotnem območju delovanja
generatorja enosmerne napetosti.
Slika 40: Primer oblike zajetega signala pri napetosti na vitro plošči 875 V
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
63
Dovedena Izmerjena Dovedena Izmerjena
U [V] U[mVpp] Polje [V/m] U [V] U[mVpp] Polje [V/m]
10 5 100 525 512 5250
25 20 250 550 536 5500
50 46 500 575 564 5750
75 68 750 600 584 6000
100 100 1000 625 612 6250
125 126 1250 650 632 6500
150 152 1500 675 664 6750
175 180 1750 700 680 7000
200 196 2000 725 708 7250
225 222 2250 750 728 7500
250 250 2500 775 764 7750
275 274 2750 800 776 8000
300 296 3000 825 808 8250
325 322 3250 850 832 8500
350 346 3500 875 864 8750
375 366 3750 900 872 9000
400 392 4000 925 904 9250
425 416 4250 950 920 9500
450 440 4500 975 944 9750
475 468 4750 1000 968 10000
500 488 5000
Tabela 1: Zajem polja na zaslonki
Graf 1: Merjenje zajema električnega polja
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
Električno polje (V/m)
U[mVpp]
U[mVpp]
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
64
Na grafu je prikazana napetost iz senzorske plošče v odvisnosti od električnega polja. Iz
grafa lahko vidimo, da se vrednost, zajeta na senzorski plošči, linearno povečuje s
povečanjem električnega polja.
6.3 Merjenje pasovno prepustnega sita
V sistemu uporabljamo pasovno prepustno sito 4. reda s centralno frekvenco pri 400 Hz.
Meritve sita smo izvedli pri konstantni magnitudi vhodnega signala 250 mVpp, kar se po
ojačenju (konstantnem) ojača v 9,84 Vpp. Ojačenje je torej znašalo 40. Višje nismo šli, ker
je tukaj vhodni sinusni signal pri centralni frekvenci še nepopačen. Tu je tudi meja
operacijskih ojačevalnikov pri našem napajanju.
Slika 41: Vhodni signal pred (levo) in po ojačenju (desno)
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
65
Meritve smo izvedli v frekvenčnem razponu od 20 Hz do 25 kHz.
f(Hz) Vout(Vpp) dB f(Hz) Vout(Vpp) dB
20 0,22 –33,01 900 9 –0,78
40 1,66 –15,46 1000 8,8 –0,97
60 3,68 –8,54 1100 8,64 –1,13
80 5,4 –5,21 1200 8,56 –1,21
100 6,6 –3,47 1300 8,32 –1,46
120 7,52 –2,34 1400 8,16 –1,63
140 8 –1,80 1500 7,92 –1,89
160 8,32 –1,46 1600 7,76 –2,06
180 8,64 –1,13 1700 7,6 –2,24
200 8,8 –0,97 1800 7,36 –2,52
220 8,96 –0,81 1900 7,28 –2,62
240 9,004 –0,77 2000 7 –2,96
260 9,12 –0,66 2400 6,32 –3,85
280 9,2 –0,58 2800 5,68 –4,77
300 9,2 –0,58 3200 5,12 –5,67
320 9,28 –0,51 3600 4,48 –6,83
340 9,36 –0,43 4000 4 –7,82
360 9,36 –0,43 4500 3,52 –8,93
380 9,44 –0,36 5000 3,1 –10,03
400 9,44 –0,36 5500 2,7 –11,23
420 9,44 –0,36 6000 2,4 –12,26
440 9,44 –0,36 7000 1,92 –14,19
460 9,44 –0,36 8000 1,52 –16,22
480 9,44 –0,36 9000 1,26 –17,85
500 9,44 –0,36 10000 1 –19,86
520 9,36 –0,43 11000 0,9 –20,78
540 9,36 –0,43 12000 0,768 –22,15
560 9,36 –0,43 13000 0,672 –23,31
580 9,36 –0,43 14000 0,592 –24,41
600 9,28 –0,51 15000 0,52 –25,54
650 9,2 –0,58 17500 0,4 –27,82
700 9,2 –0,58 20000 0,32 –29,76
750 9,2 –0,58 25000 0,2 –33,84
800 9,12 –0,66
850 9 –0,78
Tabela 2: Meritve ojačenja pasovno prepustnega sita
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
66
Graf 2: Izhodna napetost v odvisnosti od frekvence
Graf 3: Ojačenje v odvisnosti od frekvence
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1 10 100 1000 10000
Uiz
h (
Vp
p)
Frekvenca (Hz)
Uizh(Vpp)
-40,00
-35,00
-30,00
-25,00
-20,00
-15,00
-10,00
-5,00
0,00
1 10 100 1000 10000
Oja
čen
je (
dB
)
Frekvenca (Hz)
Ojačenje
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
67
Rezultate smo predstavili v dveh grafih. Na prvem lahko vidimo magnitudo izhodne
napetosti v odvisnosti od frekvence, na drugem pa ojačenje v dB v odvisnosti od
frekvence. V obeh primerih je frekvenca v logaritemskem merilu. Če primerjamo dejanske
rezultate meritev s tistimi, dobljenimi pri simulaciji, lahko opazimo nekaj podobnosti in
nekaj razlik. Kot smo lahko opazili pri rezultatih simulacije, ojačenje ni doseglo meje
0 dB. Pasovna širina prepustnega dela (pas do –3 dB ) pa je večja. Pri nizkih frekvencah je
prag približno enak pri 50 Hz, pri višjih frekvencah pa pri realnem filtru dosežemo prag
–3 dB 800 Hz kasneje kot v simulaciji. Do tega je lahko prišlo, ker so elementi v simulaciji
idealni, mi pa smo uporabljali upore s toleranco 5 %.
6.4 Meritev usmerjanja signala
Za obdelavo signala na mikroprocesorju smo morali signal iz izmeničnega spremeniti v
enosmernega. Prvi korak pri tem je usmeritev negativnih sinusnih period v pozitivne. To
smo storili s polno valjnim usmerjanjem s pomočjo diod, uporov in dveh operacijskih
ojačevalnikov. Izhod iz drugega operacijskega ojačevalnika lahko vidimo na spodnji sliki.
Slika 42: Slika polnovalnega usmerjanja
Iz slike je razvidno, da se negativne periode niso popolnoma preslikale navzgor. To je
posledica tega, da smo namesto 5 kΩ upora v vezju uporabili 4,7 kΩ upor. S tem nismo
točno na polovici 10 kΩ uporov in ta razlika se sedaj odraža v razliki 440 mV med
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
68
pozitivno periodo in preslikano negativno periodo. Idealno polnovalno usmerjanje pa smo
lahko videli pri rezultatih simulacije vezja.
6.5 Meritev električnega polja v laboratoriju in kalibracija mlina
Ko smo celotni električni mlin sestavili, smo v laboratoriju ponovili meritve, ki smo jih
naredili samo z zaslonko. Ponovno smo uporabili generator, ki na izhodu omogoča 1000 V
enosmerne napetosti in dve vitro plošči, razmaknjeni za 12 cm. Naš mlin električne poljske
jakosti smo namestili na sredino plošče in pričeli merjenje. Izmerjene vrednosti smo nato
primerjali z dejanskim poljem, dobljenim po enačbi:
, (6.1)
kjer je:
E … električna poljska jakost v V/m,
V … napetost na plošči,
d … razdalja med ploščama v metrih.
Iz rezultatov smo nato izračunali naš pogrešek pri merjenju tako, da smo izračunano
vrednost polja delili z izmerjeno. V tabeli 3 lahko vidimo rezultate:
1. stolpec – napetost na plošči,
2. stolpec – razdalja med ploščama,
3. stolpec – izračunana vrednost električnega polja,
4. stolpec – izmerjena vrednost električnega polja,
5. stolpec – faktor pogreška (izračunana vrednost polja/izmerjena vrednost polja).
Nato smo pogrešek dodali k formuli, ki preračunava polje v mikroprocesorju, in meritve
ponovili. Rezultati so vidni v tabeli 4.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
69
U [V] d(m) Polje [V/m] Izmerjeno [V/m] Faktor pogreška
10 0,12 83,33 100 0,83
25 0,12 208,33 174 1,20
50 0,12 416,67 309 1,35
75 0,12 625,00 445 1,40
100 0,12 833,33 581 1,43
125 0,12 1041,67 736 1,42
150 0,12 1250,00 871 1,44
175 0,12 1458,33 1007 1,45
200 0,12 1666,67 1142 1,46
225 0,12 1875,00 1355 1,38
250 0,12 2083,33 1491 1,40
275 0,12 2291,67 1588 1,44
300 0,12 2500,00 1685 1,48
325 0,12 2708,33 1859 1,46
350 0,12 2916,67 2053 1,42
375 0,12 3125,00 2111 1,48
400 0,12 3333,33 2227 1,50
425 0,12 3541,67 2382 1,49
450 0,12 3750,00 2595 1,45
475 0,12 3958,33 2653 1,49
500 0,12 4166,67 2750 1,52
525 0,12 4375,00 2944 1,49
550 0,12 4583,33 3137 1,46
575 0,12 4791,67 3196 1,50
600 0,12 5000,00 3312 1,51
625 0,12 5208,33 3447 1,51
650 0,12 5416,67 3622 1,50
675 0,12 5625,00 3680 1,53
700 0,12 5833,33 3796 1,54
725 0,12 6041,67 3873 1,56
750 0,12 6250,00 4067 1,54
775 0,12 6458,33 4106 1,57
800 0,12 6666,67 4203 1,59
825 0,12 6875,00 4300 1,60
850 0,12 7083,33 4435 1,60
875 0,12 7291,67 4493 1,62
900 0,12 7500,00 4610 1,63
925 0,12 7708,33 4765 1,62
950 0,12 7916,67 4958 1,60
975 0,12 8125,00 5094 1,60
1000 0,12 8333,33 5201 1,60 Tabela 3: Rezultati prvih meritev mlina električnega polja
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
70
U [V] d(m) Polje [V/m] Izmerjeno [V/m] Faktor pogreška
10 0,12 83,33 95 0,88
25 0,12 208,33 228 0,91
50 0,12 416,67 454 0,92
75 0,12 625,00 666 0,94
100 0,12 833,33 878 0,95
125 0,12 1041,67 1121 0,93
150 0,12 1250,00 1393 0,90
175 0,12 1458,33 1545 0,94
200 0,12 1666,67 1666 1,00
225 0,12 1875,00 1909 0,98
250 0,12 2083,33 2181 0,96
275 0,12 2291,67 2363 0,97
300 0,12 2500,00 2454 1,02
325 0,12 2708,33 2696 1,00
350 0,12 2916,67 3000 0,97
375 0,12 3125,00 3181 0,98
400 0,12 3333,33 3272 1,02
425 0,12 3541,67 3545 1,00
450 0,12 3750,00 3787 0,99
475 0,12 3958,33 4000 0,99
500 0,12 4166,67 4090 1,02
525 0,12 4375,00 4333 1,01
550 0,12 4583,33 4606 1,00
575 0,12 4791,67 4787 1,00
600 0,12 5000,00 4909 1,02
625 0,12 5208,33 5151 1,01
650 0,12 5416,67 5393 1,00
675 0,12 5625,00 5545 1,01
700 0,12 5833,33 5636 1,04
725 0,12 6041,67 5848 1,03
750 0,12 6250,00 6060 1,03
775 0,12 6458,33 6181 1,04
800 0,12 6666,67 6363 1,05
825 0,12 6875,00 6515 1,06
850 0,12 7083,33 6636 1,07
875 0,12 7291,67 6730 1,08
900 0,12 7500,00 6878 1,09
925 0,12 7708,33 7030 1,10
950 0,12 7916,67 7212 1,10
975 0,12 8125,00 7363 1,10
1000 0,12 8333,33 7818 1,07 Tabela 4: Rezultati drugih meritev električnega polja
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
71
Po drugem merjenju oz. kalibraciji električnega poljskega mlina smo prišli do 10 %
točnosti izmerjenega električnega polja. Do boljše natančnosti nismo prišli, ker so razlike
med merjeno in izračunano vrednostjo električnega polja nekonsistentne in nelinearne. Če
bi znali določiti pravo funkcijo, po kateri se velikost izmerjenega polja razlikuje od
izračunanega, bi lahko mlin električnega polja bolj točno kalibrirali. Prav tako bi morali
izvesti meritve v še močnejšem polju, saj so vse meritve sedaj potekale le pri največjem
ojačenju. Tako bi lahko še bolje razumeli funkcijo, ki jo potrebujemo za točno kalibracijo.
Naslednji graf prikazuje rezultate prve in druge meritve ter izračunano vrednost
električnega polja.
Graf 4: Rezultati meritev v primerjavi z izračunanim poljem
Naredili smo tudi meritve napetosti, ki pride na analogno-digitalni vhod na
mikroprocesorju. Na grafu lahko vidimo napetost na vhodu analogno-digitalnega
pretvornika v odvisnosti od napetosti, pripeljane na ploščo.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
0 200 400 600 800 1000
Ele
ktr
ičn
o p
olj
e [V
/m]
Napetost na plošči [V]
Meritev 1[V/m]
Meritev 2[V/m]
Dejansko polje[V/m]
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
72
U[V] Uvh[V]
50 0,0645
100 0,0935
150 0,1515
200 0,1836
250 0,2385
300 0,2707
350 0,3287
400 0,3577
450 0,4157
500 0,4479
550 0,5027
600 0,5349
650 0,5833
700 0,6123
750 0,6574
800 0,6799
850 0,7186
900 0,7412
950 0,7766
1000 0,8024 Tabela 5: Meritve napetosti na vhodu mikroprocesorja
Graf 5: Napetost na vhodu mikroprocesorja v odvisnosti od napetosti na plošči
Pri teh meritvah smo tudi ugotovili, da je napetost na vhodu mikroprocesorja, ko se motor
še ne vrti in ni polja, 16 mV, in to upoštevali pri kalibraciji električnega mlina.
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
0 200 400 600 800 1000
Na
pet
ost
na
vh
od
u m
ikro
pro
ceso
rja
[V]
Napetost na plošči [V]
Uadc[V]
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
73
Med meritvami smo s sondo osciloskopa preverili, ali os motorja, na katero je pritrjena
zaslonka, prenaša kakršnekoli motnje. Hitro smo ugotovili, da ko se motor vrti, prihajajo
motnje po osi. Zato smo se odločili os in zaslonko ozemljiti. Na spodnji sliki lahko vidimo
motnje na osi motorja pred in po ozemljitvi.
Slika 43: Motnje na osi motorja pred (levo) in po ozemljitvi osi
6.6 Meritev električnega polja v okolici
6.6.1 Merjenje gospodinjskih aparatov
Električni poljski mlin smo nato preizkusili tudi v hiši in bližnji okolici. Na spletni strani
inštituta za neionizirana sevanja http://www.inis.si/index.php?id=97#.VHGxJIuG8ZO smo
našli naslednjo tabelo za električno polje v bližini električnih naprav v gospodinjstvu.
Električna naprava Električna poljska jakost (V/m)
Stereo sprejemnik 180
Likalnik 120
Hladilnik 120
Mešalnik 100
Opekač 80
sušilnik za lase 60
barvni TV-sprejemnik 60
Naprava za pripravo kave 60
Sesalnik 50
električna pečica 8
Žarnica 5
Dovoljena mejna vrednost glede na priporočila ICNIRP 5000
Tabela 6: Značilne vrednosti električne poljske jakosti električnih naprav na oddaljenosti 30 cm
Nato smo vzeli mlin električne poljske jakosti in naredili meritve v bližini večine zgoraj
navedenih predmetov.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
74
Električna naprava Električna poljska jakost (V/m)
Radio 58
Likalnik 58
Hladilnik 38
Sušilec za lase 76
Električna pečica 19
Sesalec 76
Varčna žarnica 19
Žarnica z žarilno nitko 38
LCD LED Televizija 38 Tabela 7: Meritve gospodinjskih aparatov
Pri teh meritvah se opazi ločljivost merilnega instrumenta in znaša 19 V/m. To dejansko
pomeni, da na vhod mikroprocesorja pride malo več kot 3 mV, kar pa je ločljivost pri
uporabi 10-bitne analogno digitalne pretvorbe pri 3,3 V napetosti na procesorju. Naši
rezultati so dokaj podobni tistim, navedenim na spletni strani. Če bi uporabljali večjo
resolucijo, bi se jim morda še bolj približali. Prav tako bi si rezultati lahko bili bolj
podobni, če bi pisalo, za točno katere naprave meritve veljajo.
6.6.2 Merjenje električnega polja pod 110 kV daljnovodom
Veliko električno polje je najbolj zaznavno pod daljnovodi z velikimi napetostmi. Mi smo
meritve opravljali neposredno pod 110 kV daljnovodom. Meritve smo opravljali kar nekaj
časa, v naslednji tabeli pa bomo prikazali podatke o enem ciklu merjenja, kar znaša 20
meritev. Cilj je bil izmeriti približno električno polje velikosti 3 kV/m, kar je tudi
maksimum pod takšnim daljnovodom. Meritve se izvajajo vsake 1,5 sekunde.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
75
Meritev Električno polje [V/m]
1 272
2 818
3 1261
4 1618
5 2578
6 2578
7 2578
8 2578
9 3170
10 2898
11 2898
12 3170
13 2965
14 2578
15 3034
16 3067
17 2898
18 3034
19 3067
20 2898
Tabela 8: Meritev električnega polja pod 110 kV daljnovodom
Graf 6: Meritev električnega polja pod 110 kV daljnovodom
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 5 10 15 20
Ele
ktr
ičn
o p
olj
e[V
/m]
Št. meritve
E[V/m]
Električno polje [V/m]
3 obd. Drseč.
Povprečja. (Električno
polje [V/m])
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
76
Iz grafa 6 je razvidno, da električno polje začne naraščati po zagonu motorja, saj tudi
motor potrebuje nekaj sekund, da doseže svojo nastavljeno hitrost. Velikost zajetega polja
malo niha, saj vrtljaji motorja niso popolnoma konstantni. Prav tako razdalja med
senzorsko ploščo in zaslonko malo niha, ker motorja in zaslonke nismo posebej kalibrirali.
Na meritve pa lahko vplivata tudi okolje in vreme, saj smo merili ob oblačnem vremenu.
6.6.3 Primer shranjevanja rezultatov meritev električnega polja na mikro SD
kartico
Slika 44: Primer podatkov (rezultatov), shranjenih na SD-kartici
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
77
7 Sklep
V magistrskem delu smo predstavili delovanje mlina za merjenje električne poljske jakosti
v ozračju. Zajemanje električnega polja v ozračju se je izkazalo za dokaj težavno nalogo,
saj so vrednosti, ki jih zajemamo na senzorski površini, zelo majhne. Zato je bilo treba
signal po najkrajši poti pripeljati do ojačevalnika in sit. S tem namenom smo tiskanino z
delom vezja za ojačenje in filtriranje namestili tik pod senzorsko ploščo, na kateri se
zajema signal, in tako je linija od senzorske plošče do ojačenja dolga le dobra 2 centimetra.
Da smo motnje iz okolice še nekoliko zmanjšali, smo celotni sestav postavili v
aluminijasto cev, ki je vezana na maso, in s tem ustvarili t.i. Faradeyevo kletko. Velikost
zajetega polja se spreminja, zato smo naredili dinamično ojačenje z uporabo
multiplekserja, ki smo ga kontrolirali z mikroprocesorjem. Po ojačenju je bilo treba
koristni signal prefiltrirati, da smo se znebili motenj ali drugih signalov, ki bi lahko vplivali
na rezultat meritev. Kot sito smo uporabili pasovno prepustno sito 4. reda po Sallen-Key
topologiji. Centralno frekvenco smo postavili na 400 Hz. Za to frekvenco smo se odločili,
ker smo se s tem znebili vpliva 50 Hz iz omrežja in okolice, nastavljena hitrost vrtenja
motorja ustreza tej frekvenci in zatrli smo visoko frekvenčne signale, s katerimi je krmiljen
uporabljeni brezkrtačni motor. Uporabili smo analogna sita z operacijskimi ojačevalniki, ki
imajo možnost dvostranskega napajanja in izhodne vrednosti signala se lahko približajo
napajalnim napetostim na nekaj milivoltov. S takšno uporabo sit smo pred usmerjanjem
dobili največji možni signal. Ker pa izmenični signal ni primeren za merjenje na
mikroprocesorju, ki je napajan le enosmerno, smo signal še usmerili. Uporabili smo
polnovalno usmerjanje, da smo čim več uporabnega signala prenesli na mikroprocesor.
Tudi usmerjenje deluje precej dobro. Boljše bi lahko bilo samo, če bi uporabljali 1 % upore
in vrednosti uporov bi morale biti v čisto točnem razmerju 1:2. Pred vhodom na
mikroprocesor smo signal povprečili še s sitom, nastavljenim na 1 Hz. Na tej stopnji smo
dobili zelo enakomeren enosmerni signal, ki smo ga nato vzorčili na mikroprocesorju.
Ko smo merili samo zaslonko in senzorsko ploščo brez ostalih delov, smo ugotovili, da se
velikost zajetega signala povečuje linearno s povečevanjem električnega polja, kar je bilo
tudi za pričakovati. Ta meritev je za začetek najpomembnejša, saj smo ugotovili, da
zajemanje signala deluje in lahko nadaljujemo z delom.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
78
Sledile so meritve pasovno prepustnega sita. Rezultate teh meritev smo lahko primerjali z
rezultati simulacije, ki smo jo izvedli med načrtovanjem vrednosti elementov sita. Če
primerjamo idealno sito iz simulacije in realno sito, lahko najdemo nekaj podobnosti in
nekaj razlik. Strmina visokoprepustnega in meja – 3 dB sta na približno enakem mestu v
simulaciji in v realnosti. Pri nizkopasovnem situ pa je prišlo do razlike 800 Hz, če
primerjamo simulacijo in realnost. Čeprav se je realno nizkopasovno sito začelo zapirati
skoraj 1 kHz kasneje, pa je še vedno dovolj dobro nastavljeno, da je slabljenje pri krmilnih
frekvencah motorja že precejšnje. Za izboljšanje meje nizkopasovnega sita bi lahko
poizkusili z večanjem uporov in manjšanjem kondenzatorjev, ki sestavljajo sito.
Pri merjenju sestavljenega električnega mlina smo ugotovili, da je napetost na vhodu
mikroprocesorja še vedno precej linearna glede na povečanje električnega polja. Opazili pa
smo, da linearnost pri večjih vrednosti polja izginja in je rezultat že bolj podoben kakšni
eksponentni funkciji. Mislimo, da do tega pride, ker je frekvenca motorja 50 Hz višja od
centralne frekvence sit in je slabenje (čeprav malo) vedno bolj opazno pri večjih zajetih
vrednostih polja. Pri kalibraciji pa smo ugotovili, da električni mlin v celoti kaže manjše
vrednosti, in smo zato po kalibraciji v izračune na mikroprocesorju dodali faktor pogreška.
Trenutno je ta faktor linearen za celotno območje posameznega ojačenja, kar je v območju,
v katerem smo naredili meritve, dokaj ustrezno. Da bi videli obnašanje pri še večjih
napetostih in tamkajšnji pogrešek, bi morali take meritve tudi izvesti, ampak to v
laboratoriju ni bilo mogoče. Da bi se znebili takšnih izgub, bi lahko premaknili centralno
frekvenco pasovnoprepustnega sita še 50 Hz višje.
Sledile so tudi meritve jakosti električnega polja v okolici in doma. Pri meritvah v okolici
gospodinjskih aparatov smo opazili zelo malo polje in s tem tudi videli ločljivost našega
instrumenta, ki znaša 19 V/m. Pred začetkom naloge smo si zadali cilj 20 V/m in smo s to
ločljivostjo tudi zadovoljni, saj prvotno ni bil naš namen meriti tako majhno polje, ampak
polje v ozračju, ki presega 100 V/m. Polja v ozračju na dan brez močne nevihte naš
instrument ne meri. To smo si najbolj želeli, saj bi s tem lahko na dnevni ravni spremljali
spremembo vremena na podlagi spremembe električnega polja. Smo pa pravilno zaznali
jakost električnega polja pod 110 kV daljnovodom.
Za izboljšanje sistema bi lahko uporabili bolj natančne vrednosti uporov pri usmerjanju,
drugačne vrednosti elementov pri nizkopasovnem situ in centralno frekvenco pasovno
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
79
prepustnega sita dvignili še za 50 Hz. Poizkusili bi lahko tudi z manjšo ali večjo površino
senzorske plošče, da bi videli, pri kakšnih dimenzijah so rezultati najbolj optimalni. Nikjer
nismo zasledili, kakšna naj bi bila oddaljenost med zaslonko in senzorskim delom, zato bi
bilo dobro, če bi imeli mehanizem, s katerim bi lahko bolj prilagajali to višino, da bi
ugotovili najboljšo vrednost. Če bi želeli meriti tudi zelo majhne vrednosti polja (pod 19
V/m), bi lahko uporabili 12-bitno resolucijo namesto 10-bitne.
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
80
8 Viri, literatura in priloge
[1] Atmospheric electricity, Wikipedia. Dostopno na:
http://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_electricity [24. 11. 2014].
[2] Bennett Alec. Measurement of Atmosferic Electricity During Different
Meteorological Conditions. University of Reading, thesis for degree of Doctor of
Philosophy, 2007. Dostopno na:
http://www.met.rdg.ac.uk/phdtheses/Measurement%20of%20Atmospheric%20Electricity
%20During%20Different%20Meteorological%20Conditions.pdf [24. 11. 2014].
[3] Colwell Catharine H.. Physics LAB online. Resource lesson, Electric Fields:
Parallel Plates, 2014. Dostopno na:
http://dev.physicslab.org/Document.aspx?doctype=3&filename=Electrostatics_ParallelPlat
esElectricFields.xml [24. 11. 2014].
[4] Crowley Jopseph M.. The Fair-Weather Atmosfere as a Power Source. Proc. ESA
Annual Meeting of Electrostatics 2011, Paper A2. Dostopno na
http://www.electrostatics.org/images/a2.pdf [24. 11. 2014].
[5] Chan. FatFs – Generic FAT File System Module, 2013. Dostopno na: http://elm-
chan.org/fsw/ff/00index_e.html [24. 11. 2014].
[6] Falstad Paul. India BIX. Circuit Simulator: Full-Wave Rectifier with op-amps.
Dostopno na: http://www.indiabix.com/electronics-circuits/full-wave-rectifier-with-op-
amps/ [24. 11. 2014].
[7] Field Mill, Wikipedia. Dostopno na: http://en.wikipedia.org/wiki/Field_mill [24.
11. 2014].
[8] George Bartlett Prescott, History, Theory, and Practice of the Electric Telegraph.
Boston: Ticknor and Fields, 1860.
[9] HC 05. HC Serial Bluetooth Products, User Instruction Manual. Dostopno na:
http://www.exp-tech.de/service/datasheet/HC-Serial-Bluetooth-Products.pdf [24. 11.
2014].
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
81
[10] Inštitut za neionizirana sevanja. Viri nizkofrekvenčnih EMS, 2012. Dostopno na
http://www.inis.si/index.php?id=97#.VHSAn4uG_Ue [24. 11. 2014].
[11] Lars Wahlin, Atmosferic electrostatics. Colorado, ZDA: Colutron Resarch Corp.,
1989.
[12] Lynn Ashley. Electric field mill. Dostopno na: http://a-tech.net/ElectricFieldMill/
[24. 11. 2014].
[13] M.J. Rycroft. Journal of Atmosferic and Solar-Terrestrial Physics, Volume 62.
Cambridge: Elsevier Science B.V., 2000, 1563–1576.
[14] Mission Instruments. Electric Fields, 2006. Dostopno na
http://www.missioninstruments.com/pages/learning/elec_fields.html [24. 11. 2014].
[15] Rod Elliot. Precision Rectifiers, 2009. Dostopno na:
http://sound.westhost.com/appnotes/an001.htm [24. 11. 2014].
[16] ROHM Semiconductor. BD4860, Standard CMOS Voltage Detector IC, Datasheet.
Dostopno na: http://www.farnell.com/datasheets/1747280.pdf [24. 11. 2014].
[17] Sallen-Key topology. Filter design, Wikipedia. Dostopno na:
http://en.wikipedia.org/wiki/Sallen%E2%80%93Key_topology [24. 11. 2014].
[18] Silvanus Phillips Thompson, Elementary Lessons in Electricity and Magnetism,
Seventh edition. New York, The Macmillan Company, 1917.
[19] SPI komunikacija, Wikipedia. Dostopno na: http://sl.wikipedia.org/wiki/SPI [24.
11. 2014].
[20] ST Microelectronics. STM32L152Rct6, Microprocessor. Dostopno na:
http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/DM0
0048356.pdf [24. 11. 2014].
[21] Texas instruments, TLV 274, Low Power Precision Amplifier, Datasheet. Dostopno
na: http://www.ti.com/lit/ds/slos351d/slos351d.pdf [24. 11. 2014].
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
82
[22] Texas instruments. CD4051, 8 Channel multiplexer, Datasheet, 2003.
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd4051b.pdf [24. 11. 2014].
[23] Texas instruments. LM2671M-5.0. Simple switcher., High Efficiency Step-Down
Voltage Regulator, Datasheet . Dostopno na: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2671.pdf
[24. 11. 2014].
[24] Texas instruments. LM1117. Low-Dopout Linear Voltage Regulator, Datasheet .
Dostopno na: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm1117-n.pdf [24. 11. 2014].
[25] Texas instruments. TPS60400. Charge Pump Voltage Inverter Datasheet . Dostopno
na: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps60400.pdf [24. 11. 2014].
[26] The free dictionary. Electric Field of the Earth, 1979. Dostopno na:
http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/Electric+Field+of+the+Earth [24. 11. 2014].
[27] Zimmermann Paul. My Fieldmill Voltmeter Project, 2002. Dostopno na:
http://freespace.virgin.net/paul.zimmermann/Electronic/ep2.htm#My%20fieldmill [24. 11.
2014].
[28] Zimmermann Paul. Measuring High Voltages, 2002. Dostopno na:
http://freespace.virgin.net/paul.zimmermann/VDG/measurin.htm#Measuring [24. 11.
2014].
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
83
Priloga A
Slika končnega izdelka:
Merilnik elektrostatičnega polja z električnim poljskim mlinom
84
Priloga B
Shema vezja pretvornika enosmerne napetosti navzgor: